城轨车辆远程监测信息系统的设计与实现

陈 闯 陈广泰 姜 正

(中车大连机车研究所有限公司 辽宁 大连 116023)

0 引 言

随着城市轨道交通大规模、快速发展，除了安全性以外，城轨交通的服务质量以及服务效率也受到广泛关注。运营调度对所有在线运营车辆进行远程实时运维监测逐步成为提高城市轨道交通服务质量的重要方式。

目前，城市轨道交通运维部门对车辆的维护主要实行的是设备巡检和计划性维修制度，这种维修方式具有一定盲目性和主观性。对于列车上的大部分部件，维修人员需要频繁检查与测量，有时甚至需要进一步拆卸来确认部件工作状态，由此产生的大量多余劳动和能源消耗，浪费了人力、物力和财力[1]。

此外，车辆实时远程运维监测的实现，必需建立在车地通信技术的基础之上。虽然近些年基于Wi-Fi和LTE的车地通信技术得到了快速发展，但因其实施费用高，有些较早开通的城轨沿线没有建立Wi-Fi环境，且已建线路也有相当一部分因Wi-Fi信号不稳定，造成车地无线通信系统很难在列车高速移动情况下，提供全线路、高可靠、低时延的带宽通信。车厢视频只能少量地传回运营调度监控中心，大部分视频信息只能事中记录、事后查看，不是真正的车厢实时视频监控，无法做到及时处置。目前，还有采用公网4G方式在城市交通领域实现车载视频及车载运行监测数据的传输，但基于轨道交通领域的高可靠网络环境的安全要求，无法真正应用在轨道交通领域[2]。

基于以上存在的现象和问题，结合当前先进的模块化嵌入式编程、物联网应用、Web应用开发、MySQL数据库和Android移动应用等多种主流技术，本文设计一套基于APN网络的城轨车辆远程监测信息系统(Urban rail vehicle Remote Monitoring information system， URM)，及时掌握城轨车辆运用状况，实现对列车设备状态信息的远程监测和车载视频的集中监视，及时对城轨列车设备进行诊断维护和突发事件的应急响应，实现对列车设备进行故障预测健康管理，为提升城市轨道交通服务水平和推进智能化维修体系提供支持。

1 系统功能

URM系统的总体设计思路是采用先进的车载信息采集技术、无线通信技术、流媒体传输技术和故障预测健康管理技术，把城轨车辆TMS(Train Management System)及PIS(Passenger Information System)设备运行状态数据、故障数据和视频信息等车载数据处理整合后，利用APN(Access Point Name)专网无线传输技术传至地面进行分析处理，地面系统通过计算机技术对城轨车辆在途监视、整备列检等信息进行综合应用。

1) 列车运行状态监测。随时掌握列车的正常使用、备用状态，实时获得车辆的车号、线路、速度、在线状态、前方到站、硬盘状态、信号强度、摄像头状态、PA(Passenger Audio)状态、信息显示系统状态、车载网络状态及经纬度坐标等信息，便于车辆集中调度，充分利用车辆，提高车辆的利用率。

2) 及时了解列车故障状态。远程监测车辆的故障状态，随时掌握每台列车的状态是否完好，实时采集车载PIS系统故障信息，包括故障发生的车号、车厢、故障设备、故障模块、IP地址、发生时间、故障等级及故障处置意见等信息，精准定位故障发生位置，节省故障维修时间和维修救援成本。

3) 车载视频监控远程监视。远程点播司机室及客室等多路车载实时视频信息，实现对司机规范驾驶、车厢应急指挥、火灾监控和录像取证等运行安全监测。采用流媒体分发技术，实现单路视频无线，地面多路并发访问应用，节省无线带宽流量。

4) 及时了解列车网络状态。实时监测车载PIS系统的环网式以太网数字化网络状态，快速定位网络故障节点。

5) 协助公安人员完成NVR视频转存。通过两种模式实现视频文件转储。远程查看视频文件列表，实现单个视频文件的在途转存；列车回段入库后通过WLAN网络将NVR(Network Video Recorder)视频全程数据文件批量下载到地面。

6) 车载日志文件的无线下载。基于FTP服务及端口映射技术，实现远程下载列车PIS系统中各智能模块中的日志文件，方便地面运维人员进一步分析设备故障。

2 系统结构与组成

系统主要包括：位于车载端的数据采集传输装置和专用车载天线及配套线缆；位于地面监测中心的车地数据无线通信接入设备和智能手持终端模块。车地无线传输方式采用专用APN物联网和整备库WLAN无线局域网进行实时数据、视频文件及事件记录文件的传输[3]。系统组成架构如图1所示。

图1 系统组成架构图

2.1 数据采集传输装置组成

本装置采用标准3U机箱结构，与车载PIS网络及车载组合天线相互连接。采用ARM的嵌入式模块化开发技术，各模块间采用统一背板总线连接，基于以太网方式传输，由供电模块、组网接口模块、主控模块、无线传输模块、I/O转换模块、合路器模块及背板等模块组成。装置组成如图2所示。

图2 装置组成图

其中，主控模块是整个装置的核心模块，用于接收车载PIS数据，同时存储故障发生时的关键特征数据，包括车辆语音报站、车辆开关门、车辆速度、车辆定位、信号强度及车载PIS系统设备运行状态信息。主控模块每隔1秒从PIS网络实时采集关键特征数据并保存到行车记录仪文件中，同时每隔3秒向地面监控中心实时发送设备运行状态数据；当列车发生故障，启动车载故障分析处理模块，将定位后的故障信息实时发送至地面监控中心，同时存储故障发生时的前后各100条与故障相关的变量数据信息，供地面数据点播应用。

组网接口模块采用百兆带宽的背部总线和内部交换矩阵，具有12路M12输出端口与背部总线挂接，每路端口都具有POE供电功能，通过内部交换矩阵控制数据包的过滤和转发。

供电模块输入端为直流110 V，用于为主控模块及组网接口模块提供直流48 V和直流12 V电源供电输出。

无线传输模块集成了物联网APN、WLAN及GPS通信模组。APN物联网通信模块集成专用物联网SIM卡(13位)，绑定APN专网IP地址，用于在途车辆运行工况与车辆监测中心的通信；WLAN无线局域网主要应用车辆入库后与车辆监测中心通信，具有Wi-Fi信号自动识别和连接功能，通过收发库内广播报文方式实现与局域网内服务器的多对一连接，用于下载车载多个视频及事件记录文件，以及为车载PIS系统上传预制节目；GPS模块主要实现列车的经纬度定位功能。

合路器模块用于将车载专用组合天线输入的多频段3G/4G、WLAN及GPS信号分离传输。

I/O转换模块与列车网络连接，作为预留模块，负责后期与列车TMS网络接口通信，具有网关转换功能。

2.2 地面数据监测中心建设

车辆监测中心由数据库服务器、流媒体服务器、应用服务器、交换机、监控拼接屏及多台操作终端组成，用于车载PIS数据的接收、解析、入库、流媒体转发及Web服务应用展示。主要包括数据接收及解析模块、流媒体分发模块、Web数据应用模块及手持终端模块[4]。

数据接收及解析模块用于多台车辆与监测中心之间建立通信连接、协议解析及数据实时入库。

流媒体分发模块用于接收车载RTSP(Real Time Streaming Protocol)视频源，通过转发、处理、编码、封包、推流、传输、转码、分发、解码等过程，最终以RTP/RTSP私有流式协议将视频流传输到客户及智能终端实时播放，实现单路视频源采集，多路高并发访问的流媒体直播服务，节省流量[5]。

Web数据应用模块用于为操作终端或智手持终端端提供车队管理、实时视频、实时故障、网络状态、视频转存及日志转存等应用服务。

手持终端模块为Android三防手机，安装专用的物联网SIM卡，其上部署定制开发的APP应用程序，实时查看列车的运行状态、实时故障和流媒体视频信息。

2.3 车地无线传输网络建设

车地无线传输建设主要包括专用APN网络和整备库WLAN网络。

(1) 专用APN网络，用于在途运行车辆数据的传输，基于MSTP专线+GRE隧道方式实现。建立该种通信方式，需向运营商申请专用接入点名称APN；租用到运营商的专线；SIM卡配置域名及IP，加入APN。车载设备和前置服务器之间的数据通信不通过Internet网络[6]。

(2) 地面WLAN网络，用于车辆回段入库时的文件自动下载。通过在库内合理布置无线热点，当列车进入整备库时，自动连接库内Wi-Fi热点，实现对入库车辆车载记录文件及视频文件的转储[7]。

3 技术路线及设计方法

3.1 车载终端业务实现技术路线

车载数据采集传输装置以模块化设计为基础，采用单进程、多线程资源管理方式，满足降低程序复杂度、可复用、易于维护、易于扩展、利于团队开发的要求。同时，通过分层的结构划分，各层次各模块之间界限清晰、接口明确、相互独立，确保程序整体运行高稳定性。车载终端技术架构图如图3所示。

图3 车载终端技术架构图

车载终端数据流业务较为复杂，需要与车载PIS及TMS网络保持实时双向通信。每个设备的通信协议与协商逻辑各不相同，并且从不同设备获取到的数据的规格、协议以及用途也无法统一，1对N、N对1的数据使用场景交错出现，同时不同硬件板卡的特殊用途也提升了程序的复杂度。因此必须从复杂的业务现状中抽象出一个清晰、可靠的框架用于约束数据流的业务逻辑，否则程序的可靠性、可维护性无从谈起。设计原则如下：

1) 确保各业务模块的独立性。主控(cpu_freq)、IP动态分配(net_mngr)、端口代理(camera_client)及无线路由(ap_init)等模块作为独立的业务单元以独立模块存在，业务上互不影响。不同业务单元独立实现各自的协议要求，对外屏蔽数据来源、硬件板卡规格及数据协议等差异。

2) 关注于各种数据报文仅当前最新一帧的时效性,即获取到新报文后，同类型的旧报文将失去意义。引入数据缓冲区机制，通过数据缓冲区隔离数据流的输入端业务与输出端业务。输入端业务统一接收端口，通过唯一的数据流接收过滤模块将接收到的所有数据分类存入数据缓冲区。输出端业务只需按照各自业务要求随时从数据缓冲区中获取所需任意一类数据，并进行任意处理。通过数据缓冲区机制将车载设备复杂的数据流业务梳理清晰，有效降低了程序的业务流和数据流的耦合，保证了程序的可靠性、可维护性。

3) 整合通用函数为基础功能模块，为其他模块提供统一接口服务，提高程序的稳定性和可复用性。基础功能模板包括线程池(ThreadPool)、日志记录(LOG)、消息链表队列(MessageList)、合法性验证(VOS)及指示灯(LIGHT)等通用模块。

3.2 车地无线通信机制设计

创建四个线程，用于接收实时数据、车载端心跳、故障点播指令及文件远程传输四类报文。

定义DealwithRealtimeData()线程回调函数，用于接收实时报文，通过CRC校验，合法后将报文通过DataBuf_InsertByType()方法存入数据缓存区，供数据解析层获取。

定义DealwithHeartBeat()线程回调函数，用于处理收到的心跳报文(无需CRC校验以及加解密)。收到心跳报文后，若此时存在待发送至该车载端的指令报文，则通过当前的心跳报文套接字将指令报文发送至车载端，反之，则发送默认应答报文。

定义UdpServer4Web()线程回调函数，处理Web端发送的指令报文。收到指令报文后将报文存放入对应车载端的待发送数据缓存区，供心跳应答流程获取。

定义TcpReceive()线程回调函数，处理车载端发起的文件传输请求。TCP链路建立后，等待车载端发送请求报文，请求报文合法，发送确认报文，开始接收数据流，接受完毕后检查实际接受的数据是否正确。不正确则认为传输失败，传输流程终止；正确则将接收到的数据流存入数据缓存区，供数据应用层获取。

3.3 数据接收及入库模块设计方法

数据接收及入库模块基于Linux的C编码实现，其流程主要包括初始化连接、创建接收流线程、创建缓冲区、策略处理、FTP下载、报文解析、数据入库及故障点播等模块算法，如图4所示。

图4 数据解析服务流程图

初始化连接模块主要负责Socket通信和线程池的建立，通过APN专网实现车载端与地面服务器之间的UDP连接。

当有多台列车同时在线运行时，系统会从线程池建立多个接收数据流线程和相应的缓冲区，负责接收列车的实时数据流报文及记录文件数据，并将数据传入数据缓冲区。当列车不在线时，自动释放掉占用的线程和缓冲区资源。

策略处理模块根据报文头属性决定通信层的发送方式以及报文重发周期。若为点播指令，则启用FTP下载记录文件模块；若为实时报文数据流，则启用报文解析模块。FTP下载模块封装了车载端与地面服务器之间通过FTP协议传输的行车记录和点播数据文件的业务逻辑。报文解析模块封装了设备运行状态及实时故障自定义报文协议流，实现对车载报文数据拆包解析的过程。数据入库模块调用数据库存储过程，实现对解析后的数据报文及FTP下载记录入库操作。数据点播指令模块封装了点播指令监听及点播报文封装服务。

3.4 地面远程监测系统技术架构

为了后期新功能的扩展和方便部署考虑，本系统利用Java EE技术，采用JFinal+EasyUI+Pushlet+MySql技术框架，基于面向服务(SOA)的B/S架构设计开发。在服务器上统一部署应用服务，技术检修人员通过浏览器输入服务地址，直接访问及应用，无需在各个操作终端安装客户端软件。同时，系统采用WebService集成接口技术向其他应用系统提供数据接口服务。

4 装车验证情况

本系统已在国内某地既有快轨线路小批量装车应用，整条线路基于4 Mbit/s带宽的APN专网实现车地无线传输，点播视频清晰流畅、GPS定位准确。验证结果如下：

1)司机室采用2Mbit/s码流(分辨率1080P)视频传输，地面系统能够分辨出司机操作动作及仪表盘上的指针数据。

2) 车辆前方摄像头采用1 Mbit/s码流(分辨率720 P)视频传输，能够识别前方路况、路标及前方障碍物。

3) 客室摄像头采用1 Mbit/s码流(分辨率720 P)视频传输，能够看清客室内的人群客流量及拥挤情况。

4) 紧急报警摄像头采用2 Mbit/s码流(分辨率1 080 P)视频传输，能够分清当前报警人脸及现场细节情况。

5) 流量估算。假设每辆车视频点播时长为40小时/月，若按2 Mbit/s码流，经使用验证平均产生流量为350 MBit/小时，即每月/车总流量不超过14 GBit。

6) 若采用4～8 Mbit/s带宽APN专网，至少同时可传送4至8路高清视频及实时信息。

URM系统通过近两年的装车运用考核，实现了对城轨车辆远程运行状态监测及车厢视频实时监视，极大地提高了运维检修效率。采用APN专网无线通信技术，有效地保证了数据传输的安全性，相对于沿线建立LTE及WLAN专网专线，节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。系统应用界面如图5所示。

图5 系统应用界面

5 结 语

本文基于APN网络的城轨车辆远程监测信息系统实现了城轨车辆的前瞻性运用维护服务，降低了设备全寿命周期维护成本，提高了运输设备利用效率，改善了运输管理[8]。系统的实施能够为保障城轨车辆的正常和安全运营、车辆设备安全监控、设备故障排查和检修等提供重要的数据支撑。将领域知识与大数据技术的结合，实现规范驾驶、应急指挥、智能诊断和录像取证等城轨车辆的运行安全，为建立一整套先进的城轨车辆管理、监测、应急和维修体系提供支持。