轨道交通综合监控系统智能化研究

王宁

(烟台汽车工程职业学院 信息与控制工程系, 山东 烟台 265500)

0 引言

随着城市居民车辆持有量的不断上升，交通拥堵及安全等方面问题日益突出，促使各城市提高了对轨道交通控制的重视程度，轨道交通智能综合控制系统不断发展起来，该系统按功能划分主要包括智能控制和综合监控两部分，通过使用该系统可有效避免交通拥堵，且具备节能环保、承载量大等优势，成为广大市民出行的常用选择，这就要求智能综合监控系统具备较高的安全性和稳定性，能够实现智能高效的监控过程，并确保系统内各个监控分支间的有效合作，在各自控制范围内实现高品质、高安全、高效率的运输过程。城市轨道交通的快速发展为监控和管理过程提出了更高的要求，传统监控系统普遍存在缺少车站决策层的问题，本文根据城市轨道交通智能综合监控系统的特征及需求，对实现系统功能的关键技术进行了研究。

1 现状分析

交通运输事业的开展需综合考虑各类交通运输方式特征，采用现代科学技术及网络技术确保轨道交通的可持续发展，这就为发展智能运输行业提出了更高的要求，需根据目前城市轨道交通建设情况及市场动态走向采取相应技术和方法设计并实现城市轨道交通综合监控系统，使包括资源短缺等在内的问题得以有效解决。现有轨道交通综合监控系统普遍存在设计思想不统一、各轨道交通的信息无法有效共享、监控系统运营需求不明确等问题，一旦发生突发事故，协调性较差的不同轨道间难以及时作出相应，需要完成重复性较高的工作，耗时耗力，传统轨道交通运营管理模式及方法已无法满足高效安全的运输需求，城市轨道交通综合监控系统有待进一步完善。随着轨道交通自动化程度的不断提高，需为这些自动化系统搭建一个统一监控的平台，以便有效提高运营管理效率[1]。计算机网络控制技术(包括通信技术和人工智能技术等)为发展轨道交通综合监控系统提供了技术支撑，本文在归纳和总结了综合监控系统多年来的设计理念及发展趋势的基础上提出了一个设计方案，具体基于关联性模型完成系统的构建，为使监控系统数据的可靠性得到有效提高，设计并实现了主动检验综合监测数据功能(包括识别与监控非正常数据的使用情况)。

2 轨道交通智能综合监控系统设计

为满足快速发展的城市轨道交通运输系统的功能需求，相关轨道交通监控子系统不断被设计并投入使用，轨道交通综合监控系统通常主要按照监控对象、控制功能、应用范围划分为若干个相互独立建设的子系统，主要由智能控制(属于一种网络监管平台)和综合监控两部分构成，智能控制负责在共同的监管平台中纳入各个监控支网系统，实现对各监控点数据的集合、共享及互动功能，该监管模式通过智能化的监控过程减少甚至无需人工监控；综合监控系统，主要由若干各自拥有自身独特功能特点的子监控系统构成，完成对固定范围轨道交通的控制。

2.1 智能综合监控系统概述

(1) 智能综合监控系统的功能特点，作为综合化的智能型监控系统，它是一个由较多小支节组成的系统网络，主要借助共有平台负责实现网络间的信息共享及通信过程(通过各种细化分工)，并可在此基础上采用大数据技术实现信息的融合及深入挖掘，进而获取更有使用价值的数据信息。(2) 智能综合监控系统结构，由众多支网络组成的智能综合监控系统分工明确，负责收集包括语音、文字和图像等在内的数据信息，不同支网对应不同的岗位任务及考核标准，以确保网络分工的井然有序。通过系统中的共用分享平台实现各种信息的共享功能，有固定行驶路线的轨道交通的行程大多是规划好的，包含很多有潜在价值的信息，可使用一个专门负责信息挖掘的支网处理收集到的各种信息。(3) 智能综合监控系统的联动效果，该系统有一个共通的信息共享平台，实现信息在各支网及系统的共享，使联通的各支网构成，整个系统同各支网间呈现共通的关系，有效联动的子系统间通过数据共享平台传递监控信息，从而确保智能综合监控系统的正常运行[1]。

2.2 系统总体架构设计

本文设计的综合监控系统的总体架构，如图1所示。

图1 监控系统总体功能架构

作为城市轨道交通运输系统的主要功能框架，通过构建的监控系统框架对系统所具备的功能进行最大限度的描述，并提供相对应的服务(采用不同软硬件间的组合完成不同的服务)，系统功能的联通实现重要信息在系统以及其它部分间的流通和共享，功能间相互交融的监控系统框架为实现监控服务功能提供基础。系统架构主要由八大监控模块构成，通信监控模块主要负责对闭路电视、无线电、公共信息显示、电话和时钟进行监控，环境与设备监控模块主要负责对车站、隧道中的相关设备进行监控(包括空调、通风、给排水、照明与导向设备)，列车自动监控模块负责监控路线定位、列调整情况，安检监控模块主要负责检查乘客随身携带物品，电力监控模块主要负责监控照明系统、牵引力系统、高压供给系统，售票监控模块主要负责监控买票秩序、逃票行为等，报警监控模块主要负责监控公共区域、灭火系统(如防火栓等)、排烟风机，危险物质监控模块主要负责监控空气质量、超标的有害物质等[2]。为有效实现轨道交通的综合监控功能，根据系统总体功能架构通过关联性模型的使用完成系统软硬件的设计。

3 综合监控系统的实现

设计硬件结构中的车站决策层时以车站内网信息为依据，采用的传感器芯片为TSED-01型号，监控节点通过无线通信方式接收数据信息，再将精准的数据提供给综合监控系统，系统根据不同路况对车站设备进行协调以确保高效稳定的运行，同时控制现场情况。对车站决策层软件功能进行设计时，主要在对两个传感器测量值相关系数完成计算的基础上，结合轨道交通实际运行情况完成具体关联极差值的设定，从而实现城市轨道交通智能综合监控功能，有效的提高了轨道交通综合监控的精准度[3]。

3.1 系统硬件

在实现城市轨道交通智能综合监控系统功能过程中进行关联性分析，从数据流和控制流角度出发对系统硬件部分进行设计，为保证该智能综合监控系统能够同现有监控系统有效对接，应尽量遵循现行监控系统的执行规范，系统硬件部分结构，如图2所示。

图2 硬件结构设计

(1) 综合决策层，该层的主要负责为交通运行制定科学合理的运行计划，并在对整条轨道路线上的所有系统进行监控的基础上实现数据和信息同外部系统间的交互，具体通过网络通信共享平台提供的数据传输技术完成，通信平台负责传输各个应用系统的信息，并对异构数据源(由系统不同模块产生)进行管理实现不同模块数据的互相连接，最终将现场和车站的相关数据信息汇集到数据共享平台(通过通信平台)，以供综合决策使用。(2) 车站决策层，为保证各模块间的相对独立性，具体以车站内网信息为依据完成车站决策层的设计，主要负责对该车站内的各个子系统进行监控，并据此对子系统联动功能进行协调，可根据实际情况扩展系统功能，有效提高了系统的可扩展性。为实现节点统一汇聚处理，系统内的监控节点采用关联性模型完成设计，将多个TSED-01传感器同智能综合监控系统借助无线通信技术进行连接，监控信息通过传感器采集后向节点处传送，车站决策传感器结构示意图，如图3所示。

图3 车站决策传感器内部结构

由电源、开关控制、信息采集、无线传感及决策执行几个主要模块构成，各模块通过收发接口进行实时通信，对传感器所获取的信息通过低功耗网络通信技术的使用完成信息智能传输过程，包含多种信息种类可有效满足不同信息的传输需求。数据信息的协调处理过程使用物联网服务器完成，进而提高了信息的传输效率[4]。此外还能够通过提取全部信息有效控制车站各子系统的决策过程，将更加精准的数据提供给系统。(3) 现场控制层，主要划分为面向服务(包括运输综合服务、自动售票服务等)、面向运营(包括列车控制、电力调度系统等)、面向安全(包括环境控制系统、防火灾报警)三大种类，该层主要负责采集现场信息，具备故障自诊断能力的现场设备管理及维护显著提高了故障报修效率。针对该轨道交通只能综合监控系统的8个功能模块通过关联性模型的使用实现全面有效的管理过程，以充分发挥各个设备功能。以实际不同运行工况为依据对车站运行设备进行协调，保证轨道交通正常运行[5]。

3.2 系统软件设计

设计基于关联性模型的监控系统软件时需完成对轨道交通的有效监控功能(包括运行列车、相关设备、售检票、电力、环境)，本文以车站决策层的软件功能设计为例进行阐述，车站决策层的软件功能示意图，如图4所示。

图4 软件功能

车站决策层所必须的数据包括综合各个业务的动态数据及业务静态数据(交通运输调度、车辆运行线路等)，通过监控数据共享实现数据的统一传输与共享(包含不同通信制式、数据格式)[6]。

针对城市轨道交通为统一不同通信制式和数据格式，采用关联性模型实现综合监控功能，考虑到各轨道交通间存在不同程度的联系，但缺少严谨的数量关系，为此本文对两个变量间的密切程度采用相关系数表示，再通过对各指标进行统计分析完成对不同路况间的相关关系、交通方向及密切程度的确定。交通运行情况同车站决策层测出的路况存在直接关系，轨道交通运行区域通常具有较低的路况故障事故发生率，监控系统在轨道交通运行过程中的两个传感器测量值存在一定的相关系数，假设，相关系数由p表示，两组传感器的测量数据由A、B表示，变量A、B的数学期望分别由E(A)和E(B)表示，两个变量的相关系数的计算表达式[7]如下。

低度相关对应0.2≤p<0.4，中度相关对应0.4≤p<0.7，高度相关对应0.7≤p<1。在对轨道交通实际运行情况进行充分考虑的基础上，平移本站监控点的测量值设置其同下一站监控点间的相关系数为大于0.4，作为两传感器间的关联性模型，在此基础上对极差值进行设定即10分钟内传感器监测数据的最大值同最小值的差值，靠近主要路况的传感器极差值超过远离主要路况传感器极差值，对轨道交通工作面和路况面的极差值进行计算(以关联性模型的研究数据为依据)，为监控系统提供数据支撑[8]。

3.3 实验测试与结果分析

通过对比实验验证本文设计的合理性，如图5所示。

图5 原始影像

图5为某日轨道交通设备获取的监控影像(1024×1024)，对原始影像分别采用传统监控系统(直接对影像文件进行采集)同本文系统(以某个影像特征为依据采集对影像文件)进行测试，原始影像监控结果，如图6所示。

相比传统系统获取的监控影像，本文系统获取的监控影像中轨道的清晰度明显提升，同原始影像基本吻合。在此基础上对比分析系统的监测精准度，如图7所示。

图7 两种系统监测精准度对比分析

证明本文基于关联性模型的轨道交通智能综合监控系统显著提高了监控精准度[9]。

4 总结

本文主要针对城市轨道交通管理完成了一种基于关联性模型的智能综合监控系统的设计，有机连接器位于城市轨道交通网络中的各子系统，通过对车站决策层进行设计实现对传感器失效及现行交通使用不规范情况的有效监控，整个轨道交通基于网络共享平台通过关联性模型的使用实现了对完整有效的运行数据的管理和使用，确保及时解决路障问题，有效降低故障带来的损失。并通过对比实验验证了该系统的有效性，监控精准度(最高可达90%)显著高于传统监控系统高，进一步提高服务质量和效率。本文建立的综合监控系统由于受到实验条件的限制导致难以科学准确的评估监测效果，因此在实际应用中获取的数据范围较广，需对模型的适用性及不同测试点间的关联性进行充分分析，并针对监测效果进行精准分析，不断丰富完善系统实用性能。