智慧运维系统下的城轨列车运行状态可视化回放功能研究

历宁 刘安 王志云 刘斌 岳三川 边林

摘要 城轨列车运行过程中，由于现有可视化回放功能在列车运行状态异常的确认过程中与实际不符，文章提出了智慧运维系统下的城轨列车运行状态可视化回放功能研究。在智慧运维系统中，利用大数据采集列车运行数据，以图形方式呈现列车的运行状态，匹配特征点；通过虚拟现实结合方式在仿真模型中注册图像视觉，结合列车运行数据，对目标轨迹按照需求进行增补，控制拖放延时。根据实际需求动态配置固定点的数量，运用分段索引查找对应的分段控制属性；使用三维数据可视化技术在不同时间段显示列车运行状态，标记关键帧的数据点信息；选择最优观察角度，使用插补法对轨迹进行补充，对缺少的数据进行查缺补漏，回放历史运行数据从而完成功能应用。实验结果表明，在异常真实性确认过程中，不同维度下15：20之前的数据波动比较剧烈，15：20之后未见异常，符合实际异常区间，达到较好的回放功能效果。

关键词 智慧运维系统；城轨列车；运行状态；图像视觉；可视化；回放功能

中图分类号 TP391.9 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）02-0001-03

0 引言

随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断推进，城市交通压力进一步显现，如何保障城市轨道交通的安全运行成为热点话题。运用智能化科技手段对城轨列车运行状态进行监控，提高运营效率，能够及时为运维工作提供新的解决方案。通过城轨列车运行状态可视化回放功能，运用物联网等功能化技术与维修决策统一应用，能够合理控制进度并进一步对监控进行优化。通过城轨列车运行状态可视化回放功能，能够使得运维工作更加智能化。由于智能化设施落实不到位，在监控过程中引入智能系统需要投入大量的资金与人力，加之技术难度较大，对于技术水平低的城市来说具有一定压力，系统中存储的城轨列车数据安全性得不到保障，对运行数据安全也构成影响。该文通过实际需求，结合城轨列车具体情况进行精准控制分析[1]，以智慧运维系统下的城轨列车运行状态可视化回放功能为研究对象，结合实际情况进行设计研究。

1 城轨列车运行状态可视化回放

1.1 智慧运维系统下的图像视觉注册

智慧运维系统利用大数据采集列车运行数据，并以图形方式呈现列车的运行状态，获得运行过程中的相关数据，帮助运维人员更好地了解列车运行状况，及时发现故障信息[2]。运用网络监控软件OpManager实时监测端到端的增强现实特征识别，在图像特征监测过程中，需要匹配特征点将真实环境映射到虚拟环境中，得到具体的坐标系如图1所示。

将世界坐标与相机坐标进行转换，其转换公式为：

X=R+Y （1）

式中，R——旋转矩阵；X——世界坐标系；Y——平移向量。通过坐标系确定模型中对象的具体位置，通过对给定图像进行分析得到实际目标的相对位置和方向[3]。利用参照物阴影的变化，结合光源的方向，运用SIF算法进行不同尺度的降采样以形成n组图像。在相同组的图像中进行差分运算，形成高斯差分金字塔，再根据像素与关键点之间的距离对关键点分配像素权值。采取关键点不同方向的向量值，以算法的识别特征值为变量来计算权重，得到当权重为0.6时，算法匹配特征点数最多。通过虚拟现实结合的方式，能够将图像视觉在仿真模型中注册，运维工作可以在辅助信息的支持下完成。

1.2 列车运行轨迹分段预绘显示控制

根据可视化回放功能能够对列车的运行轨迹等进行回放研究，结合列车运行数据，使工作人员能够及时对故障报警区域进行诊断，有效改善了日常运维中的综合效率，为城轨列车安全化运行提供有力的数据支撑。智慧运维系统在收到列车定位数据后，按照具体要求读取定位数据[4]。利用全局变量记录当前运行状态时间索引值，利用临时变量记录回放过程中的时间索引值，通过时间的先后顺序更新控制目标位置及状态，再对该目标进行运行轨迹点的布置。如果回放是向后拖动，则需要将该目标之前的轨迹点全部删除，将播放进度条从T1拖放至T2时，目标轨迹按照需求进行增补。运维系统处理中要计算轨迹平均耗时，在轨迹点压缩的同时对拖放延时进行控制[5]。控制过程为：将目标的全程轨迹分成N段，选择其中一段进行轨迹绘制并设置属性状态。根据用户拖动规则，通过时间标签来控制不同段轨迹的状态。当时间滑块由O点拖向B点时，将所用时间进行约束并控制在一個轨迹分段中，将分段状态设置与其他轨迹进行增补，使过程可以无缝切换，保证目标轨迹的连续性。处理过程所需时间为T，则不同段的轨迹点数量为k，计算处理时间的公式为：

（2）

式中，n——分段数量，将每一段轨迹点数量设置用户配置的参数，根据实际需求动态配置固定点的数量[6]。建立轨迹分段时间标签的索引，通过该索引查找对应的分段控制属性。

1.3 特征点可视化回放进程控制

在进行运行状态可视化回放时，使用三维数据可视化技术在不同时间段显示列车运行状态。因此，需要进行三维场景建模，使用户直观分析该列车的运行状态情况，驱动模型形成动态的可视化三维图像，回放运行过程中列车的姿态及不同列车之间的相对位置变化。为了再现列车运行的过程，要对数据根据实际时间点信息进行动态回放，按照指定时间间隔进行指定操作。在回放进程控制过程中，要将待回放的数据从数据库中提取出来，标记关键帧的数据点信息[7]。当用户开始回放操作时，将数据帧作为发送后的第一数据帧，从而得到相关数据帧的回放时间。判断用户操作，更新回放帧的公式表达为：

c=Tk+Δt×g （3）

式中，c——回放数据帧；Δt——时间间隔；g——回放率。通过判断用户的操作，计算数据的回放倍率，更新时间后不断地重复操作，直至所有数据回放完为止。在三维场景回放展示时，通过改变位置和视角来显示在相同时间内的三维场景变化。当有多趟列车在运行的过程中时，系统需要根据不同的位置关系选择最优位置，找到最优观察角度，使得图像画面中的列车均存在一定的相对关系。要选择最优观测角度，要先获得列车的主要几何点平面坐标（a，b，c），在三维建模中设定几何中心为o1，轴两端的顶点为p。另一辆列车同理，以o1为原点，将连接o2的直线进行延长后得到视点。利用运动轨迹模型不断改变视点角度以消除盲区，选取延长线上顶点坐标公式表达为：

（4）

式（4）中，（xa， xb）、（ya， yb）为坐标点。通过调整观测角度，使其与正北方向存在夹角，其夹角表达式为：

（5）

式中，z——视点延长距离中的点。根据最佳交叉角度，使用插补法对轨迹进行补充，对缺少的数据进行查缺补漏，将列车运行参数提供给运维人员进行状态分析[8]。运维人员对历史运行数据进行回放并绘制曲线表示不同参数随时间的变化情况，再结合列车的实际数据，形成列车运行轨迹完整回放功能。

2 实验测试与分析

2.1 搭建实验环境

为了验证该文方法的有效性，以深圳城轨列车在历史时间内的运行数据为研究对象，利用列车运行异常状态的可视化智能运维系统对列车运行中的异常进行检测。针对异常的反馈操作决策进行分析，已知实际列车运行状态异常发生在11：20—15：20之間，在明确异常运行情况的前提下，运用该文方法对在11：20—15：20时间段内的异常状态开展回放检测，设置列车编号、选择运行时间并选择维度，具体运行数据如表1所示。

仿真实验中，运用的仿真平台为处理器Inter i7，内存16 GB，操作系统Windows11，开发过程中从后端数据库导入数据。智慧运维系统实时做数据处理与分析，用户可以整体观看具体布局，判断是否出现故障。在列车上布置不同类型的传感器并使用数据采集装置，对运行数据通过网关进行传输，再将传输的数据存储到数据库中。运用智慧运维系统在开发过程中提供系统基本的可视化图表，采用flexible布局方式适用于UI显示器中。

2.2 结果与分析

确定在具体时间间隔内输入数据维度之后，查看进程区域中数据点划分中的VENN图，得到运行中在维度上的2D分布图像，如图2所示。

由实验结果可知，在进行异常真实性确认过程中，15：20之前的数据波动比较剧烈，数据处于数据密集点处变化较为明显。15：20之后在不同维度下未见异常，符合实际异常区间，说明运用该文方法可视化回放功能准确，数据敏感程度高，实时分析出真实场景下的异常数据，能从异常数据点列表中移除，达到较好的回放效果。根据城轨列车定位数据的时间和坐标绘制列车运行轨迹，运用基于列车线路的插补法对轨迹进行补充，对现有数据的校正和对缺失数据的弥补，在绘制轨迹曲线时提供多种绘制速度方便使用。城轨列车参数回放模块基于列车状态数据，对历史运行参数进行回放，即对参数以绘制曲线的方式生动展示出各个参数随时间变化的情况，且与列车定位数据相关联，最终形成列车运行轨迹与参数回放功能。城轨列车运行轨迹和参数按数据包查询模块实现在对列车运行轨迹和参数变化回放完成后，可以对每一包数据进行查询，能够直观查看某个或某段时间的列车运行情况。

综上所述，运用该文方法能够确认时变数据点真实情况，动态展示列车运行轨迹，整理相关状态参数变化，按照时间顺序进行排序后对缺失数据进行补充。在系统中通过拖拽方式能够随机查看不同时间段内的参数值，对每一项数据进行查询并将列车轨迹与参数进行关联，实现了对列车轨迹和参数变化的回放功能，使运维人员能更加准确地判断掌握列车的实时运行状态，切实保障了行车安全。

3 结束语

该文从城轨列车运行状态入手，通过设计智慧运维系统，探究了智慧运维系统下的城轨列车运行状态可视化回放功能，使城轨列车的智慧运维系统更加实时化、智能化，解决了列车运行中的一系列相关安全问题。通过对列车运行状态异常与否的判断，结合可视化回放功能进行分析，实现了对城轨列车运行过程中的实时监控。回放观察列车运行轨迹，结合线路特征数据，将城轨列车的状态数据与线路数据进行关联，使运维过程变得更加合理化。但是方法中还存在着不足，例如列车定位数据缺失，列车线路如何交汇等问题。在以后的研究工作中，要不断优化系统设计，完善对列车运行轨迹和状态的实时监测，进一步提高对智慧运维系统下的城轨列车运行状态的可视化回放功能研究。

参考文献

[1]方光华. 城轨信号智能运维系统研究[J]. 机车电传动， 2021（2）： 92-99.

[2]于增， 孙方， 梁樑， 等. 多运营主体下线网级设备运行综合监视体系研究[J]. 都市快轨交通， 2022（6）： 30-38.

[3]应博， 范琳. 城市轨道交通车辆故障诊断方法[J]. 城市轨道交通研究， 2023（5）： 271-275.

[4]付亚超. 基于AHP-熵权法的城轨车辆基地智能运维评价体系研究[J]. 铁道标准设计， 2022（8）： 181-186.

[5]高锋阳， 王文祥， 张浩然， 等. 基于状态和风险评估的无接触网城轨车辆电气系统运维策略[J]. 中国铁道科学， 2022（4）： 148-156.

[6]赵晗， 尹恩华， 李伯男. 城市轨道交通站台门智能运维系统研究[J]. 都市快轨交通， 2023（2）： 156-161.

[7]林琳， 于淼， 李珂， 等. 智慧城轨土建设施地理信息平台研究与应用[J]. 地质论评， 2021（S1）： 285-287.

[8]余筱， 廖卓， 邱浚漾， 等. 基于区块链的可视化回放技术研究[J]. 现代信息科技， 2023（17）： 36-39.

收稿日期：2023-11-03

作者简介：历宁（1981—），女，本科，工程师，研究方向：地铁车辆技术。

通信作者：刘安（1981—），男，本科，工程师，研究方向：车辆智能运维。