车载数据综合分析处理系统

■ 赵钢 许阶

1 系统概况

1.1 开发背景

车载数据综合分析处理系统依托国家863计划重点项目——“最高试验速度400 km/h高速检测列车关键技术研究与装备研制”，总体研究目标是要研制时速400 km高速综合检测列车和建立地面数据分析处理中心，满足京沪高速铁路等时速350 km以上高速铁路基础设施系统调试、验收试验和动态检测的需要，为构建我国高速铁路基础设施管理和养护维修辅助决策系统奠定基础。

项目要求研发新型车载数据综合分析处理系统，实现多专业检测数据的统一存储管理集成，为多专业的病害数据综合分析和评判提供手段，实现基于精确里程同步的多专业检测数据透明访问、多专业检测数据集中处理、综合报表统一生成、大值病害数据在线报警和车地传输功能。

1.2 系统功能

车载数据综合处理系统由3个子系统构成：检测数据管理子系统、检测数据GIS综合展示子系统、波形综合展示子系统。

检测数据管理子系统实现以下功能：（1）实时接收里程同步数据，并向GIS综合展示子系统提供数据接口，实时展示列车运行位置信息；（2）向各检测专业用户提供检测大值数据输入界面，实现大值报警相关数据的统一存储管理，根据系统配置自动获取轨检、动力学检测的大值报警数据的相关轮轨视频数据、波形数据，用于实时分析和综合评判；（3）向各检测专业提供短信发送功能，检测过程中可向指定手机号或地面接收设备发送报警信息；（4）实现与无线数据传输系统的传输接口，实时向地面数据中心转发列车运行定位数据、检测过程中出现的大值报警数据和大值报警附件数据，可响应地面数据中心的请求传输指定数据；（5）向各检测专业提供线路设备台账的查询功能；（6）自动生成检测日报；（7）配置FTP文件服务器和大容量磁盘阵列，实现大容量检测波形数据的集中存储和管理。

检测数据GIS综合展示子系统实现以下功能：（1）实现基于图形化的检测大值报警数据综合查询和形象化显示，以图形化方式实时展示各检测专业的大值报警数据，以不同颜色显示大值报警数据的严重程度；（2）检测过程中实时展示检测列车的运行位置信息和当前检测交路、当前检测任务信息；（3）用户可选择线路查询当前里程范围内的各检测专业线路设备台账。

波形综合展示子系统实现以下功能：（1）检测过程中实时接收轨道几何检测、动力学检测、车体加速度检测、接触网检测的波形数据并存储在磁盘阵列上，并能按里程同步显示接收到的波形数据；（2）能够根据配置同步显示多专业检测波形数据，检测过程中为轨道检测、动力学检测、加速度检测、弓网检测提供综合波形展示和相关性分析；（3）能对比历史检测波形数据。

2 系统软件框架设计

车载数据综合分析处理系统总体由三部分构成：数据库系统、后台数据处理服务进程和用户操作界面。数据库系统采用Microsoft SQL Server2008大容量数据库；后台数据处理服务进程包括时空同步及里程数据接收进程、列车运行定位数据发送服务进程、大值报警波形视频获取进程、大值报警及非关键运行数据发送服务进程、地面请求指令响应服务进程；用户操作界面分为B/S和C/S 2种，B/S方式以IE浏览器为操作界面，实现大值报警数及附件数据管理、系统监控、综合检测业务管理、GIS综合展示等功能，C/S方式主要实现实时接收里程同步数据、自动获取各种视频波形数据、向无线传输系统转发各种数据等功能。系统总体架构见图1。

2.1 检测数据管理设计

（1）在一台工作站上安装反射内存卡，采用VC++语言开发硬件接口和里程同步数据接收程序，实时读取当前检测列车运行定位信息。实时接收里程同步数据流程见图2。

（2）向各检测专业用户提供操作界面，由各检测专业负责人管理大值报警数据和附件数据（大值报警点波形截图）并保存在数据库中；向各检测专业用户提供短信报警功能，检测过程中各检测专业负责人可向指定手机号发送或群发报警短信；在数据库表中建立检测线路的工务、供电、信号设备台账，提供查询界面，按线路、里程、铁路局、设备类型等条件查询相关设备台账信息。用户界面采用Ajax技术和JQuery库相结合的动态页面刷新技术，将用户界面分为菜单区和功能区，上部是公共菜单区，下部分是功能区。功能区左部分是检测列车运行信息及检测任务显示区域，按每秒1次的频率显示接收到的检测列车运行定位里程数据和检测任务信息，功能区右侧下部是系统的关键服务进程、无线传输系统状态监视区，功能区右侧上部是用户操作业务功能区，用户通过操作公共菜单刷新此区域内容。用户操作界面功能布局见图3。

（3）轨道几何、动力学、接触网这3个检测专业的检测数据相关性最高，出现大值报警数据时，需要提供该大值发生时刻前后约30 s的轮轨接触视频数据及车头、车尾视频数据和大值发生里程点前后约1 km的检测波形数据，用于综合判断；开发系统服务进程，自动监视轨道几何、动力学、接触网这3个检测专业的大值报警数据，自动获取大值发生时刻前后约30 s的轮轨接触视频片段数据和波形片段数据，作为该大值报警数据附件数据保存到数据库中，当大值报警数据变化时（检测日期、检测线路、里程点发生变化），系统能再次获取相关视频片段数据和波形片段数据。自动获取视频片段和波形片段流程见图4。

图2 实时获取列车运行定位数据流程

图3 检测数据管理用户界面功能布局

（4）开发专用的通信服务进程，实现与车载无线传输系统的接口，向地面中心即时传输列车运行定位数据，并转发大值报警数据和大值报警附件数据，通过地面中心即时向全部铁路局发布检测列车运行的最新信息和最新病害数据；检测线路的管辖铁路局、工务段、供电段、电务段可通过地面中心向车载系统发送请求，即时获取检测相关数据。

图4 获取大值报警相关里程点的视频及波形数据流程

车载数据综合分析处理系统与车载无线传输系统的接口采用数据库表形式，由数据综合分析处理系统通信服务进程将各种数据统一封装成固定格式的数据包记录，每传输一次数据就向车载无线传输系统通信服务器数据库表插入一条记录，由无线传输系统负责将此记录传输到地面通信服务器的数据库；同时地面通信服务器将地面中心的指令传输到车载通信服务器的请求指令表中，由车载数据综合分析处理系统通信服务进程读取请求指令表，将反馈的数据再次封装成统一格式的数据包记录插入到车载通信服务器数据表中，实现对地面请求的回应。系统数据传输流程见图5。

（5）开发统一的通信服务进程，将大值报警的附件视频数据自动获取、波形片段数据自动获取、定时发送列车运行定位数据、自动发送大值报警数据、自动发送大值报警的各种附件数据、自动回应地面请求数据指令等服务进程封装成Windows标准服务并与服务器操作系统集成，采用双机热备方式，提供高稳定可靠的系统服务。

2.2 GIS综合展示设计

检测数据GIS综合展示采用层次化的思想和设计理念，对整个展示所需涉及的各环节进行分层，从上到下依次为用户接口层、地图处理层、数据处理层、数据库层，各层分别完成各自功能，并向上层提供接口，这样的设计思路和处理方法有利于系统的开发和扩展。

用户接口层提供人机交互的用户界面，用户可通过界面访问数据和功能，并以形象友好的方式返回到用户界面；地图处理层负责从数据处理层获取数据，形成地图语言，并以可视化、形象化的方式展示在地图上；数据处理层分业务提供访问各类数据的接口及对数据进行初级处理，为向上提供可用的经过分析处理后的数据。

GIS展示子系统分层结构见图6。

2.3 波形综合展示子系统设计

图5 数据综合处理系统与无线传输系统接口数据流程

波形综合展示子系统软件架构采用基于C/S体系架构，系统设计采用框架式结构，包括服务处理层和客户端，客户端又分为波形数据上传客户端和波形显示客户端，并可响应其他外部数据请求，所有业务服务采用服务组件方式提供，采用多线程解决方案。此框架设计具有良好的重用性和可扩展性，系统架构见图7。

波形数据上传客户端安装在轨道检测、动力学检测、加速度检测、接触网检测系统的工作站上，读取各检测专业产生的CIT波形数据，并通过Socket通信程序发送给服务处理程序。

波形显示客户端以图形化展示的方式实现各类具有里程信息数据的综合展示。借鉴图层概念，即每个检测波形文件为一个单独图层，各层均为透明显示，享有同等绘图空间，通过在通道配置文件中设置通道基线偏移值确定各通道绘制位置。设备台账类和数据集图层具有单独绘图区域，既可与波形类图层并列显示，也可叠加显示。前端展示层还提供放大、测量、打印、截图等常用分析功能，并提供分析结果标注、无效区段标注及索引设置功能。

服务处理程序由CIT数据文件读取解析处理模块、数据库访问模块和数据分析处理、网络模块等组成。网络模块负责接收各检测专业客户端上传的波形数据并以文件形式存储在服务器磁盘阵列上，在数据库中记录保存的CIT文件信息；数据文件读取解析处理模块负责对实体数据文件的读取；数据库访问模块封装了对设备台账数据、偏差数据、索引及标注数据等存储于数据库内的记录类数据的访问接口。

网络接口层采用“Socket通信协议+XML数据交换协议”为前端展示层提供数据服务接口，包括网络传输、通信调度、状态监控、指令处理和数据封装等模块。网络接口层设计了一套数据访问指令集，波形显示客户端的各种数据调用请求均以指令形式传输到数据处理层。

3 功能特点及实际应用

（1）检测数据管理子系统通过CSS与Java Script技术结合使用，在B/S界面下实现了动态菜单，为用户提供美观、方便、简洁的操作界面，系统运行界面见图8。

（2）检测数据管理子系统自动根据轨检大值和动力学大值获取对应里程点的轮轨接触视频数和波形数据，为检测人员在检测运营过程中准确分析判断大值病害提供依据。自动获取大值报警附件数据后查询界面见图9。

（3）系统自动向无线传输系统传输检测过程出现的各专业大值报警数据和报警附件数据。系统可根据地面要求传送指定数据，为地面中心实时分析检测运营中的大值

图6 GIS展示子系统分层结构

图7 车载波形综合展示子系统架构

图8 检测数据管理子系统运行界面

用户界面报警数据提供有效手段，为高速铁路稳定运营和辅助维修提供保障和支持。系统能监视各种数据的发送状态，监视界面见图10、图11。

（4）GIS综合展示子系统在检测过程中可将检测大值报警数据信息按照不同专业分级别显示在地图上（系统运行界面见图12），便于检测人员及时发现问题。

图9 自动获取大值报警视频附件数据查询界面

图10 数据发送状态监视界面

图11 大值报警数据发送状态监视界面

图12 综合GIS展示界面

4 结论

新型车载数据综合分析处理系统在检测过程中为各检测专业人员的现场评判和数据分析提供了多种有效的评价手段和方法，检测过程中大值报警能及时传输到地面数据中心，及时向全路发布并实时预警，实现了检测过程中车载系统与地面数据中心及检测线路的工务段、电务段、供电段一体化，满足高速铁路检测运营和辅助维修要求，保障线路的运营安全。

目前车载数据综合分析处理系统除应用在CRH380B-002外，还应用于CRH380A-001，并可用于升级0号高速综合检测车和CRH2-010A高速综合检测车的数据综合处理系统，同时，也能在地方铁路、城市轨道交通的检测车中推广应用。

[1]中国铁道科学研究院．最高试验速度400 km/h高速检测列车——关键技术研究与装备研制，2009

[2]中国铁道科学研究院．400公里检测车综合系统实施方案ver1.4.2，2009

[3]中国铁道科学研究院．时速400公里高速检测列车综合系统技术条件，2009