地铁列车车载数据可视化处理和状态分析

王红旗 张立国

摘 要：针对某地铁列车车载状态数据，阐述了实现数据提取和可视化的构成要素和实现策略，基于VC++和MATLAB联合编程，解决了大容量车载数据快速解码问题，实现了交互性全数据报表化，特性参数图形化表达等功能，以列车车载数据为例详细分析了列车故障提取、状态分析的应用，为地铁列车服役状态的详细分析和数据掘挖提供了重要手段。

关键词：地铁列车；数据后处理；可视化；状态分析

列车运行状态的实时监测和数据记录是分析列车运行状态、实现故障预警、实现状态评估的重要手段，以某地铁为例，车载数据记录仪每200ms以串行通信方式获取一次列车状态信息包，容量可达700小时的列车状态数据。现有数据处理软件主要针对不同专业的单一功能，较少涉及系统状态分析，有必要进一步开发专用数据处理软件以挖掘车载数据信息，为列车状态评估分析服务。

1 可视化分析软件架构与功能模块

1.1 车载数据处理分析

数据可视化过程是实现原始数据以直观的，圖形化的物理现象或物理量呈现于用户[1]，是连接用户与原数据的中间环节，因此数据可视化分析需结合用户实际需求及数据特征：即建立全面的数据管理体系，以实现对列车状态监控；城轨列车的故障通常会以不同部件相同形式或同一形式由不同部件故障组合而成，因此需要能够实现高度自由的可视化以排查故障；实现对于故障时刻数据的智能化处理，如故障的自动统计和分类。图1为基于用户需求分析的功能框图。

图1 软件功能框图

1.2 软件功能模块

基于上述数据解码及可视化策略，软件架构如图2。软件输入为存储状态数据文件，由解码器对数据进行加工并形成三种输出形式：参数可视化输出模块、故障数据统计模块和数据库。其中：软件解码模块及数据数据结构由MFC平台搭建，绘图模块由matlab函数实现并编译成动态链接库使模块和核心数据结构实现模块对接。故障数据统计模块以及全数据报表生成采用OLE操作实现Excel数据统计和图表绘制，该方法是建立一OLE对象，并通过设定该对象的属性和调用该对象实现对Excel操作。

图2 软件架构

1.2.1 参数可视化输出模块。该模块实现共6节编组列车全部88个参数的自由选择绘图，由于色差过于接近会导致曲线无法识别，因此限制最多可在一张图中绘制17条曲线。根据不同的研究需求，数据时间轴能够设定为日期和计时两种模式。此外，为了调节显示效果，可以调整线宽和背景颜色。可视化输出模块的设置界面如图3所示。根据数据解码器生成的结构化数据，可将可视化数据分为三类：时间参数、列车局部参数和列车整体参数。其中列车整体参数为描述整个编组列车的某一状态的数据，该数据可表征该编组列车六节车辆的某一状态：如牵引制动级位，该状态信息为司控机发出的牵引/制动信号，因此每节车具有相同的数据。另一方面列车局部参数为对应的编组，全部车辆具有不同值的某一状态数据，如制动缸压力值、轴速等。该数据需车辆编号与状态信息配合来指定某一参数。

图3 输出模块设置界面

1.2.2 故障统计功能模块。故障统计模块的功能是统计由传感器得到并通过MVB网络传输的列车状态故障以及通过数学判据算法得到的故障信息数据，由于该数据无法进行可视化输出，因此将该类数据由统计模块进行输出。在解码模块中，根据用户选定对结构化数据进行读取和处理，其流程如图4所示。

图4 故障输出流程

2 基于软件的列车状态分析

2.1 列车状态信息可视化分析

通常一个数据文件包含20000个数据包，而数据存储周期为200ms，因此一个数据包包含的列车状态信息长度为4000s，以时间跨度为2013年11月19日8点29分39秒至2013年11月19日9点36分19秒数据文件为例，对该文件进行解码和分析。以列车制动系统分析为例，在绘图模块中选取局部参数选取A1车和B1车（一拖一动）电制动指令值和制动缸压力值，整体参数选取牵引制动级位和列车防滑参考速度。图5为列车运行中制动系统状态参数曲线一次出站进站状态信息。

图5 实例所示列车状态信息分析

由图5，列车最高运行速度78km/h，运行正常。列车牵引、制动级位在牵引时表现平稳，而在制动时级位变化较多，与列车制动系统的控制防滑策略有关。考察列车制动时的状态，可见该制动系统制动策略为以电制动为优先、空气制动补充的制动形式。列车高速段制动时，制动力几乎完全为电制动力，而列车速度小于5km/h时，电制动失效，制动缸压力上升，制动力由空气制动产生。基于列车状态信息的参数可视化不仅可以对列车运行状态进行评判，掌握列车运营健康状况，还可以对列车关键系统内部实现策略和算法进行研究。

2.2 列车故障快速查找

列车故障信息主要依托列车各子系统上安装的传感器以及通过相关的判据算法得到。因为通过解码器对于相关信息的提取和加工，能够根据用户需求快速得到列车故障信息。以相同的数据文件为例，对于该文件进行解码分析。如图6所示，故障信息通过快速定位以列表形式展示，所列故障信息可以输出成数据报表进行进一步分析。

3 结束语

基于MFC平台和matlab混合编程，开发以某地铁为对象的列车车载数据可视化后处理软件，有助于进一步掌握编组列车运行规律，辅助编组列车运用维护。（1）基于面向对象的城轨列车运行数据可视分析终端满足了准确、全面地对列车运行数据进行监控管理与分析的需求，实现运行时段内任意时刻的列车运行状态信息查询，任意状态信息组合输出显示，以实现对列车健康状况辅助分析。（2）实现对列车故障信息进行快速查找和定位，根据用户需求统计并显示列车设备故障。

参考文献

[1]高斌.面向对象软件测试模型研究[J].信息技术与信息化，2008（3）：74-75.

[2]燕延，马增强，杨明.基于LabVIEW的数据采集与处理软件编程技巧[J].微计算机信息，2005（5）：153-155.

[3]李国厚，冯启高.虚拟仪器技术及其开发与应用[J].自动化仪表，2002：23（7）：4-6.