基于Echarts的地铁屏蔽门数据监控系统的实现

杨娇　陈强　王加宾　梁鉴如　周玲

摘 要：针对地铁屏蔽门状态监控问题，以上海申通地铁2号线屏蔽门控制系统为研究对象，设计了基于Echarts的可视化地铁屏蔽门数据体系监控系统。整个系统分为8个子模块，实时显示、状态量显示、模拟量时序图、预警、历史报警、历史记录、设置、回放。实时显示模块，通过继电器传回的状态值，动态模拟地铁屏蔽门的开关状态，在状态量显示模块和模拟量时序图模块，采用了Echarts可视化技术，分别通过时序图和折线图的形式展示，开门继电器和门锁闭继电器的状态信息和电压电流值，通过滑动条查询不同时间段对应的信息，通过折线图的波动情况可以知道屏蔽门的运行状态，达到实时更新，实时监控的作用。并将回传的信息保存在数据库中，方便以后查询。

关键词：Echarts； Ajax； 可视化； JSON； 监控； MySQL； STM32F103

Abstract： Aiming at the status monitoring of metro shield door， a visual monitoring system of metro shield door data system based on Echarts is designed based on the control system of Shanghai Shentong Metro Line 2 shield door. The whole system is divided into 8 submodules， which are real-time display， state display， analog sequence diagram， early warning， historical alarm， history record， setting and playback. The real-time display module dynamically simulates the switching state of the shield door through relays. In the state display module and the analog sequence diagram module， the Echarts visualization technology is adopted， respectively through the sequential diagram and broken line diagram form. The status information， voltage and current value of the subway platform door open relay and door lock relay are displayed， and the corresponding information of different time period is inquired through sliding bar. Through the fluctuation of the broken line diagram， the running state of the shield door can be known， and the function of real-time updating and real-time monitoring can be achieved. The returned information is saved in the database for convenient inquiry later. After the implementation of the system， the system is deployed.

Key words： Echarts； Ajax； visualization； JSON； monitoring； MySQL； STM32F103

引言

随着城市轨道交通的快速发展，城市地铁的数量和线路都在不断增加，轨道交通的安全问题也变得尤为重要，这就要求能够实现对于地铁屏蔽门数据的实时监控，防止问题的出现[1]。上海地铁2号线作为市区轨道交通的骨干线路之一，由于信号与屏蔽门联动功能的使用，屏蔽门的故障次数也在不断增加。例如：车门与屏蔽门开关不联动，屏蔽门意外打开或者没有跟随车门的打开而改变状态，车门延时打开等问题。面对控制屏蔽门工作状态的继电器传回到后台众多的数据，地铁站的运维人员很难从一堆数据中找到有用的信息，判断故障所在的地方，此时图形显示和动态模拟门的状态就体现出了優势[2]。其能够将文本中数据信息以更为直观的形式展现在工作人员面前，加快人们对信息的获取，消化能力、增强理解力、降低认知负担。随着技术的不断改进，催生了很多可视化工具[3]。本系统前端页面开发设计，在使用JavaScript语言基础上，引入Echarts插件，结合以Json为数据传输格式的Ajax[4]，异步动态调用数据库读取数据的方法，将数据以图形化的界面展示在前台，实现了对数据体系监控系统可视化开发工作，并通过良好的界面达到与用户友好交互的目的。

1 系统架构设计

本数据体系监控系统是针对上海申通地铁2号线屏蔽门数据服务体系开发的一个监控系统，该数据服务体系系统以减少地铁安全事故的发生为目标。硬件部分选用STM32F103为主控制芯片，选用电流传感器、电压传感器检测继电器线圈的电流、电压值，连接有两个摄像头，摄像头1用于监测继电器结点信号，判断继电器处于吸起还是闭合状态；摄像头2 用来判断列车是否进站。其中，电流传感器，选用信瑞达公司提供的F系列交流漏电流传感器[5]，安装在继电器的线圈外，利用互感器电磁阻离、磁调制工作原理将被测交流微电流、直流微电流转换为直流电流、直流电压，并隔离输出标准模拟信号或数字信号。电压传感器，选用卡斯柯信号有限公司生产的PBMCJ-1型屏蔽门电压采集模块，利用电磁隔离原理，使用专业的MCU控制器，可以同时测量4路屏蔽门状态的供电电压。软件部分是基于Windows操作系统，基于MyEclipse平台运用Java语言开发，选用Apache tomcat 7.0服务器应用程序，MySQL关系型数据库，采用SSH（Spring、Struts2、Hibernate）的企业级整合框架， 将系统从职责上分为4层：表示层、业务逻辑层、数据持久层和域模块层（实体层）[6]。Struts作为系统的整体基础架构，负责MVC的分离，在Struts框架的模型部分，控制业务跳转，利用Hibernate框架对持久层提供支持。Spring作为一个容器，整合了Hibernate和Struts2框架，构造了整个监控中心系统。系统总体架构如图1所示。

监控系统首先利用电压传感器、电流传感器采集门使能继电器、开门继电器、门锁闭继电器上电压、电流值，并将采集到的数据传送到服务器端。服务器端一方面将数据保存在数据库中，另一方面发送给浏览器的远程控制中心。远程控制中心根据事先设定的阈值来进行预警还是报警提醒。数据每隔3 s钟获取一次，故而数据库每隔3 s钟刷新一次，页面通过Ajax自动刷新。

2 功能模块设计

2.1 实时显示

实时显示模块，用于实时显示地铁站台门的状态信息。通过门使能继电器，开门继电器，门锁闭继电器传回来的状态值动态模拟地铁屏蔽门的开关状态，当值为0时表示门处于关闭状态，同时设置门的颜色为红色；当值为1时表示门打开状态，此时门的颜色显示绿色。通过显示不同的颜色，也方便运维人员能够及时发现故障门所在的位置。考虑到资源利用的最大化，上行站台只在上下班高峰期才会使用。下行站台分为四节编组和八节编组，根据下行六车道是否有电压来判断是四节开门还是八节开门，当没有电压值时四节开门，有电压值时八节开门。如图2所示。

2.2 状态量显示与模拟量时序图

在状态量显示模块和模拟量时序图模块，分别通过时序图和折线图的形式展示地铁站台门使能继电器、开门继电器和门锁闭继电器的状态信息和电压、电流值[7]，并且设计了滑动条，可以查询不同时间段对应的值。通过折线图的波动情况可知屏蔽门的运行状态，达到实时监控的作用。同时采用浮窗形式来显示每个点的数据信息，当鼠标移到某一个未知的时候，该点所覆盖的电压、电流、状态值以浮窗的形式显示出来。为了方便用户操作，设置了下载按钮，可以随时保存当前页面的参数值。支持用户放大或缩小图表信息，提供参考曲线[8]。如图3、图4所示。

2.3 预警 、报警相关模块

预警、历史报警与历史记录都采用表格的形式，用来查询特定时间段对应的继电器传回来的电流电压的值和状态量，根据传回的数据显示报警预警信息。设置模块是用于阈值的修改，为后台地铁屏蔽门是否发生故障提供评判标准。回放模块选定将某一时刻的所有信息显示在同一行，再逐行显示出每隔3 s传回来的数据信息。所选时间段内的信息会以滚动的形式播放在相应的区域框中，并且提供有5倍，10倍的倍速供选择，可以根据需要去改变相应的播放速度。

3 技术简介

3.1 Echarts

Echarts是个纯JavaScript语言的图库表，提供了常规的折线图、柱状图、地理数据可视化的地图、数据统计的盒形图等。能够实现数据的动态变化驱动图表的改变，考虑到移动端的显示，利用代码的重构，使得核心图表库的体积尽量小。本项目状态量显示以及模拟量时序图模块中，使用Echarts实现数据的图形化显示，每3 s钟根据硬件部分传回来的数据刷新界面，更新图表信息[9]。在绘图之前需要为Echarts准备一个具有宽高的Dom容器，基于准备好的Dom容器初始化Echarts图表，可以根据实际的项目需求在一个DOM容器中设置多个grid组件，最后生成动态折线图。

3.2 MySQL

MySQL是一个小型的关系型数据库管理系统，把数据存储在表格中，使用标准的结构化查询语言——sql访问数据库。MySQL的调试、管理、优化更为简单。因此在本项目中选用MySQL作为后台数据库管理系统，并结合Navicat可视化工具，实现对数据库的管理和开发。Navicat使用图形化的用户界面，可以让用户使用和管理更为轻松。

3.3 Ajax

Ajax 即 “Asynchronous JavaScript And XML” （异步 JavaScript 及 XML），其不是一种编程语言，而是一种异步请求技术，可以创建更好、更快且交互性更强的Web 应用程序[10]。传统的Web 应用程序会把数据提交至Web 服务器，等Web 服务器处理完所有数据之后，重新刷新整个页面，这会导致运行速度缓慢，增加服务器压力，降低网站使用率。而Ajax使用 JavaScript 在Web 浏览器与Web 服务器之间发送和接收数据。通过与Web 服务器交换数据，仅仅需要修改网页的某部分，缩短网站的响应时间。在本项目中，硬件部分通过传感器采集电压电流等数据，每隔3 s将此数据传回至服务器端，前端页面显示通过Ajax异步加载技术来定时地与服务器建立連接，以获取云服务器端的数据，实时地刷新页面数据显示。

4 系统设计与实现

4.1 系统动态监测过程

在浏览器端访问相应的网页，触发其与服务器端的交互。浏览器端使用jQuery通过XMLHttpRequest发送请求，服务器接收请求后，通过Struts定位到所需要调用的Action类中的方法，并通过该类中的方法获取数据传输信息，并以JSon的格式返回至前台页面后，再通过Echarts可视化方法生成JSP文件，并存放在指定的位置，在前端生成可视化界面展示给用户，具体过程如图5所示。

4.2 利用Echarts可视化技术的系统实现

系统硬件部分通过各种传感器采集数据，与远程地铁监管中心建立网络通信。当硬件系统与远程地铁屏蔽门监控中心建立连接之后，硬件系统会向监管中心每隔3 s主动以字符串的形式发送数据信息，服务器端将传回来的数据信息保存在数据库中，为状态量显示和模拟量时序图2个模块提供了数据源。采用Ajax异步调用的方式，通过调用后台Java代码读取所需要的数据信息，以Json的数据格式传输，利用Echarts可视化插件[11]，将数据传输信息以图形化的方式呈现在用户面前。其具体流程如图6所示。

5 系统调试

现场对地铁屏蔽门数据监控系统进行测试，屏蔽门运行状态检测平台实物图如图7所示。通过PC端打开浏览器，输入相应的网址，进入远程监控中心系统，同时启动Tomcat服务器，保证通信。现场测试实时显示模块是否能够根据硬件传输的参数改变相应的门的状态。其中S表示车的状态，是否有车进站；P1、P2、P3分别表示上行、中行、下行门的状态。1表示门是开的状态，在页面门的位置用绿色来表示，0表示门是关的状态，在页面门的位置用红色来表示。P4用来控制下行是四节开门还是八节开门，四节开门的位置在下行的右边，当P4的值为1时表示八节开门，值为0时表示四节开门。具体数据状态见表1。

6 结束语

本文通过对上海申通2号线地铁屏蔽门数据监控系统的展示与分析，可以看出整个系统采用模块化设计，每个模块实现对应的功能，有效地提高了监控平台的效率，也达到了监控的及时性。同时系统开放了数据检测采集和传输接口，为系统提供了延展性，可以应用到其它地铁项目中。为方便运维人员的工作，采用Echarts可视化技术，图形化的表现形式一目了然，更加直观地了解到地铁屏蔽门的工作状态，及时发现故障位置，减少地铁安全事故的发生，保障乘客的人身安全，从而提升用户的体验感。

参考文献

[1] 马殷元，王虎军，谢文洋. 铁路空调客车地面电源监控系统软件设计[J]. 测控技术，2016，35（4）：120-123，137.

[2] SU Jifeng， YU Yixin，JIA Hongjie，et al. Visualization of Aoltage stability region of bulk power system[C]//International Conference on Power System Technology. Kuming，China：IEEE，2002：1665-1668.

[3] OVERBYE T J， WIEGMANN D A， Thomas R J. Visualization of power systems：final report [M]. NewYork，USA：Pserc Publication，2005：17-30.

[4] 佟进. 基于AJAX框架WEB应用系统研究与设计[D]. 沈阳：沈阳工业大学，2009.

[5] 刘欢. 基于漏电流传感器的机车绝缘检测装置的研究[J]. 仪表技术与传感器，2017（1）：58-60.

[6] 黄宇达，魏霞，王迤冉. 基于SSH框架技术的学生信息管理系统的设计与实现[J]. 自动化技术与应用，2016，35（10）：37-41.

[7] 王子毅，张春海. 基于ECharts的数据可视化分析组件设计实现[J]. 微型机与应用，2016，35（14）：46-48，51.

[8] 章锐，陈树勇，刘道伟，等. 基于ECharts的电网Web可视化研究及应用 [J]. 电测与仪表，2017，54（19）：59-66.

[9] 冀潇，李杨. 采用ECharts可视化技术实现的数据体系监控系統[J]. 计算机系统应用，2017，26（6）：72-76.

[10]郭庆燕，张敏，杨贤栋. JQuery Ajax异步处理JSON数据实现气象图片的显示 [J]. 计算机应用与软件，2016，33（6）：20-22，67.

[11]陈鹏鹏. 移动互联网下数据可视化技术及应用[J]. 智能计算机与应用，2015，5（6）：38-41.