基于?MQTT?协议的道岔安全 监测系统优化研究

张郁 邹劲柏 张海娟

摘 要：城市轨道交通道岔运行状态实时监测，能有效提高列车运行安全性，并大幅度减少人工成本。从线缆传输带宽受限角度出发，提出一种基于 消息队列遥测传输协议（MQTT ）的城市轨道交通道岔安全监测系统，能够对数据优先级进行分类并实现动态时隙分配。利用图论的最短路径算法，实现信息的高效传输。利用 MQTT 协议轻量特性，优化了多数据并发的传输性能，改善现场传输带宽受限的不足，提高系统工作效率。

关键词：城市轨道交通;消息队列;遥测传输协议;道岔;监测;系统优化

中图分类号：U284.5

0 引言

城市轨道交通线路日益扩增，日常往往承担较高密度的运量。道岔转辙机作为信号联锁设备的重要组成部分，其运行工作状况直接影响着行车安全，因此对道岔的运用质量与状态稳定性要求也越来越高。为更好地实现城市轨道交通道岔缺口监控，需要高安全可靠性、高抗干扰性、实时有效的监控反馈。

目前，铁路的道岔缺口监控传输普遍采用电缆低带宽传输技术长距离传输缺口动态音视频信息，基本满足图像识别、测量判断和人工观测记录的要求。然而，传统人工查看和二代数据监控系统已经无法满足业务需求，多传感器数据监测能更好地保障道岔转辙机所处环境的安全，以及动作信息的准确性和可靠性。但在实际城市轨道交通环境下，道岔缺口监控主要存在转辙机信号控制线缆传输带宽受限的问题，随着线路的延长，距离站内控制室较远的节点可能存在信息传输不稳定的情况，多线路数据并发可能存在时延或丢包现象。目前道岔监测的相关研究主要针对设备端的数据处理或客户端的后台数据分析，针对现场带宽受限又不宜过多铺设同轴电缆等工况研究较少。

本文主要考虑提高道岔监测系统数据传输的质量，提出基于物联网轻量化协议的道岔监测系统，并对系统数据传输服务质量以及高效性提出优化措施，以提高整体工作效率。

1 系统设计

道岔监测系统结构如图1所示，整个系统主要分为室内设备和室外设备2部分。现场室外设备端通过各类传感器（温湿度、振动液压、油位及启动传感器）采集数据，由MQTT实现订阅、发布模式的及时通信。服务器实现数据的存储转发，同时搭建数据库，实现后台数据存储处理分析。系统自动推送报警信息，站内主机对各类传感器数据进行实时显示，存储并分析历史数据，生成统计报表以便维护。

2 信号线缆性能分析

城市轨道交通线路中铺设的线缆是铁轨中各设备之间的传输纽带，承担电力传送、控制信号传输任务。道岔监测系统中的电缆主要负责转辙机设备电力以及简单控制信号的输送，但传统道岔监测系统无法满足多传感器数据以及图像信息的传输需求。为更好地利用既有线路并满足新一代道岔监测系统的需求，本文对既有传输信号线缆做出性能分析，并提出多层面的对策以实现受限带宽下系统性能的稳固。

目前城市轨道交通信号电缆适用于额定电压交流500 V或直流1 000 V，在站内选用四线组对绞线成对的电缆，采用SPTYWA23型数字综合护套电缆，线缆结构如图2所示。

衰减是信号控制电缆最重要的特性之一，主要由于导体本身和绝缘介质有损而产生，线缆的衰减可以明确反应线缆的传输能力，一般衰减都与传输信号的频率成正比，同时随着线缆长度增加而增大。通常α表示衰减常数，单位为dB/100 m。

信号控制线缆衰减计算如下：

（1）

式（1）中， R为线缆的电阻，Ω; C为线缆的等效电容，F; L为线缆回路电感，H; G为线缆的绝缘电导，S。

信号控制电缆的电阻R为：

R = ρ×Ll / S                                    （2）

式（2）中，  ρ为线缆的电阻率，Ω · mm2 / m; Ll为线缆长度，m; S为线缆的横截面积，mm2。

由于信号控制电缆的性能还受温度影响（标准为20 ℃），所以电阻满足如下公式：

（3）

式（3）中，t表示温度，℃; R20为标准温度20 ℃下的电阻值，Ω; Rt为任意温度下的电阻值，Ω; αt为电阻的温度系数，一般为0.00393。

在实际应用中，我们可以换算得出衰减常数α为：

（4）

式（4）中，为阻抗匹配时的最大功率与实际输入功率之比。

测量计算在标准温度20℃下线缆的电阻值，假设电阻率ρ = 0.0173Ω · mm2 / m;线缆长度Ll= 1000m;截面积 ;实测电阻Rt = 84.59Ω。同时假设电容C = 49.42×10-6F;线缆回路电感L = 4.1154×10-5H;线缆的电导G =10-11f×3.11S， f为传输频率;可计算出当Rt = 84.59Ω时，衰减a = 4.234dB / 100m。

通过计算可以了解到，随着信号控制线缆长度的增加，传输性能衰减明显增大，道岔监测点距离站内主机越远，传输性能越差，带宽越受限。根据实际需求，下文提出一种适用于窄带传输的物联网轻量化协议MQTT，以解决系统长距离带宽受限的困扰。

3 MQTT

3.1 MQTT 简介

MQTT是一種多应用于各种物联网环境的应用层协议，以订阅/发布模式实现轻量化通信，构建于传输控制协议/网际协议（TCP/IP）协议之上。面对低带宽、网络不稳定的现场环境，优势突出。MQTT设计精简，只需创建客户端即可连接通信，可缩减协议头大小、减少传输量。针对监控设备的实时性建立连续会话，出现网络异常等故障可断线重连，数据格式灵活，且提供对网络层、传输层以及应用层的安全特性。通过MQTT消息代理者通信来实现信息交互，对不同服务实现解耦。

系统中道岔监测装置作为发布者，物联网平台作为消息代理，而室内主机为订阅者。订阅/发布通信模式示意如图3所示。

3.2 MQTT 特性

目前针对设备环境受限的物联网应用层协议主要包括MQTT、受限应用协议（COAP）以及可扩展通信和表示协议（XMPP）等，在同等竞争下，MQTT以其特有的优势得到了更广泛的应用。

3.2.1 订阅/发布模式

订阅/发布模式通过代理服务器可高度解耦发布和订阅者之间的关联，无需直接联系，客户端之间可以一对一、一对多和多对多方式进行双向流通信。

3.2.2 消息格式精简

MQTT数据包基于二进制格式实现，固定报头最少只有2个字节，没有应用消息头，最大程度减少了网络流量。该协议支持14种不同的消息类型，可根据实际应用需求选择对象简谱（JSON）、字符串或二进制等不同类型报文，数据包格式如图4所示。

3.2.3 心跳和遗嘱机制

MQTT客户端与服务器之间可通过报文发送实现会话的长连接，同时可以设置心跳时间。特有遗嘱机制保证MQTT应用客户端在发生网络故障时可实现断线自愈，消息也不会丢失，不同于HTTP等协议需要刷新重新连接。

3.2.4 提高消息服务质量

MQTT对比其他协议的一大优势就是提供3种不同的消息服务质量（Qos）等级，如表1所示，与消息类型（Message Type）一同存在于固定报文的第一字节中，可对不同的主题订阅提供不同的服务质量，主要依据不同消息的可靠性需求。

通过多协议特征对比，如表2所示，可以看出，在道岔监测系统中采用轻量化协议MQTT 通信，优势突出且适用于在可靠性低的网络环境下进行低带宽传输，并具备极大的可扩展性。同时作为标准化物联网协议，其适用于多物联网平台，可满足未来智能化轨道交通发展需求。

4 系统优化

本文在充分考虑带宽有限的条件下，还要实现传输资源的有效均衡，所以针对系统的网络拓扑结构提出最短路径算法，以提高传输效率。

4.1 最短路径算法

最短路径是图论与网络拓扑结合的常用算法，常用于地理位置系统、工程规划、轨道交通网络以及传感网络中。由于城市轨道交通现场环境多样，线路较长，道岔监控节点设置以道岔转折点为准，多样式组网实现了道岔监测节点之间信息传输的冗余保障，易于扩展且故障隔离较容易。将线缆连接的道岔监测节点设为网络图的各顶点，节点到节点之间的路线设为无向图的边，这样各个节点的传输问题就转化为了最短路径问题，系统网络拓扑如图5所示。

最短路径算法的基本思想为：取定两个集合S和E，集合S中放置已处理的顶点，集合E中存放未被处理的顶点。初始状态下，集合S中只存放起点V1，通过对相邻点的遍历，从集合E中取出至V1路径最短的顶点并入集合S，重复遍历、取值并修改更新集合，满足两点之间最短路径的顶点都并入集合S。

假设上述拓扑图节点V7为站内主机，V1至V7为站台左侧道岔监测节点拓扑图，利用MATLAB仿真最短路径如图6所示，算法流程如下。

（1）首先设置集合S ={V1}，E ={未处理的其余顶点}，设W为顶点对应的距离值即权值。设置稀疏矩阵G = sparse（S，E，W）建立有向图P。

（2）初始认定若存在，而H（V1，Vi）为边上的权值;如果不存在，则权值H（V1，Vi）为∞。

（3）求节点V1到Vi的最小值，从集合E中选取1 个距离值最小且不在集合S中的顶点Vk（k≤7），加入集合S。

（4）将Vk作为中间点，对集合E中顶点的距离值进行修改，若从起点V1到顶点Vi的距离（经过顶点Vk）比原来距离（不经过顶点Vk）短，则修改距离值。

（5）重复上述步骤3、步骤4，遍历所有邻点，直到集合S中包含所有顶点。

4.2 时分多址技术

道岔监测系统中组网配置的单主机可能需要挂载20台监测设备，因每个道岔监测点有多传感器数据以及视频图像信息，同时考虑多数据并发时对数据传输实时可靠性的高要求，突发报警信息的第一时间到达显得尤为重要，故而提出结合时分多址技术，对不同级别数据实现动态时隙分配。

在整个系统实际运行过程中，除了保证将列车进路道岔变动时的实时数据准确高效传输至客户端外，还须将各个道岔转辙机的状态监测数据也要保障实时上传。当出现异常数据时，更应该保障将这类数据可靠、及时地推送至客户端。

考虑列车过车前道岔转换是否到位直接关乎行车安全，故提出在传感器数据没有超过安全阈值时，以图像信息为第一优先级分配时隙传输;若传感器数据异常，则将预警信息视为第一优先级分配时隙传输。同一线路多个道岔，每个道岔也有多个信息需要传输，优先处理安全预警信息，有效避免多数据并发情况下的信息堵塞，提高了整个系统的安全可靠性。道岔转辙机状态监控信息优先传输原理如图7所示。

5 结语

本文通过对既有线路道岔缺口监控设备现状进行调研，进一步完善道岔缺口监控报警系统，采用更适用于低带宽、不稳定网络环境下的物联网轻量化协议，解决系统抗干扰性能差、损坏和网络化管理误报多等问题;并根据数据重要性进行分类，动态分配时隙，进一步优化了数据传输服务质量，提高了整体运营效率;提出利用最短路徑算法改善不同道岔监测点到室内终端的传输效率，形成一套闭环且高效的传输网络系统，且传输网路具备高度自愈性。

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收稿日期 2019-08-10

责任编辑 孙锐娇

Optimization of turnout safety monitoring system based on MQTT protocol

Zhang Yu， Zou Jinbai， Zhang Haijuan

Abstract： The real-time monitoring of rail transit turnout operation effectively improves the safety of train operation and greatly reduces the labor cost. From the point of view of limited cable transmission bandwidth， this paper proposes a rail transit turnout safety monitoring system based on MQTT protocol， which classifies data priority and realizes dynamic slot allocation. The shortest path algorithm of graph theory is used to realize the efficient transmission of information. By using the light-weight characteristics of MQTT protocol， the transmission performance of multi data concurrency is optimized， both the limitation of field transmission bandwidth and the working efficiency of the system is improved.

Keywords： message sequence， telemetry transmission protocol， turnout， monitoring， system optimization