无轨胶轮车安全行车监测系统设计

刘超华，张 举，李碾峰，卫中宽，王 磊，张 磊

（1.中煤平朔发展集团有限公司，山西朔州 036002；2.中煤天津设计工程有限公司，天津 300120）

0 引言

在数字矿山的建设中，针对无轨胶轮车的远程监测与故障诊断是其中的关键一环。传统无轨胶轮运输车辆管理模式已经无法全面满足煤矿的安全需求，严重影响煤矿辅助运输系统的安全运行[1]。此外，目前煤矿正在逐步进行4G/5G 网络[2]、辅助运输管理系统[3]等方面的建设，但目前各系统之间相互独立，数据不开放、接口不兼容，容易形成数据孤岛[4]，不能实现系统之间的联动，无法进行大数据和多种数据立体分析。本文结合无轨胶轮车安全运行的实际需求，提出无轨胶轮车安全运行监测与故障诊断平台技术，以提高无轨胶轮车运行的安全性与可靠性，助力矿山数字化建设。

1 系统总体设计

提高数据采集的有效性是实现无轨胶轮车安全行车监测的关键。为有效采集目标胶轮车的油压、水压、油温、水温、转速、里程等数据，本文对胶轮车的数据采集设备进行了改造升级。改造后的油压采集设备能够稳定、有效地采集油压数据，并通过CAN 总线输出，能够有效帮助安全行车检测系统判断驻车制动系统是否存在故障。此外，本文设计了T-BOX 数据采集设备，它可以通过CAN 总线采集所有传感器送出的信号，使得数据监测更加便捷（图1）。

图1 T-BOX 采集的油压数据

本文基于无轨胶轮车相关数据的有效采集，设计了安全行车监测平台，其基础功能如下：

（1）实时监测：本系统重点监测车辆编号、类型、型号、位置、速度、行驶状态、油压、气压等。系统还可对井下车辆进行实时分析处理，确保车辆处于安全运行状态。

（2）车辆数据采集：由于无轨胶轮车主要在井下工作，不可控因素较多，容易导致安全问题。在井下作业时，T-BOX 通过接口接入网络，采集胶轮车的行驶状态数据，包括油压、水压、油温、水温、转速、里程等。

（3）数据保存：采集信息后，T-BOX 以最大间隔时间不超过1 s，并将实时数据保存到内部存储介质和监测平台中。

（4）可视化显示：采集到的数据信息经过处理汇总，集中显示在监控平台的显示屏上。

故障诊断系统基于大数据挖掘技术可以使实现实时数据查询、历史数据查询、车辆状态管理与预警信息管理等功能，满足对井下胶轮车的运行状态的在线实时监测与历史查询，工作人员可以通过中央管理设备获取预警信息及相关报表，以便了解井下情况，合理安排胶轮车的运作强度、保养及检修。

故障预诊断功能主要包括：①车辆运行状态管理功能：根据历史数据及实时运行状态，通过神经网络计算出未来短期内的车辆健康状态，判断其是否存在故障；若有，则发送指令，对其进行维护、检修；②车辆故障诊断与维护保养及时提醒功能：对车辆进行计划性保养，可设置在到期前1 天或1 周进行提醒，系统会在软件页面发出通知，提醒车辆需要进行例行保养。

2 车联网平台设计

2.1 平台模块划分

车联网平台主要分为数据采集解析服务、数据转发上报服务、数据分析服务、数据存储服务、平台Web服务等模块，其具体工作流程如图2 所示。

图2 平台模块划分示意

2.1.1 数据采集解析服务

数据采集解析服务中集成了车辆数据采集和数据解析功能，将接收到的车辆原始数据报文按照规定的协议格式实时解析成用户需要的车辆数据项，如车速、里程、SOC 等。数据采集解析服务工作流程如图3 所示，在接收车辆数据上报后，系统对其进行实时解码。根据数据解析结果，匹配系统电子围栏、平台报警、重点关注等预设规则，并将结果推送至平台。如果推送网络发生阻塞，系统将数据写入数据库，推送数据主动丢包，以保证所推送数据是最新的实时数据。

图3 数据采集解析流程

数据采集解析服务支持接入百万级的车辆数，实时采集数据，延时低至1 s 内，车辆状态与平台数据展示同步性高；实时解析，解码速度低至0.1 s 内；支持多种通信协议。

2.1.2 数据转发上报服务

数据转发上报服务负责将车辆上报的数据转发上报给用户指定的第三方平台、地方平台或国家平台。系统首先将车辆数据上报给数据转发上报服务，车辆数据上报服务后再接主平台（回复车辆报文）和转发上报平台，最后数据转发上报服务将车辆数据转发给客户指定平台。如果转发上报网络发生阻塞，系统将接收到的数据存储到队列中，待网络恢复后补发。

该数据转发上报服务可以支持百万级车辆数据转发，并且实时转发，延时低至0.1 s 内。此外，该服务支持模拟终端→平台、平台→平台两种转发形式，能够确保转发上报数据的完整性，即使出现网络阻塞情况，在网络恢复后也能补发数据。

2.1.3 数据分析服务

数据分析服务包括数据统计和数据分析两部分，数据统计信息包括车辆在线率、行停统计、车辆报警数等，数据分析包括车辆充电分析、能耗、速度分析、定位点分析等。数据分析服务在用户发起请求，根据用户定制分析条件，利用数据分析引擎在后台进行数据分析。分析完成后，将数据分析结果返回给用户，以图表等形式展现统计分析结果。

数据分析服务具有高度可定制化、自定义数据分析内容、快速返回分析结果、同时对热数据和冷数据分析、可对PB 级海量数据做索引数据分析等优点（图4）。

图4 数据分析流程

图5 数据存储服务工作流程

2.1.4 数据存储服务

数据存储服务是系统的数据存储模块。根据目前的车辆数据情况，每台车每年所产生的数据有300 MB～1 GB（根据车辆上报数据频率和内容不同，每年产生的数据量也不同），1000 台车每年就会产生300 GB～1 TB的数据。针对如此大的数据，稳定且安全的数据存储服务是非常必要的。数据接收解析服务从车辆上报接收车辆数据包后，将其交给数据存储服务。数据存储服务将车辆实时信息写入快照数据存储，将数据建立索引写入热数据存储，并将原始报文建立索引写入冷数据存储。当用户请求数据时，利用索引信息找到相应的数据信息并发送给用户。

2.1.5 Web 服务

Web 服务向用户提供Web 页面形式的车联网平台管理服务。整个平台采用MVC（Model-View-Controller）结构，数据访问层采用对象—关系映射（ORM）在数据访问层（Active Record）和数据库（Database）之间建立映射。逻辑应用层主要通过控制器（Controller）来实现。表现层分为两部分：网页呈现部分（Action View）和Web 服务部分（Action WebService）。

2.2 系统安全设计

本系统是一个特殊的Web 应用系统，在设计、实施过程中需要按照Web 应用系统的一般性要求，并充分考虑安全性设计。本系统是面向车辆的监控监管系统，其中部分功能，例如报警和远程控车，涉及到车辆安全，具有高度的敏感性。在系统使用过程中，一旦出现系统故障，将造成车辆驾驶安全问题，导致车辆数据丢失等事故，后果不堪设想。因此，本文特别进行了针对系统和数据安全性问题的设计，保证关键权限、防止误操作，出现误操作时平台会自动屏蔽相关指令，如车辆高速行驶禁止执行操作开车门指令，并对关键数据进行定时、多机、异地备份。

3 平台应用与验证

平台提供监控、分析、管理、系统等功能模块。动态监控可用于实时监控车辆数据，如车辆状态、行驶速度、地理位置等信息。车辆的详细信息可通过信息卡实时获取（图6）。

图6 车辆信息卡

利用动态监控能可以实时车辆跟踪，在地图中跟踪显示该车辆的行驶轨迹，并在跟踪列表中显示出该车上报的实时数据，查询车辆指定时间段内的历史数据明细（图7）。此外，报警监控会列出车辆报警的详细信息，默认显示车辆名称、报警开始时间、报警结束时间、报警类型、报警等级、最高报警等级、行驶速度、报警位置、消息流水号、处理状态、处理时间等信息，并提供车辆报警管理功能。

图7 车辆跟踪信息

在管理功能模块中，可以从终端输入其生产厂商、终端型号、软硬件版本等信息。在管理车辆时可以添加或选择车辆分组，并支持导入、导出功能，使操作更加方便、快捷。

4 结束语

本文开发的车辆运行安全监测系统，能够实现对无轨胶轮车的安全监测与故障预警，并支持移动端、云端和车端联动。在数字矿山的建设中，无轨胶轮车的远程监测与故障诊断技术至关重要，本文结合无轨胶轮车安全运行的实际需求，对于提高无轨胶轮车运行的安全性与可靠性、助力矿山数字化有着重要意义。