CN112240833A - 一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法及系统，其中车辆动力学试验测试方法包括以下步骤：数据采集步骤，利用车载端的传感器采集车辆的试验数据；数据接收与缓存步骤，利用车载端的车载控制子系统对所述试验数据进行接收与缓存，形成数据源，并将其传送至云服务器端；数据处理步骤，在所述云服务器端对所述数据源进行处理，生成监控数据；数据存储步骤，在所述云服务器端存储所述监控数据；表现步骤，将所述监控数据传送至外部用户端并进行展示。根据本发明的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法及系统，能够保持用户与车载终端间的信息畅通，有效降低网络状态的影响，保证车辆动力学试验测试的稳定性和有效性。

Description

一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法及系统

技术领域

本发明属于轨道车辆动力学性能试验测试领域，特别涉及一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法及系统。

背景技术

目前，中国高速铁路运行里程已超过25000公里，且已有超过4500辆高速动车组投入运营。随着国家“八纵八横”铁路网的加快建设，高速铁路运营公里数及高速动车组数量将会持续增加。为了保证车辆运行安全性与可靠性，需要对高速动车组在长期服役过程中的动力学性能进行监控。该动力学测试内容主要包括车下转向架轴箱、构架、枕梁等关键结构的振动加速度及空簧、减振器等悬挂元件的振动位移。考虑到国内高速铁路运营任务繁忙，越来越多的车辆动力学测试被要求在载客运营的条件下进行。因此，需要建立一种无人值守测试方法，将测试设备安装在车下设备舱中，测试人员可通过无线方式控制数采系统完成动力学性能测试。

现有的车辆动力学无人值守测试方法主要分为两种，一种是将数采设备与传感器连接后固定在车下设备舱中，通过车下安装无线路由器所建立的局域网被车上测试人员控制。然而，当车辆高速运行时，所建局域网变得极不稳定，车上人员往往无法保持与车下数采设备的连接，只能等到车速下降甚至停车后才能查看到试验数据。另一种方法是测试人员通过4G网络与车上设备进行点对点连接，并实现远程控制。然而，高速铁路沿途总会通过4G网络信号较弱的隧道或欠发达区域，造成测试人员与车上测试设备失联，从而影响试验进程。因此，有必要发明一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法，既可以降低网络状态的影响，又能保证试验数据信息的安全性，进而稳定、有效地开展车辆动力学服役性能测试。

发明内容

针对现有车辆动力学服役性能测试系统数据安全性差且受网络状态影响大的问题，本发明提供一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法及系统。在车载端的数采设备与外部用户端之间增加云服务器端，用于存储车载端传输的数据分析结果以及外部用户端发出的指令，并将其依次排队发送，进而使用户与车载端之间能够保持信息畅通，有效降低网络状态的影响。

本发明的实施例提供一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法，包括以下步骤：数据采集步骤，利用车载端的传感器采集车辆的试验数据；数据接收与缓存步骤，利用车载端的车载控制子系统对所述试验数据进行接收与缓存，形成数据源，并将其传送至云服务器端；数据处理步骤，在所述云服务器端对所述数据源进行处理，生成监控数据；数据存储步骤，在所述云服务器端存储所述监控数据；表现步骤，将所述监控数据传送至外部用户端并进行展示。

进一步地，试验数据包括振动加速度、振动位移、GPS数据中的至少一种。

进一步地，将数据源传送至云服务器端包括：利用消息队列遥测传输MQTT将所述数据源从车载端传送至云服务器端。

进一步地，将监控数据传送至外部用户端并进行展示包括：利用HTTP与Websocket将所述监控数据传送至外部用户端，并且使用ECharts进行展示。

进一步地，在云服务器端存储监控数据包括：利用InfluxDB存储所述监控数据，并且利用Cassandra数据库存储所述GPS数据。

本发明的实施例还提供一种用于车辆动力学试验测试的无人值守系统，包括：车载端，所述车载端包括车载控制子系统和传感器；云服务器端；外部用户端；其中：所述传感器采集车辆的试验数据；所述车载控制子系统对所述试验数据进行接收与缓存，形成数据源，并将其传送至所述云服务器端；所述云服务器端对所述数据源进行处理，生成监控数据；所述云服务器端存储所述监控数据；所述外部用户端对所述监控数据进行展示。

进一步地，所述试验数据包括振动加速度、振动位移、GPS数据中的至少一种。

进一步地，所述车载控制子系统利用消息队列遥测传输MQTT将所述数据源从车载端传送至云服务器端。

进一步地，所述云服务器端利用HTTP与Websocket将所述监控数据传送至所述外部用户端，所述外部用户端使用ECharts进行展示。

进一步地，所述云服务器端利用InfluxDB存储所述监控数据，并且利用Cassandra数据库存储所述GPS数据。

通过本发明的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法及系统，能够保持用户与车载终端间的信息畅通，有效降低网络状态的影响，保证车辆动力学试验测试的稳定性和有效性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明具体实施例的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法的流程图。

图2为根据本发明具体实施例的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试系统的整体架构图。

图3为根据本发明具体实施例的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试系统的功能模块结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为根据本发明具体实施例的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法的流程图。

如图1所示，根据本发明的实施例，一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法包括：数据采集步骤S10、数据接收与缓存步骤S20、数据处理步骤S30、数据存储步骤S40和表现步骤S50。

在数据采集步骤S10，利用数据采集设备进行数据采集，即，利用车载端的传感器采集车辆的试验数据。根据本发明的实施例，车载端包括车载控制子系统和传感器。根据本发明的具体应用场合，传感器可以设置于试验车辆的任何适当位置，例如设置在试验车辆下方的设备舱中。试验数据可以包括(但不限于)试验车辆的各种部件(例如，转向架的各种部件，轴箱、构架、枕梁等)的振动加速度、振动位移等，也可以包括试验车辆的GPS数据。相应地，传感器可以包括加速度传感器、位移传感器、GPS传感器等。本领域技术人员应该理解，上面给出的只是示例，利用各种车载端的传感器来采集与车辆动力学试验相关的各种试验数据的任何技术手段，都在本发明的保护范围之内。

在数据接收与缓存步骤S20，利用车载端的车载控制子系统对试验数据进行接收与缓存，形成数据源，并将其传送至云服务器端。根据本发明的实施例，车载端的车载控制子系统实现数据采集、分析计算、存储与展现，以及传感器设置等功能。车载端的车载控制子系统采用C#语言开发，使用Winform界面进行服务状态的查看和控制。车载端的车载控制子系统使用Matlab的C#接口对采集数据进行计算，并通过MQTT(Message QueuingTelemetry Transport，消息队列遥测传输)协议将计算结果数据传递至云服务器端，保证数据传输的稳定性和准确性；而针对大容量的原始采集数据，如GPS数据，则采用KafkaClient传输至云服务器端。

C#语言是微软为.NET Framework订做的程序语言，其拥有强大功能以及简易使用的特性，是第一个组件导向的程序语言。采用C#语言开发的车载控制子系统能够利用简易的程序语言实现其各种功能。

Winform是Windows窗体(Form)的简称，用于设计窗体和可视控件，以创建丰富的基于Windows的应用程序。利用Winform提供的丰富控件，开发出适合车辆动力学试验的界面，特别是适合用户对车辆动力学试验的各种状态的查看和控制。

Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，其中包括对C#的支持。利用Matlab的C#接口，可以方便地将采集数据引入车载控制子系统。

MQTT即消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport)，是一种基于发布/订阅范式的消息协议，由IBM公司提出。MQTT是低开销、低带宽占用的即时通讯协议，可以用极少的代码和带宽为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，适用于硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的环境下。根据本发明的实施例，车载端包括MQTT客户端，用于建立到云服务器端的网络连接，另外，本发明实施例使用的MQTT报文包括2字节的固定头部、可变头部和消息体，从而使得协议交换最小化，降低了网络流量。通过在车载端设置MQTT客户端，能够在网络状况较差时，例如列车通过无线网络信号较差的隧道或欠发达地区时，保证车载端与云服务器端的通信连接，从而保证数据传输的稳定性和准确性。

Kafka是一个开源流处理平台，是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统。通过并行加载机制来统一消息处理，从而提供实时的消息。根据本发明的实施例，车载端包括Kafka客户端，用于将来自车载端传感器的大容量原始采集数据传输至云服务器端。

本领域技术人员可以理解，上面给出的只是示例，并不构成对本发明的限制。根据本发明的实际应用场景，可以采用其他适用的计算机程序语言、接口、通信协议、处理平台等，这些都在本发明的范围之内。

在数据处理步骤S30，在云服务器端对数据源进行处理，生成监控数据。

根据本发明的实施例，云服务器端包括表现层、业务层与持久层，其中业务层负责具体的业务处理以及数据接收，业务层采用Java开发，使用Spring MVC提供对前端请求的处理，并通过Spring MVC提供接口给车载端调用。另外，表现层即为人机交互界面，外部用户可通过浏览器进行访问，使用Jquery提供的JavaScript框架，并使用ECharts展示图表和GPS数据。另外，持久层负责数据的持久化，分别将计算结果数据、抽样监控数据以及原始采集数据保存到关系数据库、时序数据库和Key-Value数据库中。

SpringMVC是一种基于Java，实现了Web MVC(Model-View-Controller，模型-视图-控制器)设计模式，请求驱动类型的轻量级Web框架，即使用了MVC架构模式的思想，将Web层进行职责解耦。

根据本发明的实施例，可以应用Kafka读取车载端的原始采集数据，对原始采集数据进行抽样，生成监控数据。

在数据存储步骤S40，在云服务器端存储监控数据。利用InfluxDB存储监控数据，并且利用Cassandra数据库存储GPS数据。根据本发明的实施例，可以使用InfluxDB内置的Continuous Query(连续查询)进行数据整体变化趋势查看。

InfluxDB是一种开源分布式时序、事件和指标数据库，无需外部依赖。InfluxDB的Continuous Query(连续查询)是在数据库中启动的一组语句，InfluxDB会将查询结果放在指定的数据表中。使用连续查询能够降低采样率，连续查询和存储策略搭配使用将会大大降低InfluxDB的系统占用量。而且在使用连续查询后，数据会存放到指定的数据表中，这样就为以后统计数据提供了方便。

Cassandra数据库是一套分布式数据库系统，具备良好的可扩展性，是一种分布式结构化数据存储方案。根据本发明的实施例，使用的Cassandra是由多个数据库节点共同构成的分布式网络服务，用其存储GPS数据，模式灵活，扩展性好，而且具备多数据中心的优点。

在表现步骤S50，将监控数据传送至外部用户端并进行展示。将所述监控数据传送至外部用户端并进行展示包括：利用HTTP与Websocket将监控数据传送至外部用户端，并且使用ECharts进行展示。根据本发明的实施例，展示的可以是实时监控数据和/或历史分析数据。

WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。在本发明的实施例至，利用HTTP与Websocket进行数据传送能够实现较少的控制开销，更强的实时性，更好的保持连接状态，以及更好的压缩效果。

通过本发明的实施例，能够保持用户与车载终端间的信息畅通，有效降低网络状态的影响，保证车辆动力学试验测试的稳定性和有效性。

图2为根据本发明具体实施例的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试系统的整体架构图。

图3为根据本发明具体实施例的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试系统的功能模块结构图。

根据本发明的实施例，一种用于车辆动力学试验测试的无人值守系包括：车载端100，车载端包括车载控制子系统和传感器；云服务器端200；外部用户端300；其中：传感器采集车辆的试验数据；车载控制子系统对试验数据进行接收与缓存，形成数据源，并将其传送至云服务器端；云服务器端对数据源进行处理，生成监控数据；云服务器端存储监控数据；外部用户端对监控数据进行展示。

根据本发明的实施例，试验数据包括振动加速度、振动位移、GPS数据中的至少一种。

根据本发明的实施例，车载控制子系统利用消息队列遥测传输MQTT将数据源从车载端100传送至云服务器端200。

根据本发明的实施例，云服务器端200利用HTTP与Websocket将监控数据传送至外部用户端300，外部用户端300使用ECharts进行展示。

根据本发明的实施例，云服务器端200利用InfluxDB存储监控数据，并且利用Cassandra数据库存储GPS数据。

此外，在根据本发明实施例的基于无人值守系统的车辆动力学试验测试系统中，车载端100包括数据采集、数据计算、状态控制、运行检查、设置更新、心跳报告等功能模块，云服务器端200包括系统管理、日志管理、设备管理、实时监控等功能模块。

本领域技术人员可以理解，这里描述的功能模块只是示例，并不构成对本发明的限制。而且，上述功能模块可以通过硬件和/或软件实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人值守系统的车辆动力学试验测试方法，其特征在于，所述车辆动力学试验测试方法包括以下步骤：

数据采集步骤，利用车载端的传感器采集车辆的试验数据；

数据接收与缓存步骤，利用车载端的车载控制子系统对所述试验数据进行接收与缓存，形成数据源，并将其传送至云服务器端；

数据处理步骤，在所述云服务器端对所述数据源进行处理，生成监控数据；

数据存储步骤，在所述云服务器端存储所述监控数据；

表现步骤，将所述监控数据传送至外部用户端并进行展示。

2.根据权利要求1所述的车辆动力学试验测试方法，其特征在于，所述试验数据包括振动加速度、振动位移、GPS数据中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的车辆动力学试验测试方法，其特征在于，将所述数据源传送至云服务器端包括：利用消息队列遥测传输MQTT将所述数据源从车载端传送至云服务器端。

4.根据权利要求1所述的车辆动力学试验测试方法，其特征在于，将所述监控数据传送至外部用户端并进行展示包括：利用HTTP与Websocket将所述监控数据传送至外部用户端，并且使用ECharts进行展示。

5.根据权利要求2所述的车辆动力学试验测试方法，其特征在于，在所述云服务器端存储所述监控数据包括：利用InfluxDB存储所述监控数据，并且利用Cassandra数据库存储所述GPS数据。

6.一种用于车辆动力学试验测试的无人值守系统，其特征在于，所述无人值守系统包括：

车载端，所述车载端包括车载控制子系统和传感器；

云服务器端；

外部用户端；

其中：

所述传感器采集车辆的试验数据；

所述车载控制子系统对所述试验数据进行接收与缓存，形成数据源，并将其传送至所述云服务器端；

所述云服务器端对所述数据源进行处理，生成监控数据；

所述云服务器端存储所述监控数据；

所述外部用户端对所述监控数据进行展示。

7.根据权利要求6所述的无人值守系统，其特征在于，所述试验数据包括振动加速度、振动位移、GPS数据中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的无人值守系统，其特征在于，所述车载控制子系统利用消息队列遥测传输MQTT将所述数据源从车载端传送至云服务器端。

9.根据权利要求6所述的无人值守系统，其特征在于，所述云服务器端利用HTTP与Websocket将所述监控数据传送至所述外部用户端，所述外部用户端使用ECharts进行展示。

10.根据权利要求7所述的无人值守系统，其特征在于，所述云服务器端利用InfluxDB存储所述监控数据，并且利用Cassandra数据库存储所述GPS数据。

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