CN114088429A - 一种列车动力学指标监测计算集群 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道交通监测系统领域，尤其涉及一种列车动力学指标监测计算集群，包括监测机和前置处理器，监测机和前置处理器设置在列车的每节车厢内；同节车厢内的监测机与前置处理器相互连接，不同车厢内的监测机之间依次连接并分别与TCMS系统连接；所述前置处理器还连接有多个传感器，用于采集对应车厢的动力学数据；所述监测机用于对应车厢的动力学指标监测和故障分析；所述监测机配置为主机和从机，所述主机既作为对应车厢的从机，还用于维护列车级信息并共享于所有从机；所述主机与地面服务器连接，用于接收从机的对地数据并实现车地数据传输。本发明提升了系统的健壮性和安全性，实现了海量在线监测状态数据的高效对地传输。

Description

一种列车动力学指标监测计算集群
技术领域
本发明涉及轨道交通监测系统领域，尤其涉及一种列车动力学指标监测计算集群。
背景技术
现有技术中的列车动力学指标监测采用监测设备收集列车上的传感器数据后通过车地数据传输将收集到的列车运行数据下发至地面服务器，再由地面服务器完成对车辆动力学指标的计算与输出。然而现有技术中只能单个监测设备完成所在单节车厢的动力学性能监测，无法监测整个列车；并且车载监测设备只能完成初步的在线监测功能，难以实现对较为全面整体的性能检测、故障分析、预警和告警功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种列车动力学指标监测计算集群，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种列车动力学指标监测计算集群，所述计算集群包括监测机和前置处理器，监测机和前置处理器设置在列车的每节车厢内；同节车厢内的监测机与前置处理器相互连接，不同车厢内的监测机之间依次连接并分别与TCMS系统连接；所述前置处理器还连接有多个传感器，用于采集对应车厢的动力学数据；所述监测机用于对应车厢的动力学指标监测和故障分析；所述监测机分别配置为主机和从机，所述主机既作为对应车厢的从机，还用于维护列车级信息并共享于所有从机；所述主机与地面服务器连接，用于接收从机的对地数据并实现车地数据传输。
优选的，所述列车级信息包括列车各车厢基础信息、诊断故障字典、自诊断故障字典、部件库信息、列车设备点位配属信息和对地数据通讯设置信息。
优选的，所述从机配置为：根据所述前置处理器的输出数据和所述主机的列车级信息，通过诊断算法模型运算输出动力学指标监测结果和自诊断故障信息，存入本地数据库后发送至所述主机。
优选的，所述监测机上配置有记录主机与从机的通讯状态信息的通讯状态表，所述通讯状态表包括含有主机IP地址的IP列表、当前通讯状态和最后通讯状态变化时间；所述从机配置为每隔一定间隔时间向主机发送心跳包以确认当前通讯状态，若当前通讯状态发生变化则更新所述通讯状态表。
优选的，所述从机配置为：能够向所述通讯状态表中任一通讯正常的主机请求读取数据；所述从机向主机写入数据时，需要向所述通讯状态表中所有通讯正常的主机写入数据；若所述通讯状态表中存在通讯故障的主机则待其恢复通讯正常后重新写入数据。
优选的，所述前置处理器配置为通过AD处理单元接收所述传感器的输出数据，并采用多线程协作方式将传感器的输出数据和设备自检信息预处理后发送至所述监测机。
优选的，所述前置处理器的多线程协作方式包括：
主线程：根据配置文件获取包含传感器类型、数据通道表、数据类型、采样频率、滤波配置的配置信息，初始化并启动运行采样线程、解析线程、发送线程和自检线程；
采样线程：轮询获取所述AD处理单元输出的实时采样数据，并基于所述配置信息进行有序存储；
解析线程：获取采样线程存储的采样数据，对数据进行解析、分类、滤波、组包后存入发送线程的发送队列；
发送线程：将发送队列中的数据发送至主机，并监测发送状态；
自检线程：根据配置信息和异常数据算法对所述传感器和所述前置处理器的自身状态进行实时监测。
优选的，所述监测机还提供Web访问服务，用于列车动力学指标监测和故障分析的可视化界面展示。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种列车动力学指标监测计算集群，通过在列车上搭建车载计算集群，将列车动力学指标在线监测功能部署运行在计算集群中，实现对列车级的车辆稳定性、舒适性、安全性等动力学性能的在线实时监测。集群监测机区分主从机，通过合理分配计算资源和主机冗余热备，提升了系统的健壮性和安全性，实现了海量在线监测状态数据的高效对地传输，以便提供较为全面整体的性能检测、故障分析、预警和告警功能，较之传统的单机部署，填补了整列车级别的车辆运行指标在线监测的空白。
附图说明
图1是本发明实施例中列车动力学指标监测计算集群的连接示意图；
图2是本发明实施例中列车动力学指标监测计算集群的配置示意图；
图3是本发明实施例中从机关于通讯状态确认的流程示意图；
图4是本发明实施例中从机向主机读写数据的流程示意图；
图5是本发明实施例中前置处理器主线程处理逻辑示意图；
图6是本发明实施例中前置处理器采样线程处理逻辑示意图；
图7是本发明实施例中前置处理器解析线程处理逻辑示意图；
图8是本发明实施例中前置处理器自检线程处理逻辑示意图；
图9是本发明实施例中计算集群Web访问服务的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种列车动力学指标监测计算集群，所述计算集群包括监测机和前置处理器，监测机和前置处理器设置在列车的每节车厢内；同节车厢内的监测机与前置处理器相互连接，不同车厢内的监测机之间依次连接并分别与TCMS系统(列车控制和管理系统Train Control and Management System)连接；所述前置处理器还连接有多个传感器，用于采集对应车厢的动力学数据；所述监测机用于对应车厢的动力学指标监测和故障分析；所述监测机分别配置为主机和从机，所述主机既作为对应车厢的从机，还用于维护列车级信息并共享于所有从机；所述主机与地面服务器连接，用于接收从机的对地数据并实现车地数据传输。
本实施例中，以4编组列车为例，所搭建的列车动力学指标监测计算集群示意图如图1所示。监测机间通过百兆以太网线和交换机构建计算集群网络，同时各监测机需要连接列车TCMS网络、监测机与安装在同一车厢的前置处理器设备通过线缆连接也具备网络通信的功能，这样监测机与监测机之间、监测机与前置处理器之间、监测机与列车TCMS系统间可以相互实现通信。
如图2所示，本实施例中，基于该计算集群采用分布式运算完成对列车车辆动力学性能的在线监测功能。具体的，所述计算集群中监测机根据工作任务的配属不同设置有主机和从机，一般车头和车尾的两台监测机为主机，也可再增设主机，其他为从机。计算集群中主机维护列车级的信息，供各从机共享使用，列车级信息包括了列车各车厢基础信息、诊断故障字典、自诊断故障字典、部件库信息、列车设备点位配属信息、对地数据通讯设置信息等。主机中还维护有需要对地传输的数据信息，各从机将需要对地传输的数据发送给主机后，由主机统一发至车载无线传输设备或地面服务器。
集群从机用于完成对本节车厢的动力学性能在线监测功能和自诊断功能，包括接收和解析来自前置处理器的输出数据(例如源自传感器的振动数据)，对该输出数据根据私有协议进行解析和存储，运行定时任务服务程序，将在线诊断算法模型运行在定时任务中，诊断算法模型根据采集来的传感器数据对车辆运行中的平稳性、舒适性、悬挂系统状态等信息进行指征运算，结合来自主机的故障字典信息等列车级信息输出动力学指标监测结果，并将监测结果发送至集群主机，同时将监测结果存入本地数据库中。
集群从机还具备自诊断功能，自诊断包括对设备故障和网络通信故障的诊断，其中传感器的设备故障和通讯故障信息由前置处理器发送至从机，并结合来自主机的自诊断故障字典信息等列车级信息输出自诊断故障信息，将自诊断故障信息发送给集群主机，同时存入本地数据库中。
集群从机可以单独完成与列车TCMS系统的通信，接收来自TCMS系统的信息，同时可以将本地数据库中的车辆动力学监测信息及自诊断故障信息发送给TCMS系统。
集群从机还需要维护自身所在车厢的基础信息、设备点位配属信息等，当这些信息发生变更后，需要同时写入集群主机。
需要注意的是，由于集群中各主机相当于所在车厢的从机，因此主机具备从机的所有功能，在此基础上又具备主机具有的功能。
为了保证计算集群的通讯正常，本实施例中每台从机维护一个与主机的通讯状态表，通讯状态表记录了所有主机与该从机的通讯状态信息，包括IP列表、当前通讯状态和最后通讯状态变化时间。IP列表一般维护有主机IP地址，从机可以根据主机IP地址请求主机的服务器来获取列车级信息，或向主机发送本机产生的故障、告警、状态数据等。如图3所示，每隔一定间隔时间从机向主机发心跳包，如果能够正常送达则代表通信正常，否则代表通讯中断，心跳包的状态会更新到通讯状态表中，如果通讯状态较从机维护的当前状态发生了变化(如由正常变为中断，或由中断变为正常)则更新通讯状态表中的变化时间，同时通过状态日志记录下来变化的过程。
如图4所示，本实施例中，在所有主机都正常工作情况下，当从机需要向主机请求数据时，可以从IP列表任取一个主机来获取数据；当从机需要向主机写入数据时，需要向IP列表中的所有主机写入。
在有主机发生故障导致从机与主机无法通讯时，从机的通讯状态表会实时记录这一情况，此时如果从机需要向主机请求数据时，可以从通讯状态表中所有通讯正常的主机列表中任选一主机来获取数据，当从机需要向主机写入数据时，也只对通讯正常的所有主机进行写入操作。待当天列车回库检修，各个监测机间通讯恢复后，从机通过查询状态日志将所有通讯中断时间段内的从机给主机写入请求进行处理。
本实施例中，计算集群利用复合型前置处理器和高度可配置的数据处理方法完成对多种传感器的数据采集、处理和传输功能，为车载监测机的动力学性能在线监测功能分担数据处理计算任务，提高系统整体运行效率。本计算集群所用前置处理器能够同时适配对接车体xyz三向振动传感器、构架yz两向振动传感器、轴箱yz向振动传感器、轴箱z向温振复合传感器等多种传感器，传感器的输出数据通过接口传输至前置处理器的AD处理单元，前置处理器通过配置文件完成传感器类型识别、数据降采样、数据滤波、私有协议组包后通过以太网线发送至监测机。同时前置处理器还将传感器的状态、各线程情况及前置处理器的内存占用及CPU使用率等自检信息发送给监测机。前置处理器采用多线程协作方式完成上述功能，如图5-8所示，具体包括：
主线程处理逻辑:负责与配置文件交互，获取各接口传感器类型、数据通道表、数据类型、采样频率、滤波等配置信息，供其他模块按需取用。负责完成所有子线程的初始化工作并启动运行采样线程、解析线程、发送线程和自检线程。
采样线程处理逻辑:根据前置处理器的CPU负载情况确定轮询周期，轮询获取AD处理单元输出的实时采样数据，根据配置信息将数据进行有序存储，所存储数据供其他线程按需取用。
解析线程处理逻辑：取用采样线程存储的采样数据，完成对数据的解析、分类、滤波、组包等处理过程。解析线程根据前置处理器的CPU负载情况确定轮询周期，根据不同传感器类型，不同的采样频率，不同的滤波参数，对轮询获取的数据进行滤波和降采样，之后根据与监测机数据私有传输协议进行数据组包并存入发送线程。
发送线程处理逻辑：根据发送队列，将数据发送给监测机，并对发送情况进行监测。
自检线程处理逻辑：根据配置信息确定接入的传感器清单，通过轮询所有传感器采集数据并依据异常数据算法确定各传感器是否正常工作。同时监测其他各个工作线程的状态，对各线程的工作异常情况进行汇总，还需要对前置处理器自身的内存占用及CPU使用率的进行实时监测。
本实施例中，计算集群还提供Web访问服务，通过用户体验良好的可视化界面展示车辆动力学在线监测功能，用户访问集群任何监测机都可以看到整列车的完整的在线监测结果输出。如图9所示，后台数据的获取包括本机(本车厢的从机)获取和从主机请求获取两种方式，供用户方便的查询到计算集群的实时监测结果、实时自诊断结果、历史监测数据、列车信息、本车厢信息、本机定时任务执行情况、日志情况、系统管理情况等信息。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种列车动力学指标监测计算集群，通过在列车上搭建车载计算集群，将列车动力学指标在线监测功能部署运行在计算集群中，实现对列车级的车辆稳定性、舒适性、安全性等动力学性能的在线实时监测。集群监测机区分主从机，通过合理分配计算资源和主机冗余热备，提升了系统的健壮性和安全性，实现了海量在线监测状态数据的高效对地传输，以便提供较为全面整体的性能检测、故障分析、预警和告警功能，较之传统的单机部署，填补了整列车级别的车辆运行指标在线监测的空白。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
能通过列车车载监测机的集群化部署的方法，构建了列车动力学指标监测计算集群，通过对集群监测机区分主从机，合理科学地分配了计算资源，通过主机冗余热备提升了系统的健壮性和安全性，能够实现对车辆动力学指标的在线监测指标的高效计算和输出，实现了海量在线监测状态数据的高效对地传输，提升了在线监测系统的实时监测结果输出的用户体验，较之传统的单机部署，填补了整列车级别的车辆运行指标在线监测的空白。该发明还为其他列车在线监测设备提供了参考依据，形成可平移的方法体系。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述计算集群包括监测机和前置处理器，监测机和前置处理器设置在列车的每节车厢内；同节车厢内的监测机与前置处理器相互连接，不同车厢内的监测机之间依次连接并分别与TCMS系统连接；所述前置处理器还连接有多个传感器，用于采集对应车厢的动力学数据；所述监测机用于对应车厢的动力学指标监测和故障分析；所述监测机分别配置为主机和从机，所述主机既作为对应车厢的从机，还用于维护列车级信息并共享于所有从机；所述主机与地面服务器连接，用于接收从机的对地数据并实现车地数据传输。
2.根据权利要求1所述的列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述列车级信息包括列车各车厢基础信息、诊断故障字典、自诊断故障字典、部件库信息、列车设备点位配属信息和对地数据通讯设置信息。
3.根据权利要求1所述的列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述从机配置为：根据所述前置处理器的输出数据和所述主机的列车级信息，通过诊断算法模型运算输出动力学指标监测结果和自诊断故障信息，存入本地数据库后发送至所述主机。
4.根据权利要求1所述的列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述监测机上配置有记录主机与从机的通讯状态信息的通讯状态表，所述通讯状态表包括含有主机IP地址的IP列表、当前通讯状态和最后通讯状态变化时间；所述从机配置为每隔一定间隔时间向主机发送心跳包以确认当前通讯状态，若当前通讯状态发生变化则更新所述通讯状态表。
5.根据权利要求4所述的列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述从机配置为：能够向所述通讯状态表中任一通讯正常的主机请求读取数据；所述从机向主机写入数据时，需要向所述通讯状态表中所有通讯正常的主机写入数据；若所述通讯状态表中存在通讯故障的主机则待其恢复通讯正常后重新写入数据。
6.根据权利要求1所述的列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述前置处理器配置为通过AD处理单元接收所述传感器的输出数据，并采用多线程协作方式将传感器的输出数据和设备自检信息预处理后发送至所述监测机。
7.根据权利要求6所述的列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述前置处理器的多线程协作方式包括：
主线程：根据配置文件获取包含传感器类型、数据通道表、数据类型、采样频率、滤波配置的配置信息，初始化并启动运行采样线程、解析线程、发送线程和自检线程；
采样线程：轮询获取所述AD处理单元输出的实时采样数据，并基于所述配置信息进行有序存储；
解析线程：获取采样线程存储的采样数据，对数据进行解析、分类、滤波、组包后存入发送线程的发送队列；
发送线程：将发送队列中的数据发送至主机，并监测发送状态；
自检线程：根据配置信息和异常数据算法对所述传感器和所述前置处理器的自身状态进行实时监测。
8.根据权利要求1所述的列车动力学指标监测计算集群，其特征在于，所述监测机还提供Web访问服务，用于列车动力学指标监测和故障分析的可视化界面展示。
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