一种基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测装置及系统的制作方法

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测装置及系统。

背景技术

随着城市轨道交通车辆运行速度不断提高，结构越来越复杂，车辆正常和安全运营作为提升城市轨道服务水平的主要手段，而对所有在线运营车辆能够远程监测设备运行状态、实时监控车厢高清视频和及时充分的维护，逐步成为提高城市轨道交通服务质量的重要方式。

目前，城市轨道交通运维检修部门对车辆的维护主要实行的是设备巡检和计划性维修制度，这种维修方式具有一定盲目性和主观性。对于列车上的大部分部件，维修人员需要频繁检查与测量，有时甚至需要通过拆卸进一步确认部件工作状态，由此产生的大量多余劳动和能源消耗浪费了人力、物力和财力。

此外，车辆实时远程运维监测的实现，必需建立在车地通信技术的基础之上。虽然近些年基于wifi和lte的车地通信技术得到了快速发展，但因为车地通信技术实施费用高，有些较早开通的城轨线路沿线没有建设wifi环境，且已建设的线路也有相当一部分因wifi信号不稳定，造成车地无线通信系统很难在列车高速移动情况下，提供高可靠、低时延的带宽通信，车厢视频只能少量地传回车辆监测中心，大部分视频图像只能事中记录、事后查看，不是真正的车厢视频实时监控，无法做到及时处置。目前，还有采用公网4g方式在城市交通领域实现车载视频及车载运行监测数据的传输，但基于轨道交通领域的高可靠网络环境的安全要求，无法真正应用在轨道交通领域。

技术实现要素：

本发明提供一种基于apn物联网的城轨车辆监测装置及系统，以克服上述技术问题。

本发明基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测装置，包括：

供电模块、主控模块以及无线传输模块；

所述供电模块用于为所述主控模块以及所述无线传输模块供电；

所述主控模块用于接收车载pis数据，所述车载pis数据包括：车辆运行状态、实时故障数据及视频流媒体信息数据，并从所述实时故障数据中提取故障的关键特征数据，所述关键特征数据包括车辆语音报站、车辆开关门、车辆速度、车辆定位、信号强度及车载pis系统设备运行状态信息；

所述无线传输模块包括：专用虚拟网络通信单元、无线局域网通信单元，所述移动专用虚拟网络通信单元用于车辆运行工况与车辆监测中心通信，所述无线局域网通信单元用于车辆入库后与所述车辆监测中心通信，所述虚拟网络通信单元具备用户身份识别卡。

进一步地，还包括：

组网接口模块，所述组网接口模块用于连接车载pis系统或者外置摄像头，所述组网接口模块与所述主控模块连接。

进一步地，所述主控模块还用于：

与车载pis系统中的视频监测系统的摄像头建立网络地址转换和端口转发映射，配置所述车辆监测中心静态地址、访问权限及数据库连接信息。

进一步地，还包括：

所述合路器设备模块用于将车载专用组合天线输入的多频段3g/4g、wlan及gps信号分离传输。

本发明还提供一种基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测系统，包括上述的装置、移动专用虚拟网络、无线局域网以及车辆监测中心，所述车辆监测中心包括：数据接收及解析模块；

所述数据接收及解析模块用于初始化车地socket通信连接，建立多台列车同时在线的线程池、缓冲区和车辆入库时的ftp主动传输连接通道；接收车辆运行状态及实时故障数据拆包解析并存储至数据库。

进一步地，所述车辆监测中心还包括：

流媒体分发模块，所述流媒体分发模块用于接收视频流媒体信息数据，通过编解码处理后，以私有流式协议的视频源分发至视频点播的智能终端。

进一步地，所述车辆监测中心还包括：

web数据应用模块，所述web数据应用模块用于根据车辆运行状态、实时故障数据及视频流媒体信息数据为上位机或者智能终端提供车队管理、运行监测、实时视频、故障查询、网络状态、硬盘录像机转存及日志转存。

本发明接入城轨车辆车载pis网络内，实时采集所述车载pis数据，通过所述城轨车辆监测系统及手机app软件实时监测和管理城轨车辆的在线运行状态信息。当车辆回库入段后，自动连接wifi热点，再次通过本系统下载所要查看的运行日志和视频文件。采用apn专网实现对监测信息及监测视频的无线传输，极大地提高了数据传输的安全性。相对于建立lte及wlan专网专线，节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测装置结构示意图；

图2为本发明基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测系统架构图；

图3为本发明基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测系统车辆监测中心结构示意图；

图4为本发明实施例中在途实时故障监测工作流程图；

图5为本发明实施例中在途车辆车厢视频实时查看工作流程图；

图6为本发明实施例中入库车辆巡检及整备工作流程图；

图7为本发明数据解析服务流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

图1为本发明基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测装置结构示意图，如图1所示，本实施例的装置包括：

供电模块101、主控模块102以及无线传输模块103；

所述供电模块输入端为dc110v，用于为主控模块以及所述无线传输模块提供dc48v和dc12v电源供电输出；

所述主控模块用于接收所述车载pis数据，同时存储故障发生时的关键特征数据，所述关键特征数据包括车辆语音报站、车辆开关门、车辆速度、车辆定位、信号强度及车载pis系统设备运行状态信息；所述主控模块具有串口、以太网及usb各一路接口通信。

进一步地，所述主控模块还用于：

与车载视频监控系统摄像头建立网络地址转换和端口转发映射，配置所述车辆监测中心静态地址、访问权限及数据库连接信息。

所述无线传输模块包括专用虚拟网络通信单元、无线局域网通信单元及gps通信单元。所述移动专用虚拟网络通信单元，即apn专网通信单元，集成专用物联网sim卡(13位)，绑定apn专网ip地址，用于在途车辆运行工况与车辆监测中心通信；所述无线局域网通信单元用于车辆入库后与所述车辆监测中心通信，具有wlan信号自动查询和自动连接功能，通过收发库内广播报文方式实现与局域网络服务器的多对一连接；gps通信单元用于定位列车的经纬度位置信息。

进一步地，还包括：

组网接口模块，所述组网接口模块用于连接车载pis系统或者pis系统以外的摄像头，所述组网接口模块与所述主控模块连接，采用百兆带宽的背部总线和内部交换矩阵，具有12路m12输出端口与背部总线挂接，每路端口都具有poe供电功能，通过内部交换矩阵控制数据包的过滤和转发。

进一步地，还包括：

所述合路器设备模块用于将车载专用组合天线输入的多频段3g/4g、wlan及gps信号分离传输。

进一步地，还包括：

i/o转换模块，作为预留模块，负责后期与列车tcms网络接口通信，具有网关转换功能。

具体而言，所述城轨车辆监测装置由apn物联网进行数据传输，为物联网智能终端集成模组；在城轨车辆两端司机室操作台下的控制柜内各安装一套城轨车辆监测装置，通过组网接口模块与车载智能pis系统连接，获取pis系统中的设备运行状态信息；通过合路器模块与车载组合天线连接，实现移动通信、wlan通信和gps通信的三网分离支持；通过无线传输模块将所述车载pis数据传输至地面车辆监测中心，并向用户终端提供城轨车辆远程运维监测和地面远程视频监控服务。

图2为本发明基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测系统架构图，如图2所示，本实施例系统包括：

至少一个如图1所示的装置201、移动专用虚拟网络202、无线局域网203以及车辆监测中心204。

所述移动专用虚拟网络，即专用apn网络，基于mstp专线和gre隧道方式，采用共享流量池模式实现安全可靠的数据传输通道，用于对在途运行车辆的所述车载pis数据的无线传输，通过专线方式连接到网关gprs支持节点(ggsn)专用的客户接入路由器，并将绑定路由发布到车辆监测中心内部网络，保证内部网络各种服务器具有车载终端的地址路由。

所述无线局域网即wlan网络，通过在车辆段内合理布置无线wifi网络覆盖，当列车回库入段后，所述车载装置无线局域网通信单元自动连接车辆段地面wifi接入点，用于下载车载多个视频及日志文件，以及为车载pis系统上传预制节目。

所述车辆监测中心由数据库服务器、流媒体服务器、应用服务器、交换机、监控拼接屏及多台pc机智能终端组成，用于对所述车载pis数据的接收、解析、入库、流媒体转发及web服务应用展示。如图3所示，为本发明基于移动专用虚拟网的城轨车辆监测系统车辆监测中心结构示意图，包括：数据接收及解析模块301、流媒体分发模块302和web数据应用模块303。

所述数据接收及解析模块用于多台车辆与监测中心之间建立通信连接、协议解析及数据实时入库，其流程主要包括初始化连接、建立接收数据流线程、建立数据缓冲区、策略处理、ftp下载、报文解析、数据入库及数据点播指令等模块算法，算法流程如图7所示。

初始化连接模块主要负责socket通信和线程池的建立，通过apn专网实现车载端与地面服器之间的udp连接。

当有多台列车同时在线运行时，系统会从线程池建立多个接收数据流线程和相应的缓冲区，负责接收列车的实时数据流报文及记录文件数据，并将数据传入数据缓冲区，当列车不在线时，自动释放掉占用的线程和缓冲区资源。

策略处理模块根据报文头的属性决定通信层的发送方式以及报文的重发周期。若为点播指令，则启用ftp下载记录文件模块，若为实时报文数据流则启用报文解析模块。

ftp下载模块封装了车载端与地面服务器之间通过ftp协议传输的行车记录和点播数据文件的业务逻辑。

车载端封装了设备运行状态及实时故障自定义报文协议流，报文解析模块实现对车载报文数据拆包解析的过程。

数据入库模块调用数据库存储过程，实现对解析后的数据报文及ftp下载记录入库操作。

数据点播指令模块做为服务端实时监听前端展示页面的故障点播指令，同时做为客户端为车载终端提供点播指令报文封装服务。

进一步地，如图3所示，本实施例的所述车辆监测中心除数据接收及解析模块301之外，还包括：

流媒体分发模块302，所述流媒体分发模块用于接收车载rtsp视频源，通过编解码处理后，以私有流式协议的视频源分发至视频点播用户操作终端。

具体而言，所述流媒体分发模块用于接收车载rtsp视频源通过转发、处理、编码、封包、推流、传输、转码、分发、解码等过程，最终以rtp/rtsp私有流式协议将视频流传输到客户及智能终端实时播放，实现单路视频源采集，多路高并发访问的流媒体直播服务，节省流量。所述的车载rtsp视频源是通过移动虚拟专用网络进行视频流的单路采集传输，所述的高并发客户端访问是通过车辆监测中心内部网络进行访问。

进一步地，如图3所示，所述车辆监测中心还包括：

web数据应用模块303，所述web数据应用模块用于为上位机或者智能终端提供车队管理、实时视频、实时故障、网络状态、视频转存及日志转存。

具体而言，web数据应用服务模块包括功能如下：

(1)列车运行监测。实时监测列车的车号、线路、速度、在线状态、前方到站、nvr硬盘状态、gps信号强度、cctv故障状态、pa状态、pids状态、net状态及经纬度坐标等信息，以车队列表和电子地图方式向用户展示出车辆运行的状态及故障信息，并以折线图方式展示出列车实际运行的速度曲线和标准驾驶曲线的比对分析图。

(2)列车故障监测。城轨车辆监测装置与列车pis系统连接，实时采集车载pis系统的故障信息，以自定义实时故障报文协议3秒/次向地面服务器发送实时报文，地面服务器通过与数据库中的故障记录进行按位匹配，准确的报出设备故障信息，包括故障发生的车号、车厢、故障设备、故障模块、ip地址、发生时间、故障等级及故障处置意见等内容。预制好的故障处置意见包含了故障发生的现象、故障处置的项点，维修工具配备、备品备件及对应的工艺文件等内容。

如图4所示，本系统实时故障监测业务工作流程按照以下步骤：设备运行状态监测、发现实时故障、故障诊断分析、日志记录文件调取、视频文件调取、分析结果生成报告。具体为：

a、城轨车辆监测装置中的主控模块对pis系统设备运行状态信息及网络状态信息实时采集和数据分析，对设备的运行状态进行判断，发现设备运行故障，其对应的协议流标志位置成1，形成实时故障信息，主控制模块调用其收发模块，3秒/次向地面数据接收及解析服务模块发送实时报文数据。

b、所述数据接收及解析模块接收实时报文，调用存储过程并解析入库；所述web数据应用服务模块对外提供webservice服务接口，向用户终端提供所有在线车辆解析后的实时故障信息。

c、判断故障级别，若故障级别较低，不影响车辆正常运行，可对该条故障做忽略处理，工作流程结束。若故障级别较高，启动故障诊断分析模块，调用数据点播子模块，下载其故障发生前后100条细粒度的关键特征数据，并以折线图形式展示，方便分析故障产生的原因。

若关键特征数据没有说明问题，则远程调用pis系统设备相关模块的日志记录文件，协助分析故障产生的原因。若想查看发生故障时司机做了哪些操作，则启动远程调取nvr服务，通过视频点播回放查看司机的驾驶行为，人为判断是否和本故障发生有关。

通过获取故障发生时刻的点播数据、日志记录文件及视频信息综合分析故障产生的原因，生成诊断过程报告，并打印或导出。

(3)远程视频监控。所述车载监测装置接入车载pis网络，保证车载装置能够访问车载pis系统中cctv摄像头；所述主控模块实施部署端口代理嵌入式程序，实现列车与地面服务器通信链路畅通；所述流媒体分发模块配置车载pis中摄像头的内部ip地址、设备端口号、代理端口、监测端口及无线传输模块mac地址等相关信息，实现对车载摄像头的转码与分发；通过用户终端实现对车载视频的远程监控。

如图5所示，本实施例系统在途车辆车厢视频实时查看业务工作流程按照以下步骤：设备运行状态监测、实时视频点播、视频实时观看、视频录制及视频截图。具体为：

a、打开所述城轨车辆监测系统中的车队管理功能页面，系统列出所有在线车辆的车队列表，通过列表能够实时查看所有运行车辆的状态信息。

b、当用户请求点播车队列表中某一在线运行车辆的司机室或客室摄像头操作时，则所述城轨车辆监测装置与所述系统中流媒体服务分发模块建立交互连接，实现在用户pc终端或手持终端等智能终端上实时观看直播视频，目前限制最多同时观看车厢及司机室8路摄像头信息，后期可根据专网apn网带宽做相应调整。

c、当观看视频直播过程中，发现司机操作行为不规范，或客室有突发情况发生，则可启动视频录像功能或视频截图功能，便于事后取证或规范教育。

(4)列车网络状态。实时监测车载pis系统的环网式以太网数字化网络状态，能够快速定位网络故障节点。

(5)nvr视频转存。车载装置能够访问列车内的nvr设备，运用ftp服务技术，通过两种模式实现视频文件的转储：a、当车辆运行时，通过4gapn专网模式点播单个视频；b、当车辆入库后，车辆监测中心自动连接车辆上的wifi热点，批量下载转存的视频文件。

(6)日志记录转存。基于ftp服务及端口映射技术，实现远程下载列车pis系统中各智能板卡模块中的日志文件，方面地面运维人员进一步分析设备故障。

如图6所示，运用本装置及系统，入库车辆巡检及整备业务工作流程按照以下步骤：车辆启动、wlan网络自动连接、设备自动巡检、视频批量下载及日志批量下载。

a、车辆上电启动或车辆回库后，所述无线传输模块通过车载专用天线监测到库内wifi热点，本装置自动连接到wifi无线网络模式。

b、所述城轨车辆监测系统显示出所有库内在线车辆的列表项信息。选中要维护的车辆信息，执行设备巡检操作，系统会列出本车辆的pis系统设备状态信息，包括pa、pids、cctv及网络状态等信息的反馈报告，完成车辆的自动列检工作。

c、根据运维及监测计划，选择存储位置、日期、时间段及车厢等信息，执行车载视频批量下载操作。根据选择视频数量的不同，下载时间在5～30分钟内完成整个任务的操作。

d、行车日志记录文件数据采集，执行日志批量下载操作，为技术检修人员提供数据依赖支持。

进一步地，所述车辆监测中心还包括：

智能终端模块，用于列车出库前的设备状态智能巡检、列车运行状态的实时监测、列车故障的实时报警以及查看车载视频监控。本模块由定制手持终端和其内嵌的app程序组成，智能终端设备采用安卓版智能三防手机，安装专用的物联网sim卡，其上部署定制开发的app应用程序。

本发明检修人员可不用直接上车，通过无线网络实现了城轨车辆的远程运维监测与管理，极大地提高了检修人员的工作效率。同时，本发明为城轨车辆的正常和安全运营、车辆设备安全监控、设备故障排查和检修等提供重要的数据支撑。通过领域知识与大数据技术的结合，实现规范驾驶、应急指挥、火灾报警、智能诊断和录像取证等城轨车辆的运行安全，为建立一整套先进的城轨车辆智能监测、智能诊断、智能服务及智能运维为一体的集中运营管理服务提供支持。

此外，采用apn专网实现对监测信息及监测视频的无线传输，极大地提高了数据传输的安全性。相对于建立lte及wlan专网专线，节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。