基于?MQTT?協(xié)議的道岔安全 監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化研究

張郁 鄒勁柏 張海娟

摘 要：城市軌道交通道岔運行狀態(tài)實時監(jiān)測，能有效提高列車運行安全性，并大幅度減少人工成本。從線纜傳輸帶寬受限角度出發(fā)，提出一種基于 消息隊列遙測傳輸協(xié)議（MQTT ）的城市軌道交通道岔安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)?shù)據(jù)優(yōu)先級進行分類并實現(xiàn)動態(tài)時隙分配。利用圖論的最短路徑算法，實現(xiàn)信息的高效傳輸。利用 MQTT 協(xié)議輕量特性，優(yōu)化了多數(shù)據(jù)并發(fā)的傳輸性能，改善現(xiàn)場傳輸帶寬受限的不足，提高系統(tǒng)工作效率。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;消息隊列;遙測傳輸協(xié)議;道岔;監(jiān)測;系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號：U284.5

0 引言

城市軌道交通線路日益擴增，日常往往承擔(dān)較高密度的運量。道岔轉(zhuǎn)轍機作為信號聯(lián)鎖設(shè)備的重要組成部分，其運行工作狀況直接影響著行車安全，因此對道岔的運用質(zhì)量與狀態(tài)穩(wěn)定性要求也越來越高。為更好地實現(xiàn)城市軌道交通道岔缺口監(jiān)控，需要高安全可靠性、高抗干擾性、實時有效的監(jiān)控反饋。

目前，鐵路的道岔缺口監(jiān)控傳輸普遍采用電纜低帶寬傳輸技術(shù)長距離傳輸缺口動態(tài)音視頻信息，基本滿足圖像識別、測量判斷和人工觀測記錄的要求。然而，傳統(tǒng)人工查看和二代數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足業(yè)務(wù)需求，多傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測能更好地保障道岔轉(zhuǎn)轍機所處環(huán)境的安全，以及動作信息的準確性和可靠性。但在實際城市軌道交通環(huán)境下，道岔缺口監(jiān)控主要存在轉(zhuǎn)轍機信號控制線纜傳輸帶寬受限的問題，隨著線路的延長，距離站內(nèi)控制室較遠的節(jié)點可能存在信息傳輸不穩(wěn)定的情況，多線路數(shù)據(jù)并發(fā)可能存在時延或丟包現(xiàn)象。目前道岔監(jiān)測的相關(guān)研究主要針對設(shè)備端的數(shù)據(jù)處理或客戶端的后臺數(shù)據(jù)分析，針對現(xiàn)場帶寬受限又不宜過多鋪設(shè)同軸電纜等工況研究較少。

本文主要考慮提高道岔監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，提出基于物聯(lián)網(wǎng)輕量化協(xié)議的道岔監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量以及高效性提出優(yōu)化措施，以提高整體工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

道岔監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)主要分為室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備2部分?，F(xiàn)場室外設(shè)備端通過各類傳感器（溫濕度、振動液壓、油位及啟動傳感器）采集數(shù)據(jù)，由MQTT實現(xiàn)訂閱、發(fā)布模式的及時通信。服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，同時搭建數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)存儲處理分析。系統(tǒng)自動推送報警信息，站內(nèi)主機對各類傳感器數(shù)據(jù)進行實時顯示，存儲并分析歷史數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)計報表以便維護。

2 信號線纜性能分析

城市軌道交通線路中鋪設(shè)的線纜是鐵軌中各設(shè)備之間的傳輸紐帶，承擔(dān)電力傳送、控制信號傳輸任務(wù)。道岔監(jiān)測系統(tǒng)中的電纜主要負責(zé)轉(zhuǎn)轍機設(shè)備電力以及簡單控制信號的輸送，但傳統(tǒng)道岔監(jiān)測系統(tǒng)無法滿足多傳感器數(shù)據(jù)以及圖像信息的傳輸需求。為更好地利用既有線路并滿足新一代道岔監(jiān)測系統(tǒng)的需求，本文對既有傳輸信號線纜做出性能分析，并提出多層面的對策以實現(xiàn)受限帶寬下系統(tǒng)性能的穩(wěn)固。

目前城市軌道交通信號電纜適用于額定電壓交流500 V或直流1 000 V，在站內(nèi)選用四線組對絞線成對的電纜，采用SPTYWA23型數(shù)字綜合護套電纜，線纜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

衰減是信號控制電纜最重要的特性之一，主要由于導(dǎo)體本身和絕緣介質(zhì)有損而產(chǎn)生，線纜的衰減可以明確反應(yīng)線纜的傳輸能力，一般衰減都與傳輸信號的頻率成正比，同時隨著線纜長度增加而增大。通常α表示衰減常數(shù)，單位為dB/100 m。

信號控制線纜衰減計算如下：

（1）

式（1）中， R為線纜的電阻，Ω; C為線纜的等效電容，F(xiàn); L為線纜回路電感，H; G為線纜的絕緣電導(dǎo)，S。

信號控制電纜的電阻R為：

R = ρ×Ll / S? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中，? ρ為線纜的電阻率，Ω · mm2 / m; Ll為線纜長度，m; S為線纜的橫截面積，mm2。

由于信號控制電纜的性能還受溫度影響（標準為20 ℃），所以電阻滿足如下公式：

（3）

式（3）中，t表示溫度，℃; R20為標準溫度20 ℃下的電阻值，Ω; Rt為任意溫度下的電阻值，Ω; αt為電阻的溫度系數(shù)，一般為0.00393。

在實際應(yīng)用中，我們可以換算得出衰減常數(shù)α為：

（4）

式（4）中，為阻抗匹配時的最大功率與實際輸入功率之比。

測量計算在標準溫度20℃下線纜的電阻值，假設(shè)電阻率ρ = 0.0173Ω · mm2 / m;線纜長度Ll= 1000m;截面積 ;實測電阻Rt = 84.59Ω。同時假設(shè)電容C = 49.42×10-6F;線纜回路電感L = 4.1154×10-5H;線纜的電導(dǎo)G =10-11f×3.11S， f為傳輸頻率;可計算出當(dāng)Rt = 84.59Ω時，衰減a = 4.234dB / 100m。

通過計算可以了解到，隨著信號控制線纜長度的增加，傳輸性能衰減明顯增大，道岔監(jiān)測點距離站內(nèi)主機越遠，傳輸性能越差，帶寬越受限。根據(jù)實際需求，下文提出一種適用于窄帶傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)輕量化協(xié)議MQTT，以解決系統(tǒng)長距離帶寬受限的困擾。

3 MQTT

3.1 MQTT 簡介

MQTT是一種多應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)用層協(xié)議，以訂閱/發(fā)布模式實現(xiàn)輕量化通信，構(gòu)建于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）協(xié)議之上。面對低帶寬、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的現(xiàn)場環(huán)境，優(yōu)勢突出。MQTT設(shè)計精簡，只需創(chuàng)建客戶端即可連接通信，可縮減協(xié)議頭大小、減少傳輸量。針對監(jiān)控設(shè)備的實時性建立連續(xù)會話，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常等故障可斷線重連，數(shù)據(jù)格式靈活，且提供對網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層的安全特性。通過MQTT消息代理者通信來實現(xiàn)信息交互，對不同服務(wù)實現(xiàn)解耦。

系統(tǒng)中道岔監(jiān)測裝置作為發(fā)布者，物聯(lián)網(wǎng)平臺作為消息代理，而室內(nèi)主機為訂閱者。訂閱/發(fā)布通信模式示意如圖3所示。

3.2 MQTT 特性

目前針對設(shè)備環(huán)境受限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議主要包括MQTT、受限應(yīng)用協(xié)議（COAP）以及可擴展通信和表示協(xié)議（XMPP）等，在同等競爭下，MQTT以其特有的優(yōu)勢得到了更廣泛的應(yīng)用。

3.2.1 訂閱/發(fā)布模式

訂閱/發(fā)布模式通過代理服務(wù)器可高度解耦發(fā)布和訂閱者之間的關(guān)聯(lián)，無需直接聯(lián)系，客戶端之間可以一對一、一對多和多對多方式進行雙向流通信。

3.2.2 消息格式精簡

MQTT數(shù)據(jù)包基于二進制格式實現(xiàn)，固定報頭最少只有2個字節(jié)，沒有應(yīng)用消息頭，最大程度減少了網(wǎng)絡(luò)流量。該協(xié)議支持14種不同的消息類型，可根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇對象簡譜（JSON）、字符串或二進制等不同類型報文，數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

3.2.3 心跳和遺囑機制

MQTT客戶端與服務(wù)器之間可通過報文發(fā)送實現(xiàn)會話的長連接，同時可以設(shè)置心跳時間。特有遺囑機制保證MQTT應(yīng)用客戶端在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時可實現(xiàn)斷線自愈，消息也不會丟失，不同于HTTP等協(xié)議需要刷新重新連接。

3.2.4 提高消息服務(wù)質(zhì)量

MQTT對比其他協(xié)議的一大優(yōu)勢就是提供3種不同的消息服務(wù)質(zhì)量（Qos）等級，如表1所示，與消息類型（Message Type）一同存在于固定報文的第一字節(jié)中，可對不同的主題訂閱提供不同的服務(wù)質(zhì)量，主要依據(jù)不同消息的可靠性需求。

通過多協(xié)議特征對比，如表2所示，可以看出，在道岔監(jiān)測系統(tǒng)中采用輕量化協(xié)議MQTT 通信，優(yōu)勢突出且適用于在可靠性低的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行低帶寬傳輸，并具備極大的可擴展性。同時作為標準化物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，其適用于多物聯(lián)網(wǎng)平臺，可滿足未來智能化軌道交通發(fā)展需求。

4 系統(tǒng)優(yōu)化

本文在充分考慮帶寬有限的條件下，還要實現(xiàn)傳輸資源的有效均衡，所以針對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提出最短路徑算法，以提高傳輸效率。

4.1 最短路徑算法

最短路徑是圖論與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)合的常用算法，常用于地理位置系統(tǒng)、工程規(guī)劃、軌道交通網(wǎng)絡(luò)以及傳感網(wǎng)絡(luò)中。由于城市軌道交通現(xiàn)場環(huán)境多樣，線路較長，道岔監(jiān)控節(jié)點設(shè)置以道岔轉(zhuǎn)折點為準，多樣式組網(wǎng)實現(xiàn)了道岔監(jiān)測節(jié)點之間信息傳輸?shù)娜哂啾Ｕ?，易于擴展且故障隔離較容易。將線纜連接的道岔監(jiān)測節(jié)點設(shè)為網(wǎng)絡(luò)圖的各頂點，節(jié)點到節(jié)點之間的路線設(shè)為無向圖的邊，這樣各個節(jié)點的傳輸問題就轉(zhuǎn)化為了最短路徑問題，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖5所示。

最短路徑算法的基本思想為：取定兩個集合S和E，集合S中放置已處理的頂點，集合E中存放未被處理的頂點。初始狀態(tài)下，集合S中只存放起點V1，通過對相鄰點的遍歷，從集合E中取出至V1路徑最短的頂點并入集合S，重復(fù)遍歷、取值并修改更新集合，滿足兩點之間最短路徑的頂點都并入集合S。

假設(shè)上述拓撲圖節(jié)點V7為站內(nèi)主機，V1至V7為站臺左側(cè)道岔監(jiān)測節(jié)點拓撲圖，利用MATLAB仿真最短路徑如圖6所示，算法流程如下。

（1）首先設(shè)置集合S ={V1}，E ={未處理的其余頂點}，設(shè)W為頂點對應(yīng)的距離值即權(quán)值。設(shè)置稀疏矩陣G = sparse（S，E，W）建立有向圖P。

（2）初始認定若存在，而H（V1，Vi）為邊上的權(quán)值;如果不存在，則權(quán)值H（V1，Vi）為∞。

（3）求節(jié)點V1到Vi的最小值，從集合E中選取1 個距離值最小且不在集合S中的頂點Vk（k≤7），加入集合S。

（4）將Vk作為中間點，對集合E中頂點的距離值進行修改，若從起點V1到頂點Vi的距離（經(jīng)過頂點Vk）比原來距離（不經(jīng)過頂點Vk）短，則修改距離值。

（5）重復(fù)上述步驟3、步驟4，遍歷所有鄰點，直到集合S中包含所有頂點。

4.2 時分多址技術(shù)

道岔監(jiān)測系統(tǒng)中組網(wǎng)配置的單主機可能需要掛載20臺監(jiān)測設(shè)備，因每個道岔監(jiān)測點有多傳感器數(shù)據(jù)以及視頻圖像信息，同時考慮多數(shù)據(jù)并發(fā)時對數(shù)據(jù)傳輸實時可靠性的高要求，突發(fā)報警信息的第一時間到達顯得尤為重要，故而提出結(jié)合時分多址技術(shù)，對不同級別數(shù)據(jù)實現(xiàn)動態(tài)時隙分配。

在整個系統(tǒng)實際運行過程中，除了保證將列車進路道岔變動時的實時數(shù)據(jù)準確高效傳輸至客戶端外，還須將各個道岔轉(zhuǎn)轍機的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)也要保障實時上傳。當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，更應(yīng)該保障將這類數(shù)據(jù)可靠、及時地推送至客戶端。

考慮列車過車前道岔轉(zhuǎn)換是否到位直接關(guān)乎行車安全，故提出在傳感器數(shù)據(jù)沒有超過安全閾值時，以圖像信息為第一優(yōu)先級分配時隙傳輸;若傳感器數(shù)據(jù)異常，則將預(yù)警信息視為第一優(yōu)先級分配時隙傳輸。同一線路多個道岔，每個道岔也有多個信息需要傳輸，優(yōu)先處理安全預(yù)警信息，有效避免多數(shù)據(jù)并發(fā)情況下的信息堵塞，提高了整個系統(tǒng)的安全可靠性。道岔轉(zhuǎn)轍機狀態(tài)監(jiān)控信息優(yōu)先傳輸原理如圖7所示。

5 結(jié)語

本文通過對既有線路道岔缺口監(jiān)控設(shè)備現(xiàn)狀進行調(diào)研，進一步完善道岔缺口監(jiān)控報警系統(tǒng)，采用更適用于低帶寬、不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)輕量化協(xié)議，解決系統(tǒng)抗干擾性能差、損壞和網(wǎng)絡(luò)化管理誤報多等問題;并根據(jù)數(shù)據(jù)重要性進行分類，動態(tài)分配時隙，進一步優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量，提高了整體運營效率;提出利用最短路徑算法改善不同道岔監(jiān)測點到室內(nèi)終端的傳輸效率，形成一套閉環(huán)且高效的傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，且傳輸網(wǎng)路具備高度自愈性。

參考文獻

[1]汪愛東，汪鳳弟，韋庭三. 城市軌道交通道岔傷損原因分析及整治措施研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2019（7）：77-79.

[2]張培德. 提高滬寧城際道岔缺口監(jiān)測設(shè)備穩(wěn)定性的思考[J]. 上海鐵道科技，2017（2）：123-124，57.

[3]羅奇，王志明. QJY-A型道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 鐵道通信信號，2018，54（8）：60-62.

[4]劉芽，劉占英，麻永華，等. 基于云計算技術(shù)的城市軌道交通信息化平臺發(fā)展探索[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2019（9）：121-125.

[5]董婧. 道岔監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計[J].鐵道通信信號，2016，52（12）：16-19.

[6]周訓(xùn)春，肖楚琬. 基于電纜衰減特性的軍用飛機線路故障定位模型研究[J]. 國外電子測量技術(shù)，2018，37（9）：79-84.

[7]郭進喜，劉揚，劉中華，等. 無線通信中泄漏同軸電纜的傳輸衰減模型[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（7）：143-146.

[8]陳夏裕. 鐵路數(shù)字信號電纜產(chǎn)品特性的影響因素分析[J]. 鐵道通信信號，2009，45（1）：36.

[9]張玉杰，張海濤，張婷婷. 基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)消息發(fā)布/訂閱方法研究[J]. 電視技術(shù)，2017，41（Z3）：83-87.

[10]韓三琪. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城軌交通工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015（2）：73-76.

[11] 崔自賞，陳冰，艾武，等. 基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2018，41（7）：114-119.

[12] F Luthfi， E A Juanda， I Kustiawan. Optimization of data communication on air control device based on internet of things with application of HTTP and MQTT protocols[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，384（1）.

[13]高磊，王冰，張晨陽，等.基于出行調(diào)查的軌道交通清分清算模型對比研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2011（5）：97-99.

[14] 吳海峰. 最短路徑算法——Dijkstra及Floyd算法[J]. 中國新通信，2019，21（2）：32-33.

[15] 曾廣坤.城市軌道交通通信系統(tǒng)提升方案研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（3）：8-14.

收稿日期 2019-08-10

責(zé)任編輯 孫銳嬌

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