隧道防护门远程监控系统研究与设计

周奇才, 徐英龙, 熊肖磊, 赵 炯

(同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804)

0 引言

出于防火和救援设计等原因，铁路隧道中需要设置防护门作为安全手段之一[1]，防护门主要设置于双向隧道连接处或隧道设备安置处。列车在隧道内运行且通过时，由于隧道长度长，列车运行速度快，列车会在隧道内产生较大侧向风压的“活塞效应”，会使隧道内的防护门产生破坏，而正常运营的线路中未能及时检查到防护门损坏，具有相当大的危险性。传统的人工现场巡检方案一直存在着发现迟、效率低等缺点，因此如何对隧道防护门从施工到运营进行全生命周期的维护也是亟待解决的难题。

针对以上问题，本文提出了一种用于隧道防护门的远程监控系统，可实现隧道防护门的远程监控、施工数据管理、运营数据管理、故障预测与诊断等功能。

1 防护门远程监控系统设计

1.1 系统需求

针对隧道防护门不断增长的数量以及全生命周期维护要求，远程监控系统需要实现以下功能：①管理人员可以远程查看防护门的实时状态或故障信息等；②搭建施工数据管理平台，施工与验收人员能远程将关键数据采集并登记到平台系统中，提高施工期工作效率；③搭建运营数据管理平台，运营人员可以远程通过移动终端和平台交互，获取并上传相关的信息和数据，提高运营效率和可靠性；④对于未发生故障的监控对象，系统将通过相关算法得出对象是否薄弱，如果薄弱给出损坏发生的预测时间区间。远程监控系统的需求概况如图1所示。

图1 远程监控系统需求概况

1.2 控制系统整体架构

根据所做工作不同，将整个控制系统划分为五个层次，分别为数据采集层、数据处理层、数据持久层、服务层和表现层。其中数据采集层和数据处理层作为数据采集装置部署在设备旁，称为“边缘端”[2]；而部署在远程服务器的数据持久层、服务层、表现层称为“平台端”，控制系统层次划分如图2所示。

图2 控制系统层次划分

数据采集层包括各种终端设备，其主要任务是采集防护门门体和门锁、合页等部件振动数据，以及防护门当前状态图像等，并传至数据处理层。

数据处理层由边缘计算控制器和无线传输装置组成，主要是将获取到的数据在边缘侧进行数据的预处理，并且将数据无线传输至平台端，提高数据传输效率，降低传输功耗。

数据持久层由数据库组成，平台端通过MQTT协议接收数据处理层的数据，并准确地将其存入数据库中，以便于后续的分析与查询。

服务层根据功能需求划分子模块，子模块通过调用数据持久层接口获得所需数据，通过数据分析和处理得到所需结果，并将结果传至表现层。

表现层实时显示设备状态以及实现多平台的运营交互界面，供远程和现场运营人员进行交互与监控。

2 相关技术

目前平台端使用框架技术进行开发，本文采用Spring Boot+Spring MVC+MyBatis框架作为主体进行开发，并对接口统一使用RESTful风格；表现层中网页使用Bootstrap框架进行展示；数据持久层采用MySQL和MongoDB对数据进行缓存和持久化。

REST(Representational State Transfer)是web服务一种架构思想，可以有效利用HTTP报文特性，使用JSON格式对报文主体进行编辑，使服务端API供网页端和移动端共同使用。

MongoDB是一种基于分布式文件存储的NoSQL数据库，适合存储JSON风格的信息，有利于直接接收并存储数据处理层发来的信息。由于数据预处理场景中不需要使用事务，使用MongoDB能够达到较高的效率。

3 平台端系统设计

控制系统中的平台端是整个系统的重点，运营人员的需求主要是在平台端进行处理，并且在使用过程中对其进行维护。

3.1 平台端整体框架

由于系统的需求将不断增长，涉及的业务流程会越来越多，为了合理地划分业务模块，增强系统的扩展性和复用能力，平台端使用领域驱动设计(Domain-Driven Design，DDD)的思想进行系统设计[3]，将系统分为5个模块，如图3所示。

图3 平台端模块结构

Data用于实现数据库中的实体以及数据库访问对象的构建与访问；Service作为输出端，用于提供前端调用接口，并且调用Application模块中的类和方法；Repository用于和外部数据源进行交互，包括但不限于Data模块；Application模块负责和输出端交互，主要职责包含有日志记录、鉴权、调用Repository；Domain在整个框架中处于核心位置，存放一些构造对象和接口；Repository模块负责Domain中接口的实现，这样可以解决循环依赖的问题。系统采用六边形架构，通过使用依赖倒置的原则，当新的需求越来越多时，也能保证系统的独立和精简。

3.2 数据库表设计

由于系统需求都与数据有密切关联，且数据库是连接用户需求和编程实现的桥梁，数据库的设计直接影响后续功能实现的难易。根据需求划分，将整个数据库分为人员信息、设备信息以及消息列表三大部分：人员信息主要包括管理员信息与现场操作人员信息；设备信息为防护门设备信息；消息列表包括数据采集装置发送消息、现场人员发送消息、故障消息和预测消息。

3.3 系统模块设计

系统按功能主要分为远程监控、数据管理、故障预测三个模块，现分别进行模块设计。

3.3.1 远程监控

远程监控模块的功能流程如图4所示。远程监控模块负责接收数据管理模块发送来的实时防护门数据，并通过门体振动频率以及幅度、门体绝对位移量是否超出合理范围以及摄像头采集到的照片进行图像识别，判断防护门是否已经出现故障，其中图像识别采用双边滤波以及Hough变换[4]等算法进行在线检测。管理人员能通过系统平台查询相关防护门日志信息；管理人员也可以通过发送请求至数据采集装置获得当前防护门未经处理的图像。

图4 远程监控流程

3.3.2 数据管理

施工数据管理和运营数据管理原理相似，在此以运营管理为例进行介绍，运营数据管理流程如图5所示。系统获得数据采集装置发来信息，首先将其放入内存进行是否故障的判断，然后根据判断结果决定是否生成故障信息并推送至系统警报，最后将采集到的数据持久化到硬盘；通过持久化的数据进行故障诊断与预测，如果预测有故障则生成预测消息并推送至系统警报并发送给现场操作人员；现场操作人员可以发送现场操作信息至系统，一旦发现故障也将触发警报。

图5 运营数据管理流程图

3.3.3 故障预测

模块采用机器学习的方法对故障进行预测以获得预测结果，预测模型使用长短时记忆循环神经网络进行训练[5,6]，通过部分失效防护门获取失效工况下的振动数据，得到机器学习训练所需数据，将训练结果和实际情况对比，反复训练直到满足训练要求。故障预测流程如图6所示。故障预测模块根据防护门编号读取持久化数据中的日志信息，通过振动信息进行故障预测，得出该防护门是否薄弱，如果薄弱将进一步计算预测失效时间区间，将结果发送至管理平台以及现场人员，以便现场排查；如果预测结果为非薄弱则循环选取下一扇防护门进行预测。

图6 故障预测流程

4 结语

本文提出了一种应用于隧道防护门的远程监控系统，用于隧道防护门的施工期与运营期，针对系统需求提出了控制系统的整体架构。对整体架构中的平台端采用领域驱动设计思想进行系统设计，并设计了数据库存储结构以及各功能模块程序流程。

隧道防护门远程监控系统可以实现对防护门失效的及时发现，标准化、信息化施工期和运营期中对于人员和数据的管理，还能对薄弱的防护门进行预测，提出预测失效区间，能使得运营单位提前对相应门体进行检测与更换。系统能够较好地提高隧道内部环境的安全性，降低运营人员压力，最终也可将各省市、各线路的监控对象纳入统一系统，实现全国隧道防护门信息组网。