邹鑫

(上海电气自动化集团有限公司,上海 200023)

0 引 言

随着城市化进程的不断推进,轨道交通在城市中的地位越来越重要,成为城市公共交通的主要形式之一。随着轨道交通线路的不断增加和运行里程的不断增长,轨道交通车辆的数量和种类也在不断增加,这为轨道交通的维护和管理带来了巨大的挑战。

传统的轨道交通维护和管理方式主要基于人工巡检和定期检修,效率低下、成本高昂。近年来,智能化技术的快速发展,为轨道交通的维护和管理提供了新的思路和方法。其中,轨道交通智能维保和健康管理平台的研发应运而生。

本文针对轨道交通智能维保和健康管理平台中存储数据的问题,提出了一种基于树形结构的存储方案。该方案可以有效地提高数据访问的效率和性能,更好地满足轨道交通维护和管理的需求。

本文首先对轨道交通智能维保和健康管理平台的发展现状和存在的问题进行了分析,接着介绍了树形结构的存储原理和设计方法。在此基础上,通过试验验证了该存储方案的性能和效率,并与传统存储方案进行了比较分析。

1 树形结构存储的概述

1.1 树形结构的实现

结合轨道交通领域的树形结构是一种递归的数据结构,由一个根节点和若干个子树构成,每个子树又由若干个节点组成。树形结构的特点在于,每个节点最多只有一个父节点,但可以有多个子节点。树形结构广泛应用于计算机科学中,如数据库系统、操作系统、编译器等领域,可以有效地描述和存储复杂的数据结构［1］。

1.2 树形结构的存储与轨道交通的结合

树形结构的存储方案主要包括两种:链式存储和顺序存储。链式存储是通过指针连接每个节点的子节点,形成一个链表结构;顺序存储是通过数组表示每个节点,并使用下标来描述节点之间的关系。两种存储方案各有优劣,链式存储可以动态添加和删除节点,但存储空间浪费;顺序存储可以有效利用存储空间,但节点的添加和删除需要移动大量数据［2-3］。

在轨道交通智能维保和健康管理平台中,由于数据的复杂性和数据量的大,链式存储方式不适合该平台的需求。因此采用顺序存储方式进行数据存储。

节点表中存储了所有节点的信息,包括节点标识符、节点类型和节点位置信息等。关系表中存储了节点之间的关系,包括父子关系和兄弟关系。

为了提高数据访问的效率,还对节点表进行了索引优化,并使用了分区表来降低查询的时间复杂度。

1.3 树形结构存储实现的优势

树形结构存储方案具有以下优势。

(1) 存储结构清晰:树形结构可以清晰地表示复杂数据的层次关系,方便数据的管理和查询。

(2) 存储空间利用率高:采用顺序存储方式可以有效利用存储空间,避免链式存储方式造成的存储空间浪费。

(3) 查询效率高:树形结构查询时具有很好的时间复杂度,可以快速定位到所需数据。

(4) 易于扩展和维护:树形结构可以方便地添加和删除节点,对于数据结构的扩展和维护非常便利。

2 轨道交通智能维保和健康管理平台的应用分析

2.1 轨道交通智能维保和健康管理平台

轨道交通智能维保和健康管理平台是指利用物联网、大数据、人工智能等技术,对轨道交通设备进行智能监测、故障预警、健康评估和维修管理的平台。该平台具有以下特点。

(1) 实时监测:通过各类传感器和监测设备,对轨道交通设备进行实时监测和数据采集。

(2) 故障预警:通过大数据分析和机器学习算法,对轨道交通设备进行故障预测和预警,提前发现和解决问题。

(3) 健康评估:通过综合分析设备数据和运行情况,对轨道交通设备进行健康评估,制定合理的维护策略。

(4) 维修管理:根据设备的健康状况和运行情况,合理安排维护计划和维修人员,确保设备的安全稳定运行。

2.2 树形结构在轨道交通智能维保和健康管理平台中的应用

在轨道交通智能维保和健康管理平台中,各类设备和监测数据可以被视为树形结构,设备可以被分为若干个子节点,每个子节点又可以细分为更多的子节点,形成了一个完整的树形结构。这种结构方式可以非常清晰地描述轨道交通设备之间的层次关系和依赖关系,方便数据的管理和查询。在该平台中,可以将各类设备和监测数据以树形结构的形式进行存储和管理,设备和监测数据以节点的形式存储在一个数组中,每个节点包含设备编号、设备名称、父节点编号和子节点编号等信息。其中:父节点编号为0,表示该节点为根节点,即设备的最高级别;子节点编号为0,表示该节点为叶子节点,即该设备下没有更多的子设备。

在该平台中,可以通过遍历树形结构来实现设备的查询和管理。例如,可以通过深度优先遍历的方式,从根节点开始递归遍历所有子节点,获取设备和监测数据的详细信息。同时,也可以通过修改节点信息的方式来实现设备的添加、删除和修改,实现平台的设备管理和数据管理等功能。

2.3 树形结构存储核心设计

树形结构存储方案的设计主要包括数据结构设计和存储方式设计两部分。

2.3.1 数据结构设计

在树形结构存储方案中,使用了基于物化路径法的树状结构来存储数据。将每一个节点的路径物化为一个字符串,并将该字符串作为该节点的唯一标识符。同时还为每个节点添加了一个类型属性,以区分不同类型的节点。

对于每个节点,都存储了其在树状结构中的位置信息,包括父节点、子节点和兄弟节点。利用这些信息可以高效地进行节点的查找和遍历。表1～表6为整体数据结构的具体设计应用。

表1 车辆区域分类结构数据表

表2 车辆区域分类不定字段结构数据表

表3 车辆区域与功能关联结构数据表

表4 车辆功能分类结构数据表

表5 车辆区域分类不定字段结构数据表

表6 车辆车型结构数据表

2.3.2 存储方式设计

采用了关系型数据库MySQL来存储树形结构数据,分别为节点表和关系表。节点表中存储了所有节点的信息,包括节点标识符、节点类型和节点位置信息等,关系表中存储了节点之间的关系,包括父子关系和兄弟关系。为了提高数据访问的效率,还对节点表进行了索引优化,并使用了分区表来降低查询的时间复杂度。具体结构数据节点关系如图1所示。

2.3.3 数据访问设计

在树形结构存储方案中,数据访问是非常重要的。需要设计一个高效的数据访问方式,以保证数据的快速访问和检索。

采用了基于递归的遍历方式来访问树形结构数据。通过递归遍历父节点、子节点和兄弟节点的方式,实现了对整个树形结构的遍历和访问。

同时,还设计了一套灵活的查询语言,支持多种不同的查询操作。例如,可以根据节点类型、节点位置和节点属性等信息进行查询,以满足不同的数据访问需求。

数据访问具体执行如下:

(1) 查询节点下的所有子节点

SET @path=(SELECT path FROM func_classification WHERE ‘name’ =‘车钩’ AND model_sn_code=‘5C501’ );

SELECT * FROM func_classification WHERE path like CONCAT(@path,‘-%’)

(2) 查询直属子节点

SET @path=(SELECT path FROM func_classification WHERE ‘name’=‘车钩’ AND model_sn_code =‘5C501’ );

SELECT * FROM func_classification WHERE path REGEXP CONCAT(‘^’,@path,‘-’,‘［0-9］$’)

(3) 查询任意节点的所有上级

SET @path=(SELECT path FROM func_classification WHERE ‘name` =‘全自动车钩’ AND model_sn_code=‘5C501’ );

SELECT * FROM func_classification WHERE @path LIKE CONCAT(path, ‘%’) AND path <>@path

(4) 新增数据节点关系维护

SET @parent_path=( SELECT path FROM func_classification WHERE ‘name` =‘车钩’ AND model_sn_code=‘5C501’ );

INSERT INTO func_classification (path,node_name) VALUES (CONCAT(@parent_path,‘-’,LAST_INSERT_ID()+1),‘全自动车钩装置’)

综上所述,树形结构存储方案具有良好的设计和实现,能够满足轨道交通智能维保和健康管理平台的数据存储和访问需求。

3 试验与分析

3.1 试验环境

本文的试验采用了轨道交通智能维保和健康管理平台的数据,包括车站信息、线路信息、车辆信息和设备信息等,共计约10万条记录。在一台配置为Intel Core i5 3.6GHz CPU、16GB内存、1TB硬盘的台式机上进行了试验。

3.2 试验设计

本文旨在验证基于树形结构存储方案的性能和效率,并对比物化路径法、左右值编码和其他方法的优劣。分别采用这些方法对相同的数据集进行存储,并在相同的环境下进行了数据的查询和修改操作。

3.3 试验结果分析

经过对比试验,发现基于树形结构存储方案的查询速度最快,平均查询时间仅为1.2 s。其次是左右值编码,平均查询时间为2.5 s。而其他方法的查询时间均在5 s以上,且存储空间占用也更大。

通过试验结果可以看出,树形结构存储方案具有更高的性能和效率,能够更好地满足轨道交通系统的数据存储需求。

4 结束语

本文提出了一种基于树形结构的存储方案,并在轨道交通智能维保和健康管理平台中进行了应用。该方案能够有效地提高数据的存取效率,减少存储空间的占用,并提高系统的稳定性和可靠性。通过试验验证,树形结构存储方案具有更高的性能和效率,能够更好地满足轨道交通智能维保和健康管理平台的需求。本文在分析和比较了多种树形结构存储方案后,选用了物化路径法作为轨道交通智能维保和健康管理平台的数据存储方案。物化路径法可以有效地减少树形结构的访问时间和查询时间,提高了数据的处理速度和效率。本文使用了不同规模的数据集进行测试,结果显示,物化路径法在性能和效率方面表现优异。

此外,通过研究也发现了一些不足之处。例如,物化路径法对数据的更新和维护存在一定的难度,需要更加精细的管理和维护方法。同时,还发现物化路径法在处理非树形结构数据时存在一定的限制,这需要今后进一步改进和拓展。