鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)

張聰穎 柳忠杰

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

在嚴(yán)寒地區(qū)修建及運(yùn)營鐵路，將面臨季節(jié)性凍土問題。通過對(duì)建設(shè)期及運(yùn)營期鐵路路基的凍脹變形監(jiān)測(cè)，分析其變形規(guī)律，可為軌道選型及運(yùn)營安全提供依據(jù)。凍脹變形監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有：地溫、變形量、含水量、水位數(shù)據(jù)等，亟需開發(fā)相關(guān)軟件，以便對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效地匯集、管理、分析等。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目中會(huì)有大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要匯集、管理、分析。由于沒有專用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理分析工具，只能通過Microsoft Excel、Origin等公共軟件人工輔助完成，效率低下，很難滿足生產(chǎn)需要。

為了解決上述問題，根據(jù)以往的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，并考慮監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目中的各種需求，研發(fā)鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為SGAnalyst)，主要解決以項(xiàng)目為單位的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯集、管理等問題，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目的斷面、測(cè)站、測(cè)點(diǎn)、采集箱等進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各個(gè)維度上的分析，提高生產(chǎn)效率與工作質(zhì)量，滿足生產(chǎn)需要。

1.2 主要技術(shù)路線

(1)SGAnalyst以DLL集形式提供，運(yùn)行于自主開發(fā)的平臺(tái)之下[2-5]。

(2)系統(tǒng)基于Microsoft的Windows 2012 Server、Windows XP、Windows 7等操作系統(tǒng)，采用SQL Server開發(fā)局域網(wǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，采用Access開發(fā)單機(jī)環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

(3)基于對(duì)象模型技術(shù)(Object Modeling Technique， OMT)，采用信息隱蔽、高內(nèi)聚低耦合等設(shè)計(jì)原則，合理組織類的派生、屬性及方法的繼承，以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性[6-8]。

(4)SGAnalyst是以項(xiàng)目為單位進(jìn)行組織，支持多項(xiàng)目處理。

(5)在一個(gè)客戶對(duì)話期，SGAnalyst以一個(gè)項(xiàng)目為單位進(jìn)行操作。

1.3系統(tǒng)的架構(gòu)

SGAnalyst總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鐵路路基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(1)項(xiàng)目管理

以鐵路路基監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為單位，將管理數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)檢查功能，然后對(duì)項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的規(guī)范性和統(tǒng)一性，為后續(xù)操作提供數(shù)據(jù)服務(wù)。為了提高效率，在一個(gè)客戶對(duì)話期內(nèi)，系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)常駐于內(nèi)存，測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)獲取。

(2)數(shù)據(jù)管理

以數(shù)據(jù)庫為核心，提供原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，同時(shí)檢查其有效性。原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須經(jīng)過導(dǎo)入、檢查、同步、剔除、甄選、整理等步驟，才可以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，這些操作的先后次序通過SGAnalyst在系統(tǒng)內(nèi)部予以控制。

(3)數(shù)據(jù)分析

以數(shù)據(jù)庫為核心，針對(duì)分析者(測(cè)點(diǎn))、分析數(shù)據(jù)和測(cè)站分析數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。其中，分析者(測(cè)點(diǎn))分析數(shù)據(jù)是經(jīng)過甄選的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括每天的最大值、最小值、平均值、特定值；測(cè)站分析數(shù)據(jù)是根據(jù)分析者(測(cè)點(diǎn))分析數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算出來的測(cè)站數(shù)據(jù)，主要指凍結(jié)深度類的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析針對(duì)當(dāng)前任務(wù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)篩選條件進(jìn)行，以當(dāng)前Chart樣式輸出圖形分析結(jié)果，同時(shí)支持以預(yù)定類型顯示表格分析數(shù)據(jù)，以項(xiàng)目樹形式展示當(dāng)前監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的管理對(duì)象，點(diǎn)擊不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，平面圖顯示模塊可以根據(jù)預(yù)定顯示比例顯示該節(jié)點(diǎn)附近平面圖或其他信息。項(xiàng)目樹節(jié)點(diǎn)支持選擇功能，可根據(jù)需求參與到數(shù)據(jù)分析之中。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 管理方案

每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，都有斷面、測(cè)站、測(cè)點(diǎn)(即單點(diǎn)傳感器)、采集箱、氣象站等基本信息，并且這些基本信息存在著隸屬關(guān)系。應(yīng)先對(duì)各個(gè)信息之間的基本關(guān)系進(jìn)行梳理，建立數(shù)據(jù)關(guān)系，從而達(dá)到利用任一信息進(jìn)行查詢分析的目的。因此，對(duì)于大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)系統(tǒng)的管理是十分必要的。

在開發(fā)路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之前，需要建立一套完善的管理機(jī)制，來滿足對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、編輯、瀏覽、分析、查詢等需求。在建立的數(shù)據(jù)管理機(jī)制中，采用了多級(jí)管理：項(xiàng)目下設(shè)有監(jiān)測(cè)類型，監(jiān)測(cè)類型下設(shè)采集箱、氣象站、斷面，采集箱、氣象站、斷面下再設(shè)測(cè)站，測(cè)站下設(shè)有測(cè)點(diǎn)，管理層次簡(jiǎn)潔、清晰。在項(xiàng)目管理的過程中，以數(shù)據(jù)庫為依托，將數(shù)據(jù)的全部基本信息納入到數(shù)據(jù)庫的管理之中，同時(shí)以關(guān)系清晰的樹形結(jié)構(gòu)予以呈現(xiàn)。用戶可以利用屬性查詢分析數(shù)據(jù)，并可以利用測(cè)站自定義新的斷面來完成數(shù)據(jù)分析，滿足用戶不同的分析需求。

對(duì)于原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，為方便傳感器廠家數(shù)據(jù)的接入，特別設(shè)置了橫表和縱表的格式，只要滿足任一格式，均能進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。同時(shí)，也設(shè)置了對(duì)管理數(shù)據(jù)的檢查功能，當(dāng)任一基本信息沒有可歸屬信息時(shí)均會(huì)報(bào)錯(cuò)，提醒用戶對(duì)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

2.2 功能實(shí)現(xiàn)

軟件的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要由四大塊組成，分別為項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和其他相關(guān)配置。其中，項(xiàng)目管理部分的功能主要是了解監(jiān)測(cè)項(xiàng)目概況，準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的管理數(shù)據(jù)并進(jìn)行管理數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。數(shù)據(jù)管理部分的功能主要是對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入和處理。數(shù)據(jù)分析部分的功能主要是對(duì)定制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查詢分析結(jié)果等。其他部分的功能主要是對(duì)軟件功能的配置選擇等。

該軟件主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

(1)可支持多種鐵路路基監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并滿足多種鐵路路基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析需求以及對(duì)分析成果的輸出需求，并可積累工作經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了程序應(yīng)用廣泛性和靈活高效性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

(2)將各種鐵路路基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析需求按“三因素”模式進(jìn)行合理組織與管理，構(gòu)成完善的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的任務(wù)化定制體系。在該體系的管理下，既可以根據(jù)用戶需求快速制定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方案，又可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)的積累。

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析成果的折線圖繪制技術(shù)靈活、科學(xué)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析成果與分析成果的輸出分離開來，極大地滿足了用戶的各種需求。

(4)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目圖形信息的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)顯示技術(shù)靈活、實(shí)用，相關(guān)數(shù)據(jù)的分揀方便、快捷，便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析。

(5)在軟件開發(fā)過程中，充分利用數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，盡量減少用戶與系統(tǒng)的交互。在不增加或少增加客戶操作的情況下，為用戶提供盡量多的“增值”服務(wù)。另外，建立了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)備份機(jī)制，可確保數(shù)據(jù)安全以及意外情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

3 軟件應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)概況

“鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”開發(fā)完成后，首先在哈爾濱至齊齊哈爾鐵路客運(yùn)專線的路基凍脹監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行了試用。綜合考慮了全線的路基類型、地理位置、工程地質(zhì)條件、路基工點(diǎn)分布情況等試驗(yàn)條件，選擇了試驗(yàn)條件相對(duì)較好、工程類型和措施涵蓋較全、受施工影響較小的段落為試驗(yàn)段。其中，含設(shè)計(jì)斷面19個(gè)，安裝采集箱23個(gè)，測(cè)站304個(gè)，在路基體中安裝傳感器1 000多個(gè)(溫度計(jì)、凍脹計(jì)、土壤含水量測(cè)定儀、水位計(jì)等)，數(shù)據(jù)每4 h采集一次。

3.2 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

(1)對(duì)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。按照要求將項(xiàng)目信息、氣象站信息、采集箱信息、斷面信息、測(cè)站信息、測(cè)點(diǎn)信息等匯集到管理數(shù)據(jù)表格中，建立基本信息及對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目平面布置圖及說明圖等錄入到相應(yīng)文件中，可以與監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)顯示。

(3)利用“自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析者原始數(shù)據(jù)表”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集頻率檢查，可以檢視當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)傳感器的工作狀態(tài)。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

將原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步為分析者數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(1)按儀器量程控制、拉依達(dá)(PauTa)準(zhǔn)則、人工等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除。

(2)按最大值、最小值、平均值以及最接近于某時(shí)刻的特定值等四種特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)遴選；按各種特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

(3)自由定制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析任務(wù)。

①凍結(jié)深度分析：研究同一地溫孔、不同深度處地溫隨時(shí)間變化曲線，主要分析地溫沿深度方向的變化規(guī)律，掌握凍深發(fā)展過程。

以某一斷面的一個(gè)地溫傳感器數(shù)據(jù)為例，其埋設(shè)位置為地表下1 m，截取一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用辦公軟件進(jìn)行分析，如圖2所示，軟件界面如圖3所示。

圖2 地溫隨時(shí)間變化

圖3 SGAnalyst界面分析

圖3中，a區(qū)為工作空間窗體；b區(qū)為數(shù)據(jù)篩選、分析參數(shù)設(shè)置及任務(wù)訂制區(qū)；c區(qū)為分析圖形顯示區(qū)；d區(qū)為分析數(shù)據(jù)顯示區(qū)；e區(qū)為平臺(tái)信息輸出顯示區(qū)。由分析可知，人工分析和軟件分析的圖形基本一致，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大時(shí)，運(yùn)用該軟件能夠顯著地提高工作效率。

②變形分析：分別對(duì)不同層位測(cè)試數(shù)據(jù)繪制變形與時(shí)間關(guān)系曲線，分析層厚、變形隨時(shí)間的變化關(guān)系，了解凍脹變形發(fā)生發(fā)展過程。

③含水量分析：對(duì)路基含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究一個(gè)凍融周期內(nèi)路基含水量變化規(guī)律。

④水位分析：對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究一個(gè)凍融周期內(nèi)路基含水量的變化規(guī)律。

(4)以折線圖的方式輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析成果，自由定制折線圖樣式，數(shù)據(jù)分析結(jié)果以數(shù)據(jù)表的形式顯示[9-10]。

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