高速鐵路運(yùn)營期沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研發(fā)

谷洪業(yè) 楊懷志 朱星盛

1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038

截至2020 年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程已達(dá)到4 萬km。為高速鐵路運(yùn)營提供實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握整條鐵路線橋結(jié)構(gòu)的變形情況，確保高速鐵路運(yùn)營安全，對運(yùn)營期高速鐵路進(jìn)行長期的變形監(jiān)測是一項必要工作。高速鐵路運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，監(jiān)測內(nèi)容多，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式已不能滿足快速增長的數(shù)據(jù)量管理需求。隨著數(shù)據(jù)量的增多，對沉降數(shù)據(jù)的管理難度不斷增大，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方式在數(shù)據(jù)管理、文檔存儲、版本管理、查詢及檢索方面耗時耗力［1］。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用信息化及大數(shù)據(jù)管理方式來解決數(shù)據(jù)管理困難，提高工作人員管理效率已成為主流趨勢，《鐵路信息化總體規(guī)劃》［2］對鐵路運(yùn)維管理方面的專項設(shè)計，為高速鐵路運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化管理工作提供了強(qiáng)有力的保障［3］。本文采用 . NET 技術(shù)設(shè)計研發(fā) B∕S（Brower∕Server，瀏覽器∕服務(wù)器）架構(gòu)的高速鐵路精密網(wǎng)及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對高速鐵路運(yùn)營期間監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化管理，設(shè)計多種維度的數(shù)據(jù)管理及展示方式，為高速鐵路運(yùn)營部門提供快速簡便的數(shù)據(jù)獲取通道，及時了解掌握高速鐵路運(yùn)營的整體及局部沉降情況，為后續(xù)的運(yùn)營決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研發(fā)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)需求分析及技術(shù)選型

眾多傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)均采用了基于單機(jī)版的開發(fā)模式，該模式下難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，升級和維護(hù)成本高，對客戶機(jī)系統(tǒng)配置要求高，展示方式大多受限于軟件平臺，不能滿足運(yùn)營鐵路跨平臺、多用戶的使用需求［2］。隨著B∕S 架構(gòu)的興起及信息技術(shù)的快速發(fā)展，B∕S 模式的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)點(diǎn)。主要體現(xiàn)在：①分布性強(qiáng)，客戶端零維護(hù)。只要有網(wǎng)絡(luò)、瀏覽器，可以隨時隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。②業(yè)務(wù)擴(kuò)展維護(hù)方便，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)新增或修改功能后只需升級服務(wù)器端，即可實(shí)現(xiàn)所有用戶的同步更新。③數(shù)據(jù)信息共享簡單，不同角色用戶對數(shù)據(jù)的維護(hù)管理結(jié)果都將同步體現(xiàn)在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)所有用戶的操作界面中，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息不同步問題。④支持的開發(fā)技術(shù)多樣化，可根據(jù)服務(wù)器具體硬件配置來采用不同的開發(fā)技術(shù)。

系統(tǒng)開發(fā)采用ASP.NET Framework 4.0 作為后端主要編程框架。ASP.NET 是微軟公司推出的Web 開發(fā)平臺，它為開發(fā)安全的B∕S 系統(tǒng)提供了豐富的措施和機(jī)制［3］。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用前后端分離設(shè)計模式，方便系統(tǒng)的迭代維護(hù)，前端采用主流的腳本語言JS（JavaScript）與層疊樣式表CSS（Cascading Style Sheets）進(jìn)行頁面設(shè)計及交互功能開發(fā)，后端采用安全性高、性能好、操作方便靈活的高性能數(shù)據(jù)庫，保證大量監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲的可靠性與穩(wěn)定性［4］。后端數(shù)據(jù)接口交互采用基于JSON（JavaScript Object Notation）的輕量級空間數(shù)據(jù)交換模型，獲得更好的解析性能及傳輸效率。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

需求分析是軟件生命周期中重要的一步，也是能否成功開發(fā)軟件的關(guān)鍵性一步［5］，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)前總結(jié)既有高速鐵路運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)管理弊端及收集參與單位具體需求，完成制作軟件需求規(guī)格說明書，作為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)的指導(dǎo)性文件。本文根據(jù)軟件需求文檔，設(shè)計完成了高速鐵路精密網(wǎng)及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)框架，如圖1所示。

圖1 高速鐵路運(yùn)營期沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模塊功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)置模塊

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)置模塊主要是用于控制不同用戶的系統(tǒng)管理權(quán)限，用于滿足不同角色人員的管理需求。系統(tǒng)采用用戶與項目的一對多關(guān)系，實(shí)現(xiàn)單個用戶對任意數(shù)量項目的數(shù)據(jù)管理。針對單個項目的管理，系統(tǒng)分別采用里程權(quán)限、數(shù)據(jù)編輯查看權(quán)限、項目創(chuàng)建管理權(quán)限及數(shù)據(jù)上傳下載權(quán)限來細(xì)化用戶的數(shù)據(jù)操作權(quán)限，同時采用嚴(yán)格的日志管理模式，記錄用戶對系統(tǒng)的關(guān)鍵操作記錄，從多方面來保證系統(tǒng)的可追溯性及應(yīng)用安全。

2.2 信息總覽模塊

信息總覽模塊是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為方便用戶實(shí)現(xiàn)對項目監(jiān)測數(shù)據(jù)總體情況的把握而設(shè)置。鐵路在地理空間分布上具有明顯的特征［6］，系統(tǒng)在信息總覽頁面采用地理信息展示的方式，包括衛(wèi)星地圖、普通線路圖，實(shí)現(xiàn)對線路位置走向的直觀化展示，同時支持對線路上不同段落構(gòu)筑物類型的標(biāo)注，采用開源圖表控件完成對項目不同監(jiān)測區(qū)段的監(jiān)測狀態(tài)統(tǒng)計，如圖2所示。

圖2 信息總覽

2.3 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊是整個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研發(fā)的核心，運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修測量內(nèi)容應(yīng)包括各級控制網(wǎng)的復(fù)測、構(gòu)筑物變形監(jiān)測、區(qū)域沉降地段變形監(jiān)測等［7］。因此本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對高速鐵路運(yùn)營期間的控制網(wǎng)、沉降標(biāo)、數(shù)據(jù)基點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)的分類管理。屬性數(shù)據(jù)包括測點(diǎn)的屬性信息及高差屬性，觀測數(shù)據(jù)主要包括各監(jiān)測類型數(shù)據(jù)的高程及高差數(shù)據(jù)。為解決大量的數(shù)據(jù)屬性及測量成果的入庫，系統(tǒng)根據(jù)不同的構(gòu)筑物（橋梁、隧道、涵洞和路基等）特點(diǎn)建立不同的屬性及數(shù)據(jù)模板表格，供用戶批量導(dǎo)入，如圖3 所示。為避免數(shù)據(jù)的錄入錯誤，系統(tǒng)建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)檢查標(biāo)準(zhǔn)，對入庫前數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)檢查，保證數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性。

圖3 錄入模板

2.4 數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊為用戶提供多種搜索條件的組合查詢，方便用戶快速定位具體測點(diǎn)位置，把握整體沉降趨勢。用戶還可根據(jù)區(qū)段及里程區(qū)間直觀獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)的基于里程-數(shù)值或時間-數(shù)值的累計沉降、差異沉降、CPⅢ橫向位移及CPⅢ縱向位移曲線圖。通過設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)支持聯(lián)動式的查詢方式，可以從系統(tǒng)總覽頁面地理信息圖中定位到具體測點(diǎn)，也可以直接從數(shù)據(jù)管理頁面搜索查找，滿足關(guān)注點(diǎn)不同的用戶的查詢需求。為方便用戶進(jìn)行文檔管理，系統(tǒng)支持按用戶自定義條件，完成不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的報表下載。

2.5 項目管理模塊

項目管理模塊主要涉及項目基本信息的建立，高速鐵路運(yùn)營期間不同區(qū)段的沉降情況及相應(yīng)觀測頻次、關(guān)注點(diǎn)不同，為滿足不同用戶的需求，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對高速鐵路運(yùn)營監(jiān)測項目按區(qū)段及車站劃分，區(qū)段可按項目實(shí)際情況由用戶自定義劃分，常見區(qū)段可劃分為普查區(qū)段及重點(diǎn)區(qū)段，如圖4 所示。在用戶查詢統(tǒng)計及數(shù)據(jù)管理過程中，可根據(jù)劃分的不同區(qū)段快速定位至所需段落。

2.6 統(tǒng)計分析模塊

統(tǒng)計分析模塊是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)錄入后的整體統(tǒng)計，用戶可根據(jù)期次、起止里程及自定義統(tǒng)計閾值完成對該段落沉降數(shù)據(jù)累計變形量或變形速率的匯總統(tǒng)計。石武高速鐵路線路K0500+449—K0501+202里程段落的位于閾值（-5，5）區(qū)間內(nèi)的部分累計變形統(tǒng)計情況見圖5。

圖5 部分累計變形展示

3 系統(tǒng)應(yīng)用測試

為驗(yàn)證所研發(fā)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性及適用性，通過仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行多方面性能的測試，并利用國內(nèi)石武高速鐵路線路的歷史測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

項目每期觀測完畢后，按系統(tǒng)指定模板完成數(shù)據(jù)的錄入，錄入完成后在平臺顯示如圖6所示。

圖6 CPⅢ沉降數(shù)據(jù)管理界面

通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可查詢?nèi)我饫锍潭温涞某两第厔輬D，以及不同監(jiān)測周期的沉降趨勢對比圖，可以直觀地了解本段落的沉降趨勢情況。同時能夠?qū)С鱿鄳?yīng)的數(shù)據(jù)報表供用戶使用，提高數(shù)據(jù)管理人員的數(shù)據(jù)使用效率。展示結(jié)果如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)展示

4 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)項目需求，基于. NET 框架開發(fā)了B∕S 模式的高速鐵路精密網(wǎng)及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)成功應(yīng)用在多條既有高速鐵路運(yùn)營監(jiān)測項目，有效地解決了京滬高速鐵路1 300 多公里運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，以及京津城際多年的運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與查詢分析。隨著高速鐵路不斷開通運(yùn)營，高速鐵路運(yùn)營監(jiān)測將具有廣闊的市場，本系統(tǒng)能夠完全滿足現(xiàn)場項目的數(shù)據(jù)檢索管理及報表統(tǒng)計分析的需求，提高了相關(guān)運(yùn)營部門的數(shù)據(jù)管理效率，具有較好的實(shí)際應(yīng)用推廣價值。