鐵路沉降數(shù)據(jù)處理及評估系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陳海軍 鄭子天 倪先桃 劉 暢 李紅輝

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610000；2.四川拓繪科技有限公司，成都 610000）

當前我國鐵路建設正在快速發(fā)展。為了確保工程質量安全，規(guī)定施工單位在建設期間必須進行沉降觀測，且待沉降數(shù)據(jù)經(jīng)評估合格后才能進行后續(xù)的軌道鋪設等[1-3]。2018 年，中國鐵路總公司工管中心將沉降觀測納入質量紅線檢查范圍。同年，發(fā)布的40 號、45 號文要求將鐵路沉降觀測納入信息化管理。可見，實現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)處理的自動化和信息化，是進行鐵路建設及其相關研究的必備基礎條件。

一般一條鐵路線布置的沉降觀測點數(shù)以萬計，并且需要對一個觀測點進行至少3 個月的多期觀測，然后對大量的觀測數(shù)據(jù)進行處理、平差、分析、擬合及預測評估等運算，數(shù)據(jù)量與計算量龐大[4]。因此，有必要研發(fā)高性能的沉降數(shù)據(jù)處理和評估系統(tǒng)，科學進行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析，智能預測與預警，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與管理的自動化，輔助指導工作人員準確把握工程安全，第一時間掌握異常情況，并準確分析異常原因與采取相應措施，避免安全事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)功能設計

鐵路沉降數(shù)據(jù)處理及評估系統(tǒng)設計的總體目標是可以實現(xiàn)對沉降數(shù)據(jù)的訪問與錄入，對數(shù)據(jù)進行擬合、預測、分析等操作，能夠清晰完整地顯示結果，方便操作。將鐵路沉降數(shù)據(jù)處理及評估系統(tǒng)的設計方案轉化為許多易于控制和解決的子任務[5]，系統(tǒng)功能如圖1 所示。

系統(tǒng)的具體功能主要包括以下幾個方面[6]。

（1）文件操作功能。

（2）水準儀的數(shù)據(jù)處理功能。它對水準儀（Trimble Dini 系列產(chǎn)品、Leica DNA 系列產(chǎn)品）的觀測數(shù)據(jù)信息進行預處理，生成測站高差文件和平差文件，輸出詳細的測量觀測手簿記錄，并對數(shù)據(jù)信息中的超限觀測值進行核對，以提醒用戶，便于用戶檢查。

（3）高程網(wǎng)平差處理功能。它能夠對常規(guī)高程網(wǎng)的平差輸入數(shù)據(jù)進行閉合環(huán)自動搜索和閉合差檢查，自動統(tǒng)計高程網(wǎng)的外業(yè)觀測精度并給出超限提示。在外業(yè)精度統(tǒng)計合格后，對平差導入文件進行平差計算，得到高程網(wǎng)所有平差過程中的精度統(tǒng)計信息和平差成果與精度，同時根據(jù)用戶設置輸出平差成果文件。

（4）交互式圖形及表格功能。它主要以表格和圖形的形式直觀顯示各種數(shù)據(jù)與分析結果，包括測點平面布置圖、沉降-時間曲線圖以及區(qū)段預測工后沉降曲線等，同時具有豐富的樣式設置功能，并實現(xiàn)交互式操作[7]。

（5）曲線擬合與沉降預測功能。軟件包含雙曲線法、Asaoka 法及三點法等多種曲線擬合方法，對數(shù)據(jù)進行擬合預測分析，預測分析一定時間點的沉降值，并結合軌道荷載引起的沉降分析結構物的工后沉降，可以實現(xiàn)各種擬合曲線的比較。

（6）整體評估。任意里程范圍的監(jiān)測斷面可定義為一個整體，可對范圍內的各監(jiān)測斷面上的觀測點進行曲線擬合和工后沉降預測分析，根據(jù)輸入的規(guī)范標準進行評估，并根據(jù)生成的沉降曲線圖反映范圍內的沉降情況。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫設計

鐵路沉降數(shù)據(jù)處理及評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用于存儲原始各期沉降數(shù)據(jù)和預測分析的結果等信息。它以Microsoft SQL Server 2000 為數(shù)據(jù)庫平臺。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表主要有測點布置屬性表、觀測點沉降數(shù)據(jù)表和沉降預測數(shù)據(jù)表[8]。

（1）測點布置屬性表包含測點序號、測點類型、里程、工程類型、填挖高度、減薄層厚度以及距線路核心距離等字段名稱。

（2）觀測點沉降數(shù)據(jù)表包括觀測日期、觀測周期、觀測間隔、總天數(shù)、回填高度、高程值、沉降值、總沉降、沉降速度以及工程建設環(huán)節(jié)等。

（3）沉降預測數(shù)據(jù)表包含規(guī)范雙曲線預測值、Verhulst 預測值、三點法預測值、Asaoka 預測值、指數(shù)曲線預測值以及灰色系統(tǒng)預測值。

2.2 水準儀數(shù)據(jù)處理及平差

水準儀數(shù)據(jù)處理及平差模塊包括導入控制點數(shù)據(jù)、添加平差文件、平差參數(shù)設置、閉合差計算以及網(wǎng)平差處理等。數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

2.3 數(shù)據(jù)分析預測評估

數(shù)據(jù)分析預測評估的主要判定標準主要包括5 個部分[3]。

（1）根據(jù)路基工程、橋涵等構筑物的具體荷載條件和觀測數(shù)據(jù)信息，對幾個環(huán)節(jié)進行回歸分析和預測分析，綜合判斷沉降變形的發(fā)展趨勢。初步回歸分析時，橋涵主體結構竣工后觀察期不少于6 個月，巖床、路基等地質環(huán)境較好的橋涵觀察期不少于2 個月。

（2）墩臺沉降按恒載計算，工后沉降應小于20 mm。相鄰橋墩與橋臺的工后沉降差應小于5 mm。

（3）當預測分析曲線的回歸相關系數(shù)小于0.92、近3 個月沉降變形觀測值在2 mm 以內、波動幅度小于3 mm 時，對是否符合鋪軌標準可以根據(jù)勘察設計方案、工程建設、計量材料和現(xiàn)場勘察進行綜合鑒定。

（4）兩次預測結果的最終沉降差異不應超過5 mm，兩次預測的間隔時間一般不少于3 個月，巖床、路基等地質環(huán)境較好的結構物不少于1 個月。

（5）路基、橋梁等主體施工完成后與無砟軌道鋪設前沉降預測的時間間隔應滿足S(t)/S(t=∞)≥75%的標準，其中S(t)為預測時的沉降觀測值，S(t=∞)為預測的最終沉降值。

數(shù)據(jù)分析預測評估流程如圖3 所示。

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)按功能主要分為兩大模塊，分別為水準儀數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)評估分析模塊。系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2010 作為開發(fā)環(huán)境，利用C#編寫程序 ，運行于Windows 平臺，并應兼容Windows 7、Windows 10 等操作系統(tǒng)。

2.4.1 水準儀數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)第2.3 章節(jié)的功能描述進行軟件模塊代碼編寫和實現(xiàn)。在開發(fā)過程中，開發(fā)人員與現(xiàn)場操作員及時溝通，新增了一些比較實用的工具，如串口下載數(shù)據(jù)、剔除原始數(shù)據(jù)的錯誤數(shù)據(jù)、生成成果Excel 報表等，極大地便捷了數(shù)據(jù)處理工作。

2.4.2 數(shù)據(jù)評估分析模塊

根據(jù)第2.3 章節(jié)的功能描述進行軟件模塊代碼編寫和實現(xiàn)。其中：數(shù)據(jù)查看可以通過圖形方式對沉降觀測斷面和觀測點進行直觀分析，觀察分析沉降趨勢和沉降速率；沉降分析內置了規(guī)范雙曲線法、三點法、Verhulst 法、Asaoka 法、灰色系統(tǒng)GM(1,1)法及指數(shù)曲線共6 種方法，結合設置的評估控制指標進行曲線擬合預測，計算出各個方法的相關系數(shù)及最終的工后沉降、差異沉降、折角等，并自動提示最優(yōu)的擬合預測方法，顯示是否滿足評估要求[9]。

3 結語

系統(tǒng)采用科學方法進行沉降數(shù)據(jù)管理和變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，實現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)處理方法和評價分析自動化和智能化。可以結合路基（含過渡段）、橋梁、涵洞等線下工程的沉降變形觀測的技術要求及相關現(xiàn)行鐵路設計規(guī)范，分析數(shù)據(jù)觀測質量，指導工作人員準確把握工程安全，及時了解異常情況，并準確分析異常原因采取相應措施，避免安全事故的發(fā)生。系統(tǒng)可以對鐵路結構物的工后沉降和最終沉降量進行預測，有效明確軌道鋪設時間，以保證軌道鋪設質量。目前，該系統(tǒng)已在魯南高鐵、安九鐵路以及徐淮鹽鐵路等鐵路建設中得到廣泛應用。