轨道检测波形综合展示分析软件的开发与应用

赵 钢，赵国堂，徐贵红，张 鹏，周志军

(1.北京交通大学 土木工程学院，北京 100044;2.中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081;3.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038;4.南昌铁路局 工务检测所，南昌 330002)

利用综合检测列车和轨道检测车对线路进行周期性轨道检测成为保障运营安全的重要手段，各级工务维修管理部门也越来越重视轨道检测数据在指导工务维修工作中的作用。目前工务维修部门在进行各项维修作业前，都要对轨道不平顺波形数据进行分析，以发现偏差原因，确定维修方案，不仅需要对多次历史数据进行对比分析，发现局部轨道不平顺变化趋势，还需要能够结合列车动力学响应数据进行综合分析，找出引起晃车的轨道不平顺。

针对工务部门的实际需求，研究开发了全新的轨道检测波形综合展示分析软件。本文对轨道检测波形综合展示分析软件的开发与应用情况进行简要介绍，包括系统框架设计、功能特点和实际应用。

1 轨道检测波形综合分析系统概况

轨道检测波形综合分析展示软件系统采用.Net技术开发，可在Windows操作系统环境下应用，实现了轨道检测波形数据的多次历史对比、设备台账综合展示和多专业检测波形综合分析的功能，而且创造性地实现了基于线路特征点的里程校核功能，解决了困扰工务维修单位多年的难题。

按照软件部署的方式，系统划分为网络和单机两种，网络模式是指在地面数据中心网络环境下，在应用服务器上部署后台服务软件，实现对文件服务器集中存储的轨检及其他专业检测波形数据的读取和处理，并通过网络为前端展示层提供数据服务;单机模式借鉴“媒体库”形式，对本机上存储的波形文件进行展示分析。除在地面进行应用外，该软件还具有车载在线应用模式，在检测车上应用，可实现轨道或其他专业检测波形数据的实时访问。

2 系统软件框架设计

整个系统软件架构采用基于C/S体系架构，系统设计采用框架式结构，包括数据处理层、网络接口层和前端展示层，并且可以响应其他的外部数据请求，所有业务服务采用服务组件方式提供，采用多线程的解决方案。这样的框架设计不仅具有良好的重用性，还可以保证将来系统功能的可扩展性，见图1。

数据处理层由数据文件读取解析模块、数据库访问模块和数据分析处理模块组成。数据文件读取解析模块负责对实体数据文件的读取，并对不同格式波形数据文件提供相应的解析模块，目前除可以打开CIT格式文件外，还实现了STE和GEO格式波形文件的解析功能;数据库访问模块封装了对设备台账数据、偏差数据、索引及标注数据等存储于数据库内的记录类数据的访问接口，为后续的综合展示功能提供数据来源;数据分析处理模块是整个软件系统的核心，实现了基于索引的里程修正处理和基于表达式的计算通道动态生成的功能，并且实现了与Matlab数值计算模块的交互组件，可以充分利用科研人员在Matlab系统中研究形成的算法，实现对波形文件的复杂处理分析功能，目前已实现的算法包括:相关性计算、轨道谱计算、偏差动态评判和区段特征值计算。

网络接口层采用 Socket通信协议+XML数据交换协议为前端展示层提供数据服务接口，包括网络传输、通信调度、状态监控、指令处理和数据封装等模块。在网络接口层设计了一套数据访问指令集，前端展示层的各种数据调用请求均以指令的形式传输到数据处理层。为实现对多个前端展示客户端的支持，采用了连接池等技术手段保证数据的高效访问和传输。

图1 系统软件架构

前端展示层以图形化展示的方式实现各类具有里程信息的数据的综合展示。根据不同数据的显示特点分为三类:检测波形类、设备台账类和数据集类。借鉴图层的概念，即每个检测波形文件为一个单独的图层，各层均为透明显示，享有同等绘图空间，通过在通道配置文件中设置通道基线偏移值来确定各通道绘制位置。各层间可以进行里程平移，并具备自动里程同步功能。设备台账类和数据集图层具有单独的绘图区域，既可以与波形类图层并列显示，也可叠加显示。设备台账类图层实现了曲线、坡度、道岔、桥梁等常用设备台账的图形化展示，数据集类图层可以加载轨检偏差数据、添乘仪及晃车仪数据，以图形化方式展示各类偏差，满足综合分析的需要。除综合展示外，前端展示层还提供了放大、测量、打印、截图等常用分析功能，并提供了分析结果标注、无效区段标注及索引设置功能。

3 功能特点及实际应用

轨道检测波形数据中包含大量的对于指导线路养护维修具有重要意义的内容，但是目前对于轨检波形数据的分析应用还很不充分，其中原有波形查看软件在展示和分析功能方面的欠缺也是波形数据分析应用不够的主要因素之一。通过对工务维修部门的大量调研，掌握在实际波形分析工作中的需求，本软件系统在里程精确校核、多次历史数据比对等方面取得了突破。

3.1 里程精确校核功能

无论是综合检测列车还是轨检车，都是在动态运行的条件下完成轨道几何检测的，其里程系统通过LKJ、GPS等信息源获取线路上定位点的实际里程，并通过轴头编码器的脉冲计数实现定位点之间的里程记距，各测点的间距理论上为25 cm。在实际应用中受到各种因素的影响，如GPS信号不良、轮径测量误差等，检测数据中的里程往往会与实际里程存在一定的误差，给维修部门查找现场病害带来了困难。尤其是目前高铁及客专线路普遍轨道不平顺幅值较小，且维修天窗往往在夜间，里程信息的准确性成为提高应用水平的关键之一。

通过分析可知检测数据中里程误差的来源主要为两个方面:即定位点里程的不准确和脉冲记距带来的累计误差。目前在高铁及客专线路推广的基于RFID射频标签的里程精确定位系统可以很好地解决定位点里程的精确性问题，但是对于其他线路，轨检车仍然要依靠GPS结合人工校对的方式进行定位点里程修正。由于轮径测量误差带来的累计误差目前尚无很好的解决方案。

基于对线路的连续检测得到的检测数据必然对应于这一段线路的认识，利用线路特征点结合台账数据对检测波形数据的里程进行重新校核是解决里程问题的重要思路。轨检车上安装有ALD设备，对于道岔、桥梁护轨等特定设备有明显的响应，而且轨检系统中曲率的测量与实际线路中的曲线有非常好的影响。通过设备台账，可以确知这些关键点的实际里程，对相邻两个关键点间的检测数据进行里程平差，可以消除累计误差。

基于这样的思路，本软件系统创造性地采用了动态索引技术，可以在不对检测波形文件进行任何修改的前提下，通过数据分析人员设定的关键点索引，对检测波形数据进行里程校核。

在完成了波形文件的里程校核后，软件还可以对相应的轨道检测导出文件中的偏差数据的里程信息进行矫正，并实现轨道质量指数的重新计算，这样在进行后期数据分析中，能够更加准确地掌握轨道质量的变化趋势，避免由于里程的不准确带来的分析误差。

3.2 多次历史数据比对功能

轨道质量状态的变化是一个渐进的过程，很多道床或轨道板状态的变化都会反映在轨道几何状态上，但是通过一次波形图的对比往往不容易发现问题。通过多次，尤其是时间跨度较大的几次检测波形数据的对比，就能很容易发现持续发生变化的地段，结合现场的检查，分析其产生发展的原因，有针对性地进行整治才能彻底消除病害。

3.3 其他的功能特点

软件系统的数据分析处理模块是一个扩展性很强的功能模块，尤其是实现了与Matlab计算模块的交互组件后，可以充分利用 Matlab强大的计算能力，轨道管理科研人员可以在Matlab中开发复杂的波形分析算法，如轨道谱、时频分析等，通过组件的调用，波形分析软件就能够直接实现相应的计算功能。

软件在完成主要功能点的开发即交付路局进行试用，后续的开发紧密结合实际运用，收集试用反馈，持续进行改进。通过这样的方式，软件的各项功能设计更加实用，对提高检测数据分析的能力和效率都有很大帮助。传统的波形查看软件都是面对单一文件的，都是通过人工识别文件名来找出需要分析处理的文件。借鉴很多软件中采用的“媒体库”形式，在本地建立小型数据，通过波形文件头中存储的线名、检测日期、检测车等信息组织管理本地的检测波形文件，能够更加方便地打开所需要的波形文件，见图2。

图2 管理本地的检测波形文件

软件还具有其他的一些试用功能，如多通道测量、多次历史测量、自动化截图、人工标注等，这些功能在实现过程中都根据用户反馈的建议进行反复地调整和完善，力图保证用户应用的便捷性。

4 结语

检测波形综合展示分析软件是一个系统性软件工程，目前仍有一些设计的功能未能完全实现，尤其是在自动化处理方面，比如根据设备台账自动化进行里程校核、基于多次历史检测数据自动化提取轨道几何发生渐变的区段。这些功能已有完整的实现思路，均已纳入下一阶段的开发计划中。其他列入开发计划的功能还包括轨道精调小车和静态检查仪检测数据的综合展示和对比分析。

目前软件已在综合检测涉及的各路局推广应用，实践证明软件功能实用、操作便捷、运行稳定，能够很好地应用于轨道质量状态的精细化分析。轨道质量状态的分析是工务维修部门永恒的主题，波形分析软件的开发也是一个持续改进的过程，以开发引导应用，以应用促进开发，只有通过不断的应用改进才能使之更加适应现场应用，才能更好地发挥检测数据在指导养护维修中的作用。

［1］陈东生，田新宇.中国高速铁路轨道检测技术发展［J］.铁道建筑，2008(12):82-86.

［2］孟亮.京广线石家庄段轨检车检测数据分析及线路维修对策［J］.铁道建筑，2007(6):95-96.

［3］赵钢.轨道基础设施动态检测管理信息系统研究［J］.铁道建筑，2005(2):45-47.