铁路路基冻胀监测数据处理系统的开发

2018-07-03张聪颖柳忠杰

铁道勘察 2018年3期

张聪颖柳忠杰

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

在严寒地区修建及运营铁路，将面临季节性冻土问题。通过对建设期及运营期铁路路基的冻胀变形监测，分析其变形规律，可为轨道选型及运营安全提供依据。冻胀变形监测的主要项目有：地温、变形量、含水量、水位数据等，亟需开发相关软件，以便对试验数据进行高效地汇集、管理、分析等。

1 软件设计

1.1 功能需求

铁路路基冻胀监测试验项目中会有大量的监测数据需要汇集、管理、分析。由于没有专用的试验数据管理分析工具，只能通过Microsoft Excel、Origin等公共软件人工辅助完成，效率低下，很难满足生产需要。

为了解决上述问题，根据以往的监测试验数据分析经验，并考虑监测试验项目中的各种需求，研发铁路路基冻胀监测数据处理系统(简称为SGAnalyst)，主要解决以项目为单位的监测试验数据的汇集、管理等问题，同时对监测试验项目的断面、测站、测点、采集箱等进行管理，以实现对监测数据各个维度上的分析，提高生产效率与工作质量，满足生产需要。

1.2 主要技术路线

(1)SGAnalyst以DLL集形式提供，运行于自主开发的平台之下[2-5]。

(2)系统基于Microsoft的Windows 2012 Server、Windows XP、Windows 7等操作系统，采用SQL Server开发局域网环境的数据库系统，采用Access开发单机环境下的数据库系统。

(3)基于对象模型技术(Object Modeling Technique， OMT)，采用信息隐蔽、高内聚低耦合等设计原则，合理组织类的派生、属性及方法的继承，以提高系统的可扩展性和灵活性[6-8]。

(4)SGAnalyst是以项目为单位进行组织，支持多项目处理。

(5)在一个客户对话期，SGAnalyst以一个项目为单位进行操作。

1.3系统的架构

SGAnalyst总体逻辑结构如图1所示。

图1 铁路路基监测数据处理系统总体结构

(1)项目管理

以铁路路基监测项目为单位，将管理数据进行标准化处理后导入系统数据库，提供数据检查功能，然后对项目管理数据进行整理，以保证基础数据的规范性和统一性，为后续操作提供数据服务。为了提高效率，在一个客户对话期内，系统的管理数据常驻于内存，测点的监测结果数据可实时获取。

(2)数据管理

以数据库为核心，提供原始监测数据导入功能，同时检查其有效性。原始监测数据必须经过导入、检查、同步、剔除、甄选、整理等步骤，才可以进行后续的数据分析，这些操作的先后次序通过SGAnalyst在系统内部予以控制。

(3)数据分析

以数据库为核心，针对分析者(测点)、分析数据和测站分析数据进行相应数据分析。其中，分析者(测点)分析数据是经过甄选的测点监测数据，包括每天的最大值、最小值、平均值、特定值；测站分析数据是根据分析者(测点)分析数据进一步计算出来的测站数据，主要指冻结深度类的数据。数据分析针对当前任务、当前数据筛选条件进行，以当前Chart样式输出图形分析结果，同时支持以预定类型显示表格分析数据，以项目树形式展示当前监测项目的管理对象，点击不同节点时，平面图显示模块可以根据预定显示比例显示该节点附近平面图或其他信息。项目树节点支持选择功能，可根据需求参与到数据分析之中。

2 软件实现

2.1 管理方案

每个监测项目中，都有断面、测站、测点(即单点传感器)、采集箱、气象站等基本信息，并且这些基本信息存在着隶属关系。应先对各个信息之间的基本关系进行梳理，建立数据关系，从而达到利用任一信息进行查询分析的目的。因此，对于大量的监测数据，科学系统的管理是十分必要的。

在开发路基冻胀监测数据处理系统之前，需要建立一套完善的管理机制，来满足对监测数据的导入、导出、编辑、浏览、分析、查询等需求。在建立的数据管理机制中，采用了多级管理：项目下设有监测类型，监测类型下设采集箱、气象站、断面，采集箱、气象站、断面下再设测站，测站下设有测点，管理层次简洁、清晰。在项目管理的过程中，以数据库为依托，将数据的全部基本信息纳入到数据库的管理之中，同时以关系清晰的树形结构予以呈现。用户可以利用属性查询分析数据，并可以利用测站自定义新的断面来完成数据分析，满足用户不同的分析需求。

对于原始数据的导入，为方便传感器厂家数据的接入，特别设置了横表和纵表的格式，只要满足任一格式，均能进行数据的导入。同时，也设置了对管理数据的检查功能，当任一基本信息没有可归属信息时均会报错，提醒用户对管理数据进行查看。

2.2 功能实现

软件的系统功能结构主要由四大块组成，分别为项目管理、数据管理、数据分析和其他相关配置。其中，项目管理部分的功能主要是了解监测项目概况，准备监测项目的管理数据并进行管理数据的导入。数据管理部分的功能主要是对原始观测数据进行导入和处理。数据分析部分的功能主要是对定制数据进行分析，查询分析结果等。其他部分的功能主要是对软件功能的配置选择等。

该软件主要实现了以下功能：

(1)可支持多种铁路路基监测项目，并满足多种铁路路基监测数据分析需求以及对分析成果的输出需求，并可积累工作经验，实现了程序应用广泛性和灵活高效性的协调统一。

(2)将各种铁路路基监测数据分析需求按“三因素”模式进行合理组织与管理，构成完善的监测数据分析的任务化定制体系。在该体系的管理下，既可以根据用户需求快速制定监测数据分析方案，又可实现监测数据分析经验的积累。

(3)监测数据分析成果的折线图绘制技术灵活、科学，将监测数据分析成果与分析成果的输出分离开来，极大地满足了用户的各种需求。

(4)监测项目图形信息的动态联动显示技术灵活、实用，相关数据的分拣方便、快捷，便于用户对数据的实时分析。

(5)在软件开发过程中，充分利用数据的内在联系，尽量减少用户与系统的交互。在不增加或少增加客户操作的情况下，为用户提供尽量多的“增值”服务。另外，建立了系统数据库的自动备份机制，可确保数据安全以及意外情况下的数据恢复。

3 软件应用

3.1 监测试验概况

“铁路路基冻胀监测数据处理系统”开发完成后，首先在哈尔滨至齐齐哈尔铁路客运专线的路基冻胀监测项目中进行了试用。综合考虑了全线的路基类型、地理位置、工程地质条件、路基工点分布情况等试验条件，选择了试验条件相对较好、工程类型和措施涵盖较全、受施工影响较小的段落为试验段。其中，含设计断面19个，安装采集箱23个，测站304个，在路基体中安装传感器1 000多个(温度计、冻胀计、土壤含水量测定仪、水位计等)，数据每4 h采集一次。