高速铁路运营期精测网复测及沉降监测信息管理系统开发研究

杨绪成

(中国铁路北京局集团有限公司，北京 100860)

1 概述

目前，我国高速铁路运营里程位居世界第一，拥有世界上最繁忙的高铁运营网络。因此，高速铁路运营期间的复测和监测是一项任务量大且极其重要的工作。

高速铁路运营期精测网复测的内容包括：线下CPⅠ、线上CPⅡ平面坐标复测，线下水准基点、线上水准基点高程复测[1-3]，轨道控制网(CPⅢ)平面和高程的测量。此外，还有普查性沉降监测和重点地段变形监测[4-5]。

高速铁路运营期精测网复测及沉降监测有期次频繁、数据量大、数据种类多等特点，单靠传统的表格、文件很难分析和管理海量的数据。如何高效分析和管理这些数据，需要有一整套信息管理系统，做到自动化、网络化和高效化。随着计算机技术的日益发展，依托信息化技术可以更好地规范精测网复测和监测工作，增强数据的时效性、科学性，提高监测质量，为铁路运营安全管理提供及时的反馈信息，确保线桥设备状态良好及车辆安全、平稳运行。

汪延彬[6-7]等利用web技术和GIS技术开发了京沪高铁沉降信息管理系统，采用了ajax技术及Google地图服务。该系统将沉降信息与网络信息技术结合，可实现动态监测。但是，该研究仅针对高速铁路建设期，没有延长至运营期。黄泽纯[8]等、朱忠林[9]等的研究也是针对建设期的沉降观测与评估。田宁[10]对高速铁路运营期路基沉降监测与沉降验算平台的计算方法进行了分析。匡团结[11]等对自动化监测系统在某高速铁路运营监测中的应用进行了探讨。而对高速铁路运营期精测网复测及沉降监测数据管理的系统开发研究较少。

2 关键技术

本系统采用B/S(浏览器/服务器)架构，基于ASP.NET C#开发平台[12]，并应用Ajax、百度地图API[13]、ECharts[14]、DevExpresss等技术，采用Microsoft SQL Server 2008[15]进行数据管理，严格按照软件开发流程完成系统的开发。

2.1 百度地图API

是一套由JavaScript语言编写的应用程序接口，可在网站中构建功能丰富、交互性强的地图应用，支持PC端和移动端基于浏览器的地图应用开发。开发者申请密钥(ak)即可免费使用。

百度地图API包含了构建地图基本功能的各种接口，如基本地图功能：展示(支持2D图、3D图、卫星图)、平移、缩放、拖拽等；覆盖物功能：支持在地图上添加/删除点、线、面、热区、行政区划、用户自定义覆盖物等；开源库提供富标注、标注管理器、聚合marker、自定义覆盖物等功能。

百度地图API的优势包括：海量地图数据和空间数据，占用内存少、CPU负荷小，地图应用控件化，数据接口丰富，用户自定义程度高，独有的事件处理机制等。

2.2 Ajax技术

传统的Web应用是建立在HTTP上的，页面中用户的每一次操作都将触发一次HTTP请求(Request)和一个响应(Response)，然后返回一个HTML页面。浏览器每次都必须刷新整个页面来显示内容，页面频繁刷新使得系统不流畅，也增加了传输负荷。Web应用的传统模型如图1所示。

图1 Web应用的传统模型

Ajax技术推翻了传统的Web模式，服务器收到请求后，只向客户端传送小部分数据，不需重新载入整个页面，以得到更加流畅的用户体验。浏览器与服务器端的请求和响应将通过Ajax引擎异步完成。Web应用的Ajax模型如图2所示。

图2 Web应用的Ajax模型

2.3 ECharts图形开发技术

ECharts是一个使用JavaScript实现的开源可视化库，可以流畅地运行在PC和移动设备上，兼容当前绝大部分浏览器(IE8/9/10/11，Chrome，Firefox，Safari等)，底层依赖轻量级的矢量图形库ZRender，提供直观、交互丰富、可高度个性化定制的可视化图表，如折线图、柱状图、散点图、饼图、K线图等，可以对数据进行多维度数据筛取、视图缩放、展示细节等交互操作。通过增量渲染技术(4.0+)，配合各种细致的优化，ECharts能够展现千万级的数据量，并且在这个数据量级依然能够进行流畅的缩放平移等交互。

3 系统功能设计

3.1 系统主要功能

系统包含了运营期精测网复测及沉降监测数据管理与分析的各项功能。

(1)基本信息功能：包括线路概览，通知公告，用户管理，坐标转换。

(2)工程管理功能：包括工程区段，重点区段，文件管理。

(3)水准基点数据管理功能：包括成果管理，文件管理。

(4)CP0/CPⅠ/CPⅡ数据管理：包括成果管理，文件管理。

(5)CPⅢ数据管理：包括成果管理，文件管理。

(6)沉降监测数据管理：包括断面属性，监测高程，工作基点，文件管理。

(7)沉降监测数据分析：包括断面高程、区段高程、断面沉降、区段沉降、差异沉降、横向沉降差、统计分析、预警提示。

3.2 地图显示与定位

将地理位置在百度地图上显示之前，必须进行坐标转换。外业测量的坐标点是高斯平面坐标，首先要根据坐标转换参数，将平面坐标转换为WGS84坐标。但百度地图使用的并不是WGS84坐标，而是经加密后的坐标。因此，还要将WGS84坐标转换为百度坐标(通过百度地图提供的专用转换方法进行转换)。本系统中提供了坐标转换接口。

在地图上显示的内容主要包括：用百度地图API提供的Polyline绘制的整条线路；，用Polyline绘制的工程区段，如路基、桥梁、隧道、重点区段等；用不同颜色区分不同类型区段，标注其名称，并添加信息窗口显示其属性；车站为独立点，应标注其位置和名称，并添加信息窗口显示其属性。各类要素可以选择显示或隐藏。

对于地图，除了显示必要的线路位置和属性信息，还应该提供丰富的交互功能，以便于查询数据。输入要查询的起点里程和终点里程，可以定位到相应的线路位置。输入要查询的属性名称，可以定位到该位置。定位到线路位置后，可以查询CPⅢ点和监测点的高程、沉降值、累计沉降、预警信息等，查询的结果将在信息窗口中显示。

在地图界面中可以实现不同线路的切换，查看不同线路。地图界面提供了丰富的数据显示与数据查询和交互功能，在系统中起到了重要的“纽带”作用，通过地图界面，可以更加直观和方便地查询和分析数据。

百度地图中的某运营高速铁路如图3所示，蓝色表示路基，黄色表示桥梁，绿色表示隧道，红色(加粗)表示重点区段。

图3 百度地图中的某运营高速铁路

3.3 数据管理与操作

采用SQL Server 2008数据库管理所有数据。

本系统可同时管理多条线路，对每条线路单独建立一个数据库，并采用数据表分类管理各项数据。根据系统功能，主要的数据表包括：用户信息数据表，工程区段数据表，重点区段数据表，工程文件数据表，断面属性数据表，监测高程数据表，工作基点数据表，监测文件数据表，水准基点数据表，水准文件数据表，CPⅢ成果数据表，CPⅢ文件数据表，CP0/CPⅠ/CPⅡ成果数据表，CP0/CPⅠ/CPⅡ文件数据表。

沉降监测期次频繁，数据量大，系统可提供友好的数据操作方法，包括上传、下载、编辑、添加、删除、查询等。①上传：上传的数据文件格式为excel文件，各类数据有具体的格式内容要求。可一次上传多个数据文件，上传的数据保存在数据库中，同时在客户端表格中显示。②下载：用户在浏览器端可以方便地将服务器端数据下载到本地电脑，可以任意选择要下载的数据行。③编辑：用户在浏览器端可以方便地对数据进行编辑。④添加：除了上传文件，用户还可以直接在浏览器端输入要添加的行。⑤删除：用户可以在浏览器端删除一行或多行数据。⑥查询：系统提供了多种查询方式，包括模糊查询，单列查询，组合查询等。

3.4 沉降监测数据分析

系统提供了多种分析方式，包括断面高程、区段高程、断面沉降、区段沉降、差异沉降、横向沉降差、统计分析、预警提示等，可将分析的结果以表格、图形等丰富的形式表达，并将预警信息以邮件形式发送。

①断面高程：对单个断面按期次绘制高程曲线，用于分析单个断面高程随时间变化的趋势，可一次选择多个断面。

②区段高程：用于分析线路沿里程方向的高程趋势，也可将多期的数据绘制在一个图上进行比较。

③断面沉降：对单个断面按期次绘制沉降曲线，用于分析单个断面随时间变化的沉降趋势，可一次选择多个断面。

④区段沉降：用于分析线路沿里程方向的沉降趋势，也可将多期的数据绘制在一个图上进行比较。图4为某运营高速铁路区段沉降趋势曲线，对不同沉降值分区间用不同颜色表示。

图4 某运营高速铁路区段沉降趋势曲线

⑤差异沉降：指相邻两个断面沉降量的差值，还可根据差异沉降计算纵向折角。

⑥横向沉降差：同一断面右侧沉降量与左侧沉降量的差值。

⑦统计分析：用于统计各区间沉降值的个数，以柱状图或饼图的方式呈现。在进行统计分析时，需要设定统计区间(系统默认设定一组统计区间)，用户可根据需要自主设定统计区间。

⑧预警提示：根据设定的预警区间进行红橙黄三级预警并将预警结果发送到用户邮箱(红色为一级预警，橙色为二级预警，黄色为三级预警)。

采用JavaScript语言进行ECharts图形开发，可用折线图、柱状图、饼图等多种形式表示。可进行放大缩小操作。可自动计算最大值、最小值、平均值。一张图上可同时显示多期数据。

3.5 角色权限管理

任何一条运营高速铁路的精测网复测及沉降监测工作，都是由各个不同角色的单位共同完成的，包括铁路局、设备管理单位、测量单位、评估单位等。每个用户所能操作的功能和管辖的范围均有区别。因此，需根据实际要求对每类用户设置不同的权限，包括里程权限和功能权限。

首先设定管理员权限。管理员拥有所有的里程权限和功能权限。普通用户只能管理职权之内的线路和里程范围。

除里程权限外，还可对各自的功能权限进行细分。如测量单位只能上传数据，不能修改数据等。

4 结束语

高速铁路运营期精测网复测及沉降监测信息管理系统为复测及监测数据的管理、查询、分析、统计、预警提供了综合平台，各个单位均可在该平台上进行操作，保证了数据的时效性、准确性、完整性，并提供了多种分析方法，可即时分析测量数据的变化规律及演变趋势，并适时调整监测周期。该系统将先进的计算机技术与传统的测绘工作紧密结合，使测量工作的信息化得到进一步拓展。可以预见，随着信息技术的不断深入发展，传统测绘工作将会更加自动、智能、高效。