重载铁路多源检测数据综合管理及分析系统设计

徐鹏，刘国跃，王浩然

(1. 国能朔黄铁路发展有限责任公司 检测救援分公司，河北 肃宁 062350；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081；3. 中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081)

0 引言

重载铁路具有发车密度大和大重量负载的特点，导致线路基础设施故障易发，这就对线路的安全检测和维护提出了更高的要求[1]。采用专业检测设备对线路进行检测并充分利用检测数据掌握设备状态和变化趋势，是铁路基础设施综合检测技术向数字化、全息化、智能化方向发展的必然趋势[2-4]。随着综合检测数据的不断积累，数据体量日益增长，现场对不同专业检测数据综合分析运用，更大限度挖掘数据综合价值的需求愈发迫切。结合现场调研分析来看，重载铁路综合检测数据管理和综合运用主要存在以下问题：①各类检测设备都有独立的数据展示与应用管理系统，但都相对分散，缺乏综合管理和运用的手段和软件工具；②不同专业检测数据之间相互孤立，数据文件格式不统一，检索规范不统一，不同专业数据之间关联分析运用存在壁垒，难以达到多专业检测数据互相补充、关联应用的目的[5-6]；③不同专业的检测数据之间数据关联运用的业务场景不清晰，如何通过数据关联运用更加充分地挖掘检测数据的综合价值亟待深入研究[7-8]。

因此，为了满足多源检测数据管理、数据可视化、数据间关联对比及融合分析等需求[9-11]，实现检测数据综合价值挖掘、降低数据分析成本、提高数据分析效率的目标，研究多源数据关联分析方法，探索多专业融合应用业务场景，设计开发了重载铁路多源检测数据综合管理及分析系统，实现检测数据的集中管理和综合分析。

1 系统功能

面向重载铁路多专业检测数据综合管理、展示与应用需求，研究各类综合检测专业数据治理清洗方法，实现检测数据规范存储、归集管理与目录归档，形成数据资源全景图；构建多源检测数据关联基准，并以时间、空间坐标为索引，搭建检测数据、基础台账数据、行车数据的综合展示平台，统合各专业分析报表，形成综合分析报告；挖掘检测数据综合运用业务场景，按典型场景定制系统应用模块，为数据综合管理与应用提供工具支撑。

铁路基础设施检测包括轨道几何参数、接触网几何参数、轨道设备外观巡检、接触网设备外观巡检等多种设备。目前各检测系统工作业务流程相对独立，涵盖了检测数据采集、数据文件存储、偏差数据生成、检测结果报告发布等功能。为实现各检测数据综合运用，系统设计以单系统生成的原始检测数据文件治理为分析对象，通过构建数据管理、解析、展示、关联和导出的全业务流程，实现数据综合展示与应用，具体功能设计如下。

（1）数据管理。扫描检测数据文件的存储路径、文件名、头文件等关键信息，提取关键属性作为文件索引；建立数据资源目录，对外提供文件关键属性索引，为检测数据文件规范化管理与数据共享提供基础。

（2）数据解析。统合检测数据解析方式，形成标准的数据读取、存储中间件，由检测数据文件解析模块管理各类数据文件的读取与存储接口，降低检测文件数据格式与上层应用的耦合度，便于后期数据存储格式的调整与上层应用系统的扩展。

（3）数据展示。抽象各类检测数据的展示模式，形成针对不同模式的展示基础模块，便于后续展示基础模块的维护与扩展；组合、调用展示基础模块，附加各自业务场景应用，形成适用于各种应用场景的业务展示。

（4）数据关联。利用数据定位索引，串联各类检测数据文件，建立基于一个空间、时间坐标系下各类检测数据文件的关联展示体系；关联外部运行信息、台账信息以及其他信息，通过关联展示体系进行统一展示。

（5）数据导出。在数据管理与解析的基础上，依据用户需求，对检测数据文件进行切割，导出分段数据文件；利用检测结果与检测文件，生成检测报告与记录；提供对外数据资源列表，为外部系统提供数据接口服务。

2 系统功能和技术架构

2.1 功能架构

重载铁路多源检测数据综合管理及分析系统以服务检测数据的高效、综合运用为目标，以综合检测车载系统获得的检测数据为输入对象，设计了数据归集、信息交互、集中存储、数据展示和关联运用等核心功能模块。系统总体架构搭建采用组件化设计模式构建。其总体架构如图1所示。

图1 总体架构Fig.1 Overall architecture

（1）数据归集模块。综合检测数据主要来源于综合检测车以及各类专业检测车等检测设备。车载检测系统包含了轨道几何参数、接触网几何参数、轨道巡检图像、线路环境视频、车辆加速度振动响应、线路限界等检测数据，检测数据生成过程中与检测线路、里程、检测时间等基础数据绑定。各检测系统按照自身文件格式定义存储成检测数据文件。同时在检测车安装部署数据归集系统，在检测过程中将检测数据实时归集到固定的车载服务器并通过数据传输系统存储到地面。

（2）信息交互模块。信息交互模块为全车检测数据提供统一的时间、里程等综合性系统信息。该模块将检测数据和线路典型台账信息融合，包括曲线直缓点与缓直点、隧道进口和出口、接触网支柱、桥梁等区段位置，便于检测数据后期的融合管理运用。

（3）集中存储模块。集中存储模块用于检测数据文件的归类管理和数据资源目录整理。集中存储单元支持磁盘动态扩容，支持包括视频、图片、二进制、文本、xml文件以及数据库等多种数据格式。系统通过对数据进行自动分类生成资源目录。针对综合检测数据存储规模大、产生速度快、数据多样化等特点，集中存储单元采用千兆网络、固态磁盘等技术，支持外部多并发、高带宽的数据访问，满足多源数据同步展示的高性能、低延时的运用需求。

（4）数据展示模块。数据展示模块是综合检测数据可视化的核心模块，是检测数据展示和分析的基础业务单元。根据数据类型的共性特点，将其分为波形类、图像类、点云类、视频类以及台账类、偏差类等多种数据，全面覆盖了各专业检测的主要数据模态内容，能够支持全专业检测数据的综合可视化展示。检测数据可视化模型对应关系如表1所示。

表1 检测数据可视化模型对应关系Tab.1 Correspondence between visualization models of detection data

（5）关联展示模块。关联展示模块是实现多源数据融合分析的主要模块，该模块实现多源数据的时空同步、融合展示、协同分析、关联展示、历史对比分析等功能。综合检测专业关联体系分为空间关联和时间关联两种，前者基于里程定位系统建立统一的里程空间坐标体系，后者基于时间同步系统建立统一的采样点时间坐标体系。用户可以根据不同检测专业的数据特点自主选择按照空间进行数据关联，也可以按照时间进行数据关联。通过统一关联坐标体系，系统具有良好的适用性和扩展能力，用户可以自定义任意需要关联的检测专业，辅助检测数据分析，提高缺陷判别效率。

2.2 技术架构

为确保数据访问的实时性，系统软件功能设计采用C/S架构和SQL Server数据库引擎。系统技术架构如图2所示。系统支持各类检测专业实时数据文件和任意历史数据文件的高性能读写，充分考虑了多源数据同步读写和融合展示性能要求，采用了分片缓存、分层绘制等计算机图形学技术，具有展示流畅、数据调阅高效、便利等优点。关键技术包括以下3个方面。

图2 系统技术架构Fig.2 System technology architecture

（1）数据管理技术。检测数据管理技术主要解决不同检测系统数据录入系统的格式规范化管理问题，同时要兼顾数据导入便利性。在具体实现上，通过建立检测文件资源管理目录，并重新定义数据存储、校验和检索规则，实现了检测数据入库后的自动关联。数据任务目录的建立以文件的基础任务信息为索引，通过检测时间、线路名称、里程区段的标识进行自动分组对齐，并建立共享的哈希表确保数据检索效率。在检测数据文件导入过程中，系统可同步将检测过程中生成的线路设备偏差信息解析入库，并建立文件和数据信息之间的关联索引，确保用户可直接调阅、浏览文件和检测结果，并快速生成检测报表。

（2）数据展示技术。构建面向业务需求的多专业检测数据关联及高效综合分析的UI系统是数据展示模块要解决的关键问题。在数据展示组件的设计上，通过分析不同检测系统的数据格式及线路设备数据，通过定制化组件实现对多源数据的兼容展示。系统组件设计采用面向对象的设计模式，根据检测数据共同属性定义基类和统一的数据交互接口，采用子类继承的设计方法兼容不同专业差异特征。基于上述组件化架构，采用展示组件灵活组合的模式支撑综合关联展示需求的多样性。系统可支持同专业不同系统、不同专业检测系统的关联应用分析。可支持的典型运用模式包括接触网几何和巡检关联、轨道几何和巡检关联、几何参数的历史对比、线路限界点云和视频关联、轨道几何和钢轨廓形关联等。系统还支持展示布局管理，能够灵活配置专业类型、窗口位置、布局名称等。

（3）线路台账和检测数据关联技术。检测数据和线路设备台账的关联运用是进一步发挥检测数据指导线路运维的关键环节。系统设计采用了基于特征点配准以及基于机器视觉识别的两种关联方法。基于特征点配准的方法主要应用于波形类数据和线路特殊区段的配准，通过识别波形上显著特征来标识其对应的道岔、曲线、接触线锚段等特殊部位。基于机器视觉的关联方法则通过识别视频类数据中的典型目标特征，如应答器、接触网支柱、轨旁设备等，为检测数据和线路台账的精确关联提供精确参考。

2.3 模块集成设计

模块集成设计如图3所示。在用户发起综合展示请求时，系统依据用户选择的检测数据文件，调用文件解析工具解析非结构化检测文件数据，调用数据库工具读取结构化检测结果数据，并利用检测数据管理模块形成文件数据流和查询结果流，传递给数据综合展示相对应的展示模块进行绘图，实现用户查看多种检测数据的需求。

图3 模块集成设计Fig.3 Module integration design

2.4 流程设计

系统在使用流程上提出了简单化、人性化、智能化目标。多源数据管理系统不同于单一的检测专业管理系统，具有集成性、复杂性、多样性等数据和操作特点，必须设计良好的数据展示流程，简化用户操作，提高系统的实用性，数据展示流程如图4所示。为了让用户能够便捷地使用本软件进行数据查看，系统提供多种自动匹配与预处理功能。在浏览检测数据时，用户点击文件管理或者点击最近打开数据的快捷方式，系统通过检测任务、专业选择等筛选树，快速引导用户选择期望查看的检测数据，在选择检测数据后，软件根据所选的数据类型自动匹配适合的展示样式，同时软件可以根据用户选择的不同种类数据，匹配预设的显示模式进行数据展示。

3 多源数据关联方法

多源数据时空关联的主要任务是确定不同检测数据中表征同一线路设备或线路物理空间状态的具体参数段。在综合检测数据的产生过程中，由于各检测系统工作流程相对孤立，各系统对同步信号、线路设备台账特征信息变化的处理方式不一致，会造成基于里程单一特征信息进行关联检索时出现大幅偏差。基于此，系统设计了一套校准机制，构建多源检测数据的时空关联基准，实现不同检测数据的精确对齐。

（1）检测文件分组归档。不同系统检测文件的分组归档是对数据进行综合管理的前提。以生成检测数据的检测任务为关键索引，通过算法扫描识别各类检测数据文件的检测线路、行别、里程增减、检测时间、开始里程、结束里程等关键信息，然后通过对比校验根据相关性因子进行归类分组，实现检测数据的初始同步。

（2）检测数据元的时空对齐。在检测文件分组归档完成的基础上，进一步解析文件中单个数据元的时空属性信息，实现不同系统检测数据在时空基准上的准确对齐。多源检测数据关联对齐计算方法如图5所示。通过分析数据区段特征并进一步融合线路的台账数据分析特征点确定对应关联位置，将不同检测数据归一到统一的线路设施空间坐标系并进行统一的展示输出。在关联对齐的基础上，能够根据某一数据文件自动调出关联专业的对应数据进行联合分析，为有效识别数据异常和缺陷、提高伤损确认提供支撑。

图5 多源检测数据关联对齐计算方法Fig.5 Method for aligning and associating multi-source detection data

（3）不同检测任务数据对齐。对不同检测任务的检测数据进行对齐，是研究线路设备病害设备发展趋势和规律的前提条件。系统通过嵌入智能识别模块，通过图像配准、曲线波形特征点匹配等算法，自动实现两次检测任务数据的自动对齐。基于图像匹配不同检测周期数据关联方法如图6所示。图6左图中检测到扣件移位缺陷，通过图像配准计算自动关联了另一期检测数据中同一轨枕位置的扣件并发现该缺陷已经存在。通过跨期对比分析实现了对设备病害的追溯管理。

图6 基于图像匹配不同检测周期数据关联方法Fig.6 Method for data correlation based on image matching across different detection cycles

4 系统应用

服务于检测数据分析和管理现场，系统部署在朔黄铁路(神池南—黄骅港)综合检测中心开展试运用。结合现场典型业务要求，设计了波形类检测数据和图像类数据关联分析、检测数据跨周期对比分析、多专业数据关联对比分析共3种典型应用场景。

4.1 波形和图像类数据关联分析

波形类数据多用于表征轨道或者接触网的几何状态变化，多为一种定量描述参数变量。图像类数据则为观察设备特征有无及外观状态好坏提供了直观的可视化特征。以地磁磁通量信号状态检测为综合分析对象，将磁通量强度探测传感器与对应的轨道巡检图像进行同屏联动展示。根据磁通量信号波形异常点同步调阅对应图像，可在图像中直接查看地磁设备，为分析异常信号产生原因提供依据。波形和图像类数据关联分析界面如图7所示。

图7 波形和图像类数据关联分析界面Fig.7 Interface for correlation analysis of waveform and image-type data

4.2 检测数据跨周期对比分析

分析同一段线路的不同时间的检测数据是掌握线路状态变化规律，把握病害发展趋势的重要手段。系统提供了加载同一条线路两次检测数据的对比分析功能，通过关联对齐后可通过精细对比分析发现设备检测参数量值的突变点，掌握设备状态随时间的发展变化情况。相同线路、不同次检测数据跨周期对比分析界面如图8所示。

图8 检测数据跨周期对比分析界面Fig.8 Interface for cross-cycle comparative analysis of detection data

4.3 多专业数据关联对比分析

结合基础设施现场运维经验来看，轨道几何变化会对接触网接触线高度产生一定的影响。因此对轨道几何参数和接触网几何参数进行融合分析，剔除轨道几何对接触网检测结果的干扰，有助于准确判断接触网检测结果发生变化的原因，针对具体问题对接触网作业制定相应的施工方案。多专业数据关联对比分析界面如图9所示。

图9 多专业数据关联对比分析界面Fig.9 Interface for correlation and comparative analysis of multidisciplinary data

5 结束语

以提升朔黄铁路综合检测数据综合管理与运用效率为目标，针对现有检测数据相互孤立、关联困难等问题，设计开发了多专业检测数据综合管理和运用平台。通过对多源检测数据进行自动归集、规范存储、分类管理与解析，形成检测数据资源全景图，打破不同专业检测数据互通互联的壁垒。通过融合检测数据、行车信息和台账数据，以时间、空间坐标索引构建统一空间坐标，搭建了检测数据关联展示和融合分析框架，实现了检测数据共享、综合可视化、跨专业对比分析、历史追溯分析等应用功能。铁路基础设施综合检测数据管理分析系统已在朔黄铁路投入运用，显著提升了检测数据分析效率，为进一步挖掘检测数据综合利用价值，保障重载铁路基础设施运营的安全稳定提供了技术支撑。