軌道檢測(cè)波形綜合展示分析軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

趙 鋼，趙國(guó)堂，徐貴紅，張 鵬，周志軍

(1.北京交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100044;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081;3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038;4.南昌鐵路局 工務(wù)檢測(cè)所，南昌 330002)

利用綜合檢測(cè)列車和軌道檢測(cè)車對(duì)線路進(jìn)行周期性軌道檢測(cè)成為保障運(yùn)營(yíng)安全的重要手段，各級(jí)工務(wù)維修管理部門(mén)也越來(lái)越重視軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)在指導(dǎo)工務(wù)維修工作中的作用。目前工務(wù)維修部門(mén)在進(jìn)行各項(xiàng)維修作業(yè)前，都要對(duì)軌道不平順波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以發(fā)現(xiàn)偏差原因，確定維修方案，不僅需要對(duì)多次歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)局部軌道不平順變化趨勢(shì)，還需要能夠結(jié)合列車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，找出引起晃車的軌道不平順。

針對(duì)工務(wù)部門(mén)的實(shí)際需求，研究開(kāi)發(fā)了全新的軌道檢測(cè)波形綜合展示分析軟件。本文對(duì)軌道檢測(cè)波形綜合展示分析軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，包括系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、功能特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用。

1 軌道檢測(cè)波形綜合分析系統(tǒng)概況

軌道檢測(cè)波形綜合分析展示軟件系統(tǒng)采用.Net技術(shù)開(kāi)發(fā)，可在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了軌道檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的多次歷史對(duì)比、設(shè)備臺(tái)賬綜合展示和多專業(yè)檢測(cè)波形綜合分析的功能，而且創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了基于線路特征點(diǎn)的里程校核功能，解決了困擾工務(wù)維修單位多年的難題。

按照軟件部署的方式，系統(tǒng)劃分為網(wǎng)絡(luò)和單機(jī)兩種，網(wǎng)絡(luò)模式是指在地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，在應(yīng)用服務(wù)器上部署后臺(tái)服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件服務(wù)器集中存儲(chǔ)的軌檢及其他專業(yè)檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的讀取和處理，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為前端展示層提供數(shù)據(jù)服務(wù);單機(jī)模式借鑒“媒體庫(kù)”形式，對(duì)本機(jī)上存儲(chǔ)的波形文件進(jìn)行展示分析。除在地面進(jìn)行應(yīng)用外，該軟件還具有車載在線應(yīng)用模式，在檢測(cè)車上應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)軌道或其他專業(yè)檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪問(wèn)。

2 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用基于C/S體系架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用框架式結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)處理層、網(wǎng)絡(luò)接口層和前端展示層，并且可以響應(yīng)其他的外部數(shù)據(jù)請(qǐng)求，所有業(yè)務(wù)服務(wù)采用服務(wù)組件方式提供，采用多線程的解決方案。這樣的框架設(shè)計(jì)不僅具有良好的重用性，還可以保證將來(lái)系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性，見(jiàn)圖1。

數(shù)據(jù)處理層由數(shù)據(jù)文件讀取解析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊組成。數(shù)據(jù)文件讀取解析模塊負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)體數(shù)據(jù)文件的讀取，并對(duì)不同格式波形數(shù)據(jù)文件提供相應(yīng)的解析模塊，目前除可以打開(kāi)CIT格式文件外，還實(shí)現(xiàn)了STE和GEO格式波形文件的解析功能;數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊封裝了對(duì)設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)、偏差數(shù)據(jù)、索引及標(biāo)注數(shù)據(jù)等存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的記錄類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口，為后續(xù)的綜合展示功能提供數(shù)據(jù)來(lái)源;數(shù)據(jù)分析處理模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了基于索引的里程修正處理和基于表達(dá)式的計(jì)算通道動(dòng)態(tài)生成的功能，并且實(shí)現(xiàn)了與Matlab數(shù)值計(jì)算模塊的交互組件，可以充分利用科研人員在Matlab系統(tǒng)中研究形成的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)波形文件的復(fù)雜處理分析功能，目前已實(shí)現(xiàn)的算法包括:相關(guān)性計(jì)算、軌道譜計(jì)算、偏差動(dòng)態(tài)評(píng)判和區(qū)段特征值計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)接口層采用 Socket通信協(xié)議+XML數(shù)據(jù)交換協(xié)議為前端展示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，包括網(wǎng)絡(luò)傳輸、通信調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控、指令處理和數(shù)據(jù)封裝等模塊。在網(wǎng)絡(luò)接口層設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)訪問(wèn)指令集，前端展示層的各種數(shù)據(jù)調(diào)用請(qǐng)求均以指令的形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理層。為實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)前端展示客戶端的支持，采用了連接池等技術(shù)手段保證數(shù)據(jù)的高效訪問(wèn)和傳輸。

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

前端展示層以圖形化展示的方式實(shí)現(xiàn)各類具有里程信息的數(shù)據(jù)的綜合展示。根據(jù)不同數(shù)據(jù)的顯示特點(diǎn)分為三類:檢測(cè)波形類、設(shè)備臺(tái)賬類和數(shù)據(jù)集類。借鑒圖層的概念，即每個(gè)檢測(cè)波形文件為一個(gè)單獨(dú)的圖層，各層均為透明顯示，享有同等繪圖空間，通過(guò)在通道配置文件中設(shè)置通道基線偏移值來(lái)確定各通道繪制位置。各層間可以進(jìn)行里程平移，并具備自動(dòng)里程同步功能。設(shè)備臺(tái)賬類和數(shù)據(jù)集圖層具有單獨(dú)的繪圖區(qū)域，既可以與波形類圖層并列顯示，也可疊加顯示。設(shè)備臺(tái)賬類圖層實(shí)現(xiàn)了曲線、坡度、道岔、橋梁等常用設(shè)備臺(tái)賬的圖形化展示，數(shù)據(jù)集類圖層可以加載軌檢偏差數(shù)據(jù)、添乘儀及晃車儀數(shù)據(jù)，以圖形化方式展示各類偏差，滿足綜合分析的需要。除綜合展示外，前端展示層還提供了放大、測(cè)量、打印、截圖等常用分析功能，并提供了分析結(jié)果標(biāo)注、無(wú)效區(qū)段標(biāo)注及索引設(shè)置功能。

3 功能特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用

軌道檢測(cè)波形數(shù)據(jù)中包含大量的對(duì)于指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修具有重要意義的內(nèi)容，但是目前對(duì)于軌檢波形數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用還很不充分，其中原有波形查看軟件在展示和分析功能方面的欠缺也是波形數(shù)據(jù)分析應(yīng)用不夠的主要因素之一。通過(guò)對(duì)工務(wù)維修部門(mén)的大量調(diào)研，掌握在實(shí)際波形分析工作中的需求，本軟件系統(tǒng)在里程精確校核、多次歷史數(shù)據(jù)比對(duì)等方面取得了突破。

3.1 里程精確校核功能

無(wú)論是綜合檢測(cè)列車還是軌檢車，都是在動(dòng)態(tài)運(yùn)行的條件下完成軌道幾何檢測(cè)的，其里程系統(tǒng)通過(guò)LKJ、GPS等信息源獲取線路上定位點(diǎn)的實(shí)際里程，并通過(guò)軸頭編碼器的脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定位點(diǎn)之間的里程記距，各測(cè)點(diǎn)的間距理論上為25 cm。在實(shí)際應(yīng)用中受到各種因素的影響，如GPS信號(hào)不良、輪徑測(cè)量誤差等，檢測(cè)數(shù)據(jù)中的里程往往會(huì)與實(shí)際里程存在一定的誤差，給維修部門(mén)查找現(xiàn)場(chǎng)病害帶來(lái)了困難。尤其是目前高鐵及客專線路普遍軌道不平順?lè)递^小，且維修天窗往往在夜間，里程信息的準(zhǔn)確性成為提高應(yīng)用水平的關(guān)鍵之一。

通過(guò)分析可知檢測(cè)數(shù)據(jù)中里程誤差的來(lái)源主要為兩個(gè)方面:即定位點(diǎn)里程的不準(zhǔn)確和脈沖記距帶來(lái)的累計(jì)誤差。目前在高鐵及客專線路推廣的基于RFID射頻標(biāo)簽的里程精確定位系統(tǒng)可以很好地解決定位點(diǎn)里程的精確性問(wèn)題，但是對(duì)于其他線路，軌檢車仍然要依靠GPS結(jié)合人工校對(duì)的方式進(jìn)行定位點(diǎn)里程修正。由于輪徑測(cè)量誤差帶來(lái)的累計(jì)誤差目前尚無(wú)很好的解決方案。

基于對(duì)線路的連續(xù)檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)必然對(duì)應(yīng)于這一段線路的認(rèn)識(shí)，利用線路特征點(diǎn)結(jié)合臺(tái)賬數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的里程進(jìn)行重新校核是解決里程問(wèn)題的重要思路。軌檢車上安裝有ALD設(shè)備，對(duì)于道岔、橋梁護(hù)軌等特定設(shè)備有明顯的響應(yīng)，而且軌檢系統(tǒng)中曲率的測(cè)量與實(shí)際線路中的曲線有非常好的影響。通過(guò)設(shè)備臺(tái)賬，可以確知這些關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)際里程，對(duì)相鄰兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)間的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行里程平差，可以消除累計(jì)誤差。

基于這樣的思路，本軟件系統(tǒng)創(chuàng)造性地采用了動(dòng)態(tài)索引技術(shù)，可以在不對(duì)檢測(cè)波形文件進(jìn)行任何修改的前提下，通過(guò)數(shù)據(jù)分析人員設(shè)定的關(guān)鍵點(diǎn)索引，對(duì)檢測(cè)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行里程校核。

在完成了波形文件的里程校核后，軟件還可以對(duì)相應(yīng)的軌道檢測(cè)導(dǎo)出文件中的偏差數(shù)據(jù)的里程信息進(jìn)行矯正，并實(shí)現(xiàn)軌道質(zhì)量指數(shù)的重新計(jì)算，這樣在進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析中，能夠更加準(zhǔn)確地掌握軌道質(zhì)量的變化趨勢(shì)，避免由于里程的不準(zhǔn)確帶來(lái)的分析誤差。

3.2 多次歷史數(shù)據(jù)比對(duì)功能

軌道質(zhì)量狀態(tài)的變化是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，很多道床或軌道板狀態(tài)的變化都會(huì)反映在軌道幾何狀態(tài)上，但是通過(guò)一次波形圖的對(duì)比往往不容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)多次，尤其是時(shí)間跨度較大的幾次檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的對(duì)比，就能很容易發(fā)現(xiàn)持續(xù)發(fā)生變化的地段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的檢查，分析其產(chǎn)生發(fā)展的原因，有針對(duì)性地進(jìn)行整治才能徹底消除病害。

3.3 其他的功能特點(diǎn)

軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理模塊是一個(gè)擴(kuò)展性很強(qiáng)的功能模塊，尤其是實(shí)現(xiàn)了與Matlab計(jì)算模塊的交互組件后，可以充分利用 Matlab強(qiáng)大的計(jì)算能力，軌道管理科研人員可以在Matlab中開(kāi)發(fā)復(fù)雜的波形分析算法，如軌道譜、時(shí)頻分析等，通過(guò)組件的調(diào)用，波形分析軟件就能夠直接實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算功能。

軟件在完成主要功能點(diǎn)的開(kāi)發(fā)即交付路局進(jìn)行試用，后續(xù)的開(kāi)發(fā)緊密結(jié)合實(shí)際運(yùn)用，收集試用反饋，持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)這樣的方式，軟件的各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)更加實(shí)用，對(duì)提高檢測(cè)數(shù)據(jù)分析的能力和效率都有很大幫助。傳統(tǒng)的波形查看軟件都是面對(duì)單一文件的，都是通過(guò)人工識(shí)別文件名來(lái)找出需要分析處理的文件。借鑒很多軟件中采用的“媒體庫(kù)”形式，在本地建立小型數(shù)據(jù)，通過(guò)波形文件頭中存儲(chǔ)的線名、檢測(cè)日期、檢測(cè)車等信息組織管理本地的檢測(cè)波形文件，能夠更加方便地打開(kāi)所需要的波形文件，見(jiàn)圖2。

圖2 管理本地的檢測(cè)波形文件

軟件還具有其他的一些試用功能，如多通道測(cè)量、多次歷史測(cè)量、自動(dòng)化截圖、人工標(biāo)注等，這些功能在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中都根據(jù)用戶反饋的建議進(jìn)行反復(fù)地調(diào)整和完善，力圖保證用戶應(yīng)用的便捷性。

4 結(jié)語(yǔ)

檢測(cè)波形綜合展示分析軟件是一個(gè)系統(tǒng)性軟件工程，目前仍有一些設(shè)計(jì)的功能未能完全實(shí)現(xiàn)，尤其是在自動(dòng)化處理方面，比如根據(jù)設(shè)備臺(tái)賬自動(dòng)化進(jìn)行里程校核、基于多次歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化提取軌道幾何發(fā)生漸變的區(qū)段。這些功能已有完整的實(shí)現(xiàn)思路，均已納入下一階段的開(kāi)發(fā)計(jì)劃中。其他列入開(kāi)發(fā)計(jì)劃的功能還包括軌道精調(diào)小車和靜態(tài)檢查儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合展示和對(duì)比分析。

目前軟件已在綜合檢測(cè)涉及的各路局推廣應(yīng)用，實(shí)踐證明軟件功能實(shí)用、操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠很好地應(yīng)用于軌道質(zhì)量狀態(tài)的精細(xì)化分析。軌道質(zhì)量狀態(tài)的分析是工務(wù)維修部門(mén)永恒的主題，波形分析軟件的開(kāi)發(fā)也是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，以開(kāi)發(fā)引導(dǎo)應(yīng)用，以應(yīng)用促進(jìn)開(kāi)發(fā)，只有通過(guò)不斷的應(yīng)用改進(jìn)才能使之更加適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，才能更好地發(fā)揮檢測(cè)數(shù)據(jù)在指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修中的作用。

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［3］趙鋼.軌道基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)管理信息系統(tǒng)研究［J］.鐵道建筑，2005(2):45-47.