檢測(cè)波形數(shù)據(jù)綜合分析展示軟件

■ 趙鋼 張鵬 徐貴紅 許階

按照一定采樣間隔連續(xù)存儲(chǔ)的檢測(cè)數(shù)據(jù)一般稱為波形數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣方式分為定時(shí)采樣數(shù)據(jù)和定距采樣數(shù)據(jù)。波形數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的詳細(xì)信息，是分析基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量狀態(tài)的第一手資料，深受設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修部門的重視。

檢測(cè)技術(shù)發(fā)展初期，一般通過各種記錄儀以圖紙形式記錄數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)束后分發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)維修部門進(jìn)行分析，查找問題分析變化，很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析和長(zhǎng)期保存。

隨著檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的檢測(cè)車大多采用波形文件方式存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，并開發(fā)了相應(yīng)的波形顯示軟件，不但可以在檢測(cè)過程中即時(shí)顯示波形檢測(cè)數(shù)據(jù)，而且通常具有歷史對(duì)比、參數(shù)測(cè)量等分析功能。波形顯示軟件還可以用于離線數(shù)據(jù)分析，通過與前次檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比找出設(shè)備質(zhì)量惡化之處。

隨著高速綜合檢測(cè)列車的應(yīng)用，需要對(duì)不同檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，傳統(tǒng)波形顯示軟件已不能適應(yīng)新的需求。依托國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目“最高試驗(yàn)速度400 km/h高速檢測(cè)列車關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制”，針對(duì)近年來對(duì)波形數(shù)據(jù)分析的新需求，在原軌道檢測(cè)波形展示軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展，研發(fā)了全新的檢測(cè)數(shù)據(jù)波形綜合分析展示軟件。

1 系統(tǒng)概況

檢測(cè)數(shù)據(jù)波形綜合分析展示軟件采用.Net技術(shù)開發(fā)，可在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)檢測(cè)波形綜合分析、檢測(cè)數(shù)據(jù)多次歷史對(duì)比、設(shè)備臺(tái)賬綜合展示及無效數(shù)據(jù)區(qū)段標(biāo)識(shí)和文字標(biāo)注，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，解決了困擾動(dòng)態(tài)檢測(cè)多年的大難題。

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)，結(jié)構(gòu)上包括數(shù)據(jù)處理層、網(wǎng)絡(luò)接口層和前端展示層，所有業(yè)務(wù)服務(wù)采用服務(wù)組件方式提供，保證了系統(tǒng)的高擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)處理層是軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效訪問和各種分析功能的核心，包括數(shù)據(jù)文件讀取解析模塊、數(shù)據(jù)庫訪問模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊。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??；數(shù)據(jù)庫訪問模塊封裝了對(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)等記錄類數(shù)據(jù)的訪問接口；數(shù)據(jù)分析處理模塊實(shí)現(xiàn)了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，且實(shí)現(xiàn)了與Matlab數(shù)值計(jì)算模塊的交互組件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)波形文件的復(fù)雜處理分析，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。

2 功能特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用

檢測(cè)波形數(shù)據(jù)包含大量對(duì)指導(dǎo)設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修具有重要意義的內(nèi)容，但目前對(duì)于波形數(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。新的波形綜合分析展示軟件在多專業(yè)檢測(cè)波形綜合分析、里程后期校核、多次歷史數(shù)據(jù)比對(duì)等方面取得了突破。

2.1 里程后期校核功能

無論是綜合檢測(cè)列車還是各專業(yè)檢測(cè)車，都是在動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下完成基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測(cè)，各檢測(cè)系統(tǒng)必須通過LKJ、GPS等信息源獲取線路上定位點(diǎn)的實(shí)際里程，并利用軸頭編碼器的脈沖信號(hào)等方式實(shí)現(xiàn)定位點(diǎn)間的里程記距。實(shí)際應(yīng)用中受到各種因素影響，如GPS信號(hào)不良、輪徑測(cè)量誤差等，檢測(cè)數(shù)據(jù)中的里程往往與實(shí)際里程存在一定誤差，且這種誤差很難通過檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)在動(dòng)態(tài)檢測(cè)過程中在線完全消除。里程方面的誤差給維修部門查找現(xiàn)場(chǎng)病害帶來了很大難度，尤其是目前高速鐵路普遍設(shè)備質(zhì)量較高，且維修天窗往往在夜間，里程信息的準(zhǔn)確性成為提高檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用水平的關(guān)鍵之一。

通過分析可知，檢測(cè)數(shù)據(jù)中里程誤差的來源主要有2個(gè)方面：定位點(diǎn)里程的不準(zhǔn)確和脈沖記距帶來的累計(jì)誤差。目前在高速鐵路推廣的基于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)里程的精確性問題，但里程精確定位系統(tǒng)的全面推廣還需較長(zhǎng)時(shí)間，很難推廣到所有線路，同時(shí)也無法解決由于長(zhǎng)斷鏈、定位點(diǎn)錯(cuò)失及記距方面帶來的誤差。因此，研究通過后處理手段修正檢測(cè)數(shù)據(jù)中的里程誤差是當(dāng)前較為可行的方法。

該軟件系統(tǒng)創(chuàng)造性的采用動(dòng)態(tài)索引技術(shù)，可在不對(duì)檢測(cè)波形文件進(jìn)行任何修改的前提下，利用檢測(cè)波形本身所具有與設(shè)備臺(tái)賬相關(guān)的特征點(diǎn)，如弓網(wǎng)檢測(cè)的接觸線支柱、軌道檢測(cè)的曲線頭尾，通過數(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)行里程后期校核。應(yīng)用動(dòng)態(tài)索引的里程修正機(jī)制還可以利用現(xiàn)場(chǎng)反饋的偏差實(shí)際里程不斷提高里程修正精度。

圖1是軟件實(shí)際應(yīng)用的演示，紅色（層1）和藍(lán)色（層2）分別為同一次檢測(cè)修正后和修正前的波形數(shù)據(jù)展示，設(shè)備臺(tái)賬顯示曲線起點(diǎn)應(yīng)為K683+013，修正后的檢測(cè)數(shù)據(jù)里程為K683+10.7，修正前里程為K683+465。目前采用利用曲線特征點(diǎn)獲取修正定位，通過大量測(cè)試，利用這樣的方式每40 km打一個(gè)索引點(diǎn)大約能夠保證全線各點(diǎn)里程精度在10 m范圍內(nèi)，可以滿足實(shí)際工程需求。

目前軟件還開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)相應(yīng)檢測(cè)導(dǎo)出文件中偏差數(shù)據(jù)的里程信息進(jìn)行修正，并對(duì)軌道質(zhì)量指數(shù)重新計(jì)算，在進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析中能夠更加準(zhǔn)確的掌握軌道質(zhì)量變化趨勢(shì)，避免由于里程偏差帶來的分析誤差。

利用模式識(shí)別等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，里程修正還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化對(duì)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)的修正，經(jīng)過多次調(diào)試，基本可滿足日常數(shù)據(jù)管理應(yīng)用需要。為了進(jìn)一步滿足數(shù)據(jù)精細(xì)化分析，如偏差處幅值變化分析等應(yīng)用需要，在數(shù)據(jù)處理層還實(shí)現(xiàn)了局部數(shù)據(jù)精確對(duì)齊的功能，可以將分析目標(biāo)附近的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)齊，達(dá)到采樣點(diǎn)精度。通過一系列解決方案，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)里程修正功能，為工程應(yīng)用和科研分析提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 多專業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析功能

綜合檢測(cè)列車上包括軌道、供電、信號(hào)、通信及車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)等多個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，各檢測(cè)系統(tǒng)分布在不同車廂內(nèi)，即同一時(shí)刻各檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際的里程范圍不同。綜合檢測(cè)列車通過時(shí)間里程同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同車廂內(nèi)各檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果在時(shí)間和里程上的同步。

在檢測(cè)波形數(shù)據(jù)綜合分析展示軟件中，借鑒了圖像處理軟件中圖層的概念，利用數(shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)解析和抽象能力，將不同檢測(cè)波形文件各自作為一個(gè)單獨(dú)圖層，各層均為透明顯示，享有同等繪圖空間，通過在通道配置文件中設(shè)置通道基線偏移值確定各通道繪制位置。各層間可以進(jìn)行里程方向平移，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)里程同步功能。采用這樣的解決方案，結(jié)合后臺(tái)數(shù)據(jù)訪問和解析模塊，不但實(shí)現(xiàn)了同樣采樣間隔、不同檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的同屏展示，而且能夠?qū)崿F(xiàn)不同采樣方式（定時(shí)和定距）、不同采樣間隔檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合展示。

圖2是軌道檢測(cè)與弓網(wǎng)檢測(cè)的綜合展示，通過2個(gè)專業(yè)的同屏綜合展示，弓網(wǎng)檢測(cè)可以利用軌道檢測(cè)中的軌道幾何和線形等信息，輔助硬點(diǎn)、接觸壓力等參數(shù)的評(píng)判。

2.3 多次歷史數(shù)據(jù)比對(duì)功能

基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的變化往往是一個(gè)漸進(jìn)的過程，通過發(fā)現(xiàn)檢測(cè)參數(shù)在歷史上的變化，不僅可以得到指標(biāo)的變化，有時(shí)還能揭示出更深層次的原因。通過多次尤其是時(shí)間跨度較大的幾次檢測(cè)波形數(shù)據(jù)對(duì)比，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)檢查，分析其發(fā)展原因，有針對(duì)性地進(jìn)行整治，才能徹底消除病害。

圖3是對(duì)同一線路區(qū)段采用4次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的示例，可清晰發(fā)現(xiàn)K358+230處軌道高低發(fā)生明顯漸變現(xiàn)象，這樣的區(qū)域就需要進(jìn)行重點(diǎn)檢查、監(jiān)控。

2.4 其他功能特點(diǎn)

設(shè)備臺(tái)賬是記錄線路中各種設(shè)備詳細(xì)信息的重要資源，檢測(cè)和分析過程中如果能夠經(jīng)常性參考臺(tái)賬中的設(shè)備要素信息，對(duì)于提高檢測(cè)質(zhì)量、正確評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)均有重要意義。

通過對(duì)常用設(shè)備臺(tái)賬信息的適度抽象，波形綜合展示分析軟件還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備臺(tái)賬的同步展示功能（見圖4），為滿足各種應(yīng)用需要，可以采用圖形化和表格化2種展示方式。

軟件系統(tǒng)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，可以利用Matlab的計(jì)算功能，可在Matlab中開發(fā)復(fù)雜的波形分析算法，如軌道譜、時(shí)頻分析等，通過組件調(diào)用，波形分析軟件就能直接實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算功能。

圖3 多次檢測(cè)數(shù)據(jù)歷史對(duì)比

圖4 設(shè)備臺(tái)賬綜合展示

傳統(tǒng)波形查看軟件都是面對(duì)單一文件，都是通過人工識(shí)別文件名找出需要分析處理的文件?；诘孛鏀?shù)據(jù)中心強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理能力，檢測(cè)波形數(shù)據(jù)綜合分析展示軟件不但具有打開本地?cái)?shù)據(jù)文件的能力，而且可以在網(wǎng)絡(luò)模式下，遠(yuǎn)程打開數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)分析效率。

軟件還具有其他一些實(shí)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)過程中都根據(jù)用戶反饋的建議進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和完善，保證用戶應(yīng)用的便捷性。

3 結(jié)論

檢測(cè)波形數(shù)據(jù)綜合展示分析軟件是一個(gè)系統(tǒng)性軟件工程，目前主要功能均已實(shí)現(xiàn)。但仍有一些好的設(shè)計(jì)需要在下一階段開發(fā)中實(shí)現(xiàn)，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)段等。

目前，軟件已在綜合檢測(cè)涉及的各鐵路局推廣應(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)用于設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)的精細(xì)化分析。軟件的開發(fā)也是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過程，以開發(fā)引導(dǎo)應(yīng)用，以應(yīng)用促進(jìn)開發(fā)，只有通過不斷應(yīng)用改進(jìn)才能更加適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，更好發(fā)揮檢測(cè)數(shù)據(jù)在指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修中的作用。