朔黃鐵路基礎設施長期監(jiān)測平臺架構設計與研究

段培勇 盧世團

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.中鐵科學技術開發(fā)有限公司，北京100081）

朔黃鐵路西起山西省神池南站，與神朔鐵路相接，東至河北省黃驊港站，是我國西煤東運的第二大通道，全長594 km。朔黃鐵路公司自2017年規(guī)?；_行萬噸、兩萬噸重載列車，機車軸重達30 t；2019年通過總質(zhì)量接近4億t，列車間隔5～7 min，已經(jīng)形成了大軸重、高密度、大運量的運輸形勢［1］。

重載鐵路由于運量大、軸重大、密度高、荷載作用時間長等特點，對線路、橋梁、隧道等基礎設施的沖擊力大，破壞作用顯著［2］。在30 t軸重列車開行初期，有必要對特殊線路區(qū)段軌道、橋梁等基礎設施結構狀態(tài)進行動態(tài)安全檢測和長期監(jiān)測，通過檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)集中管理和共享信息，構建具有綜合處理功能的長期監(jiān)測平臺和分析應用系統(tǒng)，綜合評估基礎設施狀態(tài)，分析設備故障規(guī)律，優(yōu)化修程修制，為實現(xiàn)基礎設施健康狀態(tài)管理、壽命預測、能耗優(yōu)化提供技術支撐［3］。

本文基于朔黃鐵路基礎設施檢測與監(jiān)測實施方案，結合軌道、橋梁等基礎設施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)特征和實際需求，構建具有綜合分析、數(shù)據(jù)可視化、安全預報警等功能的基礎設施長期監(jiān)測平臺，實現(xiàn)檢測監(jiān)測信息的分散采集、集中管理、數(shù)據(jù)融合以及綜合運用，指導基礎設施養(yǎng)護維修。

1 朔黃鐵路基礎設施檢測與監(jiān)測方案

1.1 半徑R=400 m曲線軌道結構監(jiān)測

為確保重載列車運行安全，在R=400 m小半徑曲線地段安裝軌道狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測內(nèi)容主要包括：①列車通過曲線時的動力學參數(shù)（輪軌垂直力、水平力）和安全性參數(shù)（脫軌系數(shù)和減載率）；②軌溫和環(huán)境溫度；③軌枕縱向力；④鋼軌縱向力。

1.2 64 m雙線栓焊鋼桁梁結構監(jiān)測

朔黃鐵路運營軸重為25 t的C80車輛時，其換算均布荷載已逼近線路基礎設施設計荷載。為了實現(xiàn)軸重30 t以上重載運輸目標，部分橋梁結構已進行加固。為了驗證橋梁結構加固效果，同時對結構病害損傷情況及其發(fā)展趨勢進行長期實時監(jiān)測，在跨京深公路的64 m雙線栓焊鋼桁梁上布設健康監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測內(nèi)容主要包括：①橋址處環(huán)境溫度、濕度及橋梁結構溫度；②結構特征，主要包括關鍵桿件和構造的應力，振幅和加速度為主的振動特征，撓度和支座位移；③列車速度、編組、軸重等運營列車特征參數(shù)。

1.3 重載列車運行狀態(tài)安全檢測

1）移動加載檢測：通過移動式線路動態(tài)加載試驗車檢驗軌道、橋梁、路基等線路工程結構的狀態(tài)和穩(wěn)定性，指導線路強化和養(yǎng)護維修。

2）地面安全檢測：選取軌道、橋隧典型工點，對重載列車運行安全狀態(tài)進行檢測。

3）隧道結構病害檢測：采用光學圖像、探地雷達等技術檢查隧道襯砌裂紋及隧道基底病害，指導隧道結構加固和養(yǎng)護。

2 基礎設施長期監(jiān)測平臺架構設計

2.1 總體架構

朔黃鐵路基礎設施長期監(jiān)測平臺（以下簡稱監(jiān)測平臺）的總體架構自下而上劃分為數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層和功能模塊層，見圖1。

圖1 基礎設施長期監(jiān)測平臺總體架構

1）數(shù)據(jù)感知層。檢測監(jiān)測基礎設施狀態(tài)，支持通過多種數(shù)據(jù)采集方式，實現(xiàn)各種形式數(shù)據(jù)信息的有效采集與傳輸。

2）數(shù)據(jù)存儲層。為基礎數(shù)據(jù)、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的存儲環(huán)境，其中分析結果數(shù)據(jù)采用關系型數(shù)據(jù)庫存儲，原始數(shù)據(jù)采用對象存儲技術，實現(xiàn)海量多源異構數(shù)據(jù)的安全有效存儲。

3）數(shù)據(jù)分析層。使用關聯(lián)性分析、趨勢分析、融合分析等數(shù)據(jù)分析方法對檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行挖掘和多維分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值最大化。

4）功能模塊層。根據(jù)處理分析之后的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)滿足用戶需求的業(yè)務應用。主要功能模塊包括檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結果可視化展示、評估與診斷、報表生成、預報警發(fā)布等。

該監(jiān)測平臺依托信息化接口規(guī)范標準體系實現(xiàn)邏輯層次之間的數(shù)據(jù)傳輸與交互，依托網(wǎng)絡安全等級保護體系實現(xiàn)平臺的安全穩(wěn)定運行。

2.2 網(wǎng)絡架構

監(jiān)測平臺采用基于公有云的2層式網(wǎng)絡結構。軌道、橋梁等基礎設施監(jiān)測子系統(tǒng)部署在現(xiàn)場監(jiān)測點，通過移動互聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)測結果報文、原始數(shù)據(jù)分別傳輸至信息中心和分布式云存儲系統(tǒng)；信息中心設置Web應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器等設備，負責匯聚、存儲、管理監(jiān)測點上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并為檢測數(shù)據(jù)提供人工上傳接口。平臺網(wǎng)絡架構見圖2。

圖2 基礎設施長期監(jiān)測平臺網(wǎng)絡架構

2.3 數(shù)據(jù)架構

參照高速鐵路工務基礎設施狀態(tài)檢測與監(jiān)測系統(tǒng)總體框架［4］，確定監(jiān)測平臺的業(yè)務數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 基礎設施長期監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)架構

1）設備狀態(tài)類：包括現(xiàn)場安裝的各類傳感器分布、設備參數(shù)信息、運行狀態(tài)等。

2）監(jiān)測信息類：包括軌道狀態(tài)穩(wěn)定性、安全性、橋梁結構特征、運營列車特征等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3）檢測信息類：包括軌道剛度、軌道安全檢測、橋梁安全檢測、隧道基底病害等數(shù)據(jù)。

4）基礎信息類：主要包括監(jiān)測項目信息、組織機構、用戶信息等用于平臺運營維護的基礎信息。

2.4 技術架構

監(jiān)測平臺存儲和處理的數(shù)據(jù)類型繁多，結構復雜，系統(tǒng)用戶需求多樣，平臺須具備高可擴展性、易用性、高性能和穩(wěn)定性。平臺技術架構遵循基于B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）架構的MVC（Model-View-Controller，模型-視圖-控制器）分層開發(fā)模式［5］，實現(xiàn)高內(nèi)聚低耦合，見圖4。

1）數(shù)據(jù)存儲層。監(jiān)測點傳輸至信息中心的各類數(shù)據(jù)，根據(jù)存儲結構可劃分為結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預處理、清洗后，將監(jiān)測結果報文等結構化數(shù)據(jù)存儲至傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫，如Oracle、SQL Server等；將視頻、圖片、文檔、波形等非結構化數(shù)據(jù)存儲至分布式云存儲環(huán)境。

2）模型（持久化）層提供數(shù)據(jù)持久化和數(shù)據(jù)訪問能力，采用Hibernate、Entity Framework等ORM（Object Relational Mapping，對象關系映射）框架實現(xiàn)關系型數(shù)據(jù)庫與對象模型的映射。

圖4 基礎設施長期監(jiān)測平臺技術架構

3）控制器（業(yè)務邏輯）層提供平臺的核心業(yè)務邏輯計算能力，使用Json數(shù)據(jù)協(xié)議實現(xiàn)模型與視圖間的數(shù)據(jù)聯(lián)通，并為系統(tǒng)集成提供Web Service支持。

4）視圖層采用流行的自適應框架Bootstrap搭建前端頁面，使用DataTables、ECharts、HighCharts等可視化工具，將模型以可視化的方式展現(xiàn)給最終用戶。

3 關鍵技術

3.1 多源異構數(shù)據(jù)存儲技術

3.1.1 結構化數(shù)據(jù)

基礎設施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)屬于典型的結構化數(shù)據(jù)，適于關系型數(shù)據(jù)庫存儲。數(shù)據(jù)庫服務器采用一主一備的經(jīng)典高可用架構，主、備實例的數(shù)據(jù)實時同步，主實例出現(xiàn)故障無法訪問時會自動切換到備用實例。該數(shù)據(jù)庫具備彈性伸縮、備份恢復、性能優(yōu)化、讀寫分離、SQL（Structured Query Language，結構化查詢語言）洞察等功能，保障核心數(shù)據(jù)安全。

3.1.2 非結構化數(shù)據(jù)

基礎設施檢測監(jiān)測原始數(shù)據(jù)、文檔資料、影像資料等非結構化數(shù)據(jù)具有多源異構、海量存儲等大數(shù)據(jù)特性，存儲方式的選擇非常重要。監(jiān)測平臺采用對象存儲技術搭建高性能的分布式存儲環(huán)境。

對象存儲是一種海量、安全、低成本、高可靠性的云存儲服務，以對象（object）作為基本單位，采用扁平化的數(shù)據(jù)組織方式并提供鍵值對（Key-Value）的數(shù)據(jù)索引和元數(shù)據(jù)訪問，提高了數(shù)據(jù)存儲性能和訪問效率，特別適合大數(shù)據(jù)量和非結構化數(shù)據(jù)的存儲。

作為對象存儲的基本單位，對象由元信息（Object Meta）、用戶數(shù)據(jù)（Data）和文件名（Key）組成。對象存儲使用存儲空間（Bucket）存儲對象，不同于傳統(tǒng)的文件存儲系統(tǒng)，對象存儲沒有文件目錄概念，同一個存儲空間內(nèi)部是扁平的，所有的對象都直接隸屬于其對應的存儲空間，且存儲空間內(nèi)部的對象數(shù)量沒有限制［6］，見表1。對象存儲具有與平臺無關的RESTful API接口，方便用戶上傳、下載、檢索、管理非結構化數(shù)據(jù)。

表1 對象存儲與文件存儲的對比

3.2 數(shù)據(jù)可視化技術

數(shù)據(jù)可視化是數(shù)據(jù)描述的圖形表示，旨在一目了然地揭示數(shù)據(jù)中的復雜信息。監(jiān)測平臺使用數(shù)據(jù)可視化技術，將檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的各個屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示，用戶可以從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，從而更深入地研究分析和評判軌道、橋梁等基礎設施結構狀態(tài)。以跨京深公路的64 m雙線栓焊鋼桁梁橋址處環(huán)境、結構動態(tài)響應等監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，其可視化展示見圖5。其中圖5（d）中橫軸的各數(shù)據(jù)組都是左閉右開區(qū)間。

圖5 橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化

圖6實現(xiàn)了隧道檢測數(shù)據(jù)、基底病害評價數(shù)據(jù)以及探地雷達圖像聯(lián)動可視化展示，其中圖6（c）為探地雷達采集的原始圖像，橫軸為里程（單位：m），縱軸為電磁波在介質(zhì)中的傳播時間（單位：ns）。

圖6 隧道檢測數(shù)據(jù)聯(lián)動展示示例

4 結語

本文根據(jù)朔黃鐵路30 t軸重基礎設施檢測與監(jiān)測的需求，在總體架構、網(wǎng)絡架構、數(shù)據(jù)架構、技術架構等方面進行了基礎設施長期監(jiān)測平臺架構設計，并對數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)可視化等關鍵技術進行了研究。

下一步將研究基礎設施長期監(jiān)測平臺與朔黃鐵路既有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與交互方式，進一步挖掘基礎設施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)在價值，提升基礎設施狀態(tài)評估水平，更好地指導重載鐵路基礎設施的養(yǎng)護維修。