高鐵線形智能化信息系統(tǒng)的開發(fā)與利用

摘 ?要：橋上軌道線路的線形會隨著橋梁墩臺及路基的位移發(fā)生變化，當(dāng)線形變化嚴(yán)重時會危害行車安全。準(zhǔn)確地預(yù)測橋上鐵路橋墩位移、路基位移對軌道線形的影響有利于監(jiān)測線路狀態(tài)，保障既有線路的安全運行。文章開發(fā)了一套高鐵線形智能化信息系統(tǒng)，可根據(jù)墩臺及路基位移變化計算線形變化，對軌道線形進(jìn)行良好的預(yù)測與控制，方便工務(wù)人員進(jìn)行管理。文章介紹了該系統(tǒng)的開發(fā)原理及小程序、Web端頁面使用方法。

關(guān)鍵詞：高鐵鄰線施工監(jiān)測;線形預(yù)測;智能化管理;軟件開發(fā)

中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0058-05

Development and Utilization of Intelligent Information System for High Speed Railway Alignment

WANG Gang

（Shanghai Donghua Local Railway Development Co.， Ltd.， Shanghai ?200070， China）

Abstract： The alignment of track line on bridge will change with the displacement of bridge pier and subgrade. When the alignment changes seriously， it will endanger the traffic safety. Accurately predicting the influence of bridge pier displacement and subgrade displacement on track alignment is conducive to monitoring the line status and ensuring the safe operation of existing lines. In this paper， an intelligent information system for high-speed railway alignment is developed， which can calculate the alignment change according to the displacement change of pier and subgrade， predict and control the track alignment well， and facilitate the management of track maintenance personnel. This paper introduces the development principle of the system and the usage method of small program and web page.

Keywords： high speed railway adjacent line construction monitoring; alignment prediction; intelligent management; software development

0 ?引 ?言

當(dāng)軌道線路的下部結(jié)構(gòu)即橋墩或路基發(fā)生位移變化時，不可避免地會對軌道線路產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時會對行車安全產(chǎn)生危害，因此必須對下部結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行監(jiān)測與控制，同時對鐵路軌道狀態(tài)進(jìn)行實時評價。目前我國現(xiàn)行的規(guī)范[1]中對于高速鐵路軌道狀態(tài)的評價均是通過測量軌道線形即幾何不平順值來確定的，但現(xiàn)有的監(jiān)測手段無法實時監(jiān)測高速鐵路線路軌道結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)，只能通過監(jiān)測橋墩墩臺、路基等其他結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)行間接測量。因此，準(zhǔn)確地監(jiān)測橋墩、路基等軌道下部結(jié)構(gòu)位移同時間接計算軌道線性變化對于保障既有線路的安全運行具有重要的意義。然而由于間接計算過程較為復(fù)雜，現(xiàn)場難以進(jìn)行計算控制，這為工務(wù)人員進(jìn)行線形的管理與預(yù)測帶來了極大的挑戰(zhàn)。為簡化計算流程，方便高效地得到鋼軌線形隨下部結(jié)構(gòu)的位移變化而變化的規(guī)律及計算結(jié)果，本文開發(fā)了一套高鐵線形智能化信息系統(tǒng)?？梢赃_(dá)到對于軌道線路下部結(jié)構(gòu)的橋墩及路基位移進(jìn)行實時監(jiān)測，同時根據(jù)其軌道線形的影響設(shè)置了橋墩及路基位移變化的最大限值，對于超限坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行報警處理，滿足了對于線路與結(jié)構(gòu)位移變化監(jiān)測的可視化要求，符合當(dāng)今智能化工務(wù)的潮流。該控制系統(tǒng)包含微信小程序端及Web網(wǎng)頁端，使用方便快捷，有效地提高了鐵路工務(wù)人員的工作效率。

1 ?系統(tǒng)分析

1.1 ?系統(tǒng)開發(fā)原理

本系統(tǒng)開發(fā)原理主要依據(jù)橋墩位移及路基位移求解軌道線形的數(shù)據(jù)處理方法。主要包括橋梁段數(shù)據(jù)處理方法以及路基段數(shù)據(jù)處理方法。

橋梁段路基處理方法主要計算求出橋墩的單墩位移以及雙墩位移值。單墩位移包含了單墩橫向位移和單墩垂向位移，雙墩位移包含了雙墩橫向錯臺和雙墩垂向錯臺。主要原理是利用了各橋墩間的幾何尺寸關(guān)系，導(dǎo)入橋墩監(jiān)測點處的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)而求出監(jiān)測點處橋墩的位移值以及累計變化值。同時利用解析解法與有限元法得出橋墩位移與軌道幾何尺寸的關(guān)系，確定使得軌道線形不發(fā)生較大變形的橋墩位移最大限值，將其設(shè)為報警值，當(dāng)橋墩位移超出該值后則進(jìn)行報警處理。

路基段數(shù)據(jù)處理方法主要是依據(jù)測得的路基段水平變化值和垂直變化值，通過在CAD圖中導(dǎo)出坐標(biāo)的方式，得到了路基段每隔0.5 m的測點的原坐標(biāo)?，F(xiàn)坐標(biāo)需要通過原坐標(biāo)與測點的變化值相結(jié)合求得。并利用相關(guān)幾何線形關(guān)系推導(dǎo)出路基段10 m弦指標(biāo)與20 m弦指標(biāo)，通過弦指標(biāo)的數(shù)值來判斷路基段位移是否超限。并將路基段變化值的最大限值設(shè)為報警值，當(dāng)路基位移變化值大于報警值后進(jìn)行報警處理。

該系統(tǒng)是將上述算法內(nèi)容進(jìn)行了編程操作，通過代碼實現(xiàn)，可以達(dá)到對于橋墩與路基進(jìn)行實時可視化位移監(jiān)測管理，并篩選超限值。

1.2 ?系統(tǒng)功能描述

該系統(tǒng)按照使用場景的不同劃分為兩個端：微信小程序端和Web管理后臺端。小程序端的使用者主要為各工務(wù)段的工程師。工程師根據(jù)需求查看路基和橋墩的各種數(shù)據(jù)以及計算出來的軌道線形數(shù)據(jù);Web管理端使用者主要為管理人員。通過電腦對路基橋墩進(jìn)行管理，篩選里程查看路基的監(jiān)測點或橋墩的檢測點。同時也可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。篩選里程，選擇類型后查看對應(yīng)的數(shù)據(jù)詳情：測量的時間、測量的數(shù)據(jù)（順向水平、橫向水平、豎向）以及對比多次測量的數(shù)據(jù)，也可以導(dǎo)入初始數(shù)據(jù)、路基數(shù)據(jù)、橋墩數(shù)據(jù)。Web端還設(shè)置預(yù)警管理設(shè)置，其可設(shè)置各路基點計算結(jié)果預(yù)警值、橋墩點計算結(jié)果預(yù)警值-單墩、橋墩點計算結(jié)果預(yù)警值-雙墩、偏差預(yù)警值，當(dāng)線形計算結(jié)果超出預(yù)警值后進(jìn)行報警。小程序端及Web端功能示意圖如圖1所示。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源主要通過后臺中數(shù)據(jù)管理導(dǎo)入初始數(shù)據(jù)、路基數(shù)據(jù)、橋墩數(shù)據(jù)，導(dǎo)入格式為：Excel文件（路基點、上行檢測點、下行檢測點、點號、相對坐標(biāo)x、相對坐標(biāo)y）或（橋墩點、一號檢測點、二號檢測點、三號檢測點）。

2 ?系統(tǒng)小程序端操作界面設(shè)計及主要功能

小程序端操作頁面主要包括橋墩端與路基端，可以對橋墩路基位移變化進(jìn)行可視化管理，同時對超限指標(biāo)進(jìn)行報警處理，下面主要針對該軟件小程序端主要功能進(jìn)行介紹。

2.1 ?路基

2.1.1 ?路基頁面介紹

在小程序端首頁點擊路基模塊，選擇里程、列車方向、測試時間，圖下數(shù)據(jù)會隨著選擇目標(biāo)值的變化而變化，同時可以直接查看由內(nèi)部算法計算好的水平10 m弦變化，點擊右上角圖標(biāo)，切換橫圖數(shù)據(jù)頁。路基頁面如圖2所示，路基-路線橫屏頁如圖3所示。

2.1.2 ?路基點操作

在路基首頁點擊“搜索框”，跳轉(zhuǎn)到路基點搜索頁，如圖4所示，其包含所有規(guī)定里程內(nèi)的所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)。同時點擊列表數(shù)據(jù)，可跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)路基監(jiān)測點詳情頁，其包含該測點的水平10 m弦數(shù)據(jù)、垂直10 m弦數(shù)據(jù)，以及歷史走勢。如圖5所示。

2.1.3 ?路基偏差點統(tǒng)計

在首頁路基模塊中，點擊“水平10 m弦”版塊，可以跳轉(zhuǎn)到路基差點統(tǒng)計頁，其包含水平10 m弦超限的所有警示點信息，如：里程點號、水平10 m弦數(shù)據(jù)以及每次測量的時間、位移偏差結(jié)果等，具體如圖6所示。

2.2 ?橋墩

2.2.1 ?橋墩頁面介紹

在首頁點擊橋墩模塊，選擇里程、點號、墩數(shù)、橋、測試時間，圖下數(shù)據(jù)會隨著選擇目標(biāo)值的變化而變化，可查看橫向水平累計變化、橫向水平等，橋墩頁面如圖7所示。點擊各版塊右上角圖標(biāo)，切換橫圖數(shù)據(jù)頁，其包含目標(biāo)里程內(nèi)的橋墩可視化的位移變化值，以及位移變化值隨里程的變化規(guī)律，橫圖數(shù)據(jù)頁如圖8所示。

2.2.2 ?橋墩點操作

在橋墩首頁點擊“搜索框”，跳轉(zhuǎn)到橋墩點搜索頁，其包含所有目標(biāo)里程內(nèi)的橋墩點測量信息以及超限情況，搜索頁面如圖9所示。點擊具體監(jiān)測點里程后，可跳轉(zhuǎn)到橋墩監(jiān)測點詳情頁，其包含改點橋墩橫向、豎向、順向的全部位移信息以及歷史走向，詳情頁面如圖10所示。

3 ?系統(tǒng)Web端操作界面設(shè)計及主要功能

Web網(wǎng)頁端相較于小程序端主要起到后臺信息管理的功能，可以實現(xiàn)路基橋墩數(shù)據(jù)查看與編輯、導(dǎo)入測量數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)以及設(shè)置預(yù)警值功能，下面將對Web端主要功能進(jìn)行介紹。

3.1 ?數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是對于橋墩與路基的監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、編輯以及導(dǎo)入。在頁面中可選擇類型切換路徑/橋墩，查詢對應(yīng)的數(shù)據(jù)列表，其包含目標(biāo)里程內(nèi)的所有監(jiān)測點信息，如圖11所示。在數(shù)據(jù)列表右側(cè)點擊“查看”按鈕，彈出“查看詳情”頁，可查看該監(jiān)測點詳細(xì)的里程信息與位移測量數(shù)據(jù)，如圖12所示。數(shù)據(jù)導(dǎo)入可通過右上角“導(dǎo)入初始數(shù)據(jù)”或“導(dǎo)入路基數(shù)據(jù)”實現(xiàn)。

3.2 ?預(yù)警值設(shè)置

預(yù)警值的設(shè)置可幫助軟件小程序端對于超限數(shù)據(jù)進(jìn)行報警處理。其可設(shè)置路基點計算結(jié)果預(yù)警值、橋墩點計算結(jié)果預(yù)警值-單墩、橋墩點計算結(jié)果預(yù)警值-雙墩、偏差預(yù)警值，點擊“保存設(shè)置”，即可保存。預(yù)警值設(shè)置頁面如圖13所示。

4 ?結(jié) ?論

本文開發(fā)了一套利于現(xiàn)場進(jìn)行軌道線性管理的智能化系統(tǒng)，主要根據(jù)軌道下部結(jié)構(gòu)位移變化推導(dǎo)軌道線形以及10 m弦、20 m弦數(shù)據(jù)，同時根據(jù)設(shè)定的預(yù)警值，在某工況下一旦超出預(yù)警值將進(jìn)行報警，顯示相關(guān)坐標(biāo)信息。本系統(tǒng)原理主要依賴于下部結(jié)構(gòu)的幾何尺寸關(guān)系，對于橋梁段，根據(jù)測量橋墩的位移變化計算出單墩與雙墩的位移值;而針對路基段則根據(jù)原始坐標(biāo)和測得的路基段水平變化值和垂直變化值推出現(xiàn)坐標(biāo)，并利用相關(guān)幾何線形關(guān)系求解出路基段10 m弦指標(biāo)與20 m弦指標(biāo)。通過對該原理進(jìn)行編碼實現(xiàn)，則能夠僅輸入軌道下部結(jié)構(gòu)位移值，自動計算線形變化，并對下部結(jié)構(gòu)位移超限值進(jìn)行報警處理。該系統(tǒng)包括兩個數(shù)據(jù)端，小程序端可以實時查看橋墩及路基的單次測量位移變化值、累計位移值，以及計算得到的10 m弦數(shù)據(jù);Web網(wǎng)頁端可以進(jìn)行原始數(shù)據(jù)及其他部分?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)入、編輯與查看，同時也可以設(shè)定報警值。本文介紹了該系統(tǒng)的開發(fā)原理、功能描述以及小程序端、Web網(wǎng)頁端的頁面設(shè)計。該系統(tǒng)的開發(fā)為工務(wù)人員進(jìn)行現(xiàn)場軌道線形管理提供了便利，大大提高了現(xiàn)場工作效率與監(jiān)測的可靠性。

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作者簡介：王綱（1972—），男，漢族，上海人，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：土木工程、軌道交通結(jié)構(gòu)施工等。