運(yùn)營(yíng)高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段云評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦雄風(fēng) 馬 龍 金衛(wèi)峰 陳 錚 張獻(xiàn)州

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,成都 611756; 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063;3.上海鐵路北斗測(cè)量工程技術(shù)有限公司,上海 200070; 4.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,成都 611756)

1 概述

長(zhǎng)期以來(lái),測(cè)量數(shù)據(jù)管理手段落后、數(shù)據(jù)分析能力單一,是測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)估單位重點(diǎn)關(guān)注并亟待改善的問(wèn)題。可利用信息化手段來(lái)解決上述問(wèn)題,已有學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究,馬龍關(guān)注于變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理和分析,將變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)云分析系統(tǒng)成功應(yīng)用于傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)管理[1];張宇昕基于BIM技術(shù)研究高速鐵路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化[2];丁晶等探索測(cè)量精細(xì)化管理平臺(tái)在廣州城市規(guī)劃方面的應(yīng)用[3];何偉等研究大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)在地災(zāi)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用[4]?；谏鲜鲅芯?著眼于運(yùn)營(yíng)高速鐵路重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段評(píng)估工作流程,針對(duì)現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)需求,開(kāi)發(fā)一種運(yùn)營(yíng)高速鐵路重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段云評(píng)估系統(tǒng),以期對(duì)鐵路測(cè)量數(shù)據(jù)管理和分析提供一種新的思路。

2 評(píng)估業(yè)務(wù)流程

運(yùn)營(yíng)高速鐵路重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段評(píng)估工作主要涉及評(píng)估大綱的制定、測(cè)量單位的測(cè)量實(shí)施方案審批、外業(yè)測(cè)量方法的科學(xué)指導(dǎo),以及測(cè)量成果的質(zhì)量評(píng)價(jià)等[5],其流程如圖1所示。

圖1 評(píng)估工作流流程

運(yùn)營(yíng)高速鐵路的測(cè)量工作內(nèi)容豐富、流程復(fù)雜,且對(duì)測(cè)量成果有較高的精度要求和時(shí)效要求[6],而通過(guò)人工的方式對(duì)海量測(cè)量成果進(jìn)行計(jì)算分析和管理,難免會(huì)存在紕漏和延誤[7]。

為避免上述問(wèn)題,開(kāi)發(fā)一種運(yùn)營(yíng)高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段云評(píng)估系統(tǒng),利用云計(jì)算資源,對(duì)評(píng)估工作的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行高效控制,以實(shí)現(xiàn)評(píng)估工作的標(biāo)準(zhǔn)化、精確化、分析多元化。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)基于ASP.NET框架進(jìn)行開(kāi)發(fā),采用B/S邏輯結(jié)構(gòu),分為數(shù)據(jù)管理層、APP服務(wù)層、用戶體驗(yàn)層,如圖2所示。數(shù)據(jù)管理層使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)量信息和用戶信息進(jìn)行儲(chǔ)存。測(cè)量信息主要包括測(cè)量單位名稱、運(yùn)營(yíng)高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段項(xiàng)目名及里程段信息、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的種類、數(shù)量以及不同維度測(cè)量數(shù)據(jù)等;用戶信息主要包括用戶名和密碼、用戶所屬測(cè)量單位、具體聯(lián)系方式、以及不同用戶管理權(quán)限的設(shè)置等。APP服務(wù)層主要包括針對(duì)評(píng)估工作實(shí)際需求,開(kāi)發(fā)的各種應(yīng)用模塊,其代碼托管在Mcrisoft.Net Framework4.5集成環(huán)境下,采用SqlSugar 5.0 ORM框架下的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)。該層可根據(jù)用戶體驗(yàn)層的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng),并從底層數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)滿足用戶需求。用戶體驗(yàn)層主要包括網(wǎng)頁(yè)界面設(shè)置以及與APP服務(wù)層之間的連接代碼,采用AJAX(網(wǎng)頁(yè)異步更新)技術(shù),僅需用戶簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊相應(yīng)模塊按鈕,就能瀏覽云端傳輸過(guò)來(lái)的分析結(jié)果和數(shù)據(jù)[8]。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL5.6版本,建立單數(shù)據(jù)庫(kù)分表存儲(chǔ)模型,表與表之間通過(guò)表單自動(dòng)生成的ID作為主鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)。根據(jù)評(píng)估工作流程及測(cè)量數(shù)據(jù)種類不同,分別設(shè)計(jì)多個(gè)表單存儲(chǔ)數(shù)據(jù),這些表單通過(guò)視圖進(jìn)行聯(lián)合顯示,視圖是一種虛擬表單,通過(guò)視圖進(jìn)行查詢操作,不僅可以提高查詢相應(yīng)速度,而且能提高實(shí)體表單的安全性[9]。數(shù)據(jù)庫(kù)表單結(jié)構(gòu)信息見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)表單結(jié)構(gòu)信息

3.3 主要功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)主要功能包括點(diǎn)位和期次數(shù)據(jù)顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)云分析、工程概況信息管理、評(píng)估相關(guān)文檔管理、預(yù)警信息顯示、預(yù)警信息推送等?？苫緷M足運(yùn)營(yíng)高鐵重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段評(píng)估工作中各個(gè)環(huán)節(jié)的需求。

(1)點(diǎn)位和期次數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)按點(diǎn)位和期次的形式進(jìn)行顯示。點(diǎn)位形式是指將某條運(yùn)營(yíng)高鐵線路某個(gè)監(jiān)測(cè)地段的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn),按里程從小到進(jìn)行排列,每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含該點(diǎn)所有期次的測(cè)量數(shù)據(jù);期次形式是指將某條運(yùn)營(yíng)高鐵線路某個(gè)監(jiān)測(cè)地段的測(cè)量數(shù)據(jù)按期次進(jìn)行顯示,每期包含該段所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。這樣既能滿足期次信息的統(tǒng)計(jì),又能滿足針對(duì)某個(gè)點(diǎn)位變形趨勢(shì)的分析[10],如圖3、圖4所示。

圖3 點(diǎn)位信息顯示

圖4 期次信息顯示

(2)測(cè)量數(shù)據(jù)云分析

實(shí)際評(píng)估過(guò)程中,在利用本地平差軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)定的同時(shí),也希望利用Kalman濾波、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,準(zhǔn)確把握數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),了解數(shù)據(jù)真實(shí)變化情況,以更加多元化的處理方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析。

根據(jù)以上需求,基于點(diǎn)位數(shù)據(jù)顯示的功能,將抗差Kalman濾波、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]機(jī)器學(xué)習(xí)算法搭載到云端,實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線云分析。該功能以圖表的形式,將算法分析結(jié)果進(jìn)行直觀明了的快速展示,使評(píng)估人員能準(zhǔn)確把握監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況,如圖5所示。

圖5 在線云分析

(3)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理

經(jīng)統(tǒng)計(jì),某測(cè)段實(shí)際評(píng)估工作中產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)多達(dá)8T,包括工程概況、評(píng)估報(bào)告,以及原始數(shù)據(jù)文件、測(cè)量成果表、測(cè)量規(guī)范、測(cè)量實(shí)施方案等相關(guān)文件。對(duì)于上述龐大的數(shù)據(jù)量,利用云盤(pán)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)是目前較為可行的方案[12]。一般情況下,云盤(pán)的存儲(chǔ)容量可達(dá)上百T,還可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)容,且能在線實(shí)時(shí)查看、上傳、下載文件,具有更加便捷,穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。將云盤(pán)內(nèi)嵌到平臺(tái)主程序中,用戶通過(guò)點(diǎn)擊鏈接,就能實(shí)時(shí)登錄云盤(pán)進(jìn)行相關(guān)操作,功能界面如圖6所示。

圖6 云盤(pán)管理功能

(4)預(yù)警信息顯示及推送

對(duì)運(yùn)營(yíng)高速鐵路重點(diǎn)地段進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主要目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路病害隱患,保證運(yùn)營(yíng)高速列車安全平穩(wěn)行駛。因此,實(shí)時(shí)評(píng)估、實(shí)時(shí)預(yù)警十分重要[13]。

結(jié)合云圖、郵箱、微信小程序,開(kāi)發(fā)了一套實(shí)時(shí)預(yù)警功能。①在前期,將設(shè)計(jì)好的云圖、微信小程序與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接并內(nèi)嵌到系統(tǒng)主程序中,一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值達(dá)到預(yù)警值,就可以自動(dòng)報(bào)送負(fù)責(zé)平臺(tái)的技術(shù)人員,并進(jìn)行后端入庫(kù)操作。②入庫(kù)完成后,通過(guò)云圖實(shí)時(shí)展現(xiàn)預(yù)警信息,供決策者瀏覽;同時(shí),小程序會(huì)將預(yù)警信息實(shí)時(shí)推送,保證評(píng)估團(tuán)隊(duì)所有成員及時(shí)知曉相關(guān)預(yù)警信息。③預(yù)警信息經(jīng)評(píng)估團(tuán)隊(duì)核實(shí)后,即可將預(yù)警信息通過(guò)郵箱報(bào)送相關(guān)單位。

4 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

基于上述設(shè)計(jì),采用MySQL5.6版本的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、navicat數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具、Microsoft Visual Studio2019開(kāi)發(fā)工具,C#、HTML、CSS,JavaScript等語(yǔ)言進(jìn)行平臺(tái)開(kāi)發(fā)。完成開(kāi)發(fā)后,在本地發(fā)布打包,將應(yīng)用壓縮包放置到云服務(wù)器根目錄中解壓。云服務(wù)器配置為2核,4GB內(nèi)存,鏡像操作系統(tǒng)為windows server 2012 R2 數(shù)據(jù)中心版64位中文版,公網(wǎng)帶寬為10Mbps,利用Windows系統(tǒng)自帶的IIS(Internet Information Services 互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù))發(fā)布系統(tǒng),登錄界面如圖7所示。登錄該系統(tǒng)時(shí),不需要用戶下載任何附帶插件,支持Chrome、IE、360等瀏覽器,考慮到系統(tǒng)的安全性,采用如下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行保障。

圖7 風(fēng)險(xiǎn)源影像與GIS地圖相匹配的示例

圖7 登錄界面

4.1 云數(shù)據(jù)庫(kù)部署

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)部采用云端部署形式,數(shù)據(jù)庫(kù)地址設(shè)置為云服務(wù)器內(nèi)網(wǎng)IP地址。數(shù)據(jù)庫(kù)登錄驗(yàn)證方式為“用戶名+密碼”,由專門(mén)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作,解密方法內(nèi)置于系統(tǒng)主程序中,以保證數(shù)據(jù)的安全性。這種云數(shù)據(jù)庫(kù)不僅能方便技術(shù)人員隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作,突破本地操作的約束,還能提高數(shù)據(jù)庫(kù)容災(zāi)能力,減小數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)[14]。

4.2 安全組設(shè)置

安全組是指虛擬的防火墻對(duì)服務(wù)器配置安全組,以有效阻止惡意攻擊系統(tǒng)的行為發(fā)生。將系統(tǒng)安全組的網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置為專有網(wǎng)絡(luò)VPC,入站規(guī)則設(shè)置只對(duì)評(píng)估團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的IP地址及特定軟件的訪問(wèn)請(qǐng)求開(kāi)放,出站規(guī)則設(shè)置只對(duì)有限端口開(kāi)放[15]。上述安全組配置策略,可保證服務(wù)器里的應(yīng)用安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)。

4.3 工程實(shí)例

某高速鐵路重點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)地段位于浙江省金華市西部。該段長(zhǎng)1.412km,共設(shè)41個(gè)觀測(cè)斷面,262個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),利用高精度水準(zhǔn)儀及精密水準(zhǔn)尺進(jìn)行周期性測(cè)量,監(jiān)測(cè)內(nèi)外業(yè)精度均符合相關(guān)規(guī)定。

利用平臺(tái)對(duì)該期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,步驟如下:①由技術(shù)人員將該期平差后的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)和加密;②負(fù)責(zé)該重點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)地段的評(píng)估人員登錄平臺(tái)進(jìn)行查看;③利用“點(diǎn)位和期次數(shù)據(jù)顯示”和“測(cè)量數(shù)據(jù)云分析”功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示和分析;④將某些沉降變化達(dá)到預(yù)警值的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行記錄,并通過(guò)小程序發(fā)送到全體評(píng)估人員的手機(jī)上;⑤經(jīng)評(píng)估團(tuán)隊(duì)總負(fù)責(zé)人核實(shí)后,評(píng)估工程師編寫(xiě)評(píng)估報(bào)告,將分析的結(jié)果及結(jié)論通過(guò)平臺(tái)報(bào)送集團(tuán)公司審閱;⑥最后將評(píng)估報(bào)告和成果資料上傳平臺(tái)云盤(pán)進(jìn)行保存。

相較于之前的評(píng)估工作流程,該系統(tǒng)可消除流程中人工操作的不規(guī)范性,杜絕誤預(yù)警,提高評(píng)估團(tuán)隊(duì)內(nèi)部協(xié)調(diào)性和工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)營(yíng)高速鐵路重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段評(píng)估工作流程復(fù)雜,僅靠人工管理的方式不僅效率低下,還存在數(shù)據(jù)丟失、評(píng)估遺漏等問(wèn)題?；谏鲜鰡?wèn)題,利用云計(jì)算,開(kāi)發(fā)一種運(yùn)營(yíng)高速鐵路重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地段云評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能解決上述問(wèn)題,滿足評(píng)估工作所需,還能以多元化的分析手段保障評(píng)估工作的嚴(yán)密性、可靠性,打造一套科學(xué)高效的評(píng)估方法,完善評(píng)估工作不足。但系統(tǒng)還存在數(shù)據(jù)庫(kù)管理專業(yè)性較強(qiáng)、入庫(kù)方式較單一等缺點(diǎn),如何解決這一問(wèn)題是接下來(lái)研究的重點(diǎn)。