鐵路路基沉降數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計

朱孝聰，王 翥

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 信息科學(xué)與工程學(xué)院，威海 264209）

隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的迅速發(fā)展，鐵路在交通運(yùn)輸和人們的出行生活中占據(jù)著重要的地位。鐵路路基是鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，因此對路基沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實時監(jiān)測是保障鐵路安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。路基沉降數(shù)據(jù)采集的主要方法有監(jiān)測樁法、沉降杯法、沉降板法等[1]，但是這些方法都存在缺點，后續(xù)需要消耗的人力資源比較大，并且無法實現(xiàn)長期的監(jiān)測。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了結(jié)合光學(xué)的方法和GPRS 遠(yuǎn)程傳輸?shù)穆坊两当O(jiān)測方案，其測量精度高，但是安裝測點的成本也高，且由于環(huán)境限制，實施條件苛刻。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了基于LoRa 的路基沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其功耗低、穩(wěn)定性高，但是LoRa 模塊在野外的故障率很高，現(xiàn)場維護(hù)困難。近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動通信技術(shù)飛速發(fā)展，并具有低功耗、廣覆蓋等優(yōu)點，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，萬物互聯(lián)已是必然的趨勢，在上述基礎(chǔ)上本文設(shè)計了基于RS485 和4G-DTU 的鐵路路基沉降數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。每條監(jiān)測路線有多臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備和1 個數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，1 條路線的數(shù)據(jù)匯聚到1 個點，然后通過4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

對比了幾種常用的數(shù)據(jù)采集方法，最終選取壓差式靜力水準(zhǔn)儀作為數(shù)據(jù)采集單元。選取的壓差式靜力水準(zhǔn)儀型號為HC-D300，量程為0.2～1500 mm，精度為±0.2 mm，分辨率為0.001 mm，系統(tǒng)誤差為±0.3 mm，通信方式有RS-485 和RS-232 兩種。它由儲液器、高精度感應(yīng)器、處理模塊、保護(hù)罩等部件組成。壓差式靜力水準(zhǔn)儀的工作原理是利用連通液進(jìn)行沉降觀測[3]，多支連通管連接在一起的儲液面總是在同一水平面上，通過測量不同儲液罐的液面高度，經(jīng)過計算可以得出各個靜力水準(zhǔn)儀的相對差異高度值。工作原理如圖2所示，A1、B1、C1 為靜力水準(zhǔn)儀初始狀態(tài)，A2、B2、C2 為沉降狀態(tài)。

圖2 靜力水準(zhǔn)儀工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of static level

1.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳實現(xiàn)

對于現(xiàn)場的本地數(shù)據(jù)傳輸，需要將所有的水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)匯聚到1 個節(jié)點。由于本地通信距離比較近，因此可以采取近距離無線通信或者有線通信的方式。近距離無線通信方式包括ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、LoRa 等方式，有線通信包括RS485 和RS232。其中藍(lán)牙、WiFi 和RS232 的通信距離短，不符合本設(shè)計的要求；LoRa 和ZigBee 這2 種常用的無線通信技術(shù)具有自主在免費(fèi)頻段搭建網(wǎng)絡(luò)、通信距離長且功耗低等優(yōu)點，但是在野外布設(shè)存在現(xiàn)場維護(hù)困難的問題；所以最終選擇RS485 有線傳輸作為本地的數(shù)據(jù)傳輸方式，RS485 通信距離最大可達(dá)1200 m，滿足本設(shè)計的要求。RS485 只支持串行總線式結(jié)構(gòu)，采用1 條雙絞線作為總線將所有的靜力水準(zhǔn)儀串接起來，同時為了避免信號反射、使引出的線的信號對總線信號影響最小，連接的時候需要注意讓總線到每個水準(zhǔn)儀之間的距離盡可能短。

通過水準(zhǔn)儀將數(shù)據(jù)采集上來后，下一步要將數(shù)據(jù)利用遠(yuǎn)距離無線通信方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)端。常用的遠(yuǎn)距離無線通信方式有GPRS、NB-IoT、衛(wèi)星通信、4G、5G 等[4]。GPRS 的通信速率滿足需求，但是在通信信號差的地方信號比較弱，存在通信死角；5G通信速度快，但覆蓋范圍不夠廣，且費(fèi)用比較高；NBIoT 與4G 相比，NB-IoT 一次傳輸數(shù)據(jù)量較少，當(dāng)水準(zhǔn)儀數(shù)量很多時，很難滿足實時采集的要求。所以本設(shè)計選擇傳輸速率較快、信號更穩(wěn)定且價格較便宜的4G 作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信方式。

本研究選用的4G 遠(yuǎn)傳設(shè)備為4G-DTU，型號為USR-G780 V2，傳輸速率為1200 bps～460800 bps，工作溫度為-25 ℃～75 ℃，端口包含RS485 和RS232，滿足設(shè)計需求。4G-DTU 與靜力水準(zhǔn)儀通過RS485總線連接，如圖3所示。

圖3 4G-DTU 與靜力水準(zhǔn)儀連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of connection between 4G-DTU and static level

1.3 云端監(jiān)測模塊

云端監(jiān)測模塊為B/S 架構(gòu)，即利用網(wǎng)頁可以查看路基沉降的狀態(tài)。同時還可以看到測點累積沉降變化量的曲線圖，對沉降有一個更直觀的觀測。當(dāng)累積沉降量達(dá)到設(shè)定的閾值時，立即將情況反饋給上級。云端監(jiān)測模塊還提供歷史數(shù)據(jù)的下載，為后續(xù)路基沉降擬合預(yù)測提供便利。

2 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計

2.1 上位機(jī)采集數(shù)據(jù)程序

在上位機(jī)端，利用Java socket 與4G-DTU 通信將數(shù)據(jù)采集上來，上位機(jī)作為服務(wù)端，4G-DTU 作為客戶端。由于原生的socket 較為簡單，本設(shè)計采用Netty 框架來完成通信。Netty 是一個高性能、異步事件驅(qū)動的NIO 框架，專門針對TCP 協(xié)議下的高并發(fā)應(yīng)用，使得整個通信過程更加的穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程Fig.4 Data collection flow chart

首先在服務(wù)端啟動監(jiān)聽端口，當(dāng)監(jiān)聽到4G-DTU的連接請求時通過TCP 的3 次握手來完成連接。連接成功后，4G-DTU 給服務(wù)器發(fā)送自己的注冊包號，用此注冊包來區(qū)分不同的DTU。后續(xù)即可對4G-DTU發(fā)送指令來讀取水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)，流程中Sleep 等待為自定義的循環(huán)采集間隔時長。在通信協(xié)議方面本設(shè)計采用Modbus 通信協(xié)議作為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用層的協(xié)議。將數(shù)據(jù)采集上來后，首先通過CRC-16 校驗確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸無誤，再將數(shù)據(jù)解析存入數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)使用。

2.2 監(jiān)測頁面顯示

在監(jiān)測頁面，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)自動生成曲線圖，實現(xiàn)對沉降數(shù)據(jù)的直觀展示。曲線包括2種，一是每個測點每天的沉降趨勢圖，二是所有測點的實時沉降數(shù)據(jù)圖，可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行查看。此外還可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，包括日報表、周報表和月報表等。

2.3 自動化預(yù)警

根據(jù)需求將預(yù)警值按照嚴(yán)重程度由大到小分為3 級：紅色監(jiān)測預(yù)警、橙色監(jiān)測預(yù)警、黃色監(jiān)測預(yù)警。按照控制值的90%、75%、60%作為3 個等級的預(yù)警值。當(dāng)累計沉降達(dá)到預(yù)警值的時候，系統(tǒng)發(fā)出警告，及時通知工作人員加以分析解決，同時傳輸測點位置信息與實際情況，方便施工人員及時處理。

3 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

3.1 粗大誤差檢驗

對于任意監(jiān)測系統(tǒng)，其觀測數(shù)據(jù)或多或少都會存在粗大誤差[5]。為了防止誤差數(shù)據(jù)對后續(xù)變形分析產(chǎn)生不良的影響，在變形分析開始之前有必要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將粗大誤差進(jìn)行剔除。3σ 準(zhǔn)則具有簡單實用的優(yōu)點，因此在粗大誤差檢驗中應(yīng)用較為廣泛。下面介紹3σ 準(zhǔn)則剔除粗大誤差的原理。

對于觀測序列｛x1，x2，…，xn｝，描述該序列數(shù)據(jù)變化特征為

這樣由N 個觀測數(shù)據(jù)可得到（N-2）個dj。然后由dj的值可以計算出序列變化統(tǒng)計的均值和方差σ，計算公式為

那么dj偏差的絕對值與均方差的比值為

如果qj>3，那么認(rèn)為此xj為粗大誤差值，要予以剔除。

選用的工程實例為膠州鐵路路基某一監(jiān)測點半年的沉降數(shù)據(jù)，共24 期，見表1。

表1 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Settlement monitoring data

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，通過3σ 準(zhǔn)則計算出該測點的沉降數(shù)據(jù)沒有奇異值，可以繼續(xù)進(jìn)行下一步的處理。

3.2 數(shù)據(jù)平滑去噪處理

在信號測量和傳輸過程中，或多或少都會遇到噪聲和干擾。因此在進(jìn)行預(yù)測前還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，才能更好地實現(xiàn)預(yù)測。下面介紹幾種常用的去噪方法，并利用這些方法對已有的實際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，下文對比分析不同方法的去噪效果。

（1）滑動平均法

滑動平均法（moving average）又稱移動平均法，是一種時域上的信號平滑方法。算法的原理為通過順序逐期增減新舊數(shù)據(jù)求移動平均值，用來消除偶然誤差[6]。

窗口一般為對稱窗口，同時防止出現(xiàn)相位偏差，窗口一般為奇數(shù)。由于本工程數(shù)據(jù)量較多，因此采用五點、七點和九點滑動平均濾波。下面以三點滑動平均公式為例，原數(shù)據(jù)為x，平滑后的數(shù)據(jù)為y：

將表1的24 期數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動平均濾波后得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 滑動平均法去噪效果圖Fig.5 Moving average method denoising effect picture

（2）小波去噪法

小波變換作為一種繼承傅里葉變換局部化思想的新的變換方法[7]，其克服了在變換過程中窗口大小不能隨著頻率而改變的缺點。在變換的時候，通過對輸入信號進(jìn)行伸縮變換和平移運(yùn)算后，可以實現(xiàn)信號頻率的多層細(xì)化，不僅可以實現(xiàn)信號頻段在高頻處進(jìn)行時間細(xì)分和在低頻處頻率細(xì)分的目的，而且可以實現(xiàn)自動適應(yīng)時頻信號分析的各種要求。

小波去噪過程主要分為以下3 個步驟：①小波或小波包的分解；②設(shè)定各層細(xì)節(jié)的閾值；③重構(gòu)信號。

根據(jù)上述小波去噪步驟，利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行小波去噪處理，結(jié)果如圖6所示。

圖6 小波去噪效果圖Fig.6 Wavelet denoising effect diagram

小波去噪的優(yōu)點是能夠在去除噪聲的同時最大程度地保護(hù)有用數(shù)據(jù)或信息不丟失。

上文分析了幾種不同的去噪方法，并用不同的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接下來對比分析哪個方法更適用于本工程實際應(yīng)用。

相關(guān)系數(shù)是判斷曲線擬合程度的好壞，分別將五點滑動平均濾波、七點滑動平均濾波、九點滑動平均濾波以及小波去噪后的數(shù)據(jù)用不同方法進(jìn)行擬合，并計算相關(guān)系數(shù)判斷哪種去噪方法在本工程實例應(yīng)用中效果最好。采用的曲線擬合方法為雙曲線法、灰色GM 法和灰色verhulst 法。

雙曲線法是將路基沉降數(shù)據(jù)與觀測時間之間的關(guān)系用雙曲線函數(shù)表示出來。其數(shù)學(xué)方程為

式中：St為觀測時刻t 的沉降量；S0為初期沉降量；a，b 為實測數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線擬合求得的系數(shù)。

灰色理論可以對事物的發(fā)展變化做出模糊性的預(yù)測分析[8]，因此可以采用灰色模型基于動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)路基沉降擬合預(yù)測分析?；疑碚搩蓚€重要的模型是灰色GM 模型和灰色verhulst 模型，分別利用這兩個模型進(jìn)行擬合分析。

采用相關(guān)系數(shù)反應(yīng)實測數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的密切程度。表2為擬合后的相關(guān)系數(shù)的對比。

表2 相關(guān)系數(shù)R 對比Tab.2 Correlation coefficient R comparison

由表2可以看出，九點滑動平均濾波法在本工程實例中有更好的去噪效果?；瑒悠骄阌趯崟r處理非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，本研究選取的路基沉降數(shù)據(jù)較為不平穩(wěn)，因此滑動平均去噪法有更好的效果。對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列預(yù)處理的目的是為了方便后續(xù)進(jìn)行預(yù)測研究的工作。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的以靜力水準(zhǔn)儀為采集單元、RS485為現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸方式、4G-DTU 為數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元的路基沉降監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以快速、精準(zhǔn)地掌控鐵路路基的實時狀態(tài)，幫助工作人員迅速定位路基沉降地點并做出預(yù)警決策，降低因災(zāi)害帶來的生命安全及財產(chǎn)損失。同時也解決了傳統(tǒng)方法存在的工作量大、距離受限等問題，具有高精度、全天候等優(yōu)點，同時將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成功應(yīng)用于本系統(tǒng)設(shè)計中，具有很重要的實際意義以及廣闊的發(fā)展前景。本文還對實際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，包括粗大誤差的剔除和噪聲的處理，得到的結(jié)論是，在本工程實際應(yīng)用中，九點滑動平均濾波的效果優(yōu)于其他去噪方法，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.952，滿足要求。對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的目的是方便未來進(jìn)行預(yù)測的工作的研究，給后續(xù)工作提供了便利。