軌道檢測波形綜合展示分析軟件的開發與應用

趙 鋼，趙國堂，徐貴紅，張 鵬，周志軍

(1.北京交通大學 土木工程學院，北京 100044;2.中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081;3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038;4.南昌鐵路局 工務檢測所，南昌 330002)

利用綜合檢測列車和軌道檢測車對線路進行周期性軌道檢測成為保障運營安全的重要手段，各級工務維修管理部門也越來越重視軌道檢測數據在指導工務維修工作中的作用。目前工務維修部門在進行各項維修作業前，都要對軌道不平順波形數據進行分析，以發現偏差原因，確定維修方案，不僅需要對多次歷史數據進行對比分析，發現局部軌道不平順變化趨勢，還需要能夠結合列車動力學響應數據進行綜合分析，找出引起晃車的軌道不平順。

針對工務部門的實際需求，研究開發了全新的軌道檢測波形綜合展示分析軟件。本文對軌道檢測波形綜合展示分析軟件的開發與應用情況進行簡要介紹，包括系統框架設計、功能特點和實際應用。

1 軌道檢測波形綜合分析系統概況

軌道檢測波形綜合分析展示軟件系統采用.Net技術開發，可在Windows操作系統環境下應用，實現了軌道檢測波形數據的多次歷史對比、設備臺賬綜合展示和多專業檢測波形綜合分析的功能，而且創造性地實現了基于線路特征點的里程校核功能，解決了困擾工務維修單位多年的難題。

按照軟件部署的方式，系統劃分為網絡和單機兩種，網絡模式是指在地面數據中心網絡環境下，在應用服務器上部署后臺服務軟件，實現對文件服務器集中存儲的軌檢及其他專業檢測波形數據的讀取和處理，并通過網絡為前端展示層提供數據服務;單機模式借鑒“媒體庫”形式，對本機上存儲的波形文件進行展示分析。除在地面進行應用外，該軟件還具有車載在線應用模式，在檢測車上應用，可實現軌道或其他專業檢測波形數據的實時訪問。

2 系統軟件框架設計

整個系統軟件架構采用基于C/S體系架構，系統設計采用框架式結構，包括數據處理層、網絡接口層和前端展示層，并且可以響應其他的外部數據請求，所有業務服務采用服務組件方式提供，采用多線程的解決方案。這樣的框架設計不僅具有良好的重用性，還可以保證將來系統功能的可擴展性，見圖1。

數據處理層由數據文件讀取解析模塊、數據庫訪問模塊和數據分析處理模塊組成。數據文件讀取解析模塊負責對實體數據文件的讀取，并對不同格式波形數據文件提供相應的解析模塊，目前除可以打開CIT格式文件外，還實現了STE和GEO格式波形文件的解析功能;數據庫訪問模塊封裝了對設備臺賬數據、偏差數據、索引及標注數據等存儲于數據庫內的記錄類數據的訪問接口，為后續的綜合展示功能提供數據來源;數據分析處理模塊是整個軟件系統的核心，實現了基于索引的里程修正處理和基于表達式的計算通道動態生成的功能，并且實現了與Matlab數值計算模塊的交互組件，可以充分利用科研人員在Matlab系統中研究形成的算法，實現對波形文件的復雜處理分析功能，目前已實現的算法包括:相關性計算、軌道譜計算、偏差動態評判和區段特征值計算。

網絡接口層采用 Socket通信協議+XML數據交換協議為前端展示層提供數據服務接口，包括網絡傳輸、通信調度、狀態監控、指令處理和數據封裝等模塊。在網絡接口層設計了一套數據訪問指令集，前端展示層的各種數據調用請求均以指令的形式傳輸到數據處理層。為實現對多個前端展示客戶端的支持，采用了連接池等技術手段保證數據的高效訪問和傳輸。

圖1 系統軟件架構

前端展示層以圖形化展示的方式實現各類具有里程信息的數據的綜合展示。根據不同數據的顯示特點分為三類:檢測波形類、設備臺賬類和數據集類。借鑒圖層的概念，即每個檢測波形文件為一個單獨的圖層，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置通道基線偏移值來確定各通道繪制位置。各層間可以進行里程平移，并具備自動里程同步功能。設備臺賬類和數據集圖層具有單獨的繪圖區域，既可以與波形類圖層并列顯示，也可疊加顯示。設備臺賬類圖層實現了曲線、坡度、道岔、橋梁等常用設備臺賬的圖形化展示，數據集類圖層可以加載軌檢偏差數據、添乘儀及晃車儀數據，以圖形化方式展示各類偏差，滿足綜合分析的需要。除綜合展示外，前端展示層還提供了放大、測量、打印、截圖等常用分析功能，并提供了分析結果標注、無效區段標注及索引設置功能。

3 功能特點及實際應用

軌道檢測波形數據中包含大量的對于指導線路養護維修具有重要意義的內容，但是目前對于軌檢波形數據的分析應用還很不充分，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據分析應用不夠的主要因素之一。通過對工務維修部門的大量調研，掌握在實際波形分析工作中的需求，本軟件系統在里程精確校核、多次歷史數據比對等方面取得了突破。

3.1 里程精確校核功能

無論是綜合檢測列車還是軌檢車，都是在動態運行的條件下完成軌道幾何檢測的，其里程系統通過LKJ、GPS等信息源獲取線路上定位點的實際里程，并通過軸頭編碼器的脈沖計數實現定位點之間的里程記距，各測點的間距理論上為25 cm。在實際應用中受到各種因素的影響，如GPS信號不良、輪徑測量誤差等，檢測數據中的里程往往會與實際里程存在一定的誤差，給維修部門查找現場病害帶來了困難。尤其是目前高鐵及客專線路普遍軌道不平順幅值較小，且維修天窗往往在夜間，里程信息的準確性成為提高應用水平的關鍵之一。

通過分析可知檢測數據中里程誤差的來源主要為兩個方面:即定位點里程的不準確和脈沖記距帶來的累計誤差。目前在高鐵及客專線路推廣的基于RFID射頻標簽的里程精確定位系統可以很好地解決定位點里程的精確性問題，但是對于其他線路，軌檢車仍然要依靠GPS結合人工校對的方式進行定位點里程修正。由于輪徑測量誤差帶來的累計誤差目前尚無很好的解決方案。

基于對線路的連續檢測得到的檢測數據必然對應于這一段線路的認識，利用線路特征點結合臺賬數據對檢測波形數據的里程進行重新校核是解決里程問題的重要思路。軌檢車上安裝有ALD設備，對于道岔、橋梁護軌等特定設備有明顯的響應，而且軌檢系統中曲率的測量與實際線路中的曲線有非常好的影響。通過設備臺賬，可以確知這些關鍵點的實際里程，對相鄰兩個關鍵點間的檢測數據進行里程平差，可以消除累計誤差。

基于這樣的思路，本軟件系統創造性地采用了動態索引技術，可以在不對檢測波形文件進行任何修改的前提下，通過數據分析人員設定的關鍵點索引，對檢測波形數據進行里程校核。

在完成了波形文件的里程校核后，軟件還可以對相應的軌道檢測導出文件中的偏差數據的里程信息進行矯正，并實現軌道質量指數的重新計算，這樣在進行后期數據分析中，能夠更加準確地掌握軌道質量的變化趨勢，避免由于里程的不準確帶來的分析誤差。

3.2 多次歷史數據比對功能

軌道質量狀態的變化是一個漸進的過程，很多道床或軌道板狀態的變化都會反映在軌道幾何狀態上，但是通過一次波形圖的對比往往不容易發現問題。通過多次，尤其是時間跨度較大的幾次檢測波形數據的對比，就能很容易發現持續發生變化的地段，結合現場的檢查，分析其產生發展的原因，有針對性地進行整治才能徹底消除病害。

3.3 其他的功能特點

軟件系統的數據分析處理模塊是一個擴展性很強的功能模塊，尤其是實現了與Matlab計算模塊的交互組件后，可以充分利用 Matlab強大的計算能力，軌道管理科研人員可以在Matlab中開發復雜的波形分析算法，如軌道譜、時頻分析等，通過組件的調用，波形分析軟件就能夠直接實現相應的計算功能。

軟件在完成主要功能點的開發即交付路局進行試用，后續的開發緊密結合實際運用，收集試用反饋，持續進行改進。通過這樣的方式，軟件的各項功能設計更加實用，對提高檢測數據分析的能力和效率都有很大幫助。傳統的波形查看軟件都是面對單一文件的，都是通過人工識別文件名來找出需要分析處理的文件。借鑒很多軟件中采用的“媒體庫”形式，在本地建立小型數據，通過波形文件頭中存儲的線名、檢測日期、檢測車等信息組織管理本地的檢測波形文件，能夠更加方便地打開所需要的波形文件，見圖2。

圖2 管理本地的檢測波形文件

軟件還具有其他的一些試用功能，如多通道測量、多次歷史測量、自動化截圖、人工標注等，這些功能在實現過程中都根據用戶反饋的建議進行反復地調整和完善，力圖保證用戶應用的便捷性。

4 結語

檢測波形綜合展示分析軟件是一個系統性軟件工程，目前仍有一些設計的功能未能完全實現，尤其是在自動化處理方面，比如根據設備臺賬自動化進行里程校核、基于多次歷史檢測數據自動化提取軌道幾何發生漸變的區段。這些功能已有完整的實現思路，均已納入下一階段的開發計劃中。其他列入開發計劃的功能還包括軌道精調小車和靜態檢查儀檢測數據的綜合展示和對比分析。

目前軟件已在綜合檢測涉及的各路局推廣應用，實踐證明軟件功能實用、操作便捷、運行穩定，能夠很好地應用于軌道質量狀態的精細化分析。軌道質量狀態的分析是工務維修部門永恒的主題，波形分析軟件的開發也是一個持續改進的過程，以開發引導應用，以應用促進開發，只有通過不斷的應用改進才能使之更加適應現場應用，才能更好地發揮檢測數據在指導養護維修中的作用。

［1］陳東生，田新宇.中國高速鐵路軌道檢測技術發展［J］.鐵道建筑，2008(12):82-86.

［2］孟亮.京廣線石家莊段軌檢車檢測數據分析及線路維修對策［J］.鐵道建筑，2007(6):95-96.

［3］趙鋼.軌道基礎設施動態檢測管理信息系統研究［J］.鐵道建筑，2005(2):45-47.