鐵路路基凍脹監測數據處理系統的開發

張聰穎 柳忠杰

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

在嚴寒地區修建及運營鐵路，將面臨季節性凍土問題。通過對建設期及運營期鐵路路基的凍脹變形監測，分析其變形規律，可為軌道選型及運營安全提供依據。凍脹變形監測的主要項目有：地溫、變形量、含水量、水位數據等，亟需開發相關軟件，以便對試驗數據進行高效地匯集、管理、分析等。

1 軟件設計

1.1 功能需求

鐵路路基凍脹監測試驗項目中會有大量的監測數據需要匯集、管理、分析。由于沒有專用的試驗數據管理分析工具，只能通過Microsoft Excel、Origin等公共軟件人工輔助完成，效率低下，很難滿足生產需要。

為了解決上述問題，根據以往的監測試驗數據分析經驗，并考慮監測試驗項目中的各種需求，研發鐵路路基凍脹監測數據處理系統(簡稱為SGAnalyst)，主要解決以項目為單位的監測試驗數據的匯集、管理等問題，同時對監測試驗項目的斷面、測站、測點、采集箱等進行管理，以實現對監測數據各個維度上的分析，提高生產效率與工作質量，滿足生產需要。

1.2 主要技術路線

(1)SGAnalyst以DLL集形式提供，運行于自主開發的平臺之下[2-5]。

(2)系統基于Microsoft的Windows 2012 Server、Windows XP、Windows 7等操作系統，采用SQL Server開發局域網環境的數據庫系統，采用Access開發單機環境下的數據庫系統。

(3)基于對象模型技術(Object Modeling Technique， OMT)，采用信息隱蔽、高內聚低耦合等設計原則，合理組織類的派生、屬性及方法的繼承，以提高系統的可擴展性和靈活性[6-8]。

(4)SGAnalyst是以項目為單位進行組織，支持多項目處理。

(5)在一個客戶對話期，SGAnalyst以一個項目為單位進行操作。

1.3系統的架構

SGAnalyst總體邏輯結構如圖1所示。

圖1 鐵路路基監測數據處理系統總體結構

(1)項目管理

以鐵路路基監測項目為單位，將管理數據進行標準化處理后導入系統數據庫，提供數據檢查功能，然后對項目管理數據進行整理，以保證基礎數據的規范性和統一性，為后續操作提供數據服務。為了提高效率，在一個客戶對話期內，系統的管理數據常駐于內存，測點的監測結果數據可實時獲取。

(2)數據管理

以數據庫為核心，提供原始監測數據導入功能，同時檢查其有效性。原始監測數據必須經過導入、檢查、同步、剔除、甄選、整理等步驟，才可以進行后續的數據分析，這些操作的先后次序通過SGAnalyst在系統內部予以控制。

(3)數據分析

以數據庫為核心，針對分析者(測點)、分析數據和測站分析數據進行相應數據分析。其中，分析者(測點)分析數據是經過甄選的測點監測數據，包括每天的最大值、最小值、平均值、特定值；測站分析數據是根據分析者(測點)分析數據進一步計算出來的測站數據，主要指凍結深度類的數據。數據分析針對當前任務、當前數據篩選條件進行，以當前Chart樣式輸出圖形分析結果，同時支持以預定類型顯示表格分析數據，以項目樹形式展示當前監測項目的管理對象，點擊不同節點時，平面圖顯示模塊可以根據預定顯示比例顯示該節點附近平面圖或其他信息。項目樹節點支持選擇功能，可根據需求參與到數據分析之中。

2 軟件實現

2.1 管理方案

每個監測項目中，都有斷面、測站、測點(即單點傳感器)、采集箱、氣象站等基本信息，并且這些基本信息存在著隸屬關系。應先對各個信息之間的基本關系進行梳理，建立數據關系，從而達到利用任一信息進行查詢分析的目的。因此，對于大量的監測數據，科學系統的管理是十分必要的。

在開發路基凍脹監測數據處理系統之前，需要建立一套完善的管理機制，來滿足對監測數據的導入、導出、編輯、瀏覽、分析、查詢等需求。在建立的數據管理機制中，采用了多級管理：項目下設有監測類型，監測類型下設采集箱、氣象站、斷面，采集箱、氣象站、斷面下再設測站，測站下設有測點，管理層次簡潔、清晰。在項目管理的過程中，以數據庫為依托，將數據的全部基本信息納入到數據庫的管理之中，同時以關系清晰的樹形結構予以呈現。用戶可以利用屬性查詢分析數據，并可以利用測站自定義新的斷面來完成數據分析，滿足用戶不同的分析需求。

對于原始數據的導入，為方便傳感器廠家數據的接入，特別設置了橫表和縱表的格式，只要滿足任一格式，均能進行數據的導入。同時，也設置了對管理數據的檢查功能，當任一基本信息沒有可歸屬信息時均會報錯，提醒用戶對管理數據進行查看。

2.2 功能實現

軟件的系統功能結構主要由四大塊組成，分別為項目管理、數據管理、數據分析和其他相關配置。其中，項目管理部分的功能主要是了解監測項目概況，準備監測項目的管理數據并進行管理數據的導入。數據管理部分的功能主要是對原始觀測數據進行導入和處理。數據分析部分的功能主要是對定制數據進行分析，查詢分析結果等。其他部分的功能主要是對軟件功能的配置選擇等。

該軟件主要實現了以下功能：

(1)可支持多種鐵路路基監測項目，并滿足多種鐵路路基監測數據分析需求以及對分析成果的輸出需求，并可積累工作經驗，實現了程序應用廣泛性和靈活高效性的協調統一。

(2)將各種鐵路路基監測數據分析需求按“三因素”模式進行合理組織與管理，構成完善的監測數據分析的任務化定制體系。在該體系的管理下，既可以根據用戶需求快速制定監測數據分析方案，又可實現監測數據分析經驗的積累。

(3)監測數據分析成果的折線圖繪制技術靈活、科學，將監測數據分析成果與分析成果的輸出分離開來，極大地滿足了用戶的各種需求。

(4)監測項目圖形信息的動態聯動顯示技術靈活、實用，相關數據的分揀方便、快捷，便于用戶對數據的實時分析。

(5)在軟件開發過程中，充分利用數據的內在聯系，盡量減少用戶與系統的交互。在不增加或少增加客戶操作的情況下，為用戶提供盡量多的“增值”服務。另外，建立了系統數據庫的自動備份機制，可確保數據安全以及意外情況下的數據恢復。

3 軟件應用

3.1 監測試驗概況

“鐵路路基凍脹監測數據處理系統”開發完成后，首先在哈爾濱至齊齊哈爾鐵路客運專線的路基凍脹監測項目中進行了試用。綜合考慮了全線的路基類型、地理位置、工程地質條件、路基工點分布情況等試驗條件，選擇了試驗條件相對較好、工程類型和措施涵蓋較全、受施工影響較小的段落為試驗段。其中，含設計斷面19個，安裝采集箱23個，測站304個，在路基體中安裝傳感器1 000多個(溫度計、凍脹計、土壤含水量測定儀、水位計等)，數據每4 h采集一次。

3.2 監測試驗數據準備

(1)對管理數據進行整理。按照要求將項目信息、氣象站信息、采集箱信息、斷面信息、測站信息、測點信息等匯集到管理數據表格中，建立基本信息及對應關系。

(2)將監測項目平面布置圖及說明圖等錄入到相應文件中，可以與監測點動態聯動顯示。

(3)利用“自動監測分析者原始數據表”進行數據采集頻率檢查，可以檢視當前現場傳感器的工作狀態。

3.3 監測數據結果分析

將原始監測數據同步為分析者數據后進行數據處理。

(1)按儀器量程控制、拉依達(PauTa)準則、人工等多種方式進行數據剔除。

(2)按最大值、最小值、平均值以及最接近于某時刻的特定值等四種特征值進行數據遴選；按各種特征值進行數據整理。

(3)自由定制監測數據分析任務。

①凍結深度分析：研究同一地溫孔、不同深度處地溫隨時間變化曲線，主要分析地溫沿深度方向的變化規律，掌握凍深發展過程。

以某一斷面的一個地溫傳感器數據為例，其埋設位置為地表下1 m，截取一段時間內的數據進行分析，利用辦公軟件進行分析，如圖2所示，軟件界面如圖3所示。

圖2 地溫隨時間變化

圖3 SGAnalyst界面分析

圖3中，a區為工作空間窗體；b區為數據篩選、分析參數設置及任務訂制區；c區為分析圖形顯示區；d區為分析數據顯示區；e區為平臺信息輸出顯示區。由分析可知，人工分析和軟件分析的圖形基本一致，當監測數據量大時，運用該軟件能夠顯著地提高工作效率。

②變形分析：分別對不同層位測試數據繪制變形與時間關系曲線，分析層厚、變形隨時間的變化關系，了解凍脹變形發生發展過程。

③含水量分析：對路基含水量數據進行分析，研究一個凍融周期內路基含水量變化規律。

④水位分析：對水位數據進行分析，研究一個凍融周期內路基含水量的變化規律。

(4)以折線圖的方式輸出監測數據分析成果，自由定制折線圖樣式，數據分析結果以數據表的形式顯示[9-10]。

[1] 陳則連，冷景巖.哈齊客運專線路基凍脹變形研究[J].路基工程，2014(6)：131-134

[2] 柳忠杰.數字化橫斷面的地質填繪[J].鐵道工程學報，2007(2)：21-24

[3] 柳忠杰.鐵路凍脹監測數據分析系統：中國，2015SR246383[P].2015-12-07

[4] 柳忠杰.地路軟件開發支持平臺：中國，2015SR247098[P].2015-12-07

[5] 中國鐵路設計集團有限公司.鐵路路基監測數據處理系統研究報告[Z].天津：中國鐵路設計集團有限公司，2017

[6] 李琳娜，王浩，梁偉.Visual C++編程實戰寶典[M].北京：清華大學出版社，2015

[7] 于萬波.軟件系統分析與實現(VC++版)[M].北京：清華大學出版社，2012

[8] 于萬波，于碩.計算機圖形學(VC++實現)[M].北京：清華大學出版社，2017

[9] 方加娟，鹿艷晶，安鵬.傳感器網絡中的節點能耗監測軟件設計與實現[J].現代電子技術，2017(6)：53-55

[10] 邵津，鄧芳，王千祥.一種基于模型的軟件系統監測方法[J].計算機研究與發展，2010(47)：1175-1183