高速鐵路運營期精測網復測及沉降監測信息管理系統開發研究

楊緒成

(中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860)

1 概述

目前，我國高速鐵路運營里程位居世界第一，擁有世界上最繁忙的高鐵運營網絡。因此，高速鐵路運營期間的復測和監測是一項任務量大且極其重要的工作。

高速鐵路運營期精測網復測的內容包括：線下CPⅠ、線上CPⅡ平面坐標復測，線下水準基點、線上水準基點高程復測[1-3]，軌道控制網(CPⅢ)平面和高程的測量。此外，還有普查性沉降監測和重點地段變形監測[4-5]。

高速鐵路運營期精測網復測及沉降監測有期次頻繁、數據量大、數據種類多等特點，單靠傳統的表格、文件很難分析和管理海量的數據。如何高效分析和管理這些數據，需要有一整套信息管理系統，做到自動化、網絡化和高效化。隨著計算機技術的日益發展，依托信息化技術可以更好地規范精測網復測和監測工作，增強數據的時效性、科學性，提高監測質量，為鐵路運營安全管理提供及時的反饋信息，確保線橋設備狀態良好及車輛安全、平穩運行。

汪延彬[6-7]等利用web技術和GIS技術開發了京滬高鐵沉降信息管理系統，采用了ajax技術及Google地圖服務。該系統將沉降信息與網絡信息技術結合，可實現動態監測。但是，該研究僅針對高速鐵路建設期，沒有延長至運營期。黃澤純[8]等、朱忠林[9]等的研究也是針對建設期的沉降觀測與評估。田寧[10]對高速鐵路運營期路基沉降監測與沉降驗算平臺的計算方法進行了分析?？飯F結[11]等對自動化監測系統在某高速鐵路運營監測中的應用進行了探討。而對高速鐵路運營期精測網復測及沉降監測數據管理的系統開發研究較少。

2 關鍵技術

本系統采用B/S(瀏覽器/服務器)架構，基于ASP.NET C#開發平臺[12]，并應用Ajax、百度地圖API[13]、ECharts[14]、DevExpresss等技術，采用Microsoft SQL Server 2008[15]進行數據管理，嚴格按照軟件開發流程完成系統的開發。

2.1 百度地圖API

是一套由JavaScript語言編寫的應用程序接口，可在網站中構建功能豐富、交互性強的地圖應用，支持PC端和移動端基于瀏覽器的地圖應用開發。開發者申請密鑰(ak)即可免費使用。

百度地圖API包含了構建地圖基本功能的各種接口，如基本地圖功能：展示(支持2D圖、3D圖、衛星圖)、平移、縮放、拖拽等；覆蓋物功能：支持在地圖上添加/刪除點、線、面、熱區、行政區劃、用戶自定義覆蓋物等；開源庫提供富標注、標注管理器、聚合marker、自定義覆蓋物等功能。

百度地圖API的優勢包括：海量地圖數據和空間數據，占用內存少、CPU負荷小，地圖應用控件化，數據接口豐富，用戶自定義程度高，獨有的事件處理機制等。

2.2 Ajax技術

傳統的Web應用是建立在HTTP上的，頁面中用戶的每一次操作都將觸發一次HTTP請求(Request)和一個響應(Response)，然后返回一個HTML頁面。瀏覽器每次都必須刷新整個頁面來顯示內容，頁面頻繁刷新使得系統不流暢，也增加了傳輸負荷。Web應用的傳統模型如圖1所示。

圖1 Web應用的傳統模型

Ajax技術推翻了傳統的Web模式，服務器收到請求后，只向客戶端傳送小部分數據，不需重新載入整個頁面，以得到更加流暢的用戶體驗。瀏覽器與服務器端的請求和響應將通過Ajax引擎異步完成。Web應用的Ajax模型如圖2所示。

圖2 Web應用的Ajax模型

2.3 ECharts圖形開發技術

ECharts是一個使用JavaScript實現的開源可視化庫，可以流暢地運行在PC和移動設備上，兼容當前絕大部分瀏覽器(IE8/9/10/11，Chrome，Firefox，Safari等)，底層依賴輕量級的矢量圖形庫ZRender，提供直觀、交互豐富、可高度個性化定制的可視化圖表，如折線圖、柱狀圖、散點圖、餅圖、K線圖等，可以對數據進行多維度數據篩取、視圖縮放、展示細節等交互操作。通過增量渲染技術(4.0+)，配合各種細致的優化，ECharts能夠展現千萬級的數據量，并且在這個數據量級依然能夠進行流暢的縮放平移等交互。

3 系統功能設計

3.1 系統主要功能

系統包含了運營期精測網復測及沉降監測數據管理與分析的各項功能。

(1)基本信息功能：包括線路概覽，通知公告，用戶管理，坐標轉換。

(2)工程管理功能：包括工程區段，重點區段，文件管理。

(3)水準基點數據管理功能：包括成果管理，文件管理。

(4)CP0/CPⅠ/CPⅡ數據管理：包括成果管理，文件管理。

(5)CPⅢ數據管理：包括成果管理，文件管理。

(6)沉降監測數據管理：包括斷面屬性，監測高程，工作基點，文件管理。

(7)沉降監測數據分析：包括斷面高程、區段高程、斷面沉降、區段沉降、差異沉降、橫向沉降差、統計分析、預警提示。

3.2 地圖顯示與定位

將地理位置在百度地圖上顯示之前，必須進行坐標轉換。外業測量的坐標點是高斯平面坐標，首先要根據坐標轉換參數，將平面坐標轉換為WGS84坐標。但百度地圖使用的并不是WGS84坐標，而是經加密后的坐標。因此，還要將WGS84坐標轉換為百度坐標(通過百度地圖提供的專用轉換方法進行轉換)。本系統中提供了坐標轉換接口。

在地圖上顯示的內容主要包括：用百度地圖API提供的Polyline繪制的整條線路；，用Polyline繪制的工程區段，如路基、橋梁、隧道、重點區段等；用不同顏色區分不同類型區段，標注其名稱，并添加信息窗口顯示其屬性；車站為獨立點，應標注其位置和名稱，并添加信息窗口顯示其屬性。各類要素可以選擇顯示或隱藏。

對于地圖，除了顯示必要的線路位置和屬性信息，還應該提供豐富的交互功能，以便于查詢數據。輸入要查詢的起點里程和終點里程，可以定位到相應的線路位置。輸入要查詢的屬性名稱，可以定位到該位置。定位到線路位置后，可以查詢CPⅢ點和監測點的高程、沉降值、累計沉降、預警信息等，查詢的結果將在信息窗口中顯示。

在地圖界面中可以實現不同線路的切換，查看不同線路。地圖界面提供了豐富的數據顯示與數據查詢和交互功能，在系統中起到了重要的“紐帶”作用，通過地圖界面，可以更加直觀和方便地查詢和分析數據。

百度地圖中的某運營高速鐵路如圖3所示，藍色表示路基，黃色表示橋梁，綠色表示隧道，紅色(加粗)表示重點區段。

圖3 百度地圖中的某運營高速鐵路

3.3 數據管理與操作

采用SQL Server 2008數據庫管理所有數據。

本系統可同時管理多條線路，對每條線路單獨建立一個數據庫，并采用數據表分類管理各項數據。根據系統功能，主要的數據表包括：用戶信息數據表，工程區段數據表，重點區段數據表，工程文件數據表，斷面屬性數據表，監測高程數據表，工作基點數據表，監測文件數據表，水準基點數據表，水準文件數據表，CPⅢ成果數據表，CPⅢ文件數據表，CP0/CPⅠ/CPⅡ成果數據表，CP0/CPⅠ/CPⅡ文件數據表。

沉降監測期次頻繁，數據量大，系統可提供友好的數據操作方法，包括上傳、下載、編輯、添加、刪除、查詢等。①上傳：上傳的數據文件格式為excel文件，各類數據有具體的格式內容要求。可一次上傳多個數據文件，上傳的數據保存在數據庫中，同時在客戶端表格中顯示。②下載：用戶在瀏覽器端可以方便地將服務器端數據下載到本地電腦，可以任意選擇要下載的數據行。③編輯：用戶在瀏覽器端可以方便地對數據進行編輯。④添加：除了上傳文件，用戶還可以直接在瀏覽器端輸入要添加的行。⑤刪除：用戶可以在瀏覽器端刪除一行或多行數據。⑥查詢：系統提供了多種查詢方式，包括模糊查詢，單列查詢，組合查詢等。

3.4 沉降監測數據分析

系統提供了多種分析方式，包括斷面高程、區段高程、斷面沉降、區段沉降、差異沉降、橫向沉降差、統計分析、預警提示等，可將分析的結果以表格、圖形等豐富的形式表達，并將預警信息以郵件形式發送。

①斷面高程：對單個斷面按期次繪制高程曲線，用于分析單個斷面高程隨時間變化的趨勢，可一次選擇多個斷面。

②區段高程：用于分析線路沿里程方向的高程趨勢，也可將多期的數據繪制在一個圖上進行比較。

③斷面沉降：對單個斷面按期次繪制沉降曲線，用于分析單個斷面隨時間變化的沉降趨勢，可一次選擇多個斷面。

④區段沉降：用于分析線路沿里程方向的沉降趨勢，也可將多期的數據繪制在一個圖上進行比較。圖4為某運營高速鐵路區段沉降趨勢曲線，對不同沉降值分區間用不同顏色表示。

圖4 某運營高速鐵路區段沉降趨勢曲線

⑤差異沉降：指相鄰兩個斷面沉降量的差值，還可根據差異沉降計算縱向折角。

⑥橫向沉降差：同一斷面右側沉降量與左側沉降量的差值。

⑦統計分析：用于統計各區間沉降值的個數，以柱狀圖或餅圖的方式呈現。在進行統計分析時，需要設定統計區間(系統默認設定一組統計區間)，用戶可根據需要自主設定統計區間。

⑧預警提示：根據設定的預警區間進行紅橙黃三級預警并將預警結果發送到用戶郵箱(紅色為一級預警，橙色為二級預警，黃色為三級預警)。

采用JavaScript語言進行ECharts圖形開發，可用折線圖、柱狀圖、餅圖等多種形式表示?？蛇M行放大縮小操作?？勺詣佑嬎阕畲笾?、最小值、平均值。一張圖上可同時顯示多期數據。

3.5 角色權限管理

任何一條運營高速鐵路的精測網復測及沉降監測工作，都是由各個不同角色的單位共同完成的，包括鐵路局、設備管理單位、測量單位、評估單位等。每個用戶所能操作的功能和管轄的范圍均有區別。因此，需根據實際要求對每類用戶設置不同的權限，包括里程權限和功能權限。

首先設定管理員權限。管理員擁有所有的里程權限和功能權限。普通用戶只能管理職權之內的線路和里程范圍。

除里程權限外，還可對各自的功能權限進行細分。如測量單位只能上傳數據，不能修改數據等。

4 結束語

高速鐵路運營期精測網復測及沉降監測信息管理系統為復測及監測數據的管理、查詢、分析、統計、預警提供了綜合平臺，各個單位均可在該平臺上進行操作，保證了數據的時效性、準確性、完整性，并提供了多種分析方法，可即時分析測量數據的變化規律及演變趨勢，并適時調整監測周期。該系統將先進的計算機技術與傳統的測繪工作緊密結合，使測量工作的信息化得到進一步拓展。可以預見，隨著信息技術的不斷深入發展，傳統測繪工作將會更加自動、智能、高效。