運營高鐵重點監測地段云評估系統設計與實現

焦雄風 馬 龍 金衛峰 陳 錚 張獻州

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院,成都 611756; 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063;3.上海鐵路北斗測量工程技術有限公司,上海 200070; 4.西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯合工程實驗室,成都 611756)

1 概述

長期以來,測量數據管理手段落后、數據分析能力單一,是測量數據評估單位重點關注并亟待改善的問題?？衫眯畔⒒侄蝸斫鉀Q上述問題,已有學者開展相關研究,馬龍關注于變形監測數據的管理和分析,將變形監測數據云分析系統成功應用于傳統變形監測項目的數據管理[1];張宇昕基于BIM技術研究高速鐵路監測數據的可視化[2];丁晶等探索測量精細化管理平臺在廣州城市規劃方面的應用[3];何偉等研究大數據信息平臺在地災監測方面的應用[4]?；谏鲜鲅芯?著眼于運營高速鐵路重點監測地段評估工作流程,針對現實業務需求,開發一種運營高速鐵路重點監測地段云評估系統,以期對鐵路測量數據管理和分析提供一種新的思路。

2 評估業務流程

運營高速鐵路重點監測地段評估工作主要涉及評估大綱的制定、測量單位的測量實施方案審批、外業測量方法的科學指導,以及測量成果的質量評價等[5],其流程如圖1所示。

圖1 評估工作流流程

運營高速鐵路的測量工作內容豐富、流程復雜,且對測量成果有較高的精度要求和時效要求[6],而通過人工的方式對海量測量成果進行計算分析和管理,難免會存在紕漏和延誤[7]。

為避免上述問題,開發一種運營高鐵重點監測地段云評估系統,利用云計算資源,對評估工作的每一個環節進行高效控制,以實現評估工作的標準化、精確化、分析多元化。

3 系統總體設計

3.1 總體架構

系統基于ASP.NET框架進行開發,采用B/S邏輯結構,分為數據管理層、APP服務層、用戶體驗層,如圖2所示。數據管理層使用MySQL數據庫對測量信息和用戶信息進行儲存。測量信息主要包括測量單位名稱、運營高鐵重點監測地段項目名及里程段信息、監測點的種類、數量以及不同維度測量數據等;用戶信息主要包括用戶名和密碼、用戶所屬測量單位、具體聯系方式、以及不同用戶管理權限的設置等。APP服務層主要包括針對評估工作實際需求,開發的各種應用模塊,其代碼托管在Mcrisoft.Net Framework4.5集成環境下,采用SqlSugar 5.0 ORM框架下的數據庫訪問技術。該層可根據用戶體驗層的請求進行響應,并從底層數據庫中調用相應數據滿足用戶需求。用戶體驗層主要包括網頁界面設置以及與APP服務層之間的連接代碼,采用AJAX(網頁異步更新)技術,僅需用戶簡單的點擊相應模塊按鈕,就能瀏覽云端傳輸過來的分析結果和數據[8]。

圖2 系統總體架構

3.2 數據庫設計

系統數據庫采用MySQL5.6版本,建立單數據庫分表存儲模型,表與表之間通過表單自動生成的ID作為主鍵進行關聯。根據評估工作流程及測量數據種類不同,分別設計多個表單存儲數據,這些表單通過視圖進行聯合顯示,視圖是一種虛擬表單,通過視圖進行查詢操作,不僅可以提高查詢相應速度,而且能提高實體表單的安全性[9]。數據庫表單結構信息見表1。

表1 數據庫表單結構信息

3.3 主要功能設計

平臺主要功能包括點位和期次數據顯示、測量數據云分析、工程概況信息管理、評估相關文檔管理、預警信息顯示、預警信息推送等?？苫緷M足運營高鐵重點監測地段評估工作中各個環節的需求。

(1)點位和期次數據顯示

系統將測量數據按點位和期次的形式進行顯示。點位形式是指將某條運營高鐵線路某個監測地段的所有監測點,按里程從小到進行排列,每個監測點包含該點所有期次的測量數據;期次形式是指將某條運營高鐵線路某個監測地段的測量數據按期次進行顯示,每期包含該段所有監測點的測量數據。這樣既能滿足期次信息的統計,又能滿足針對某個點位變形趨勢的分析[10],如圖3、圖4所示。

圖3 點位信息顯示

圖4 期次信息顯示

(2)測量數據云分析

實際評估過程中,在利用本地平差軟件對測量數據進行精度評定的同時,也希望利用Kalman濾波、BP神經網絡等算法模型對測量數據進行分析,準確把握數據變化趨勢,了解數據真實變化情況,以更加多元化的處理方法對測量數據進行科學分析。

根據以上需求,基于點位數據顯示的功能,將抗差Kalman濾波、BP神經網絡[11]機器學習算法搭載到云端,實現對監測點的測量數據進行在線云分析。該功能以圖表的形式,將算法分析結果進行直觀明了的快速展示,使評估人員能準確把握監測點的實際情況,如圖5所示。

圖5 在線云分析

(3)非結構化數據管理

經統計,某測段實際評估工作中產生的非結構化數據多達8T,包括工程概況、評估報告,以及原始數據文件、測量成果表、測量規范、測量實施方案等相關文件。對于上述龐大的數據量,利用云盤來進行存儲是目前較為可行的方案[12]。一般情況下,云盤的存儲容量可達上百T,還可根據需要進行擴容,且能在線實時查看、上傳、下載文件,具有更加便捷,穩定可靠的特點。將云盤內嵌到平臺主程序中,用戶通過點擊鏈接,就能實時登錄云盤進行相關操作,功能界面如圖6所示。

圖6 云盤管理功能

(4)預警信息顯示及推送

對運營高速鐵路重點地段進行監測的主要目的是及時發現鐵路病害隱患,保證運營高速列車安全平穩行駛。因此,實時評估、實時預警十分重要[13]。

結合云圖、郵箱、微信小程序,開發了一套實時預警功能。①在前期,將設計好的云圖、微信小程序與數據庫進行連接并內嵌到系統主程序中,一旦發現監測值達到預警值,就可以自動報送負責平臺的技術人員,并進行后端入庫操作。②入庫完成后,通過云圖實時展現預警信息,供決策者瀏覽;同時,小程序會將預警信息實時推送,保證評估團隊所有成員及時知曉相關預警信息。③預警信息經評估團隊核實后,即可將預警信息通過郵箱報送相關單位。

4 平臺實現

基于上述設計,采用MySQL5.6版本的數據庫軟件、navicat數據庫管理工具、Microsoft Visual Studio2019開發工具,C#、HTML、CSS,JavaScript等語言進行平臺開發。完成開發后,在本地發布打包,將應用壓縮包放置到云服務器根目錄中解壓。云服務器配置為2核,4GB內存,鏡像操作系統為windows server 2012 R2 數據中心版64位中文版,公網帶寬為10Mbps,利用Windows系統自帶的IIS(Internet Information Services 互聯網信息服務)發布系統,登錄界面如圖7所示。登錄該系統時,不需要用戶下載任何附帶插件,支持Chrome、IE、360等瀏覽器,考慮到系統的安全性,采用如下關鍵技術進行保障。

圖7 風險源影像與GIS地圖相匹配的示例

圖7 登錄界面

4.1 云數據庫部署

系統數據庫部采用云端部署形式,數據庫地址設置為云服務器內網IP地址。數據庫登錄驗證方式為“用戶名+密碼”,由專門人員進行數據錄入,并對數據進行加密操作,解密方法內置于系統主程序中,以保證數據的安全性。這種云數據庫不僅能方便技術人員隨時進行數據庫操作,突破本地操作的約束,還能提高數據庫容災能力,減小數據丟失的風險[14]。

4.2 安全組設置

安全組是指虛擬的防火墻對服務器配置安全組,以有效阻止惡意攻擊系統的行為發生。將系統安全組的網絡類型設置為專有網絡VPC,入站規則設置只對評估團隊內部的IP地址及特定軟件的訪問請求開放,出站規則設置只對有限端口開放[15]。上述安全組配置策略,可保證服務器里的應用安全平穩運營。

4.3 工程實例

某高速鐵路重點沉降監測地段位于浙江省金華市西部。該段長1.412km,共設41個觀測斷面,262個監測點,利用高精度水準儀及精密水準尺進行周期性測量,監測內外業精度均符合相關規定。

利用平臺對該期數據進行分析,步驟如下:①由技術人員將該期平差后的數據進行入庫和加密;②負責該重點沉降監測地段的評估人員登錄平臺進行查看;③利用“點位和期次數據顯示”和“測量數據云分析”功能對數據進行可視化展示和分析;④將某些沉降變化達到預警值的監測點進行記錄,并通過小程序發送到全體評估人員的手機上;⑤經評估團隊總負責人核實后,評估工程師編寫評估報告,將分析的結果及結論通過平臺報送集團公司審閱;⑥最后將評估報告和成果資料上傳平臺云盤進行保存。

相較于之前的評估工作流程,該系統可消除流程中人工操作的不規范性,杜絕誤預警,提高評估團隊內部協調性和工作效率。

5 結語

運營高速鐵路重點監測地段評估工作流程復雜,僅靠人工管理的方式不僅效率低下,還存在數據丟失、評估遺漏等問題?；谏鲜鰡栴},利用云計算,開發一種運營高速鐵路重點監測地段云評估系統。該系統不僅能解決上述問題,滿足評估工作所需,還能以多元化的分析手段保障評估工作的嚴密性、可靠性,打造一套科學高效的評估方法,完善評估工作不足。但系統還存在數據庫管理專業性較強、入庫方式較單一等缺點,如何解決這一問題是接下來研究的重點。