重載鐵路多源檢測數據綜合管理及分析系統設計

徐鵬，劉國躍，王浩然

(1. 國能朔黃鐵路發展有限責任公司 檢測救援分公司，河北 肅寧 062350；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081；3. 中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081)

0 引言

重載鐵路具有發車密度大和大重量負載的特點，導致線路基礎設施故障易發，這就對線路的安全檢測和維護提出了更高的要求[1]。采用專業檢測設備對線路進行檢測并充分利用檢測數據掌握設備狀態和變化趨勢，是鐵路基礎設施綜合檢測技術向數字化、全息化、智能化方向發展的必然趨勢[2-4]。隨著綜合檢測數據的不斷積累，數據體量日益增長，現場對不同專業檢測數據綜合分析運用，更大限度挖掘數據綜合價值的需求愈發迫切。結合現場調研分析來看，重載鐵路綜合檢測數據管理和綜合運用主要存在以下問題：①各類檢測設備都有獨立的數據展示與應用管理系統，但都相對分散，缺乏綜合管理和運用的手段和軟件工具；②不同專業檢測數據之間相互孤立，數據文件格式不統一，檢索規范不統一，不同專業數據之間關聯分析運用存在壁壘，難以達到多專業檢測數據互相補充、關聯應用的目的[5-6]；③不同專業的檢測數據之間數據關聯運用的業務場景不清晰，如何通過數據關聯運用更加充分地挖掘檢測數據的綜合價值亟待深入研究[7-8]。

因此，為了滿足多源檢測數據管理、數據可視化、數據間關聯對比及融合分析等需求[9-11]，實現檢測數據綜合價值挖掘、降低數據分析成本、提高數據分析效率的目標，研究多源數據關聯分析方法，探索多專業融合應用業務場景，設計開發了重載鐵路多源檢測數據綜合管理及分析系統，實現檢測數據的集中管理和綜合分析。

1 系統功能

面向重載鐵路多專業檢測數據綜合管理、展示與應用需求，研究各類綜合檢測專業數據治理清洗方法，實現檢測數據規范存儲、歸集管理與目錄歸檔，形成數據資源全景圖；構建多源檢測數據關聯基準，并以時間、空間坐標為索引，搭建檢測數據、基礎臺賬數據、行車數據的綜合展示平臺，統合各專業分析報表，形成綜合分析報告；挖掘檢測數據綜合運用業務場景，按典型場景定制系統應用模塊，為數據綜合管理與應用提供工具支撐。

鐵路基礎設施檢測包括軌道幾何參數、接觸網幾何參數、軌道設備外觀巡檢、接觸網設備外觀巡檢等多種設備。目前各檢測系統工作業務流程相對獨立，涵蓋了檢測數據采集、數據文件存儲、偏差數據生成、檢測結果報告發布等功能。為實現各檢測數據綜合運用，系統設計以單系統生成的原始檢測數據文件治理為分析對象，通過構建數據管理、解析、展示、關聯和導出的全業務流程，實現數據綜合展示與應用，具體功能設計如下。

（1）數據管理。掃描檢測數據文件的存儲路徑、文件名、頭文件等關鍵信息，提取關鍵屬性作為文件索引；建立數據資源目錄，對外提供文件關鍵屬性索引，為檢測數據文件規范化管理與數據共享提供基礎。

（2）數據解析。統合檢測數據解析方式，形成標準的數據讀取、存儲中間件，由檢測數據文件解析模塊管理各類數據文件的讀取與存儲接口，降低檢測文件數據格式與上層應用的耦合度，便于后期數據存儲格式的調整與上層應用系統的擴展。

（3）數據展示。抽象各類檢測數據的展示模式，形成針對不同模式的展示基礎模塊，便于后續展示基礎模塊的維護與擴展；組合、調用展示基礎模塊，附加各自業務場景應用，形成適用于各種應用場景的業務展示。

（4）數據關聯。利用數據定位索引，串聯各類檢測數據文件，建立基于一個空間、時間坐標系下各類檢測數據文件的關聯展示體系；關聯外部運行信息、臺賬信息以及其他信息，通過關聯展示體系進行統一展示。

（5）數據導出。在數據管理與解析的基礎上，依據用戶需求，對檢測數據文件進行切割，導出分段數據文件；利用檢測結果與檢測文件，生成檢測報告與記錄；提供對外數據資源列表，為外部系統提供數據接口服務。

2 系統功能和技術架構

2.1 功能架構

重載鐵路多源檢測數據綜合管理及分析系統以服務檢測數據的高效、綜合運用為目標，以綜合檢測車載系統獲得的檢測數據為輸入對象，設計了數據歸集、信息交互、集中存儲、數據展示和關聯運用等核心功能模塊。系統總體架構搭建采用組件化設計模式構建。其總體架構如圖1所示。

圖1 總體架構Fig.1 Overall architecture

（1）數據歸集模塊。綜合檢測數據主要來源于綜合檢測車以及各類專業檢測車等檢測設備。車載檢測系統包含了軌道幾何參數、接觸網幾何參數、軌道巡檢圖像、線路環境視頻、車輛加速度振動響應、線路限界等檢測數據，檢測數據生成過程中與檢測線路、里程、檢測時間等基礎數據綁定。各檢測系統按照自身文件格式定義存儲成檢測數據文件。同時在檢測車安裝部署數據歸集系統，在檢測過程中將檢測數據實時歸集到固定的車載服務器并通過數據傳輸系統存儲到地面。

（2）信息交互模塊。信息交互模塊為全車檢測數據提供統一的時間、里程等綜合性系統信息。該模塊將檢測數據和線路典型臺賬信息融合，包括曲線直緩點與緩直點、隧道進口和出口、接觸網支柱、橋梁等區段位置，便于檢測數據后期的融合管理運用。

（3）集中存儲模塊。集中存儲模塊用于檢測數據文件的歸類管理和數據資源目錄整理。集中存儲單元支持磁盤動態擴容，支持包括視頻、圖片、二進制、文本、xml文件以及數據庫等多種數據格式。系統通過對數據進行自動分類生成資源目錄。針對綜合檢測數據存儲規模大、產生速度快、數據多樣化等特點，集中存儲單元采用千兆網絡、固態磁盤等技術，支持外部多并發、高帶寬的數據訪問，滿足多源數據同步展示的高性能、低延時的運用需求。

（4）數據展示模塊。數據展示模塊是綜合檢測數據可視化的核心模塊，是檢測數據展示和分析的基礎業務單元。根據數據類型的共性特點，將其分為波形類、圖像類、點云類、視頻類以及臺賬類、偏差類等多種數據，全面覆蓋了各專業檢測的主要數據模態內容，能夠支持全專業檢測數據的綜合可視化展示。檢測數據可視化模型對應關系如表1所示。

表1 檢測數據可視化模型對應關系Tab.1 Correspondence between visualization models of detection data

（5）關聯展示模塊。關聯展示模塊是實現多源數據融合分析的主要模塊，該模塊實現多源數據的時空同步、融合展示、協同分析、關聯展示、歷史對比分析等功能。綜合檢測專業關聯體系分為空間關聯和時間關聯兩種，前者基于里程定位系統建立統一的里程空間坐標體系，后者基于時間同步系統建立統一的采樣點時間坐標體系。用戶可以根據不同檢測專業的數據特點自主選擇按照空間進行數據關聯，也可以按照時間進行數據關聯。通過統一關聯坐標體系，系統具有良好的適用性和擴展能力，用戶可以自定義任意需要關聯的檢測專業，輔助檢測數據分析，提高缺陷判別效率。

2.2 技術架構

為確保數據訪問的實時性，系統軟件功能設計采用C/S架構和SQL Server數據庫引擎。系統技術架構如圖2所示。系統支持各類檢測專業實時數據文件和任意歷史數據文件的高性能讀寫，充分考慮了多源數據同步讀寫和融合展示性能要求，采用了分片緩存、分層繪制等計算機圖形學技術，具有展示流暢、數據調閱高效、便利等優點。關鍵技術包括以下3個方面。

圖2 系統技術架構Fig.2 System technology architecture

（1）數據管理技術。檢測數據管理技術主要解決不同檢測系統數據錄入系統的格式規范化管理問題，同時要兼顧數據導入便利性。在具體實現上，通過建立檢測文件資源管理目錄，并重新定義數據存儲、校驗和檢索規則，實現了檢測數據入庫后的自動關聯。數據任務目錄的建立以文件的基礎任務信息為索引，通過檢測時間、線路名稱、里程區段的標識進行自動分組對齊，并建立共享的哈希表確保數據檢索效率。在檢測數據文件導入過程中，系統可同步將檢測過程中生成的線路設備偏差信息解析入庫，并建立文件和數據信息之間的關聯索引，確保用戶可直接調閱、瀏覽文件和檢測結果，并快速生成檢測報表。

（2）數據展示技術。構建面向業務需求的多專業檢測數據關聯及高效綜合分析的UI系統是數據展示模塊要解決的關鍵問題。在數據展示組件的設計上，通過分析不同檢測系統的數據格式及線路設備數據，通過定制化組件實現對多源數據的兼容展示。系統組件設計采用面向對象的設計模式，根據檢測數據共同屬性定義基類和統一的數據交互接口，采用子類繼承的設計方法兼容不同專業差異特征。基于上述組件化架構，采用展示組件靈活組合的模式支撐綜合關聯展示需求的多樣性。系統可支持同專業不同系統、不同專業檢測系統的關聯應用分析。可支持的典型運用模式包括接觸網幾何和巡檢關聯、軌道幾何和巡檢關聯、幾何參數的歷史對比、線路限界點云和視頻關聯、軌道幾何和鋼軌廓形關聯等。系統還支持展示布局管理，能夠靈活配置專業類型、窗口位置、布局名稱等。

（3）線路臺賬和檢測數據關聯技術。檢測數據和線路設備臺賬的關聯運用是進一步發揮檢測數據指導線路運維的關鍵環節。系統設計采用了基于特征點配準以及基于機器視覺識別的兩種關聯方法。基于特征點配準的方法主要應用于波形類數據和線路特殊區段的配準，通過識別波形上顯著特征來標識其對應的道岔、曲線、接觸線錨段等特殊部位。基于機器視覺的關聯方法則通過識別視頻類數據中的典型目標特征，如應答器、接觸網支柱、軌旁設備等，為檢測數據和線路臺賬的精確關聯提供精確參考。

2.3 模塊集成設計

模塊集成設計如圖3所示。在用戶發起綜合展示請求時，系統依據用戶選擇的檢測數據文件，調用文件解析工具解析非結構化檢測文件數據，調用數據庫工具讀取結構化檢測結果數據，并利用檢測數據管理模塊形成文件數據流和查詢結果流，傳遞給數據綜合展示相對應的展示模塊進行繪圖，實現用戶查看多種檢測數據的需求。

圖3 模塊集成設計Fig.3 Module integration design

2.4 流程設計

系統在使用流程上提出了簡單化、人性化、智能化目標。多源數據管理系統不同于單一的檢測專業管理系統，具有集成性、復雜性、多樣性等數據和操作特點，必須設計良好的數據展示流程，簡化用戶操作，提高系統的實用性，數據展示流程如圖4所示。為了讓用戶能夠便捷地使用本軟件進行數據查看，系統提供多種自動匹配與預處理功能。在瀏覽檢測數據時，用戶點擊文件管理或者點擊最近打開數據的快捷方式，系統通過檢測任務、專業選擇等篩選樹，快速引導用戶選擇期望查看的檢測數據，在選擇檢測數據后，軟件根據所選的數據類型自動匹配適合的展示樣式，同時軟件可以根據用戶選擇的不同種類數據，匹配預設的顯示模式進行數據展示。

3 多源數據關聯方法

多源數據時空關聯的主要任務是確定不同檢測數據中表征同一線路設備或線路物理空間狀態的具體參數段。在綜合檢測數據的產生過程中，由于各檢測系統工作流程相對孤立，各系統對同步信號、線路設備臺賬特征信息變化的處理方式不一致，會造成基于里程單一特征信息進行關聯檢索時出現大幅偏差。基于此，系統設計了一套校準機制，構建多源檢測數據的時空關聯基準，實現不同檢測數據的精確對齊。

（1）檢測文件分組歸檔。不同系統檢測文件的分組歸檔是對數據進行綜合管理的前提。以生成檢測數據的檢測任務為關鍵索引，通過算法掃描識別各類檢測數據文件的檢測線路、行別、里程增減、檢測時間、開始里程、結束里程等關鍵信息，然后通過對比校驗根據相關性因子進行歸類分組，實現檢測數據的初始同步。

（2）檢測數據元的時空對齊。在檢測文件分組歸檔完成的基礎上，進一步解析文件中單個數據元的時空屬性信息，實現不同系統檢測數據在時空基準上的準確對齊。多源檢測數據關聯對齊計算方法如圖5所示。通過分析數據區段特征并進一步融合線路的臺賬數據分析特征點確定對應關聯位置，將不同檢測數據歸一到統一的線路設施空間坐標系并進行統一的展示輸出。在關聯對齊的基礎上，能夠根據某一數據文件自動調出關聯專業的對應數據進行聯合分析，為有效識別數據異常和缺陷、提高傷損確認提供支撐。

圖5 多源檢測數據關聯對齊計算方法Fig.5 Method for aligning and associating multi-source detection data

（3）不同檢測任務數據對齊。對不同檢測任務的檢測數據進行對齊，是研究線路設備病害設備發展趨勢和規律的前提條件。系統通過嵌入智能識別模塊，通過圖像配準、曲線波形特征點匹配等算法，自動實現兩次檢測任務數據的自動對齊。基于圖像匹配不同檢測周期數據關聯方法如圖6所示。圖6左圖中檢測到扣件移位缺陷，通過圖像配準計算自動關聯了另一期檢測數據中同一軌枕位置的扣件并發現該缺陷已經存在。通過跨期對比分析實現了對設備病害的追溯管理。

圖6 基于圖像匹配不同檢測周期數據關聯方法Fig.6 Method for data correlation based on image matching across different detection cycles

4 系統應用

服務于檢測數據分析和管理現場，系統部署在朔黃鐵路(神池南—黃驊港)綜合檢測中心開展試運用。結合現場典型業務要求，設計了波形類檢測數據和圖像類數據關聯分析、檢測數據跨周期對比分析、多專業數據關聯對比分析共3種典型應用場景。

4.1 波形和圖像類數據關聯分析

波形類數據多用于表征軌道或者接觸網的幾何狀態變化，多為一種定量描述參數變量。圖像類數據則為觀察設備特征有無及外觀狀態好壞提供了直觀的可視化特征。以地磁磁通量信號狀態檢測為綜合分析對象，將磁通量強度探測傳感器與對應的軌道巡檢圖像進行同屏聯動展示。根據磁通量信號波形異常點同步調閱對應圖像，可在圖像中直接查看地磁設備，為分析異常信號產生原因提供依據。波形和圖像類數據關聯分析界面如圖7所示。

圖7 波形和圖像類數據關聯分析界面Fig.7 Interface for correlation analysis of waveform and image-type data

4.2 檢測數據跨周期對比分析

分析同一段線路的不同時間的檢測數據是掌握線路狀態變化規律，把握病害發展趨勢的重要手段。系統提供了加載同一條線路兩次檢測數據的對比分析功能，通過關聯對齊后可通過精細對比分析發現設備檢測參數量值的突變點，掌握設備狀態隨時間的發展變化情況。相同線路、不同次檢測數據跨周期對比分析界面如圖8所示。

圖8 檢測數據跨周期對比分析界面Fig.8 Interface for cross-cycle comparative analysis of detection data

4.3 多專業數據關聯對比分析

結合基礎設施現場運維經驗來看，軌道幾何變化會對接觸網接觸線高度產生一定的影響。因此對軌道幾何參數和接觸網幾何參數進行融合分析，剔除軌道幾何對接觸網檢測結果的干擾，有助于準確判斷接觸網檢測結果發生變化的原因，針對具體問題對接觸網作業制定相應的施工方案。多專業數據關聯對比分析界面如圖9所示。

圖9 多專業數據關聯對比分析界面Fig.9 Interface for correlation and comparative analysis of multidisciplinary data

5 結束語

以提升朔黃鐵路綜合檢測數據綜合管理與運用效率為目標，針對現有檢測數據相互孤立、關聯困難等問題，設計開發了多專業檢測數據綜合管理和運用平臺。通過對多源檢測數據進行自動歸集、規范存儲、分類管理與解析，形成檢測數據資源全景圖，打破不同專業檢測數據互通互聯的壁壘。通過融合檢測數據、行車信息和臺賬數據，以時間、空間坐標索引構建統一空間坐標，搭建了檢測數據關聯展示和融合分析框架，實現了檢測數據共享、綜合可視化、跨專業對比分析、歷史追溯分析等應用功能。鐵路基礎設施綜合檢測數據管理分析系統已在朔黃鐵路投入運用，顯著提升了檢測數據分析效率，為進一步挖掘檢測數據綜合利用價值，保障重載鐵路基礎設施運營的安全穩定提供了技術支撐。