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        鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)

        2018-07-03 06:59:52張聰穎柳忠杰
        鐵道勘察 2018年3期
        關(guān)鍵詞:測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)

        張聰穎 柳忠杰

        (中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)

        在嚴(yán)寒地區(qū)修建及運(yùn)營(yíng)鐵路,將面臨季節(jié)性凍土問題。通過對(duì)建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期鐵路路基的凍脹變形監(jiān)測(cè),分析其變形規(guī)律,可為軌道選型及運(yùn)營(yíng)安全提供依據(jù)。凍脹變形監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目有:地溫、變形量、含水量、水位數(shù)據(jù)等,亟需開發(fā)相關(guān)軟件,以便對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效地匯集、管理、分析等。

        1 軟件設(shè)計(jì)

        1.1 功能需求

        鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目中會(huì)有大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要匯集、管理、分析。由于沒有專用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(chǎn)需要。

        為了解決上述問題,根據(jù)以往的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn),并考慮監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目中的各種需求,研發(fā)鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為SGAnalyst),主要解決以項(xiàng)目為單位的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯集、管理等問題,同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目的斷面、測(cè)站、測(cè)點(diǎn)、采集箱等進(jìn)行管理,以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各個(gè)維度上的分析,提高生產(chǎn)效率與工作質(zhì)量,滿足生產(chǎn)需要。

        1.2 主要技術(shù)路線

        (1)SGAnalyst以DLL集形式提供,運(yùn)行于自主開發(fā)的平臺(tái)之下[2-5]。

        (2)系統(tǒng)基于Microsoft的Windows 2012 Server、Windows XP、Windows 7等操作系統(tǒng),采用SQL Server開發(fā)局域網(wǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),采用Access開發(fā)單機(jī)環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

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

        (4)SGAnalyst是以項(xiàng)目為單位進(jìn)行組織,支持多項(xiàng)目處理。

        (5)在一個(gè)客戶對(duì)話期,SGAnalyst以一個(gè)項(xiàng)目為單位進(jìn)行操作。

        1.3系統(tǒng)的架構(gòu)

        SGAnalyst總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 鐵路路基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        (1)項(xiàng)目管理

        以鐵路路基監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為單位,將管理數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),提供數(shù)據(jù)檢查功能,然后對(duì)項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,以保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的規(guī)范性和統(tǒng)一性,為后續(xù)操作提供數(shù)據(jù)服務(wù)。為了提高效率,在一個(gè)客戶對(duì)話期內(nèi),系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)常駐于內(nèi)存,測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)獲取。

        (2)數(shù)據(jù)管理

        以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心,提供原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能,同時(shí)檢查其有效性。原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須經(jīng)過導(dǎo)入、檢查、同步、剔除、甄選、整理等步驟,才可以進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析,這些操作的先后次序通過SGAnalyst在系統(tǒng)內(nèi)部予以控制。

        (3)數(shù)據(jù)分析

        以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心,針對(duì)分析者(測(cè)點(diǎn))、分析數(shù)據(jù)和測(cè)站分析數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。其中,分析者(測(cè)點(diǎn))分析數(shù)據(jù)是經(jīng)過甄選的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),包括每天的最大值、最小值、平均值、特定值;測(cè)站分析數(shù)據(jù)是根據(jù)分析者(測(cè)點(diǎn))分析數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算出來的測(cè)站數(shù)據(jù),主要指凍結(jié)深度類的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析針對(duì)當(dāng)前任務(wù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)篩選條件進(jìn)行,以當(dāng)前Chart樣式輸出圖形分析結(jié)果,同時(shí)支持以預(yù)定類型顯示表格分析數(shù)據(jù),以項(xiàng)目樹形式展示當(dāng)前監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的管理對(duì)象,點(diǎn)擊不同節(jié)點(diǎn)時(shí),平面圖顯示模塊可以根據(jù)預(yù)定顯示比例顯示該節(jié)點(diǎn)附近平面圖或其他信息。項(xiàng)目樹節(jié)點(diǎn)支持選擇功能,可根據(jù)需求參與到數(shù)據(jù)分析之中。

        2 軟件實(shí)現(xiàn)

        2.1 管理方案

        每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中,都有斷面、測(cè)站、測(cè)點(diǎn)(即單點(diǎn)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(guān)系。應(yīng)先對(duì)各個(gè)信息之間的基本關(guān)系進(jìn)行梳理,建立數(shù)據(jù)關(guān)系,從而達(dá)到利用任一信息進(jìn)行查詢分析的目的。因此,對(duì)于大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),科學(xué)系統(tǒng)的管理是十分必要的。

        在開發(fā)路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之前,需要建立一套完善的管理機(jī)制,來滿足對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、編輯、瀏覽、分析、查詢等需求。在建立的數(shù)據(jù)管理機(jī)制中,采用了多級(jí)管理:項(xiàng)目下設(shè)有監(jiān)測(cè)類型,監(jiān)測(cè)類型下設(shè)采集箱、氣象站、斷面,采集箱、氣象站、斷面下再設(shè)測(cè)站,測(cè)站下設(shè)有測(cè)點(diǎn),管理層次簡(jiǎn)潔、清晰。在項(xiàng)目管理的過程中,以數(shù)據(jù)庫(kù)為依托,將數(shù)據(jù)的全部基本信息納入到數(shù)據(jù)庫(kù)的管理之中,同時(shí)以關(guān)系清晰的樹形結(jié)構(gòu)予以呈現(xiàn)。用戶可以利用屬性查詢分析數(shù)據(jù),并可以利用測(cè)站自定義新的斷面來完成數(shù)據(jù)分析,滿足用戶不同的分析需求。

        對(duì)于原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入,為方便傳感器廠家數(shù)據(jù)的接入,特別設(shè)置了橫表和縱表的格式,只要滿足任一格式,均能進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。同時(shí),也設(shè)置了對(duì)管理數(shù)據(jù)的檢查功能,當(dāng)任一基本信息沒有可歸屬信息時(shí)均會(huì)報(bào)錯(cuò),提醒用戶對(duì)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

        2.2 功能實(shí)現(xiàn)

        軟件的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要由四大塊組成,分別為項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和其他相關(guān)配置。其中,項(xiàng)目管理部分的功能主要是了解監(jiān)測(cè)項(xiàng)目概況,準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的管理數(shù)據(jù)并進(jìn)行管理數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。數(shù)據(jù)管理部分的功能主要是對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入和處理。數(shù)據(jù)分析部分的功能主要是對(duì)定制數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,查詢分析結(jié)果等。其他部分的功能主要是對(duì)軟件功能的配置選擇等。

        該軟件主要實(shí)現(xiàn)了以下功能:

        (1)可支持多種鐵路路基監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,并滿足多種鐵路路基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析需求以及對(duì)分析成果的輸出需求,并可積累工作經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了程序應(yīng)用廣泛性和靈活高效性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

        (2)將各種鐵路路基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析需求按“三因素”模式進(jìn)行合理組織與管理,構(gòu)成完善的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的任務(wù)化定制體系。在該體系的管理下,既可以根據(jù)用戶需求快速制定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方案,又可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)的積累。

        (3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析成果的折線圖繪制技術(shù)靈活、科學(xué),將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jiān)測(cè)項(xiàng)目圖形信息的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)顯示技術(shù)靈活、實(shí)用,相關(guān)數(shù)據(jù)的分揀方便、快捷,便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析。

        (5)在軟件開發(fā)過程中,充分利用數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系,盡量減少用戶與系統(tǒng)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(wù)。另外,建立了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)備份機(jī)制,可確保數(shù)據(jù)安全以及意外情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

        3 軟件應(yīng)用

        3.1 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)概況

        “鐵路路基凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”開發(fā)完成后,首先在哈爾濱至齊齊哈爾鐵路客運(yùn)專線的路基凍脹監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行了試用。綜合考慮了全線的路基類型、地理位置、工程地質(zhì)條件、路基工點(diǎn)分布情況等試驗(yàn)條件,選擇了試驗(yàn)條件相對(duì)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(yàn)段。其中,含設(shè)計(jì)斷面19個(gè),安裝采集箱23個(gè),測(cè)站304個(gè),在路基體中安裝傳感器1 000多個(gè)(溫度計(jì)、凍脹計(jì)、土壤含水量測(cè)定儀、水位計(jì)等),數(shù)據(jù)每4 h采集一次。

        3.2 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

        (1)對(duì)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。按照要求將項(xiàng)目信息、氣象站信息、采集箱信息、斷面信息、測(cè)站信息、測(cè)點(diǎn)信息等匯集到管理數(shù)據(jù)表格中,建立基本信息及對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        (2)將監(jiān)測(cè)項(xiàng)目平面布置圖及說明圖等錄入到相應(yīng)文件中,可以與監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)顯示。

        (3)利用“自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析者原始數(shù)據(jù)表”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集頻率檢查,可以檢視當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)傳感器的工作狀態(tài)。

        3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

        將原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步為分析者數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        (1)按儀器量程控制、拉依達(dá)(PauTa)準(zhǔn)則、人工等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除。

        (2)按最大值、最小值、平均值以及最接近于某時(shí)刻的特定值等四種特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)遴選;按各種特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

        (3)自由定制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析任務(wù)。

        ①凍結(jié)深度分析:研究同一地溫孔、不同深度處地溫隨時(shí)間變化曲線,主要分析地溫沿深度方向的變化規(guī)律,掌握凍深發(fā)展過程。

        以某一斷面的一個(gè)地溫傳感器數(shù)據(jù)為例,其埋設(shè)位置為地表下1 m,截取一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,利用辦公軟件進(jìn)行分析,如圖2所示,軟件界面如圖3所示。

        圖2 地溫隨時(shí)間變化

        圖3 SGAnalyst界面分析

        圖3中,a區(qū)為工作空間窗體;b區(qū)為數(shù)據(jù)篩選、分析參數(shù)設(shè)置及任務(wù)訂制區(qū);c區(qū)為分析圖形顯示區(qū);d區(qū)為分析數(shù)據(jù)顯示區(qū);e區(qū)為平臺(tái)信息輸出顯示區(qū)。由分析可知,人工分析和軟件分析的圖形基本一致,當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大時(shí),運(yùn)用該軟件能夠顯著地提高工作效率。

        ②變形分析:分別對(duì)不同層位測(cè)試數(shù)據(jù)繪制變形與時(shí)間關(guān)系曲線,分析層厚、變形隨時(shí)間的變化關(guān)系,了解凍脹變形發(fā)生發(fā)展過程。

        ③含水量分析:對(duì)路基含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究一個(gè)凍融周期內(nèi)路基含水量變化規(guī)律。

        ④水位分析:對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究一個(gè)凍融周期內(nèi)路基含水量的變化規(guī)律。

        (4)以折線圖的方式輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析成果,自由定制折線圖樣式,數(shù)據(jù)分析結(jié)果以數(shù)據(jù)表的形式顯示[9-10]。

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

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        [3] 柳忠杰.鐵路凍脹監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng):中國(guó),2015SR246383[P].2015-12-07

        [4] 柳忠杰.地路軟件開發(fā)支持平臺(tái):中國(guó),2015SR247098[P].2015-12-07

        [5] 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司.鐵路路基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究報(bào)告[Z].天津:中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,2017

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