李思宇,李再幃,何越磊,路宏遙,徐紀康

(上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院,上海 201620)

引言

隨著我國高速鐵路網(wǎng)的逐漸成形，高速鐵路的發(fā)展重點已由建設(shè)轉(zhuǎn)為運營。無砟軌道作為高速列車走行的主要基礎(chǔ)形式，近年來服役狀態(tài)劣化現(xiàn)象顯著，在環(huán)境溫度、列車動荷載、雨水等因素耦合作用下，無砟軌道板的開裂、離縫、脫空等結(jié)構(gòu)性病害頻發(fā)[1-3]。這些病害的存在嚴重影響高速列車運行的平穩(wěn)性和舒適性，甚至危及高速鐵路運營的安全性。因此，對無砟軌道服役狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)進行在線監(jiān)測[4-7]，并利用信息化管理方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行科學管理和使用，已經(jīng)成為鐵路工務(wù)部門亟需解決的重要難題。

目前，國內(nèi)外針對軌道結(jié)構(gòu)服役關(guān)鍵性參數(shù)監(jiān)測已展開了大量的研究，如文獻[8]通過在無砟軌道內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器，采用離線處理的方式對樣本數(shù)據(jù)進行時域統(tǒng)計分析；文獻[9]開發(fā)了基于PC104的鐵路道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，利用局域網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到管控中心進行分析；文獻[10]研發(fā)了高架站無砟軌道道岔監(jiān)測數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用后臺服務(wù)器負責數(shù)據(jù)收集、處理、存儲和備份，實現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全天候的在線自動監(jiān)測；文獻[11]對高速鐵路無線橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，該系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)在控制中心進行處理和保存，將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在用戶界面上。這些研究有力地保證了軌道結(jié)構(gòu)在役服役狀態(tài)，對工務(wù)養(yǎng)護維修具有十分重要的實踐價值。但同時需要注意的是，現(xiàn)有研究雖然開發(fā)了很多關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控的硬件系統(tǒng)，但在網(wǎng)絡(luò)傳輸及數(shù)據(jù)庫管理方面，還較為初級，無法實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時在線傳輸及數(shù)據(jù)的交換與共享，尚存在較大的改進和研究空間。

基于此，通過自行開發(fā)的CRTSII型板式無砟軌道服役性能關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用DTU數(shù)據(jù)模塊和阿里云服務(wù)器，開發(fā)了Oracle無砟軌道監(jiān)測實時數(shù)據(jù)庫，建立了CRTSⅡ型板監(jiān)測數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對無砟軌道結(jié)構(gòu)服役性能關(guān)鍵參數(shù)有效監(jiān)測與管理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

CRTSII型板式無砟軌道服役性能關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)是自主開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)，其主要分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個部分。

感知控制層的主要功能是通過布置在軌道板結(jié)構(gòu)上的傳感器進行服役性能關(guān)鍵參數(shù)采樣，將相關(guān)參量轉(zhuǎn)換為電壓信號，利用主控板的485串口接收信號數(shù)據(jù)將其儲存于SD卡上，并通過485串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)的DTU模塊中。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是將來自感知控制層的采集數(shù)據(jù)通過相關(guān)無線通信設(shè)備發(fā)送到指定的服務(wù)器中，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存到相應(yīng)管理數(shù)據(jù)庫中，從而形成一個可靠、高速、可信的無砟軌道服役性能關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控平臺。其中，服務(wù)器采用的是阿里云端服務(wù)器，有別傳統(tǒng)服務(wù)器受硬件配置的局限性和機房條件的影響，阿里云服務(wù)器可以對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時的管理和控制，且可以按需進行系統(tǒng)配置，不存在延時和卡頓等問題[12-13]；數(shù)據(jù)庫則采用了Oracle數(shù)據(jù)庫，具有安全性、開放性、可伸縮性和并行性等優(yōu)點，可實時更新網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)用數(shù)據(jù)庫的功能。

應(yīng)用層的主要功能是集成系統(tǒng)底層的功能，構(gòu)建起面向無砟軌道服役性能關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控的實際應(yīng)用，主要是利用客戶端平臺進行操作。在本系統(tǒng)中，用戶界面、數(shù)據(jù)查詢等基本功能都在客戶端上完成，客戶端通過中間件OleDb向服務(wù)器發(fā)送SQL語句，服務(wù)器經(jīng)過分析處理后，將查詢數(shù)據(jù)送至客戶端，從而確保用戶獲取實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測、預(yù)警等功能[14-15]。整個系統(tǒng)的具體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

系統(tǒng)采用C/S(客戶端/服務(wù)器)的開發(fā)模式。服務(wù)器采用阿里云服務(wù)器，選用2核CPU、8G內(nèi)存、10M寬帶、64位Windows Server 2016 數(shù)據(jù)中心版的運行環(huán)境來保證在線監(jiān)控參數(shù)數(shù)據(jù)的正常傳輸。服務(wù)器采用 Windows 10 操作系統(tǒng)，Oracle 11g 數(shù)據(jù)庫；客戶端采用 Windows10操作系統(tǒng)；開發(fā)環(huán)境為 Visual Studio 2010；開發(fā)工具為VB.NET、Oracle11g；開發(fā)語言為Visual B#。軌道板監(jiān)測數(shù)據(jù)集中存儲在性能較高的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，用戶只需要安裝應(yīng)用程序即可管理相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？蛻舳讼认蛟品?wù)器發(fā)出訪問請求，云服務(wù)器接受請求并將對監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的操作請求發(fā)給數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫則接受請求并通過OleDb訪問數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的軌道板監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

所開發(fā)的系統(tǒng)主要具有數(shù)據(jù)換算、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)報表與導(dǎo)出和實時報警等功能，如圖2所示。其中：數(shù)據(jù)換算是將采集到的軌道板傳感器電信號通過一定的數(shù)學公式換算成數(shù)值型的軌道板監(jiān)測數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)查詢是通過設(shè)定查詢條件查詢出所需的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)可視化是將監(jiān)測數(shù)據(jù)以曲線圖的形式展現(xiàn)出來，更加形象直觀的顯示出監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢；數(shù)據(jù)報表與導(dǎo)出是將監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成所需要的報表形式，反映出軌道板服役關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，如果所制作的數(shù)據(jù)報表不能符合用戶需要，用戶還可以導(dǎo)出excel格式的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析；實時報警則是通過設(shè)定閾值，將采集到的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)和閾值進行比較，如果超出閾值范圍則進行實時客戶端報警[10]。

圖2 系統(tǒng)功能

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是CRTSII型板式無砟軌道服役性能關(guān)鍵參數(shù)信息管理的基礎(chǔ)，在整個監(jiān)測體系中占有非常重要的地位。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的好壞將直接對應(yīng)用系統(tǒng)的效率以及實現(xiàn)的效果產(chǎn)生影響。合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲的效率，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整和一致，也有利于系統(tǒng)程序的實現(xiàn)。根據(jù)軌道板服役性能參數(shù)的實時性與多樣性要求，選用在國內(nèi)外其他工程實踐中得到廣泛應(yīng)用的Oracle數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的開發(fā)平臺進行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。

2.1 VB訪問Oracle數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

通過OLE-DB與Oracle的連接。OLE-DB由一系列的為應(yīng)用提供低層次數(shù)據(jù)庫連接的COM對象組成。OLE-DB對象不僅展示了關(guān)于數(shù)據(jù)庫的功能，而且這些對象可以實現(xiàn)特定的任務(wù)[16-19]。通過對OLE-DB方式來訪問數(shù)據(jù)庫的基本流程如下。

(1)利用位于名稱空間的System.Data.Oledb類庫下的OleDbConnection類來連接Oracle數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)選用的OleDbConnection類最常用的構(gòu)造函數(shù)，即把連接字符串作為輸入?yún)?shù)。在這個構(gòu)造函數(shù)中使用的連接字符串為OleDbConnection類提供了連接數(shù)據(jù)庫的必要信息，包括如下參數(shù)：Privider，Data Source，Database，User ID和Password。

(2)OleDbCommand類提供了在數(shù)據(jù)庫上執(zhí)行SQL語句和儲存過程的方式。SQL語句和儲存過程可以選擇、插入、更新和刪除數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。OleDbCommand類的構(gòu)造函數(shù)帶一個String參數(shù)值和一個OleDbConnection對象，String參數(shù)包含要執(zhí)行的SQL語句，OleDbConnection對象表示數(shù)據(jù)庫連接。

(3)斷開連接，釋放資源結(jié)束程序或關(guān)閉主窗體時，應(yīng)釋放用于存放數(shù)據(jù)庫連接信息的Connection 對象。斷開連接可以通過關(guān)閉應(yīng)用程序或設(shè)置連接超時來實現(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計

CRTSⅡ型板式無砟軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是采用關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型儲存?zhèn)鞲衅鞯谋O(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主要包括監(jiān)測信息表和監(jiān)測數(shù)據(jù)表兩大類。其中：監(jiān)測數(shù)據(jù)表又可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)類型的不同分為氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)信息表，軌道板溫度信息表和軌道板位移信息表三大類。每個大類下根據(jù)監(jiān)測位置的不同分為不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)表。

監(jiān)測信息表(表1)是系統(tǒng)的主體表，以ID號作為監(jiān)測信息表的主鍵，其他字段包括傳感器類型、監(jiān)測位置和監(jiān)測對象等內(nèi)容。

表1 監(jiān)測信息

監(jiān)測數(shù)據(jù)表是以傳感器為主體進行設(shè)計的，可以分為氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)信息表(表2)，軌道板溫度信息表(表3)和軌道板位移信息表(表4)。由于主控模塊設(shè)置為同一時刻傳來多組數(shù)據(jù)以防漏包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)監(jiān)測對象的類型，每個監(jiān)測對象分別建立監(jiān)測數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)表、監(jiān)測數(shù)據(jù)成果表，其表結(jié)構(gòu)相同。

表2 氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)信息

表3 軌道板溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)信息

表4 軌道板位移監(jiān)測數(shù)據(jù)信息

2.3 索引設(shè)計

由于系統(tǒng)是對CRTS Ⅱ型板式無砟軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行長期監(jiān)測，隨著線路服役時間的增加，相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中將累計海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。如對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行當前及歷史數(shù)據(jù)的調(diào)閱查詢時，一般均先需將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)全部調(diào)閱讀取出來，再進行信息篩選和過濾，最終形成符合查閱條件的結(jié)果，這類過程無疑浪費了大量的I/O，嚴重影響用戶的使用體驗。因此，本研究采用建立索引的方式進行系統(tǒng)設(shè)計，將WHERE字句應(yīng)用在頻繁引用的列表上，由于本系統(tǒng)主要以時間查詢?yōu)橹?，在?shù)據(jù)庫上建立時間索引，查詢時可以快速定位在時間段上，即可查詢此時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，大大提高了查詢速度。

3 工程實例

3.1 關(guān)鍵參數(shù)的采集與傳輸

本系統(tǒng)選用華東地區(qū)某CRTS Ⅱ型板式無砟軌道段布設(shè)傳感器，線路的基礎(chǔ)為橋梁，運營速度為300 km/h，系統(tǒng)的功能方式為太陽能供電。選取的地段日照充足，通風良好，所處位置沒有大型結(jié)構(gòu)物的遮擋，適合進行軌道板內(nèi)部溫度以及接縫變形等關(guān)鍵參數(shù)的長時間監(jiān)測。

傳感器布設(shè)的具體布置如圖3所示。在板中板端深度0 mm、深度50 mm、深度100 mm、深度150 mm、深度200 mm、深度230 mm處分別布置1個PT100型溫度傳感器(精度為0.01℃)，同時在板中離縫、板端離縫和寬窄接縫處布置拉桿位移傳感器(精度為0.01 mm)。

圖3 高鐵現(xiàn)場傳感器布置

3.2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

(1)數(shù)據(jù)換算：由于參數(shù)傳感器發(fā)送到云服務(wù)器數(shù)據(jù)并不是常規(guī)可讀格式，首先需要按照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。如分析拉桿式位移傳感器數(shù)據(jù)，則軌道板的位移度量可根據(jù)傳感器電阻變化進行量測，不同的阻值傳入主板產(chǎn)生不同的電壓，需要將電壓通過一定的線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為位移值。由于測量值和理論值之間存在一定的偏差，需要將測得的電壓加上偏差值之后再乘以比例系數(shù)，由此得到具體的位移值，但是不同通道的偏差值是不同的，需要分別計算，具體計算公式如下

y(x)=4(x-0.208)

(1)

式中，x為電壓；y為位移。

(2)數(shù)據(jù)查詢：本系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分就是數(shù)據(jù)查詢功能，用戶可以通過客戶端隨時查詢經(jīng)過后端程序處理過的儲存在CRTSⅡ型板式無砟軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢的內(nèi)容包括軌道板溫度、軌溫、位移和氣象等最新數(shù)據(jù)。用戶點擊主頁面上的查詢按鈕之后會跳出如圖4所示的查詢條件設(shè)置的界面，用戶可以根據(jù)自身的需求在監(jiān)測對象、監(jiān)測地點、監(jiān)測位置、監(jiān)測時間的列選框選擇相應(yīng)的內(nèi)容后點擊查詢按鈕，系統(tǒng)會自動在數(shù)據(jù)庫中查詢并將查詢結(jié)果顯示在頁面上。

圖4 查詢條件設(shè)置界面

(3)數(shù)據(jù)可視化：本系統(tǒng)除基本的數(shù)據(jù)查詢功能之外，還具有監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化功能。數(shù)據(jù)可視化可以顯示軌道板溫度數(shù)據(jù)實時曲線圖和軌道板變形數(shù)據(jù)實時曲線圖。用戶點擊主頁面下的幫助按鍵后選擇測試曲線可以顯示監(jiān)測點實時曲線圖，按Ctrl鍵可以進行手動拖動曲線圖，查詢不同時間下的溫度曲線和位移曲線并觀察相應(yīng)的變化規(guī)律，按Shift鍵同時滾動滾輪可以縮放曲線圖，具體如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點實時曲線圖界面

(4)數(shù)據(jù)報表和導(dǎo)出：數(shù)據(jù)分析報表部分可以展示半個月內(nèi)板溫時程曲線圖、位移時程曲線圖和溫度梯度時程曲線圖，此外還可以根據(jù)測試數(shù)值進行板溫、氣溫和氣象等每日極值的比較。數(shù)據(jù)報表能夠?qū)崿F(xiàn)對某時間段、指標等限定范圍的各種統(tǒng)計報表。當平臺提供的顯示方式不能夠滿足用戶需求時，用戶可以直接點擊下載按鈕，下載相應(yīng)的excel數(shù)據(jù)表格。例如，用戶需要近一個月內(nèi)每天軌道板溫度變化數(shù)據(jù)，可進行該數(shù)據(jù)的統(tǒng)計并進行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，具體如圖6所示。

圖6 嘉興南數(shù)據(jù)報表

(5)實時預(yù)警：本系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的實時異常診斷功能，并及時提出預(yù)警，如圖7所示。本系統(tǒng)通過SVM分類預(yù)警模型，對軌道板正溫度梯度分類預(yù)警狀態(tài)進行分析，得出氣溫≥33.9 ℃、太陽輻射量≥733 W/m2量值以及瞬態(tài)參量風速≤2 m/s三個指標作為指標值[20]。當氣象參數(shù)超過設(shè)置的閾值時，系統(tǒng)將自動進行報警，自動存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，同時以彈出對話框并觸發(fā)警鈴的警醒方式進行提示，提高防范意識。當監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，現(xiàn)場工作人員可根據(jù)預(yù)警系統(tǒng)所提示的預(yù)警數(shù)據(jù)及斷面等級對現(xiàn)場工程做出相應(yīng)處理，為高速鐵路軌道系統(tǒng)的安全服役和合理維護提供了有力保障。

圖7 報警界面

4 結(jié)論

本文基于 Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)CRTSⅡ型板式無砟軌道監(jiān)測實時數(shù)據(jù)庫，形成了CRTSⅡ型板監(jiān)測數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對無砟軌道結(jié)構(gòu)服役性能關(guān)鍵參數(shù)的有效監(jiān)測與管理。主要結(jié)論如下。

(1)采用云端服務(wù)器和Oracle數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)CRTSⅡ型板式無砟軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)的開發(fā)。

(2)利用OLE-DB數(shù)據(jù)庫可以有效實現(xiàn)軌道板監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的功能。

(3)工程實踐表明本文所提方法的有效性與準確性，建議可以采用此系統(tǒng)對軌道在役服役狀態(tài)進行監(jiān)測和管理，以便更好地保障高速列車行車安全。