焦雄風 馬 龍 金衛(wèi)峰 陳 錚 張獻州

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)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(lián)合工程實驗室,成都 611756)

1 概述

長期以來,測量數(shù)據(jù)管理手段落后、數(shù)據(jù)分析能力單一,是測量數(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和分析,將變形監(jiān)測數(shù)據(jù)云分析系統(tǒng)成功應用于傳統(tǒng)變形監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)管理[1];張宇昕基于BIM技術研究高速鐵路監(jiān)測數(shù)據(jù)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(guī)劃方面的應用[3];何偉等研究大數(shù)據(jù)信息平臺在地災監(jiān)測方面的應用[4]?；谏鲜鲅芯?著眼于運營高速鐵路重點監(jiān)測地段評估工作流程,針對現(xiàn)實業(yè)務需求,開發(fā)一種運營高速鐵路重點監(jiān)測地段云評估系統(tǒng),以期對鐵路測量數(shù)據(jù)管理和分析提供一種新的思路。

2 評估業(yè)務流程

運營高速鐵路重點監(jiān)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(yè)測量方法的科學指導,以及測量成果的質(zhì)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(nèi)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(fā)一種運營高鐵重點監(jiān)測地段云評估系統(tǒng),利用云計算資源,對評估工作的每一個環(huán)節(jié)進行高效控制,以實現(xiàn)評估工作的標準化、精確化、分析多元化。

3 系統(tǒng)總體設計

3.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)基于ASP.NET框架進行開發(fā),采用B/S邏輯結(jié)構(gòu),分為數(shù)據(jù)管理層、APP服務層、用戶體驗層,如圖2所示。數(shù)據(jù)管理層使用MySQL數(shù)據(jù)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(jiān)測地段項目名及里程段信息、監(jiān)測點的種類、數(shù)量以及不同維度測量數(shù)據(jù)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(lián)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(fā)的各種應用模塊,其代碼托管在Mcrisoft.Net Framework4.5集成環(huán)境下,采用SqlSugar 5.0 ORM框架下的數(shù)據(jù)庫訪問技術。該層可根據(jù)用戶體驗層的請求進行響應,并從底層數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應數(shù)據(jù)滿足用戶需求。用戶體驗層主要包括網(wǎng)頁界面設置以及與APP服務層之間的連接代碼,采用AJAX(網(wǎng)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(jié)果和數(shù)據(jù)[8]。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL5.6版本,建立單數(shù)據(jù)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(lián)。根據(jù)評估工作流程及測量數(shù)據(jù)種類不同,分別設計多個表單存儲數(shù)據(jù),這些表單通過視圖進行聯(lián)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(shù)據(jù)庫表單結(jié)構(gòu)信息見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫表單結(jié)構(gòu)信息

3.3 主要功能設計

平臺主要功能包括點位和期次數(shù)據(jù)顯示、測量數(shù)據(jù)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(jiān)測地段評估工作中各個環(huán)節(jié)的需求。

(1)點位和期次數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)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(jiān)測地段的所有監(jiān)測點,按里程從小到進行排列,每個監(jiān)測點包含該點所有期次的測量數(shù)據(jù);期次形式是指將某條運營高鐵線路某個監(jiān)測地段的測量數(shù)據(jù)按期次進行顯示,每期包含該段所有監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù)。這樣既能滿足期次信息的統(tǒng)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(shù)據(jù)云分析

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

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

圖5 在線云分析

(3)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理

經(jīng)統(tǒng)計,某測段實際評估工作中產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)多達8T,包括工程概況、評估報告,以及原始數(shù)據(jù)文件、測量成果表、測量規(guī)范、測量實施方案等相關文件。對于上述龐大的數(shù)據(jù)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(jù)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(wěn)定可靠的特點。將云盤內(nèi)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(jiān)測的主要目的是及時發(fā)現(xiàn)鐵路病害隱患,保證運營高速列車安全平穩(wěn)行駛。因此,實時評估、實時預警十分重要[13]。

結(jié)合云圖、郵箱、微信小程序,開發(fā)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(shù)據(jù)庫進行連接并內(nèi)嵌到系統(tǒng)主程序中,一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)

基于上述設計,采用MySQL5.6版本的數(shù)據(jù)庫軟件、navicat數(shù)據(jù)庫管理工具、Microsoft Visual Studio2019開發(fā)工具,C#、HTML、CSS,JavaScript等語言進行平臺開發(fā)。完成開發(fā)后,在本地發(fā)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(nèi)存,鏡像操作系統(tǒng)為windows server 2012 R2 數(shù)據(jù)中心版64位中文版,公網(wǎng)帶寬為10Mbps,利用Windows系統(tǒng)自帶的IIS(Internet Information Services 互聯(lián)網(wǎng)信息服務)發(fā)布系統(tǒng),登錄界面如圖7所示。登錄該系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)庫部署

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫部采用云端部署形式,數(shù)據(jù)庫地址設置為云服務器內(nèi)網(wǎng)IP地址。數(shù)據(jù)庫登錄驗證方式為“用戶名+密碼”,由專門人員進行數(shù)據(jù)錄入,并對數(shù)據(jù)進行加密操作,解密方法內(nèi)置于系統(tǒng)主程序中,以保證數(shù)據(jù)的安全性。這種云數(shù)據(jù)庫不僅能方便技術人員隨時進行數(shù)據(jù)庫操作,突破本地操作的約束,還能提高數(shù)據(jù)庫容災能力,減小數(shù)據(jù)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(tǒng)的行為發(fā)生。將系統(tǒng)安全組的網(wǎng)絡類型設置為專有網(wǎng)絡VPC,入站規(guī)則設置只對評估團隊內(nèi)部的IP地址及特定軟件的訪問請求開放,出站規(guī)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(wěn)運營。

4.3 工程實例

某高速鐵路重點沉降監(jiān)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(jiān)測點,利用高精度水準儀及精密水準尺進行周期性測量,監(jiān)測內(nèi)外業(yè)精度均符合相關規(guī)定。

利用平臺對該期數(shù)據(jù)進行分析,步驟如下:①由技術人員將該期平差后的數(shù)據(jù)進行入庫和加密;②負責該重點沉降監(jiān)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(shù)據(jù)顯示”和“測量數(shù)據(jù)云分析”功能對數(shù)據(jù)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(jiān)測點進行記錄,并通過小程序發(fā)送到全體評估人員的手機上;⑤經(jīng)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(jié)果及結(jié)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(tǒng)可消除流程中人工操作的不規(guī)范性,杜絕誤預警,提高評估團隊內(nèi)部協(xié)調(diào)性和工作效率。

5 結(jié)語

運營高速鐵路重點監(jiān)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(shù)據(jù)丟失、評估遺漏等問題?；谏鲜鰡栴},利用云計算,開發(fā)一種運營高速鐵路重點監(jiān)測地段云評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(tǒng)還存在數(shù)據(jù)庫管理專業(yè)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。