鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

摘要：軌道原始檢測數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、檢測項目多和檢測內(nèi)容復雜等特點，對線路進行軌道狀態(tài)綜合評價時，數(shù)據(jù)分析工作量大、效率低，評價結(jié)果易受檢測人員主觀因素影響。本文以軌檢車采集的軌道原始檢測數(shù)據(jù)為研究對象，闡述了構(gòu)建軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)的必要性，并利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和可視化技術(shù)設計開發(fā)了一套用于軌道狀態(tài)智能分析的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了原始檢測數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)預處理、智能數(shù)據(jù)分析、評價結(jié)果報告輸出以及可視化歷史數(shù)據(jù)對比等功能，減少了人工干預，提升了軌道狀態(tài)評價結(jié)果的客觀性和準確性，為掌握線路軌道狀態(tài)提供了可靠的分析工具，也為鐵路養(yǎng)護單位的維修決策提供了數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：軌道狀態(tài)分析;軌道質(zhì)量指數(shù);數(shù)據(jù)庫技術(shù);可視化技術(shù);鐵路工務養(yǎng)護

一、引言

隨著我國鐵路運輸行業(yè)的快速發(fā)展，鐵路高速化進程不斷加快，為保證列車安全、平穩(wěn)運行，鐵路線路軌道必須保持良好狀態(tài)。因此，監(jiān)測線路軌道質(zhì)量狀態(tài)、合理制定軌道維護計劃、保證線路軌道處于良好狀態(tài)是鐵路養(yǎng)護單位的重要工作內(nèi)容。

目前，世界各國的鐵路養(yǎng)護管理部門都開發(fā)了用于軌道養(yǎng)護的信息管理系統(tǒng)，如日本新干線的安全管理信息系統(tǒng)（Safety Management Information System， SMIS）[1]、歐洲軌道研究院的ECOTRACK軌道維護更新及決策支持系統(tǒng)[2]、英國的軌道維修更新計劃及評估系統(tǒng)（Rail Maintenance and Renewal Planning & Assessing System， RMARPAS）[2]。從20世紀80年代起，我國鐵路養(yǎng)護部門也陸續(xù)開發(fā)了鐵路工務設備臺帳數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Railway Permanent Way Management Information System， RPWMIS）[3]、軌道綜合檢測車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[4]等專用軟件。

隨著我國鐵路高速化進程的加快和各種檢測設備的技術(shù)升級，軌道檢查車采集的軌道原始檢測數(shù)據(jù)越來越全面，數(shù)據(jù)量、檢測項目和檢測內(nèi)容都大幅增長，現(xiàn)有的軌道數(shù)據(jù)管理軟件已無法滿足實際應用需求，只能依賴人工干預的方式進行軌道狀態(tài)的分析和評價。軌道原始檢測數(shù)據(jù)是通過軌道檢查車采集，再由檢測人員利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進行各檢測項目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并人工計算軌道質(zhì)量指標（Track Quality Index， TQI）[5]，最后，進行數(shù)據(jù)匯總、圖表繪制等工作，并根據(jù)《鐵路線路維修規(guī)則》[6]對軌道狀態(tài)進行綜合評價，制作和生成線路軌道狀態(tài)評價報告。

然而，我國鐵路運營里程長，跨度范圍廣，現(xiàn)有系統(tǒng)和方法存在以下兩個方面的問題：

（一）評估結(jié)果主觀性強

檢測數(shù)據(jù)分析過程中，需要大量的人工干預，此種方式不僅加重了檢測人員的工作量，數(shù)據(jù)分析效率低下，而且由于專業(yè)素質(zhì)差異，不同檢測人員的計算結(jié)果會有一定的誤差，導致軌道狀態(tài)評價結(jié)果存在較強的主觀性。

（二）缺乏與歷史數(shù)據(jù)的對比分析

現(xiàn)有的軌道狀態(tài)分析系統(tǒng)主要側(cè)重于單次軌道檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，缺乏與歷史檢測數(shù)據(jù)的對比分析，不能反映軌道狀態(tài)的變化趨勢，難以根據(jù)分析結(jié)果制定合理的維修養(yǎng)護計劃。

因此，如何更有效地對線路軌道原始檢測數(shù)據(jù)進行管理，提升數(shù)據(jù)分析的自動化和智能化程度，增強軌道狀態(tài)評價結(jié)果的客觀性和準確性，已成為亟待解決的重要問題?；谝陨蠁栴}，本文提出了構(gòu)建鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)，首先，闡述了系統(tǒng)的實際應用需求，并詳細地設計系統(tǒng)的各功能模塊的主要內(nèi)容，然后，進行系統(tǒng)編碼實現(xiàn)和調(diào)試，最后，將系統(tǒng)應用于真實鐵路線路的軌道狀態(tài)評價，簡要介紹了系統(tǒng)的應用情況。

二、系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)設計目標

為解決現(xiàn)有系統(tǒng)和方法存在的問題，軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)的設計目標如圖1所示，具體可概括為以下5個方面：

1、建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理機制，設計高效的原始檢測數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同類型線路的檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，與相關聯(lián)線路臺帳信息的全面整合;

2、構(gòu)建智能化的數(shù)據(jù)分析機制，實現(xiàn)自動化的數(shù)據(jù)預處理、檢測項目數(shù)據(jù)統(tǒng)計、TQI值計算，以折線圖形式動態(tài)展示數(shù)據(jù)分析過程;

3、設計可視化的歷史數(shù)據(jù)對比機制，通過與多期歷史數(shù)據(jù)的對比分析，實現(xiàn)線路軌道狀態(tài)的變化趨勢統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)軌道質(zhì)量較差的線路區(qū)段;

4、建立簡便易行的評價結(jié)果管理機制，統(tǒng)一管理每期檢測數(shù)據(jù)的評價結(jié)果，實現(xiàn)評價結(jié)果的查詢、校正、刪除等功能，保障系統(tǒng)的實用性和準確性;

5、設計合理、美觀的線路軌道狀態(tài)評價報告，以折線圖、柱狀圖、專題圖等形式對檢測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進行展示，實現(xiàn)線路軌道評價報告的打印輸出。

（二）功能模塊設計

根據(jù)系統(tǒng)設計目標，鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)共設計4大功能模塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、歷史數(shù)據(jù)對比模塊和評價結(jié)果管理模塊組成。

1、數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要包括原始檢測數(shù)據(jù)管理、線路臺帳數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)歸檔存儲三大主要功能。原始檢測數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)各線路類型的原始檢測數(shù)據(jù)的讀取，并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式保存到數(shù)據(jù)庫中，便于數(shù)據(jù)分析模塊統(tǒng)一讀取。線路臺帳數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)各線路區(qū)段的類型、里程范圍、檢測標準和評價標準的整合存儲，提供線路臺帳數(shù)據(jù)的增、刪、改、查功能。歷史數(shù)據(jù)歸檔存儲實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中線路歷史檢測數(shù)據(jù)的歸檔，按照統(tǒng)一的存儲格式，備份到指定的存儲空間，釋放數(shù)據(jù)庫容量，提升數(shù)據(jù)庫性能。

2、數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要包括檢測數(shù)據(jù)預處理、線路臺帳信息設置和檢測數(shù)據(jù)自動分析三大功能。檢測數(shù)據(jù)預處理實現(xiàn)原始檢測數(shù)據(jù)的里程信息校正和噪聲數(shù)據(jù)過濾功能，保證檢測數(shù)據(jù)的正確性。線路臺帳信息設置是根據(jù)線路名稱、區(qū)段名稱和里程范圍自動的從線路臺帳數(shù)據(jù)庫中匹配相應的線路臺帳數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)自動分析則根據(jù)輸入的原始檢測數(shù)據(jù)進行各檢測項目的數(shù)據(jù)歸納統(tǒng)計、TQI值計算，再根據(jù)線路臺帳信息記錄的檢測標準和評價標準給出超標類型、超標單元數(shù)量、超標扣分和超標單元比例，并自動地存儲到線路評價結(jié)果數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能化的檢測數(shù)據(jù)分析流程。

3、歷史數(shù)據(jù)對比模塊

歷史數(shù)據(jù)對比模塊主要包括多期分析結(jié)果加載、軌道變化趨勢分析和區(qū)段軌道質(zhì)量統(tǒng)計三大功能。多期分析結(jié)果加載實現(xiàn)多期檢測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果的加載讀取，并以折線圖、柱狀圖的形式進行數(shù)據(jù)展示，對數(shù)據(jù)異常區(qū)域進行標注，便于檢測人員觀察和評估。軌道變化趨勢分析是通過分析線路軌道狀態(tài)在時間維度上的變化趨勢，預測線路軌道是否處于變化期、穩(wěn)定期或惡化期。區(qū)段軌道質(zhì)量統(tǒng)計則是對同一線路區(qū)段的多期TQI值進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)軌道質(zhì)量較差的區(qū)段，便于制定線路維護計劃。

4、評價結(jié)果管理模塊

評價結(jié)果管理模塊主要包括線路評價結(jié)果管理、線路評價報告生成和歷史評價結(jié)果歸檔三大功能。線路評價結(jié)果管理是將檢測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式存儲于評價結(jié)果數(shù)據(jù)庫中，提供查詢、修改和刪除功能，便于歷史數(shù)據(jù)對比模塊的統(tǒng)一讀取。線路評價報告生成是將線路評價結(jié)果數(shù)據(jù)以折線圖、柱狀圖、專題圖以及數(shù)據(jù)報表等形式進行展示，便于鐵路線路養(yǎng)護單位掌握線路軌道狀態(tài)，為制定線路維修養(yǎng)護計劃提供數(shù)據(jù)支持。歷史評價結(jié)果歸檔是將評價結(jié)果數(shù)據(jù)庫中歷史評價結(jié)果，按照統(tǒng)一的存儲格式，備份到指定的存儲空間，釋放當前數(shù)據(jù)庫的容量。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

（一）系統(tǒng)實現(xiàn)

鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)采用C++語言進行編碼，使用QT作為可視化工具庫，選用輕量級的MySQL數(shù)據(jù)庫對原始檢測數(shù)據(jù)、線路臺帳數(shù)據(jù)和評價結(jié)果數(shù)據(jù)進行管理。此外，還基于Html5和CSS3技術(shù)開發(fā)了數(shù)據(jù)報表模板，用于評價結(jié)果的報告生成和打印。

鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)主界面如圖3所示，左側(cè)列為各功能模塊的選擇按鈕，中間部分為可視化區(qū)域，實現(xiàn)線路軌道檢測數(shù)據(jù)、分析過程以及評價結(jié)果的動態(tài)展示。

（二）系統(tǒng)應用實例

目前，鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)已在一些鐵路養(yǎng)護單位進行部署，取得了較好的應用效果，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟價值。本節(jié)利用鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)對多條線路的軌道原始檢測數(shù)據(jù)進行分析，并統(tǒng)計分析各線路的軌道狀態(tài)變化趨勢。

利用軌道變化趨勢分析功能，分析線路全線的檢測數(shù)據(jù)，識別到軌道板變化情況如圖4、圖5所示。

利用區(qū)段軌道質(zhì)量統(tǒng)計功能，識別線路的TQI超標單元，通過TQI質(zhì)量指數(shù)來指導線路維修。識別到的TQI超標單元如圖6所示。

利用歷史數(shù)據(jù)對比功能發(fā)現(xiàn)線路的變化情況，如下圖7所示。對不同時期多次檢測數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)部分線路區(qū)段受氣溫變化影響，高低平順性發(fā)生了明顯變化。

四、結(jié)束語

為了適應我國鐵路的快速發(fā)展，滿足鐵路養(yǎng)護單位的實際應用需求，本文構(gòu)建了一套鐵路軌道狀態(tài)智能分析系統(tǒng)。系統(tǒng)實際部署應用結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠?qū)€路軌道原始檢測數(shù)據(jù)進行科學、有效地管理，減少數(shù)據(jù)分析過程中的人工干預，降低檢測人員的工作量，提升了數(shù)據(jù)分析的智能化程度，并一定程度上增強了軌道狀態(tài)評價結(jié)果的客觀性和準確性，具有較好的實際應用價值，有助于鐵路養(yǎng)護單位監(jiān)測軌道狀態(tài)，為制定鐵路線路養(yǎng)護計劃提供了數(shù)據(jù)支持。

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作者簡介：

楊國峰（1972.5-），男，漢，籍貫：山東菏澤，學歷：大學（本科），職稱：助理工程師，研究方向：軌道檢測。