论文部分内容阅读
摘要：轨道原始检测数据具有数据量大、检测项目多和检测内容复杂等特点，对线路进行轨道状态综合评价时，数据分析工作量大、效率低，评价结果易受检测人员主观因素影响。本文以轨检车采集的轨道原始检测数据为研究对象，阐述了构建轨道状态智能分析系统的必要性，并利用数据库技术和可视化技术设计开发了一套用于轨道状态智能分析的软件系统。该系统实现了原始检测数据入库、数据预处理、智能数据分析、评价结果报告输出以及可视化历史数据对比等功能，减少了人工干预，提升了轨道状态评价结果的客观性和准确性，为掌握线路轨道状态提供了可靠的分析工具，也为铁路养护单位的维修决策提供了数据支持。
关键词：轨道状态分析;轨道质量指数;数据库技术;可视化技术;铁路工务养护
一、引言
随着我国铁路运输行业的快速发展，铁路高速化进程不断加快，为保证列车安全、平稳运行，铁路线路轨道必须保持良好状态。因此，监测线路轨道质量状态、合理制定轨道维护计划、保证线路轨道处于良好状态是铁路养护单位的重要工作内容。
目前，世界各国的铁路养护管理部门都开发了用于轨道养护的信息管理系统，如日本新干线的安全管理信息系统（Safety Management Information System， SMIS）[1]、欧洲轨道研究院的ECOTRACK轨道维护更新及决策支持系统[2]、英国的轨道维修更新计划及评估系统（Rail Maintenance and Renewal Planning & Assessing System， RMARPAS）[2]。从20世纪80年代起，我国铁路养护部门也陆续开发了铁路工务设备台帐数据管理系统（Railway Permanent Way Management Information System， RPWMIS）[3]、轨道综合检测车数据分析系统[4]等专用软件。
随着我国铁路高速化进程的加快和各种检测设备的技术升级，轨道检查车采集的轨道原始检测数据越来越全面，数据量、检测项目和检测内容都大幅增长，现有的轨道数据管理软件已无法满足实际应用需求，只能依赖人工干预的方式进行轨道状态的分析和评价。轨道原始检测数据是通过轨道检查车采集，再由检测人员利用数据统计软件进行各检测项目的数据统计，并人工计算轨道质量指标（Track Quality Index， TQI）[5]，最后，进行数据汇总、图表绘制等工作，并根据《铁路线路维修规则》[6]对轨道状态进行综合评价，制作和生成线路轨道状态评价报告。
然而，我国铁路运营里程长，跨度范围广，现有系统和方法存在以下两个方面的问题：
（一）评估结果主观性强
检测数据分析过程中，需要大量的人工干预，此种方式不仅加重了检测人员的工作量，数据分析效率低下，而且由于专业素质差异，不同检测人员的计算结果会有一定的误差，导致轨道状态评价结果存在较强的主观性。
（二）缺乏与历史数据的对比分析
现有的轨道状态分析系统主要侧重于单次轨道检测数据的统计分析，缺乏与历史检测数据的对比分析，不能反映轨道状态的变化趋势，难以根据分析结果制定合理的维修养护计划。
因此，如何更有效地对线路轨道原始检测数据进行管理，提升数据分析的自动化和智能化程度，增强轨道状态评价结果的客观性和准确性，已成为亟待解决的重要问题。基于以上问题，本文提出了构建铁路轨道状态智能分析系统，首先，阐述了系统的实际应用需求，并详细地设计系统的各功能模块的主要内容，然后，进行系统编码实现和调试，最后，将系统应用于真实铁路线路的轨道状态评价，简要介绍了系统的应用情况。
二、系统设计
（一）系统设计目标
为解决现有系统和方法存在的问题，轨道状态智能分析系统的设计目标如图1所示，具体可概括为以下5个方面：
1、建立统一的数据管理机制，设计高效的原始检测数据存储数据结构，实现不同类型线路的检测数据统一管理，与相关联线路台帐信息的全面整合;
2、构建智能化的数据分析机制，实现自动化的数据预处理、检测项目数据统计、TQI值计算，以折线图形式动态展示数据分析过程;
3、设计可视化的历史数据对比机制，通过与多期历史数据的对比分析，实现线路轨道状态的变化趋势统计，发现轨道质量较差的线路区段;
4、建立简便易行的评价结果管理机制，统一管理每期检测数据的评价结果，实现评价结果的查询、校正、删除等功能，保障系统的实用性和准确性;
5、设计合理、美观的线路轨道状态评价报告，以折线图、柱状图、专题图等形式对检测数据和分析结果进行展示，实现线路轨道评价报告的打印输出。
（二）功能模块设计
根据系统设计目标，铁路轨道状态智能分析系统共设计4大功能模块，系统功能结构如图2所示。
铁路轨道状态智能分析系统由数据管理模块、数据分析模块、历史数据对比模块和评价结果管理模块组成。
1、数据管理模块
数据管理模块主要包括原始检测数据管理、线路台帐数据管理和历史数据归档存储三大主要功能。原始检测数据管理实现各线路类型的原始检测数据的读取，并转换为统一的数据格式保存到数据库中，便于数据分析模块统一读取。线路台帐数据管理实现各线路区段的类型、里程范围、检测标准和评价标准的整合存储，提供线路台帐数据的增、删、改、查功能。历史数据归档存储实现数据库中线路历史检测数据的归档，按照统一的存储格式，备份到指定的存储空间，释放数据库容量，提升数据库性能。
2、数据分析模块
数据分析模块主要包括检测数据预处理、线路台帐信息设置和检测数据自动分析三大功能。检测数据预处理实现原始检测数据的里程信息校正和噪声数据过滤功能，保证检测数据的正确性。线路台帐信息设置是根据线路名称、区段名称和里程范围自动的从线路台帐数据库中匹配相应的线路台帐数据。检测数据自动分析则根据输入的原始检测数据进行各检测项目的数据归纳统计、TQI值计算，再根据線路台帐信息记录的检测标准和评价标准给出超标类型、超标单元数量、超标扣分和超标单元比例，并自动地存储到线路评价结果数据库，实现智能化的检测数据分析流程。 3、历史数据对比模块
历史数据对比模块主要包括多期分析结果加载、轨道变化趋势分析和区段轨道质量统计三大功能。多期分析结果加载实现多期检测数据的分析结果的加载读取，并以折线图、柱状图的形式进行数据展示，对数据异常区域进行标注，便于检测人员观察和评估。轨道变化趋势分析是通过分析线路轨道状态在时间维度上的变化趋势，预测线路轨道是否处于变化期、稳定期或恶化期。区段轨道质量统计则是对同一线路区段的多期TQI值进行统计分析，发现轨道质量较差的区段，便于制定线路维护计划。
4、评价结果管理模块
评价结果管理模块主要包括线路评价结果管理、线路评价报告生成和历史评价结果归档三大功能。线路评价结果管理是将检测数据的分析结果以统一的数据格式存储于评价结果数据库中，提供查询、修改和删除功能，便于历史数据对比模块的统一读取。线路评价报告生成是将线路评价结果数据以折线图、柱状图、专题图以及数据报表等形式进行展示，便于铁路线路养护单位掌握线路轨道状态，为制定线路维修养护计划提供数据支持。历史评价结果归档是将评价结果数据库中历史评价结果，按照统一的存储格式，備份到指定的存储空间，释放当前数据库的容量。
三、系统实现与应用
（一）系统实现
铁路轨道状态智能分析系统采用C++语言进行编码，使用QT作为可视化工具库，选用轻量级的MySQL数据库对原始检测数据、线路台帐数据和评价结果数据进行管理。此外，还基于Html5和CSS3技术开发了数据报表模板，用于评价结果的报告生成和打印。
铁路轨道状态智能分析系统主界面如图3所示，左侧列为各功能模块的选择按钮，中间部分为可视化区域，实现线路轨道检测数据、分析过程以及评价结果的动态展示。
（二）系统应用实例
目前，铁路轨道状态智能分析系统已在一些铁路养护单位进行部署，取得了较好的应用效果，产生了一定的经济价值。本节利用铁路轨道状态智能分析系统对多条线路的轨道原始检测数据进行分析，并统计分析各线路的轨道状态变化趋势。
利用轨道变化趋势分析功能，分析线路全线的检测数据，识别到轨道板变化情况如图4、图5所示。
利用区段轨道质量统计功能，识别线路的TQI超标单元，通过TQI质量指数来指导线路维修。识别到的TQI超标单元如图6所示。
利用历史数据对比功能发现线路的变化情况，如下图7所示。对不同时期多次检测数据进行对比分析，发现部分线路区段受气温变化影响，高低平顺性发生了明显变化。
四、结束语
为了适应我国铁路的快速发展，满足铁路养护单位的实际应用需求，本文构建了一套铁路轨道状态智能分析系统。系统实际部署应用结果表明，本文系统能够对线路轨道原始检测数据进行科学、有效地管理，减少数据分析过程中的人工干预，降低检测人员的工作量，提升了数据分析的智能化程度，并一定程度上增强了轨道状态评价结果的客观性和准确性，具有较好的实际应用价值，有助于铁路养护单位监测轨道状态，为制定铁路线路养护计划提供了数据支持。
参考文献：
[1]佐佐博明，邹振民.日本新干线轨道及其维修[J].中国铁路，1999（12）：3-5.
[2]许玉德，曾学贵.高速铁路轨道的安全管理[J].中国安全科学学报，2003（01）：45-47+1.
[3]陶竑宇，吴双宇，赵文芳.铁路工务管理信息系统改进设计[J].兵器装备工程学报，2016，37（05）：173-176.
[4]田新宇，魏世斌，赵延峰，王胜春.城市轨道交通基础设施综合检测列车创新技术[J].现代城市轨道交通，2019（08）：32-36.
[5]黎国清.轨道质量指数及其在高铁动态验收中的应用[J].铁道工程学报，2016，33（11）：45-50.
[6]吴细水，刘丙强.高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）主要内容及特点[J].中国铁路，2012（05）：15-18.
作者简介：
杨国峰（1972.5-），男，汉，籍贯：山东菏泽，学历：大学（本科），职称：助理工程师，研究方向：轨道检测。
关键词：轨道状态分析;轨道质量指数;数据库技术;可视化技术;铁路工务养护
一、引言
随着我国铁路运输行业的快速发展，铁路高速化进程不断加快，为保证列车安全、平稳运行，铁路线路轨道必须保持良好状态。因此，监测线路轨道质量状态、合理制定轨道维护计划、保证线路轨道处于良好状态是铁路养护单位的重要工作内容。
目前，世界各国的铁路养护管理部门都开发了用于轨道养护的信息管理系统，如日本新干线的安全管理信息系统（Safety Management Information System， SMIS）[1]、欧洲轨道研究院的ECOTRACK轨道维护更新及决策支持系统[2]、英国的轨道维修更新计划及评估系统（Rail Maintenance and Renewal Planning & Assessing System， RMARPAS）[2]。从20世纪80年代起，我国铁路养护部门也陆续开发了铁路工务设备台帐数据管理系统（Railway Permanent Way Management Information System， RPWMIS）[3]、轨道综合检测车数据分析系统[4]等专用软件。
随着我国铁路高速化进程的加快和各种检测设备的技术升级，轨道检查车采集的轨道原始检测数据越来越全面，数据量、检测项目和检测内容都大幅增长，现有的轨道数据管理软件已无法满足实际应用需求，只能依赖人工干预的方式进行轨道状态的分析和评价。轨道原始检测数据是通过轨道检查车采集，再由检测人员利用数据统计软件进行各检测项目的数据统计，并人工计算轨道质量指标（Track Quality Index， TQI）[5]，最后，进行数据汇总、图表绘制等工作，并根据《铁路线路维修规则》[6]对轨道状态进行综合评价，制作和生成线路轨道状态评价报告。
然而，我国铁路运营里程长，跨度范围广，现有系统和方法存在以下两个方面的问题：
（一）评估结果主观性强
检测数据分析过程中，需要大量的人工干预，此种方式不仅加重了检测人员的工作量，数据分析效率低下，而且由于专业素质差异，不同检测人员的计算结果会有一定的误差，导致轨道状态评价结果存在较强的主观性。
（二）缺乏与历史数据的对比分析
现有的轨道状态分析系统主要侧重于单次轨道检测数据的统计分析，缺乏与历史检测数据的对比分析，不能反映轨道状态的变化趋势，难以根据分析结果制定合理的维修养护计划。
因此，如何更有效地对线路轨道原始检测数据进行管理，提升数据分析的自动化和智能化程度，增强轨道状态评价结果的客观性和准确性，已成为亟待解决的重要问题。基于以上问题，本文提出了构建铁路轨道状态智能分析系统，首先，阐述了系统的实际应用需求，并详细地设计系统的各功能模块的主要内容，然后，进行系统编码实现和调试，最后，将系统应用于真实铁路线路的轨道状态评价，简要介绍了系统的应用情况。
二、系统设计
（一）系统设计目标
为解决现有系统和方法存在的问题，轨道状态智能分析系统的设计目标如图1所示，具体可概括为以下5个方面：
1、建立统一的数据管理机制，设计高效的原始检测数据存储数据结构，实现不同类型线路的检测数据统一管理，与相关联线路台帐信息的全面整合;
2、构建智能化的数据分析机制，实现自动化的数据预处理、检测项目数据统计、TQI值计算，以折线图形式动态展示数据分析过程;
3、设计可视化的历史数据对比机制，通过与多期历史数据的对比分析，实现线路轨道状态的变化趋势统计，发现轨道质量较差的线路区段;
4、建立简便易行的评价结果管理机制，统一管理每期检测数据的评价结果，实现评价结果的查询、校正、删除等功能，保障系统的实用性和准确性;
5、设计合理、美观的线路轨道状态评价报告，以折线图、柱状图、专题图等形式对检测数据和分析结果进行展示，实现线路轨道评价报告的打印输出。
（二）功能模块设计
根据系统设计目标，铁路轨道状态智能分析系统共设计4大功能模块，系统功能结构如图2所示。
铁路轨道状态智能分析系统由数据管理模块、数据分析模块、历史数据对比模块和评价结果管理模块组成。
1、数据管理模块
数据管理模块主要包括原始检测数据管理、线路台帐数据管理和历史数据归档存储三大主要功能。原始检测数据管理实现各线路类型的原始检测数据的读取，并转换为统一的数据格式保存到数据库中，便于数据分析模块统一读取。线路台帐数据管理实现各线路区段的类型、里程范围、检测标准和评价标准的整合存储，提供线路台帐数据的增、删、改、查功能。历史数据归档存储实现数据库中线路历史检测数据的归档，按照统一的存储格式，备份到指定的存储空间，释放数据库容量，提升数据库性能。
2、数据分析模块
数据分析模块主要包括检测数据预处理、线路台帐信息设置和检测数据自动分析三大功能。检测数据预处理实现原始检测数据的里程信息校正和噪声数据过滤功能，保证检测数据的正确性。线路台帐信息设置是根据线路名称、区段名称和里程范围自动的从线路台帐数据库中匹配相应的线路台帐数据。检测数据自动分析则根据输入的原始检测数据进行各检测项目的数据归纳统计、TQI值计算，再根据線路台帐信息记录的检测标准和评价标准给出超标类型、超标单元数量、超标扣分和超标单元比例，并自动地存储到线路评价结果数据库，实现智能化的检测数据分析流程。 3、历史数据对比模块
历史数据对比模块主要包括多期分析结果加载、轨道变化趋势分析和区段轨道质量统计三大功能。多期分析结果加载实现多期检测数据的分析结果的加载读取，并以折线图、柱状图的形式进行数据展示，对数据异常区域进行标注，便于检测人员观察和评估。轨道变化趋势分析是通过分析线路轨道状态在时间维度上的变化趋势，预测线路轨道是否处于变化期、稳定期或恶化期。区段轨道质量统计则是对同一线路区段的多期TQI值进行统计分析，发现轨道质量较差的区段，便于制定线路维护计划。
4、评价结果管理模块
评价结果管理模块主要包括线路评价结果管理、线路评价报告生成和历史评价结果归档三大功能。线路评价结果管理是将检测数据的分析结果以统一的数据格式存储于评价结果数据库中，提供查询、修改和删除功能，便于历史数据对比模块的统一读取。线路评价报告生成是将线路评价结果数据以折线图、柱状图、专题图以及数据报表等形式进行展示，便于铁路线路养护单位掌握线路轨道状态，为制定线路维修养护计划提供数据支持。历史评价结果归档是将评价结果数据库中历史评价结果，按照统一的存储格式，備份到指定的存储空间，释放当前数据库的容量。
三、系统实现与应用
（一）系统实现
铁路轨道状态智能分析系统采用C++语言进行编码，使用QT作为可视化工具库，选用轻量级的MySQL数据库对原始检测数据、线路台帐数据和评价结果数据进行管理。此外，还基于Html5和CSS3技术开发了数据报表模板，用于评价结果的报告生成和打印。
铁路轨道状态智能分析系统主界面如图3所示，左侧列为各功能模块的选择按钮，中间部分为可视化区域，实现线路轨道检测数据、分析过程以及评价结果的动态展示。
（二）系统应用实例
目前，铁路轨道状态智能分析系统已在一些铁路养护单位进行部署，取得了较好的应用效果，产生了一定的经济价值。本节利用铁路轨道状态智能分析系统对多条线路的轨道原始检测数据进行分析，并统计分析各线路的轨道状态变化趋势。
利用轨道变化趋势分析功能，分析线路全线的检测数据，识别到轨道板变化情况如图4、图5所示。
利用区段轨道质量统计功能，识别线路的TQI超标单元，通过TQI质量指数来指导线路维修。识别到的TQI超标单元如图6所示。
利用历史数据对比功能发现线路的变化情况，如下图7所示。对不同时期多次检测数据进行对比分析，发现部分线路区段受气温变化影响，高低平顺性发生了明显变化。
四、结束语
为了适应我国铁路的快速发展，满足铁路养护单位的实际应用需求，本文构建了一套铁路轨道状态智能分析系统。系统实际部署应用结果表明，本文系统能够对线路轨道原始检测数据进行科学、有效地管理，减少数据分析过程中的人工干预，降低检测人员的工作量，提升了数据分析的智能化程度，并一定程度上增强了轨道状态评价结果的客观性和准确性，具有较好的实际应用价值，有助于铁路养护单位监测轨道状态，为制定铁路线路养护计划提供了数据支持。
参考文献：
[1]佐佐博明，邹振民.日本新干线轨道及其维修[J].中国铁路，1999（12）：3-5.
[2]许玉德，曾学贵.高速铁路轨道的安全管理[J].中国安全科学学报，2003（01）：45-47+1.
[3]陶竑宇，吴双宇，赵文芳.铁路工务管理信息系统改进设计[J].兵器装备工程学报，2016，37（05）：173-176.
[4]田新宇，魏世斌，赵延峰，王胜春.城市轨道交通基础设施综合检测列车创新技术[J].现代城市轨道交通，2019（08）：32-36.
[5]黎国清.轨道质量指数及其在高铁动态验收中的应用[J].铁道工程学报，2016，33（11）：45-50.
[6]吴细水，刘丙强.高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）主要内容及特点[J].中国铁路，2012（05）：15-18.
作者简介：
杨国峰（1972.5-），男，汉，籍贯：山东菏泽，学历：大学（本科），职称：助理工程师，研究方向：轨道检测。