基于 STARLIMS 的高速铁路噪声试验数据共享管理系统研究

2019-05-13陆维姗伍向阳何财松

铁路节能环保与安全卫生 2019年2期

陆维姗，尹皓，伍向阳，何财松

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京 100081）

我国高速铁路的建设和发展取得了举世瞩目的成就，其产生的噪声对铁路沿线声环境影响也愈发受到关注和重视，铁路主管部门组织科研院所、高校针对噪声控制开展了大量的理论和试验研究，积累了庞大的研究数据。高速铁路噪声是一种多源耦合、宽频复合的噪声源，涉及专业范围广，试验单位多，参与铁路噪声研究各单位的归口管理部门不同，试验装备、试验平台、研究手段和管理模式也存在较大差异，难以实现数据共享，大数据资源的价值得不到充分有效的发挥。因此，为实现高速铁路噪声数据共享管理，在分析高速铁路噪声数据特点的基础上，基于STARLIMS平台，从试验组织管理、数据管理及分析2个方面开发高速铁路噪声试验数据共享管理系统。

1 高速铁路噪声试验数据共享管理系统需求分析

1.1 数据管理特点

高速铁路噪声研究涉及的试验内容和项目众多[1-4]，包括车内外噪声源识别、传递路径分析、控制措施效果评价、轮轨粗糙度、轮轨振动、空气动力学等试验和仿真研究等，试验数据的获取及管理呈现以下特点。

（1）噪声试验过程复杂，试验内容和项目繁多，难以实现试验的动态化、流程化管理。

（2）影响噪声的因素较多。噪声试验和研究中涉及车轮不圆度试验数据、钢轨粗糙度试验数据、轨道动力学和车辆动力学试验数据，还有分别存储在工务数据管理信息系统和动车组管理信息系统中的轨道不平顺、车轮镟修和转向架关键部件维修更换信息等，这些均是影响噪声大小的重要因素。

（3）试验数据格式众多。由于缺乏统一的试验数据格式标准，不同单位、不同试验设备产生的数据格式不尽相同。

1.2 系统需求分析

基于上述特点，我国高速铁路噪声试验数据共享管理系统应满足以下要求。

（1）高速铁路噪声试验种类较多，需构建试验数据管理体系，提供统一的试验数据管理机构，对所有噪声试验进行动态管理，对所有试验流程进行监管和调整，实现铁路噪声与影响试验因素相关联。

（2）对于既有数据管理，在外部数据源数据导入系统文件服务器之前先对其进行解析，通过在系统数据库中定义数据表的方法，实现外部数据源数据与库中数据表一一对应，从而将众多不同格式的外部非结构化数据变为系统数据库中的结构化数据，实现大批量噪声数据的安全上传与下载。

（3）具备综合分析展示能力。对存储在系统中的试验数据进行综合分析展示，可快速获取试验数据的基本特征；对于车轮磨耗、车轮多边形等影响铁路噪声的影响因素，系统可以按照定义的模板自动生成对应的分析报告，提高试验数据的分析效率。

2 高速铁路噪声试验数据共享管理系统设计

2.1 总体架构

实验室信息管理系统(Laboratory Information Management System，LIMS)是将以数据库为核心的信息化技术与实验室管理需求相结合的信息化管理工具。通过STARLIMS平台，配合实验数据的自动采集和分析，可以在很大程度上提高实验室的检测效率，降低实验室运行成本并能快速溯源和追踪文档修改痕迹，使传统实验室手工作业中存在的弊端得以顺利解决[5]。基于此，引进STARLIMS平台研发高速铁路噪声试验数据共享管理系统。

目前的软件系统架构主要有C/S架构和B/S架构。C/S 架构只适用于局域网，每个客户端必须安装和配置软件，一旦系统出现修改或升级，所有客户端都必须进行修改或升级，维护成本高、难度大。B/S架构建立在广域网基础上，客户端是浏览器，对数据库访问和业务逻辑的执行均在服务器上完成，极大减轻客户端负荷，减少系统维护与升级的成本和工作量[6]。基于STARLIMS平台的B/S架构进行系统开发，结构如图1所示。为了满足铁路行业内外噪声数据共享管理的需求，满足不同用户的个性化需求及对复杂数据分析与展示的能力，系统支持调用客户端的Matlab软件，通过 VBScript、JavaScript 和 Flash 技术，使数据的展示和用户交互更为生动和便捷。

图1 B/S结构

2.2 系统功能结构

根据高速铁路噪声试验数据管理的要求，系统开发主要是从以下方面着手。

（1）从试验管理方面，主要针对计划实施的噪声试验流程管理及协作管理。试验流程管理着眼于总体计划、现场试验、仿真试验计划的制定、更改、下发及监控，实现试验数据的动态管理；试验协作管理主要着眼于对试验进度的查看及试验事项提报过程的监控，协助试验过程管理。

（2）从数据管理及分析方面，包括试验数据管理、数据分析展示。试验数据管理涉及试验数据的上传、审核、下载、查询及显示等方面的管理；数据分析展示主要对查询获得的试验数据进行时域、频域的二维或三维规律的分析展示。

此外，系统管理与接口的优化设计对于维护系统安全及完善数据系统实现交互起辅助作用。

高速铁路噪声试验数据共享管理系统功能结构如图2所示。

图2 系统功能结构

3 高速铁路噪声试验数据共享管理系统功能及应用

3.1 试验管理

3.1.1 试验流程管理

高速铁路噪声试验涉及人员、时间进度、试验数据等要素，因此高效的流程管理是检验试验数据管理系统优劣的关键因素之一。试验流程管理功能主要针对现场试验、仿真试验和实验室试验。涉及项目众多，流程管理需要针对不同类型试验调整检测项目。因此，通过在数据管理系统中集成试验流程管理技术实现试验过程和数据动态管理。具体试验流程内容如图3所示。

3.1.2 试验协作管理

试验协作是对执行过程中各种问题和困难进行沟通和反馈的平台，有利于试验负责人掌握试验的执行情况。不同岗位试验人员可在试验过程中填写事务信息，指定相应人员给予解决。除此之外，试验协作模块将以列表的形式提供可视化广告牌，快速查看年度测试计划的整体执行情况及计划中某一具体试验项目的执行情况，同时展示年度测试计划具体情况，按照试验项目、试验线路、线路负责人、试验单位、专业负责人、测点/车号和具体情况进行排列，并可以查看相应试验项目具体的试验情况，如试验时间、试验进度等。

3.2 数据管理及分析

为提高试验数据的规范化、标准化，实现试验数据共享，对试验数据的存储、分析展示进行研究。

3.2.1 数据管理

试验数据管理是数据共享的基础，是对试验数据的整合以达到再利用的目的。在系统中，数据的管理是与其对应的试验环境紧密相关的，试验的开展是以任务的形式进行分发，一旦离开所属的试验环境，试验数据便失去了分析的价值。因此，基于任务的组织形式对试验过程中各类数据进行组织和管理，包括对试验数据类型的规范管理，数据的上传、查询及加密等。

（1）数据分类。高速铁路噪声是多种机理噪声构成的复合噪声，主要包括轮轨噪声、车体噪声、集电系统噪声及桥梁结构噪声等[7]。为了更好地分析高速铁路噪声的成因，国内外学者围绕降低铁路噪声开展了大量研究，其产生的数据类型也各有不同，包括钢轨及车轮静态数据、轨道及车辆动力学数据、车轮多边形数据、高速综合检测车数据及动车组管理信息系统数据等。试验数据大多以电子文件形式存于移动存储设备或以纸质文档存储，这种非结构化的管理，导致不同试验单位采集的数据难以进行分析比较，不利于数据的重复应用和经验的积累。因此，在外部数据导入本系统文件服务器前对各类数据进行解析，通过在系统数据库中定义数据表的方法，实现外部数据与数据库中数据表的一一对应，从而将众多不同格式的外部非结构化数据变为系统数据库中的结构化数据。

（2）数据存储。为了更有效地上传试验数据，研究采用1台文件服务器和1台数据库服务器对数据进行存储。所有进入系统的试验数据首先存入文件服务器进行备份，并对表格和文本类数据进行结构化处理，存储至数据库服务器。文件服务器与数据库服务器中的数据并不是孤立的，系统将钢轨廓形、钢轨粗糙度、轨道不平顺、轨道动力学等试验数据与测点里程相关联，将车轮踏面、车轮多边形、车辆振动等试验数据与车号相关联，通过测点、车号、时间、线路等关键信息可查询与之关联的所有数据。同时，针对不同用户需求还设置了2种不同的数据上传方式，一是在试验流程管理中进行数据上传，二是历史数据的批量上传。此外，对于文件较大的试验项目，系统采用断点续传技术及多线程技术，使数据传输效率大为提高。

图3 试验流程图

（3）数据查询。采用QBE和索引2种查询方式，QBE即实例查询语言，是一种基于图形的点击式查询数据库的方法，在进行示例查询时，首先在文件中查找与该示例图像最为相近的类，进而在类的索引文件中进行更深层次的查询，使用户不再需要记忆表格名、属性名及查询语言语法，减少查询图像匹配的次数，从而根据查询模板快速检索数据[8]。索引查询是影响高速轮轨关系试验与研究管理系统性能的重要因素之一，为了提高性能，采用SQL Server数据库来提供相应的索引机制。

（4）数据安全。高速铁路噪声试验共享管理数据库中的大部分数据是绝对机密的，承载着高速铁路噪声的核心内容，给系统数据库加密是保护系统关键数据的有效手段之一，系统采用了MD5登陆加密技术和HTTPS数据传输加密技术。。

3.2.2 数据分析展示

针对各类噪声数据特点开发对应的数据分析展示算法是实现数据充分利用的关键，研究应用数据可视化技术实现抽象数据可视化，进一步挖掘数据隐含的信息，通过采用封装Matlab控件和VC++控件，实现不同试验数据以各种曲线图、柱状图、三维云图的显示，以及试验数据的可视化交互和后处理。数据分析效果如图4所示。

图4 数据分析展示

3.3 系统管理与接口

3.3.1 系统管理

为了加强噪声试验数据共享管理系统的安全性、有效性，通过研究岗位管理和角色管理功能，对不同试验人员授予不同的权限，充分发挥试验项目各成员的作用。同时，为了进一步保障系统安全，通过细化角色管理模块，有效限制不同角色操作系统的权限，系统管理员可以通过审核跟踪功能查看操作人员历史记录，对于异常登录情况可随时强制退出。

3.3.2 系统接口

接口是扩展系统功能、实现系统快速升级的必要手段，基于噪声试验数据分析需求，在系统中嵌入了Matlab和VC++接口，实现了试验数据的可视化和分析展示。同时，为了掌握影响高速铁路噪声的关键影响因素，开发与全路动车组检修运用信息平台——动车组管理信息系统的数据接口，实现噪声现场试验数据与动车组检修、运行交路和故障等信息的关联，进一步保障了高速铁路噪声数据的共享利用。