李思宇,李再帏,何越磊,路宏遥,徐纪康

(上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海 201620)

引言

随着我国高速铁路网的逐渐成形，高速铁路的发展重点已由建设转为运营。无砟轨道作为高速列车走行的主要基础形式，近年来服役状态劣化现象显著，在环境温度、列车动荷载、雨水等因素耦合作用下，无砟轨道板的开裂、离缝、脱空等结构性病害频发[1-3]。这些病害的存在严重影响高速列车运行的平稳性和舒适性，甚至危及高速铁路运营的安全性。因此，对无砟轨道服役状态关键参数进行在线监测[4-7]，并利用信息化管理方法对监测数据进行科学管理和使用，已经成为铁路工务部门亟需解决的重要难题。

目前，国内外针对轨道结构服役关键性参数监测已展开了大量的研究，如文献[8]通过在无砟轨道内部预埋温度传感器，采用离线处理的方式对样本数据进行时域统计分析；文献[9]开发了基于PC104的铁路道岔结构参数监测系统，利用局域网络将数据发送到管控中心进行分析；文献[10]研发了高架站无砟轨道道岔监测数据管理信息系统，该系统利用后台服务器负责数据收集、处理、存储和备份，实现铁路基础设施全天候的在线自动监测；文献[11]对高速铁路无线桥梁健康监测系统进行研究，该系统将采集到的数据在控制中心进行处理和保存，将采集到的数据实时显示在用户界面上。这些研究有力地保证了轨道结构在役服役状态，对工务养护维修具有十分重要的实践价值。但同时需要注意的是，现有研究虽然开发了很多关键参数监控的硬件系统，但在网络传输及数据库管理方面，还较为初级，无法实现监测数据的实时在线传输及数据的交换与共享，尚存在较大的改进和研究空间。

基于此，通过自行开发的CRTSII型板式无砟轨道服役性能关键参数在线监测系统，利用DTU数据模块和阿里云服务器，开发了Oracle无砟轨道监测实时数据库，建立了CRTSⅡ型板监测数据信息管理系统，实现了对无砟轨道结构服役性能关键参数有效监测与管理。

1 系统结构设计

1.1 系统总体框架设计

CRTSII型板式无砟轨道服役性能关键参数在线监测系统是自主开发设计的系统，其主要分为感知控制层、网络层和应用层3个部分。

感知控制层的主要功能是通过布置在轨道板结构上的传感器进行服役性能关键参数采样，将相关参量转换为电压信号，利用主控板的485串口接收信号数据将其储存于SD卡上，并通过485串口将数据传输到主控系统的DTU模块中。

网络层的主要功能是将来自感知控制层的采集数据通过相关无线通信设备发送到指定的服务器中，并将监测数据储存到相应管理数据库中，从而形成一个可靠、高速、可信的无砟轨道服役性能关键参数监控平台。其中，服务器采用的是阿里云端服务器，有别传统服务器受硬件配置的局限性和机房条件的影响，阿里云服务器可以对网络传输的监测数据进行实时的管理和控制，且可以按需进行系统配置，不存在延时和卡顿等问题[12-13]；数据库则采用了Oracle数据库，具有安全性、开放性、可伸缩性和并行性等优点，可实时更新网络传输数据，动态调用数据库的功能。

应用层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面向无砟轨道服役性能关键参数监控的实际应用，主要是利用客户端平台进行操作。在本系统中，用户界面、数据查询等基本功能都在客户端上完成，客户端通过中间件OleDb向服务器发送SQL语句，服务器经过分析处理后，将查询数据送至客户端，从而确保用户获取实时数据，实现远程实时监测、预警等功能[14-15]。整个系统的具体构架如图1所示。

图1 系统总体框架构

1.2 系统开发设计

系统采用C/S(客户端/服务器)的开发模式。服务器采用阿里云服务器，选用2核CPU、8G内存、10M宽带、64位Windows Server 2016 数据中心版的运行环境来保证在线监控参数数据的正常传输。服务器采用 Windows 10 操作系统，Oracle 11g 数据库；客户端采用 Windows10操作系统；开发环境为 Visual Studio 2010；开发工具为VB.NET、Oracle11g；开发语言为Visual B#。轨道板监测数据集中存储在性能较高的数据库服务器上，用户只需要安装应用程序即可管理相应的监测数据。客户端先向云服务器发出访问请求，云服务器接受请求并将对监测数据库的操作请求发给数据库，数据库则接受请求并通过OleDb访问数据库中对应的轨道板监测数据。

1.3 系统功能设计

所开发的系统主要具有数据换算、数据查询、数据可视化、数据报表与导出和实时报警等功能，如图2所示。其中：数据换算是将采集到的轨道板传感器电信号通过一定的数学公式换算成数值型的轨道板监测数据；数据查询是通过设定查询条件查询出所需的实时监测数据；数据可视化是将监测数据以曲线图的形式展现出来，更加形象直观的显示出监测数据的变化趋势；数据报表与导出是将监测数据绘制成所需要的报表形式，反映出轨道板服役关键参数的变化规律，如果所制作的数据报表不能符合用户需要，用户还可以导出excel格式的原始监测数据进行分析；实时报警则是通过设定阈值，将采集到的气象参数数据和阈值进行比较，如果超出阈值范围则进行实时客户端报警[10]。

图2 系统功能

2 系统数据库设计

数据库是CRTSII型板式无砟轨道服役性能关键参数信息管理的基础，在整个监测体系中占有非常重要的地位。数据结构的好坏将直接对应用系统的效率以及实现的效果产生影响。合理的数据库结构设计可以提高监测数据存储的效率，保证监测数据的完整和一致，也有利于系统程序的实现。根据轨道板服役性能参数的实时性与多样性要求，选用在国内外其他工程实践中得到广泛应用的Oracle数据库作为监测数据管理的开发平台进行数据库的设计。

2.1 VB访问Oracle数据库的实现

通过OLE-DB与Oracle的连接。OLE-DB由一系列的为应用提供低层次数据库连接的COM对象组成。OLE-DB对象不仅展示了关于数据库的功能，而且这些对象可以实现特定的任务[16-19]。通过对OLE-DB方式来访问数据库的基本流程如下。

(1)利用位于名称空间的System.Data.Oledb类库下的OleDbConnection类来连接Oracle数据库。本系统选用的OleDbConnection类最常用的构造函数，即把连接字符串作为输入参数。在这个构造函数中使用的连接字符串为OleDbConnection类提供了连接数据库的必要信息，包括如下参数：Privider，Data Source，Database，User ID和Password。

(2)OleDbCommand类提供了在数据库上执行SQL语句和储存过程的方式。SQL语句和储存过程可以选择、插入、更新和删除数据库中的数据。OleDbCommand类的构造函数带一个String参数值和一个OleDbConnection对象，String参数包含要执行的SQL语句，OleDbConnection对象表示数据库连接。

(3)断开连接，释放资源结束程序或关闭主窗体时，应释放用于存放数据库连接信息的Connection 对象。断开连接可以通过关闭应用程序或设置连接超时来实现。

2.2 数据库表结构设计

CRTSⅡ型板式无砟轨道监测数据的信息管理系统数据库是采用关系数据结构模型储存传感器的监测数据。数据库的设计根据监测系统主要涉及到的数据结构进行设计，主要包括监测信息表和监测数据表两大类。其中：监测数据表又可以根据监测数据类型的不同分为气象监测数据信息表，轨道板温度信息表和轨道板位移信息表三大类。每个大类下根据监测位置的不同分为不同的监测数据表。

监测信息表(表1)是系统的主体表，以ID号作为监测信息表的主键，其他字段包括传感器类型、监测位置和监测对象等内容。

表1 监测信息

监测数据表是以传感器为主体进行设计的，可以分为气象监测数据信息表(表2)，轨道板温度信息表(表3)和轨道板位移信息表(表4)。由于主控模块设置为同一时刻传来多组数据以防漏包，导致数据冗余，在关系数据库中，根据监测对象的类型，每个监测对象分别建立监测数据原始数据表、监测数据成果表，其表结构相同。

表2 气象监测数据信息

表3 轨道板温度监测数据信息

表4 轨道板位移监测数据信息

2.3 索引设计

由于系统是对CRTS Ⅱ型板式无砟轨道监测数据进行长期监测，随着线路服役时间的增加，相应的监测数据库中将累计海量的监测数据。如对监测数据进行当前及历史数据的调阅查询时，一般均先需将所有监测数据全部调阅读取出来，再进行信息筛选和过滤，最终形成符合查阅条件的结果，这类过程无疑浪费了大量的I/O，严重影响用户的使用体验。因此，本研究采用建立索引的方式进行系统设计，将WHERE字句应用在频繁引用的列表上，由于本系统主要以时间查询为主，在数据库上建立时间索引，查询时可以快速定位在时间段上，即可查询此时间段的监测数据，大大提高了查询速度。

3 工程实例

3.1 关键参数的采集与传输

本系统选用华东地区某CRTS Ⅱ型板式无砟轨道段布设传感器，线路的基础为桥梁，运营速度为300 km/h，系统的功能方式为太阳能供电。选取的地段日照充足，通风良好，所处位置没有大型结构物的遮挡，适合进行轨道板内部温度以及接缝变形等关键参数的长时间监测。

传感器布设的具体布置如图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处分别布置1个PT100型温度传感器(精度为0.01℃)，同时在板中离缝、板端离缝和宽窄接缝处布置拉杆位移传感器(精度为0.01 mm)。

图3 高铁现场传感器布置

3.2 系统功能的实现

(1)数据换算：由于参数传感器发送到云服务器数据并不是常规可读格式，首先需要按照数据转换规则进行数据转化。如分析拉杆式位移传感器数据，则轨道板的位移度量可根据传感器电阻变化进行量测，不同的阻值传入主板产生不同的电压，需要将电压通过一定的线性关系转化为位移值。由于测量值和理论值之间存在一定的偏差，需要将测得的电压加上偏差值之后再乘以比例系数，由此得到具体的位移值，但是不同通道的偏差值是不同的，需要分别计算，具体计算公式如下

y(x)=4(x-0.208)

(1)

式中，x为电压；y为位移。

(2)数据查询：本系统最基础的部分就是数据查询功能，用户可以通过客户端随时查询经过后端程序处理过的储存在CRTSⅡ型板式无砟轨道监测数据库的数据。数据查询的内容包括轨道板温度、轨温、位移和气象等最新数据。用户点击主页面上的查询按钮之后会跳出如图4所示的查询条件设置的界面，用户可以根据自身的需求在监测对象、监测地点、监测位置、监测时间的列选框选择相应的内容后点击查询按钮，系统会自动在数据库中查询并将查询结果显示在页面上。

图4 查询条件设置界面

(3)数据可视化：本系统除基本的数据查询功能之外，还具有监测数据可视化功能。数据可视化可以显示轨道板温度数据实时曲线图和轨道板变形数据实时曲线图。用户点击主页面下的帮助按键后选择测试曲线可以显示监测点实时曲线图，按Ctrl键可以进行手动拖动曲线图，查询不同时间下的温度曲线和位移曲线并观察相应的变化规律，按Shift键同时滚动滚轮可以缩放曲线图，具体如图5所示。

图5 监测点实时曲线图界面

(4)数据报表和导出：数据分析报表部分可以展示半个月内板温时程曲线图、位移时程曲线图和温度梯度时程曲线图，此外还可以根据测试数值进行板温、气温和气象等每日极值的比较。数据报表能够实现对某时间段、指标等限定范围的各种统计报表。当平台提供的显示方式不能够满足用户需求时，用户可以直接点击下载按钮，下载相应的excel数据表格。例如，用户需要近一个月内每天轨道板温度变化数据，可进行该数据的统计并进行数据导出，具体如图6所示。

图6 嘉兴南数据报表

(5)实时预警：本系统实现对数据流的实时异常诊断功能，并及时提出预警，如图7所示。本系统通过SVM分类预警模型，对轨道板正温度梯度分类预警状态进行分析，得出气温≥33.9 ℃、太阳辐射量≥733 W/m2量值以及瞬态参量风速≤2 m/s三个指标作为指标值[20]。当气象参数超过设置的阈值时，系统将自动进行报警，自动存储到系统数据库中，同时以弹出对话框并触发警铃的警醒方式进行提示，提高防范意识。当监测数据发生异常时，现场工作人员可根据预警系统所提示的预警数据及断面等级对现场工程做出相应处理，为高速铁路轨道系统的安全服役和合理维护提供了有力保障。

图7 报警界面

4 结论

本文基于 Oracle数据库开发CRTSⅡ型板式无砟轨道监测实时数据库，形成了CRTSⅡ型板监测数据信息管理系统，实现了对无砟轨道结构服役性能关键参数的有效监测与管理。主要结论如下。

(1)采用云端服务器和Oracle数据库可以实现CRTSⅡ型板式无砟轨道监测数据信息管理系统的开发。

(2)利用OLE-DB数据库可以有效实现轨道板监测数据库的功能。

(3)工程实践表明本文所提方法的有效性与准确性，建议可以采用此系统对轨道在役服役状态进行监测和管理，以便更好地保障高速列车行车安全。