高速铁路运营期沉降监测数据管理系统研发

谷洪业 杨怀志 朱星盛

1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300251；2.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038

截至2020 年底，我国高速铁路运营里程已达到4 万km。为高速铁路运营提供实时、准确、高效的变形监测数据，掌握整条铁路线桥结构的变形情况，确保高速铁路运营安全，对运营期高速铁路进行长期的变形监测是一项必要工作。高速铁路运营监测数据量大，监测内容多，传统的数据管理方式已不能满足快速增长的数据量管理需求。随着数据量的增多，对沉降数据的管理难度不断增大，传统数据管理方式在数据管理、文档存储、版本管理、查询及检索方面耗时耗力［1］。随着信息化技术的发展，应用信息化及大数据管理方式来解决数据管理困难，提高工作人员管理效率已成为主流趋势，《铁路信息化总体规划》［2］对铁路运维管理方面的专项设计，为高速铁路运营监测数据信息化管理工作提供了强有力的保障［3］。本文采用 . NET 技术设计研发 B∕S（Brower∕Server，浏览器∕服务器）架构的高速铁路精密网及变形监测数据管理系统，以实现对高速铁路运营期间监测数据的信息化管理，设计多种维度的数据管理及展示方式，为高速铁路运营部门提供快速简便的数据获取通道，及时了解掌握高速铁路运营的整体及局部沉降情况，为后续的运营决策提供可靠的数据支撑。

1 数据管理系统研发架构

1.1 系统需求分析及技术选型

众多传统的数据管理系统均采用了基于单机版的开发模式，该模式下难以实现数据共享，升级和维护成本高，对客户机系统配置要求高，展示方式大多受限于软件平台，不能满足运营铁路跨平台、多用户的使用需求［2］。随着B∕S 架构的兴起及信息技术的快速发展，B∕S 模式的数据管理系统体现出了巨大的优点。主要体现在：①分布性强，客户端零维护。只要有网络、浏览器，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。②业务扩展维护方便，数据管理系统新增或修改功能后只需升级服务器端，即可实现所有用户的同步更新。③数据信息共享简单，不同角色用户对数据的维护管理结果都将同步体现在数据管理系统所有用户的操作界面中，不会出现数据信息不同步问题。④支持的开发技术多样化，可根据服务器具体硬件配置来采用不同的开发技术。

系统开发采用ASP.NET Framework 4.0 作为后端主要编程框架。ASP.NET 是微软公司推出的Web 开发平台，它为开发安全的B∕S 系统提供了丰富的措施和机制［3］。数据管理系统采用前后端分离设计模式，方便系统的迭代维护，前端采用主流的脚本语言JS（JavaScript）与层叠样式表CSS（Cascading Style Sheets）进行页面设计及交互功能开发，后端采用安全性高、性能好、操作方便灵活的高性能数据库，保证大量监测数据存储的可靠性与稳定性［4］。后端数据接口交互采用基于JSON（JavaScript Object Notation）的轻量级空间数据交换模型，获得更好的解析性能及传输效率。

1.2 系统框架设计

需求分析是软件生命周期中重要的一步，也是能否成功开发软件的关键性一步［5］，在数据管理系统开发前总结既有高速铁路运营监测数据管理弊端及收集参与单位具体需求，完成制作软件需求规格说明书，作为后续系统开发的指导性文件。本文根据软件需求文档，设计完成了高速铁路精密网及变形监测数据管理系统框架，如图1所示。

图1 高速铁路运营期沉降监测数据管理系统架构

2 数据管理系统模块功能设计

2.1 系统设置模块

数据管理系统中的系统设置模块主要是用于控制不同用户的系统管理权限，用于满足不同角色人员的管理需求。系统采用用户与项目的一对多关系，实现单个用户对任意数量项目的数据管理。针对单个项目的管理，系统分别采用里程权限、数据编辑查看权限、项目创建管理权限及数据上传下载权限来细化用户的数据操作权限，同时采用严格的日志管理模式，记录用户对系统的关键操作记录，从多方面来保证系统的可追溯性及应用安全。

2.2 信息总览模块

信息总览模块是数据管理系统为方便用户实现对项目监测数据总体情况的把握而设置。铁路在地理空间分布上具有明显的特征［6］，系统在信息总览页面采用地理信息展示的方式，包括卫星地图、普通线路图，实现对线路位置走向的直观化展示，同时支持对线路上不同段落构筑物类型的标注，采用开源图表控件完成对项目不同监测区段的监测状态统计，如图2所示。

图2 信息总览

2.3 数据管理模块

数据管理模块是整个数据管理系统研发的核心，运营及养护维修测量内容应包括各级控制网的复测、构筑物变形监测、区域沉降地段变形监测等［7］。因此本系统需要实现对高速铁路运营期间的控制网、沉降标、数据基点的属性数据和观测数据的分类管理。属性数据包括测点的属性信息及高差属性，观测数据主要包括各监测类型数据的高程及高差数据。为解决大量的数据属性及测量成果的入库，系统根据不同的构筑物（桥梁、隧道、涵洞和路基等）特点建立不同的属性及数据模板表格，供用户批量导入，如图3 所示。为避免数据的录入错误，系统建立标准的数据检查标准，对入库前数据进行严格的数据检查，保证数据的一致性与准确性。

图3 录入模板

2.4 数据查询模块

数据查询模块为用户提供多种搜索条件的组合查询，方便用户快速定位具体测点位置，把握整体沉降趋势。用户还可根据区段及里程区间直观获得监测数据的基于里程-数值或时间-数值的累计沉降、差异沉降、CPⅢ横向位移及CPⅢ纵向位移曲线图。通过设计数据结构，使数据管理系统支持联动式的查询方式，可以从系统总览页面地理信息图中定位到具体测点，也可以直接从数据管理页面搜索查找，满足关注点不同的用户的查询需求。为方便用户进行文档管理，系统支持按用户自定义条件，完成不同监测数据的报表下载。

2.5 项目管理模块

项目管理模块主要涉及项目基本信息的建立，高速铁路运营期间不同区段的沉降情况及相应观测频次、关注点不同，为满足不同用户的需求，数据管理系统对高速铁路运营监测项目按区段及车站划分，区段可按项目实际情况由用户自定义划分，常见区段可划分为普查区段及重点区段，如图4 所示。在用户查询统计及数据管理过程中，可根据划分的不同区段快速定位至所需段落。

2.6 统计分析模块

统计分析模块是数据管理系统对数据录入后的整体统计，用户可根据期次、起止里程及自定义统计阈值完成对该段落沉降数据累计变形量或变形速率的汇总统计。石武高速铁路线路K0500+449—K0501+202里程段落的位于阈值（-5，5）区间内的部分累计变形统计情况见图5。

图5 部分累计变形展示

3 系统应用测试

为验证所研发的数据管理系统的稳定性及适用性，通过仿真试验数据对系统进行多方面性能的测试，并利用国内石武高速铁路线路的历史测量数据进行实际应用。

项目每期观测完毕后，按系统指定模板完成数据的录入，录入完成后在平台显示如图6所示。

图6 CPⅢ沉降数据管理界面

通过数据管理系统可查询任意里程段落的沉降趋势图，以及不同监测周期的沉降趋势对比图，可以直观地了解本段落的沉降趋势情况。同时能够导出相应的数据报表供用户使用，提高数据管理人员的数据使用效率。展示结果如图7所示。

图7 数据管理系统展示

4 结语

本文根据实际生产项目需求，基于. NET 框架开发了B∕S 模式的高速铁路精密网及变形监测数据管理系统，系统成功应用在多条既有高速铁路运营监测项目，有效地解决了京沪高速铁路1 300 多公里运营监测数据的处理，以及京津城际多年的运营监测数据的管理与查询分析。随着高速铁路不断开通运营，高速铁路运营监测将具有广阔的市场，本系统能够完全满足现场项目的数据检索管理及报表统计分析的需求，提高了相关运营部门的数据管理效率，具有较好的实际应用推广价值。