检测波形数据综合分析展示软件

■ 赵钢 张鹏 徐贵红 许阶

按照一定采样间隔连续存储的检测数据一般称为波形数据，根据采样方式分为定时采样数据和定距采样数据。波形数据包括基础设施状态的详细信息，是分析基础设施质量状态的第一手资料，深受设备养护维修部门的重视。

检测技术发展初期，一般通过各种记录仪以图纸形式记录数据，检测结束后分发给现场维修部门进行分析，查找问题分析变化，很难实现数据的对比分析和长期保存。

随着检测技术和计算机技术的发展，现在的检测车大多采用波形文件方式存储波形数据，并开发了相应的波形显示软件，不但可以在检测过程中即时显示波形检测数据，而且通常具有历史对比、参数测量等分析功能。波形显示软件还可以用于离线数据分析，通过与前次检测数据对比找出设备质量恶化之处。

随着高速综合检测列车的应用，需要对不同检测系统的相关数据进行综合分析，传统波形显示软件已不能适应新的需求。依托国家863重点项目“最高试验速度400 km/h高速检测列车关键技术研究与装备研制”，针对近年来对波形数据分析的新需求，在原轨道检测波形展示软件基础上进行功能扩展，研发了全新的检测数据波形综合分析展示软件。

1 系统概况

检测数据波形综合分析展示软件采用.Net技术开发，可在Windows操作系统环境下应用，实现多专业检测波形综合分析、检测数据多次历史对比、设备台账综合展示及无效数据区段标识和文字标注，而且创造性地实现了基于线路特征点的里程校核功能，解决了困扰动态检测多年的大难题。

整个系统软件架构采用基于C/S体系架构，系统设计采用框架式结构，结构上包括数据处理层、网络接口层和前端展示层，所有业务服务采用服务组件方式提供，保证了系统的高扩展性。数据处理层是软件系统实现数据高效访问和各种分析功能的核心，包括数据文件读取解析模块、数据库访问模块和数据分析处理模块。数据文件读取解析模块负责对实体数据文件的读取；数据库访问模块封装了对设备台账数据、偏差数据、索引及标注数据等记录类数据的访问接口；数据分析处理模块实现了里程修正处理和基于表达式的计算通道动态生成，且实现了与Matlab数值计算模块的交互组件，可实现对波形文件的复杂处理分析，目前已实现的算法包括相关性计算、轨道谱计算、偏差动态评判和区段特征值计算。

2 功能特点及实际应用

检测波形数据包含大量对指导设备养护维修具有重要意义的内容，但目前对于波形数据的分析应用还很不充分，其中原有波形查看软件在展示和分析功能方面的欠缺也是波形数据分析应用不够的主要因素之一。新的波形综合分析展示软件在多专业检测波形综合分析、里程后期校核、多次历史数据比对等方面取得了突破。

2.1 里程后期校核功能

无论是综合检测列车还是各专业检测车，都是在动态运行条件下完成基础设施状态检测，各检测系统必须通过LKJ、GPS等信息源获取线路上定位点的实际里程，并利用轴头编码器的脉冲信号等方式实现定位点间的里程记距。实际应用中受到各种因素影响，如GPS信号不良、轮径测量误差等，检测数据中的里程往往与实际里程存在一定误差，且这种误差很难通过检测系统的改进在动态检测过程中在线完全消除。里程方面的误差给维修部门查找现场病害带来了很大难度，尤其是目前高速铁路普遍设备质量较高，且维修天窗往往在夜间，里程信息的准确性成为提高检测数据应用水平的关键之一。

通过分析可知，检测数据中里程误差的来源主要有2个方面：定位点里程的不准确和脉冲记距带来的累计误差。目前在高速铁路推广的基于RFID射频标签的里程精确定位系统可以很好地解决定位点里程的精确性问题，但里程精确定位系统的全面推广还需较长时间，很难推广到所有线路，同时也无法解决由于长断链、定位点错失及记距方面带来的误差。因此，研究通过后处理手段修正检测数据中的里程误差是当前较为可行的方法。

该软件系统创造性的采用动态索引技术，可在不对检测波形文件进行任何修改的前提下，利用检测波形本身所具有与设备台账相关的特征点，如弓网检测的接触线支柱、轨道检测的曲线头尾，通过数据分析人员设定的关键点索引，对检测波形数据进行里程后期校核。应用动态索引的里程修正机制还可以利用现场反馈的偏差实际里程不断提高里程修正精度。

图1是软件实际应用的演示，红色（层1）和蓝色（层2）分别为同一次检测修正后和修正前的波形数据展示，设备台账显示曲线起点应为K683+013，修正后的检测数据里程为K683+10.7，修正前里程为K683+465。目前采用利用曲线特征点获取修正定位，通过大量测试，利用这样的方式每40 km打一个索引点大约能够保证全线各点里程精度在10 m范围内，可以满足实际工程需求。

目前软件还开发实现了对相应检测导出文件中偏差数据的里程信息进行修正，并对轨道质量指数重新计算，在进行后期数据分析中能够更加准确的掌握轨道质量变化趋势，避免由于里程偏差带来的分析误差。

利用模式识别等数据处理技术，里程修正还实现了自动化对历史检测数据的修正，经过多次调试，基本可满足日常数据管理应用需要。为了进一步满足数据精细化分析，如偏差处幅值变化分析等应用需要，在数据处理层还实现了局部数据精确对齐的功能，可以将分析目标附近的检测数据进一步对齐，达到采样点精度。通过一系列解决方案，实现了检测数据里程修正功能，为工程应用和科研分析提供了可靠的数据支持。

2.2 多专业检测数据综合分析功能

综合检测列车上包括轨道、供电、信号、通信及车辆动态响应等多个检测系统，各检测系统分布在不同车厢内，即同一时刻各检测系统实际的里程范围不同。综合检测列车通过时间里程同步系统实现了不同车厢内各检测系统检测结果在时间和里程上的同步。

在检测波形数据综合分析展示软件中，借鉴了图像处理软件中图层的概念，利用数据处理层的数据解析和抽象能力，将不同检测波形文件各自作为一个单独图层，各层均为透明显示，享有同等绘图空间，通过在通道配置文件中设置通道基线偏移值确定各通道绘制位置。各层间可以进行里程方向平移，并实现自动里程同步功能。采用这样的解决方案，结合后台数据访问和解析模块，不但实现了同样采样间隔、不同检测系统检测数据的同屏展示，而且能够实现不同采样方式（定时和定距）、不同采样间隔检测数据的综合展示。

图2是轨道检测与弓网检测的综合展示，通过2个专业的同屏综合展示，弓网检测可以利用轨道检测中的轨道几何和线形等信息，辅助硬点、接触压力等参数的评判。

2.3 多次历史数据比对功能

基础设施状态的变化往往是一个渐进的过程，通过发现检测参数在历史上的变化，不仅可以得到指标的变化，有时还能揭示出更深层次的原因。通过多次尤其是时间跨度较大的几次检测波形数据对比，很容易发现持续发生变化的地段，结合现场检查，分析其发展原因，有针对性地进行整治，才能彻底消除病害。

图3是对同一线路区段采用4次检测数据进行对比的示例，可清晰发现K358+230处轨道高低发生明显渐变现象，这样的区域就需要进行重点检查、监控。

2.4 其他功能特点

设备台账是记录线路中各种设备详细信息的重要资源，检测和分析过程中如果能够经常性参考台账中的设备要素信息，对于提高检测质量、正确评价设备状态均有重要意义。

通过对常用设备台账信息的适度抽象，波形综合展示分析软件还实现了设备台账的同步展示功能（见图4），为满足各种应用需要，可以采用图形化和表格化2种展示方式。

软件系统数据分析处理模块是一个扩展性很强的功能模块，尤其是实现了与Matlab计算模块的交互组件后，可以利用Matlab的计算功能，可在Matlab中开发复杂的波形分析算法，如轨道谱、时频分析等，通过组件调用，波形分析软件就能直接实现相应的计算功能。

图3 多次检测数据历史对比

图4 设备台账综合展示

传统波形查看软件都是面对单一文件，都是通过人工识别文件名找出需要分析处理的文件。基于地面数据中心强大的数据管理能力，检测波形数据综合分析展示软件不但具有打开本地数据文件的能力，而且可以在网络模式下，远程打开数据中心存储的各种数据，提高数据分析效率。

软件还具有其他一些实用功能，如多通道测量、多次历史测量、自动化截图、人工标注等，这些功能在实现过程中都根据用户反馈的建议进行反复调整和完善，保证用户应用的便捷性。

3 结论

检测波形数据综合展示分析软件是一个系统性软件工程，目前主要功能均已实现。但仍有一些好的设计需要在下一阶段开发中实现，如根据设备台账自动化进行里程校核、基于多次历史检测数据自动化提取轨道几何发生渐变的区段等。

目前，软件已在综合检测涉及的各铁路局推广应用。实践证明软件功能实用、操作便捷、运行稳定，能够很好地应用于设备质量状态的精细化分析。软件的开发也是一个持续改进的过程，以开发引导应用，以应用促进开发，只有通过不断应用改进才能更加适应现场应用，更好发挥检测数据在指导养护维修中的作用。