铁路轨道状态分析系统设计与实现（可编辑）

1、铁路轨道状态分析系统设计与实现 北京交通大学硕士学位论文铁路轨道状态分析系统设计与实现姓名:王敏申请学位级别:硕士专业:交通运输规划与管理指导教师:王福田20050301北京交通大学硕士学位论文 摘要摘 要铁路工务部门对线路设备的大中修和常维修工作的基本任务是保持线路设备完整和质量均衡,使列车以规定速度安全、平稳和不间断运行以及尽量延长轨道使用寿命。随着轨道状态检测技术的提高,轨道检查车、机车动态检测仪、添乘仪和轨道静态智能检测仪等各种检测设备提供了大量的轨道动静态检测数据,对工务部门的大中修和日常维修工作起到一定的指导作用。由于信息管理技术和管理手段相对落后,导致目前的维修工作仍然是“病害”

2、维修和事后维修,安全形势非常严峻。如何科学地分析和预测线路轨道状态,根据轨道状态指导制定维修计划,实现线路的“状态维修”成为铁路工务安全生产的重要研究课题。奉文主要研究轨道状态分析的相关理论、方法和实现问题,主要从分析手段、方法和信息技术实现等角度,研究如何综合利用轨道基础信息、病害信息、运量信息、维修信息、动态检测信息、静态检测信息等对轨道状态进行分析,如何预测轨道状态发展趋势,如何根据轨道状态分析与预测结果、养护维修技术与标准制定线路养护维修计划,指导线路的养护与维修工作等问题。论文首先较为全面地分析现行铁路轨道状态管理中存在的主要问题,指出轨道状态管理的指导思想和信息技术手段的落后是制约

3、对铁路轨道状态进行科学管理的两大因素。其次,探讨构建铁路轨道状态分析系统的相关理论和方法,提出系统的设计目标、功能结构,并详细阐述系统各模块的主要功能。第三,重点讨论轨道状态分析系统数据仓库的建设问题,特别是对系统数据仓库的设计目标、主题确定、逻辑设计、物理设计以及空间数据的规划和建设方法进行深入研究。摘要北京交通大学硕士学位论文最后,介绍本文所研究的应用系统在南疆铁路临管处的实施情况。在实际应用中,系统采用网络技术、大型数据库技术和技术,实现工务轨道设备动态、静态检测数据、通过总重数据、维修数据等数据的采集、存储、管理。系统通过对检测数据的积累和挖掘,充分发挥尤其是?技术的优势,使得决策者能

4、够沿着时间和空间两条主线寻找数据之间的关联,从而实现对轨道状态的基本把握和发展趋势的预测,为维修计划制定等工务日常生产提供有力的辅助决策支持。关键词:铁路;工务:轨道状态分析系统;检测;维修;通过总重;预测;数据仓库;地理信息系统北京交通大学硕士学位论文 , .,. ., ., , , . , ,. 北京交通大学硕士学位论文 , ,. ,. , .?.;:;绪论北京交通大学硕士学位论文第章绪论.研究背景.轨道在铁路运输中的重要地位轨道是铁路行车的基础设备,它直接承受机车车辆传来的压力、冲击和震动,并将其传递给轨枕。它的主要作用在于支持并引导车轮沿着运行方向前进。因此,轨道状态的好坏对车辆的安全

5、运行、乘客的旅行舒适、设备的使用寿命和养护费用起着决定性的作用。铁路日常运营过程中,随着时间的推移,铁路轨道在机车车辆的不稳定重复荷载作用下,会出现垂向、横向的动态弹性变形和永久变形,统称为轨道不平顺轨道不平顺分类见图一所示,轨道不平顺不仅影响列车的平稳运行,而且这种变形积累到一定限度时,将大大削弱线路的强度和结构稳定性。轨道不平顺对铁路安全运输有严重的影响,具体表现在以下几个方面】:严重的高低不平顺将引起列车剧烈的点头和沉浮振动,使车轮大幅度减载,甚至悬浮,在曲线上和方向不良的区段运行时,可能导致脱轨。高低不平顺的幅值过大约超过时会使道床阻力显著降低,引起无缝线路发生胀轨跑道。水平不平顺将使

6、车辆产生侧滚振动,导致一侧车轮增载,一侧车轮减载。北美铁路专家认为睦线上严重的水平不平顺,往往是引起货车脱轨的重要原因。若方向、水平两种不同不平顺同时存在,且逆向复合时,引起脱轨的危险性更大。曲线扭曲不平顺将使转向架出现三点支承一轮减载甚至悬浮的危险情况。曲线和直线上严重的局部扭曲不平顺都会引起车辆剧烈的侧滚和侧摆振动,导致脱轨系数过大而脱轨。严重的方向不平顺将引起很大的侧向力,可能使轨枕、扣件不良地段的钢轨倾翻或轨排横移,造成列车脱轨倾翻。过大的侧向力也往绪论北京交通大学硕士学位论文往使脱轨系数增大,引起列车爬轨掉道。幅值很大、波长较短的方向不平顺,本身就会使无缝线路的稳定性降低,加上这种方

7、向不平顺必然引起轮轨间较大的横向力,往往导致动态胀轨跑道事故。轨距偏差过大,会使车轮掉道和卡轨。即使轨距尚未扩大到会使车轮掉道的程度,如果车轮锥形踏面的大坡度段:已进入轨顶内侧圆弧内,仍然会在轮轨间产生较大的横向推力。曲线头尾的几何偏差,往往是列车陷线脱轨的重要原因,这种几何偏差实质上是一种轨道超高和曲率不匹配的严重的复合不平顺,将使车辆产生剧烈摇晃,脱轨系数减载率和横向力均显著增大。严重的波浪形磨耗实质上是一种波长极短、变化率极大的高低不平顺,而且呈谐振波形,比高低不平顺的影响更为严重。轨面不平顺将产生轮轨间的巨大冲击力,轮载波动通常为静轮载的二三倍之多。高低水平垂向不平顺:平面扭曲钢轨波浪

8、形磨耗轨面不平顺包括擦伤,剥离,马鞍形磨耗轨道方向不平顺横向不平顺轨距复合不平顺垂向与横向不平顺同时存在且呈叠加状态【其它如轨底坡偏差,曲线头尾几何偏差图一轨道不平顺分类示意图由以上可以得出轨道的不平顺将严重威胁行车安全。因此,如何对轨道状态进行有效管理,如何实时把握轨道状态,如何保持线路设备完整和质量均衡,使列车以规定速度安全、平稳、不间断地运行并尽量延长轨道使用寿命,已逐渐成为国内外铁路工作者的重要研究课题。.建设铁路轨道状态分析系统的意义年月日,刘志军部长在在全国铁路运输安全:作会议上绪论北京交通大学硕士学位论文做了题为“深化安全基础建设,确保运输安全稳定,为铁路跨越式发展提供坚实保证”

9、的报告,报告的主要思想为:党和国家工作大局对铁路运输安全提出了更高要求,铁路确保安全稳定责任重大;铁路跨越式发展正处在全面深入推进的关键阶段,创造运输安全稳定环境比以往任何时候都重要;铁路许多重点工作的深入推进带来了大量新情况新变化,铁路运输安全面每新的考验。轨道状态分析系统就是在适应铁路跨越式发展,提高安全生产能力的条件下产生的,以轨道设各管理科学化、维修作业现代化为奋斗目标,以大、中修为手段,加大技术含量、大力推进修程、修制的改革,为铁路运输提供安全可靠的轨道状态管理,争取早日实现铁道部提出的“加快路网建设,提高运输能力、强化安全基础建设,深化企业改革”的战略部署。对轨道状态进行分析就是利

10、用轨道基础信息、病害信息、运量信息、维修信息、动态检测信息、静态检测信息等对轨道状态进行分析、对轨道状态发展趋势进行预测、根据对轨道状态分析与预测结果、养护维修技术与标准制定线路养护维修计划,指导线路的养护与维修工作。.铁路工务生产数据在轨道状态分析系统中的价值在航空运输领域内有一个关于飞行安全的“海恩法则”,是指:一起重大的飞行安全事故背后有起事故征兆,每个征兆背后还会有起事故苗头。“海恩法则”说明了工作人员在很多事故的处理方法中存在失误,往往只重视对事故本身进行总结,甚至会开展一些大检查,而忽视对“事故征兆”和“事故苗头”的排查。而那些未被发现的征兆和苗头就有可能成为下一次重大事故的隐患,

11、从而导致事故发生连锁反应。“海恩法则”对铁路企业同样适用,每一起事故发生的背后同样存在若干未被工作人员重视的“事故征兆”和“事故苗头”。铁路工务部门能否及时发现这些事故征兆和事故苗头对于消除事故隐患、确保安全运输将产生重要影响。而如何发现这些事故征兆和事故苗头,铁路日常生产数据则将发挥重要作用。铁路工务部门在日常生产活动中产生大量的生产数据,例如线路设北京交通大学硕士学位论文绪论备基础数据、轨检车、探伤车、晃车仪、添乘等产生的设备检测数据和线路平面图、纵断面图、配线图、桥梁设计图、竣工图等图形数据,这些海量的数据是铁路企业的巨大财富。工务部门通过氏期积累这些数据,利用数据仓库和数据挖掘技术【进

12、行多角度、多层次的分析,可以实现对轨道设备状态的实时把握和变化规律的预测。同时,利用技术及时将事故多发点在地图中精确表示出来,将更加直观地展现铁路轨道状态。而目前铁路工务部门在实际工作中恰恰忽视了对这些数据的长期积累和有效利用,虽然工作人员根据检测数据对存在安全问题的轨道设备进行了及时维修和保养,但对于存在隐患的设备的检测数据则没有受到足够重视,轨道设备的真实情况往往未被发现,存在隐患的轨道设备没有得到及时整修,不能做到防患于未然。.国内外铁路轨道状态分析系统应用现状在国外,根据各国铁路工务管理侧重点的不同,可以分为两类:侧重于铁路轨道养护的轨道管理信息系统和侧重于所有铁路基础设备管理的管理信

13、息系统。铁路轨道养护方面:加拿大为铁路轨道维修开发了轨道管理系统、轨道维修咨询系统和轨道养护维修辅助决策系统,并对开发的管理信息系统进行推广,是较早实现铁路管理信息系统商品化的国家之一。其中,轨道管理系统是利用轨道检查车动态检测数据结合现场人工测量数据,对轨道总体质量状态和线路各部件的质量状态进行评价,并根据线路运输状况预测线路质量变化趋势:轨道维修咨询系统是对轨道动态检测数据进行管理和分析的系统,系统自年代开始在太平洋铁路中应用;轨道养护维修辅助决策系统是在轨道维修咨询系统的基础上,定量预钡轨道不平顺和钢轨伤损等指标的变化情况,结合线路设备的基本信息和运输状况辅助制订轨道部件的更换计划和线路

14、大、中修计划。该系统注重对维修信息的管理,考虑经济和资源因素,通过制定各种计划,可以提高作业效率,合理分配资源,优化养修作业。开发的欧洲轨道研究院北京交通大学硕士学位论文 绪论轨道维护及更新决策支持系统,町以进行工务设旌数据管理,能够应用专家系统技术建立设施维护、更新规则库,可以对工务设旋管理、维护和更新提供优化管理和决策支持,并可进行设备故障诊断、优化资源配置、从技术上和经济上对基础设施进行考察,从而提高工务设备的生产率。轨道管理咨询公司的 铁路基础设施及时刻表管理系统中的组件基础设施数据管理可提供地图导航,既在电子地图上选取某一段铁轨后,可以显示铁轨的长度、允许速度、弯曲度、坡度及信号系统

15、等,实现基础设施管理、实时计算、操作仿真及统计分析等功能,同时可以制定基础设施维护、改扩建等中短期计划和战略规划”。在我国,轨道养护维修工作经历了建国初期的“事后修”阶段和五十年代中期的不分轨道结构、运输强度、旌工手段、自然条件一律实旌一年一遍的综合维修,也叫“预防修”阶段,自八十年代以来,随着铁路信息化建设的开展及深入,铁路工务部门逐渐开始使用计算机技术对线路设备进行管理,并开发出一些局部的管理系统。为弥补这些系统的不足,年铁道部提出在各工务段中实现轨道设备计算机全面管理的目标。在此目标的引导下,国内出现了不同版本但功能类似的轨道状态分析系统。这些系统能够对轨道检测数据进行些简单的分析,指导

16、日常维修作业,提高了作业效率,降低了养修成本,并在一定程度上取得了良好的经济效益。其中,具有代表性的如利用轨检车检测数据计算轨道质量指数,利用该指数评估轨道状态。主要计算步骤为:以的轨道区段作为单元区段分别计算单元区段上左右高低、左右轨向、轨距、水平、三角坑等项几何不平顺幅值的标准差,将项单项指数之和作为评价该区段轨道平顺性综合质量状态的轨道质量指数,可以用计算后的数值来明确表示各个轨道区段的好坏。这为各级工务管理部门对轨道进行宏观管理和质量控制提供了依据。由于该指数计算简便,轨道质量指数与轨道状态的对应关系明确,易于被现场人员掌握和使用。但目前所开发的系统只能对数据进行简单的分析并生成日常报

17、表,缺乏从空间和时问两个角度对检测数据进行分析的功能,对轨道设备的管理北京交通大学硕士学位论文绪论在很大程度上仍是一种“事后修”,远没有达到“状态修”的要求。国内轨道状态分析系统存在问题可以归纳为以下几点】:管理思想比较落后。长期以来,安全问题一直是铁路日常工作的核心问题,各级领导在对工务日常生产工作给予高度重视的同时也加速办公网络和应用管理信息系统的建设和实施。就各路局、分局、工务段已实旄的一些轨道状态分析系统的应用来讲,这些系统尚不成熟。功能较为单一,主要完成一些设备数量、超限次数、公里小结等宏观指标的统计,提供简单的生产报表;应用范围相对局限;不能实时把握设备的状态,只能根据检测数据对设

18、备进行事后临时补修;不能为决策部门提供可靠的辅助决策支持,不能为管理部门及技术人员提供查询和检索轨道质量状态、维修信息、规范作业方法和标准化数据的服务;没有深入分析业务知识,不能够有效地指导维修和生产工作。因此,在科技化的竞争环境下,是否以先进的、适时的管理思想和方法进行系统设计已成为生产管理成败的关键,铁路亦是如此。信息资源相对分散。现有的铁路轨道状态分析系统中存在多种数据库,具有数据格式众多、数据量巨大、数据库位鼍分散的特点。业务系统的分立和信息资源的分散,不仅增加了系统维护费用,而且为以后实施统一、高效、科学的管理模式造成了障碍。难以实现从更高层面管理全路信息,降低信息共享度和利用度。缺

19、乏对历史数据的分析。轨道设备在使用过程中大致要经过轨道设备变化期、轨道设备稳定前期、轨道设备稳定期和轨道设各稳定后的初始恶化期四个阶段。各种检测数据、维修数据、设备基础数据能够有效地反映铁路轨道设备所处的不同时期,预示线路设备的发展趋势。然而铁路工务部门在实际工作中恰恰忽视了对这些数据的积累和利用。不能发现数据中所隐含的规律;不能确定轨道所处的变化时期;不能分析出各工务段、领工区、工区所管辖范围内一段时间内轨道设备的状态及维修工作的质量;各车间、班组虽然每次利用新收集到的检测数据对有安全隐患的轨道设备进行了及时维修、保养,但由于缺乏对轨道设备历史数据的积累及分析,很难总结出设备出现问题的根本原

20、因。缺乏对轨道维修工作的合理评价。科学台理的评价维修工作对今后的工作开展是十分必要的。一方面,对维修总体情况的评价不能只北京交通大学硕士学位论文 绪论是针对超限次数、轨检车指数、公里小结报告的考察,也应综合考虑轨道通过总重、人员配备、地理环境、机械化作业程度等其它客观条件;另一方面,对维修人员建立科学的绩效考核体系对于推动工务部门的整体维修工作质量,激励维修人员的工作热情是大有裨益的。而目前的系统尚不能对维修人员的维修工作进行“跟踪”并详实记录,不能结合其他相关数据对维修人员的维修工作进行综合、有效、合理的评价。.论文的主要研究内容安全是铁路运输生产永恒的主题,围绕这一主题本文针对目前铁路轨道

21、状态管理中所存在的一些问题,提出本论文的主要研究内容。首先,建立统一的轨道状态管理的数据仓库,整合来源于不同系统的数据信息,这些信息包括线路设备基础数据、轨道检查车检查数据、机车动态检测仪检测数据、添乘仪检测数据、轨道静态智能检测仪检测数据、维修数据和通过总重数据。其次,进行数据分析,通过对铁路轨道静态、动态检测数据、维修数据以及通过总重数据的统计、分析掌握轨道状态变化规律,为各级领导指导工务生产提供大量直观的参考依据,通过地图与铁路信息相结合的方式,全面、直观、准确地反映运输对象和运输设备等的现状、分布及技术特征等。第三,在大量积累各种数据的基础上,结合轨道通过总重,实现对轨道状态发展趋势的

22、预测。预测的核心思想为:在任两次维修之间利用相邻两次检测的轨道几何尺寸变化量和通过总重变化量,计算出该里程点在这两次维修间的百万吨变化率;再利用百万吨变化率,可以找出该里程点在本维修周期内轨道几何尺寸随通过总重的变化规律。第四,本文用主要讨论铁路轨道状态分析系统的设计与实现方法,介绍系统的需求分析、设计目标、总体结构、功能模块划分,并重点讨论系统数据仓库的设计与实现方法。最后,介绍系统的实施应用情况。北京交通大学硕士学位论文 绪论.论文的组织结构本论文共分为七章,分别讨论论文的研究背景,轨道状态分析的相关技术和方法,轨道状态预测的主要方法,系统的总体设计,系统各模块功能,系统数据仓库的设计和系

23、统实旌案例等。详细说明如下:第一章绪论。首先介绍本论文选题背景,包括轨道在铁路运输中的地位、建设轨道状态分析系统的意义及铁路工务生产数据的重要性等,然后,阐述国内外轨道状态分析系统的应用状况,最后简单介绍本论文的主要研究工作及论文组织结构。第二章铁路轨道状态分析关键技术介绍。本章主要介绍数据仓库和地理信息系统技术。并对使用数据仓库的必要性和地理信息系统在系统中的应用做简要的说明。第三章铁路轨道状态分析及预测方法研究。首先,对轨道状态分析方法进行介绍,其次,对如何进行轨道状态预测进行初步探讨。包括预测数据来源、预测思路、预测公式和详细预测方法。第四章铁路轨道状态分析系统总体设计。本章首先对用户需

24、求进行分析,然后,结合用户需求提出轨道状态分析系统建设指导思想、系统目标、系统特点、体系结构、功能模块划分等。第五章铁路轨道状态分析系统功能设计。本章主要对系统各模块功能进行详细阐述。第六章轨道状态分析系统数据仓库设计。本章对系统数据仓库豹建设进行详细说明,包括主题的确定、逻辑设计、物理设计等详细设计方案,并对系统所应用的空间数据的类型进行介绍,对数据的采集和维护进行说明。第七章系统实施案例和部分功能演示。结合南疆工务生产管理系统的科研项目,对本系统的各项功能的具体实施情况进行演示和说明。结论。总结本论文的主要研究工作,展望铁路轨道状态分析系统的开发及应用前景。北京交通大学硕士学位论文 铁路轨

25、道状态分析关键技术介绍第章铁路轨道状态分析关键技术介绍.数据仓库技术.数据仓库的概念及特征目前,数据仓库一词尚没有一个统一的定义,著名的数据仓库专家一书中给予如下描.在其著作、述:数据仓库是一个面向主题的集成的、相对稳定的?、反映历史变化的数据集合,用于支持管理决策。对于数据仓库的概念我们可以从两个层次予以理解,首先,数据仓库用于支持决策,面向分析型数据处理,它不同于企业现有的操作型数据库:其次,数据仓库是对多个异构的数据源有效集成,集成后按照主题进行了重组,并包含历史数据,而且存放在数据仓库中的数据一般不再修改。数据仓库具有以下特点:面向主题。它是面向企业的主题,如客户、产品,而不是面向过程

26、。和传统数据库面向应用相对应。主题是一个在较高层次将数据归类的标准,每一个主题基本对应一个宏观的分析领域。集成性。数据仓库的数据是从原有的分散的数据库数据中抽取出来的。数据仓库的每一个主题所对应的源数据在原有的各个分散数据库中有许多重复和不一致的地方,且来源于不同的联机系统的数据都和不同的应用逻辑捆绑在一起;数据仓库中的综合数据不能从原有的数据库系统直接得到,因此在数据进入数据仓库之前,要经过统一与综合,构成一致的数据属性、一致的编码结构等,从而表现出数据仓库的集成性特点。不易失性。数据仓库的数据主要供企业决策分析之用,所涉及的数据操作主要是数据查询,一般情况下并不进行修改操作。数据仓北京交通

27、大学硕士学位论文铁路轨道状态分析关键技术介绍库的数据反映的是一段相当长的时间内历史数据的内容,是不同时间点的数据库快照的集合,以及基于这些快照进行统计、综合和重组的导出数据,而不是联机处理的数据。数据库中进行联机处理的数据经过集成输入到数据仓库中,一旦数据仓库存放的数据已经超过数据仓库的数据存储期限,这些数据将从当前的数据仓库中删除。数据仓库的数据是随时间不断变化的。数据仓库中的数据不可更新是针对应用来说的,也就是说,数据仓库的用户进行分析处理时不进行数据更新操作。但并不是说,在从数据集成输入数据仓库开始到最终被删除的整个数据生存周期中,所有的数据仓库数据都是永远不变的。数据仓库中的数据会随时

28、间不断变化,它表现在以下三个方面:数据仓库随时问变化不断增加新的数据内容;数据仓库随时间变化不断删去旧的数据内容;数据仓库中包含大量的综合数据,这些综合数据很多跟时间有关,会随着时间的变化不断地进行重新综合。表?数据仓库的特性描述特性面向对象 数据是通过用户如何查询进行组织的集成的消除术语和信息冲突中的矛盾:即数据清理不易失的 只读数据:数据不能被用户更新时间级数 数据是时间级数,丽不是现行状态汇总的 适当的时候,操作数据被聚集成可以决策的状态较大的 保持时间级数隐含着维持更多的数据非正规化的 数据可能是冗余的元数据 用于用户和数据仓库管理员的数据输入 操作数据加上所需要的外部数据.数据仓库的

29、体系结构关于数据仓库系统的体系结构,存在着多种不同的说法和建议,但大多数都括.所区分的个部分:数据源一提供原始数据;数据管理一实现数据的后处理包括接收、提取、汇总、变换、打包和存铁路轨道状态分析关键技术介绍北京交通大学硕士学位论文储等;数据表现一面向最终用户。其基本体系结构如图?所示。麟鬟用芏鬟一蔽雠雨一工鼻鎏兰划爱群厕兰苎竺墨元黼 “”工具?一网工具藤瓢艟卜图?数据仓库系统的基本体系结构示意图.数据仓库模型在关系型数据库中,数据库模式由实体的集合和它们之间的联系组成,这种数据模型适用于联机事务处理。然而,数据仓库需要简明的、面向主题的模式,以便于联机数据分析。当前最流行的数据仓库模型是多维数

30、据模型。这种模型可以以星型模式、雪花模式或事实星座模式形式存在。星型模式 :星型模式是最常见的模型范例,其中数据仓库包括:一个大的包含大批不含冗余数据的中心表事实表,一组小的附属表维表,每维一个。这种模式图很像星星爆发,多个维表围绕一个事实表。典型数据仓库的星型模式如图?所示。妇衲北京交通大学硕士学位论文铁路轨道状态分析关键技术介绍图?数据仓库的星型数据组织模式雪花模式:雪花模式是星型模式的变种,其中某些维表是规范化的,因而把数据进一步分解到附加的表中,这使模式图形成类似于雪花的形状。典型数据仓库的雪花模式见图?。图?数据仓库的雪花数据组织模式事实星座:复杂的应用可能需要多个事实表共享维表。这

31、种模式可以看作成星型模式集,因此也称为星系模式。在数据仓库中,数据仓库和数据集市是有区别的。数据仓库收集了关于整个组织的主题如顾客、商品、销售、资产和人员等信息,因此使企业范围的。对于数据仓库,通常使用事实星座模式,因为它能对多个相关的主题建模。另一方面,数据集市是数据仓库的一个部门子集,它是针对选定的主题,因此是部门范围的。尽管星型模式更流行、更有效,但数据集市通常采用流行星型或雪花模式,因为它们都适合对单个主题建模。.基于数据仓库的铁路轨道状态分析系统随着信息技术的飞速发展和铁路工务部门对海量数据存储、管理、北京交通大学硕士学位论文 铁路轨道状态分析关键技术介绍分析和交换的需求,以面向事务

32、处理为主的数据库系统已不能满足需要。因此,建设铁路轨道状态分析系统必须利用数据仓库技术。这一点主要体现在以下几个方面:海量数据的管理。对轨道状态的实对把握和发展趋势的预测建立在大量历史数据的基础之上。这些数据包括轨检车检测数据、钢轨探伤车检测数据、晃车仪检测数据、添乘仪检测数据、工区人员定期检测的静态数据、维修数据和通过总重数据等。以轨检车检测数据为例,按正线公里计算,在一次检测中平均每.米产生一条记录,公里有万条记录,正线每月检测两次产生万条记录,一年产生千百万条记录,对轨道状态进行预测需积累?年的数据,则大概有亿千万条记录。综合其他数据,数据量会更大,因此,面对如此庞大的数据量,只有利用数

33、据仓库技术才能实现对这些海量数据有效管理,从而实现对轨道状态的分析和预测。数据的集成。进行轨道状态分析的数据是从原有数据库数据中抽取来的,如目前铁路使用的各种信息系统如:、等,还包括日常的轨道检测数据和维修数据等。在进行轨道状态分析前必然要对这些数据进行抽取、分类等,消除源数据中的不一致性并进行数据综合计算。而原有的铁路数据库不能对以上各种数据有效整合,因此,建设轨道状态分析系统必须结合数据仓库技术。面向主题的数据组织和管理。传统的铁路数据库是面向应用的,只能回答很专门、很片面的问题,它的数据只是为处理某一具体应用而组织在一起的,数据结构只对单一的工作流程是最优的,对于高层次的对策分析未必是适

34、合的。轨道状态分析系统是给决策支持提供服务,因此,传统的数据库已不适合使用。这就要求系统必须利用数据仓库技术,以业务工作的主题为主线组织信息,在较高层次将数据归类,对应不同宏观的分析领域划分主题。例如,系统数据仓库可以划分为“静态检测数据”、“动态检测数据”、“线路维修管理”、“基础数据”等四个主题。北京交通大学硕士学位论文铁路轨道状态分析关键技术介绍.地理信息系统技术.地理信息系统的概念及特征地理信息系统,简称又称空间信息系统,它所处理的对象是我们人类社会赖以生成的地球三维空间中的物体。由于研究和应用领域的不同,人们对地理信息系统的定义仍然存在着分歧。根据地理信息系统的功能和应用,的定义主要

35、有如下四种:面向数据处理过程的定义:地理信息系统是一个具有输入、存储、查询、分析和输出地理数据的计算机系统。面向专题应用的定义:根据处理信息的类型来定义地理信息系统,如房地产管理信息系统,土地管理信息系统,城市交通管理信息系统,资源开采管理信息系统等。工具箱定义:这种定义基于软件系统分析的观点,认为地理信息系统包括各种复杂的处理空间数据的计算机程序和各种算法。工具箱定义系统地描述了地理信息系统应具备的功能,这为软件系统的评价提供了基本的技术指标。数据库定义:强调分析工具与数据库管理系统的联接。一个通用的地理信息系统可以看成是许多特殊的空间分析方法与数据库管理系统的结合。显然,上述四种定义都具有

36、局限性,并未全面反映地理信息系统的内涵。考虑到地理信息系统与数据库、等理论和技术的区别,我们认为,地理信息系统是由计算机软硬件、地理数据和用户组成的,通过对地理数据的采集、输入、存储、检索、操作和分析,生成并输出各种地理信息,从而为工程设计、土地利用、资源管理、城市管理、环境监测、管理决策等应用服务的计算机系统,是计算机科学、遥感与航测技术、计算机图形学、计算机辅助设计、应用数学、地理学、地质学等学科综合发展的产物。北京交通大学硕士学位论文 铁路轨道状态分析关键技术介绍地理信息系统是一种决策支持系统,它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理

37、编码的,地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中,现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象,这些地理特征至少由空问位置参考信息和非位置信息两个组成部分。地理信息系统是一门学科,是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的新兴的交叉学科;同时,地理信息系统又是一个技术为基础,采用地理模系统,是以地理空间数据库型分析方法,适时提供多种空间的和动态的地理信息,为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统具有以下三个方面的特征:第一,具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力,具有空间性和动态性;第二,由计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机

38、程序模拟常规的或专门的地理分析方法,作用于空间数据,产生有用信息,完成人类难以完成的任务;第三,计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征,因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。地理信息系统的外观表现为计算机软硬件系统,其内涵却是由计算机程序和地理数据组成的地理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时,他所面对的数据不再是毫无意义的,而是把客观世界抽象为模型化的空间数据,用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容,取得自然过程的分析和预测的信息,用于管理和决策,这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化的地理

39、信息系统,从视觉、计量和逻辑上对地理信息系统在功能方面进行模拟,信息的流动以及信息流动的结果,完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征,也可以快速地模拟自然过北京交通大学硕士学位论文铁路轨道状态分析关键技术介绍程的演变或思维过程的结果,取得地理预测或“实验”的结果,选择优化方案,用于管理与决策。.地理信息系统的构成及功能地理信息系统主要由四部分组成,即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空问数据和系统开发、管理和使用人员。在建立一个实用的地理信息系统过程中,从数据准备到系统完成,内部必须经过各种数据转换,每个转换

40、都有可能改变原有的信息。地理信息系统的功能主要是完成流程中不同阶段的数据转换工作。?般的:包括以下几项基本功能数据采集与输入数据采集与输入,即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内部,并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。对多种形式、多种来源的信息,可实现多种方式的数据输入,主要有图形数据输入如管网图输入,栅格数据输入如遥感图像的输入,测量数据输入如全球定位系统数据的输入,属性数据输入如数字和文字的输入等。数据编缉与更新数据编缉主要包括图形编缉和属性编缉。属性编缉主要与数据库管理结合在一起完成,图形编缉主要包括拓扑关系建立、图形编缉、图形整饰、图幅拼接、图形变换、

41、投影变换、误差校正等功能。数据更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录,它是通过删除、修改、插入等一系列操作来实现的。由于空间实体都处于发展着的时闽序列中,人们获取的数据只反映某一瞬时或一定时间范围内的特征。随着时问的推进,数据会随之改变。数据更新可以满足动态分析的需要,对自然现象的发生、发展做出合乎规律的预测预报。数据存贮与管理数据存贮,即将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存贮介质上。其存贮方式与数据文件的组织密度相关,关键在于建立记录的逻辑北京交通大学硕士学位论文 铁路轨道状态分析关键技术介绍顺序,即确定存贮的地址,以便提高数据存取的速度。属性数据管理一般直

42、接利用商用关系数据库软件,如、等进行管理。空间数据管理是数据管理的核心,各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据库中。空间查询与分析空间查询与分析是核心,是最重要的和最具有魅力的功能,也是有别于其它信息系统的本质特征。空间查询与分析主要包括数据操作运算、数据查询检索与数据综合分析。数据查询检索即从数据文件、数据库或存贮装置中,查找和选取所需的数据。为了满足各种可能的查询条件而进行的系统内部数据操作,如数据格式转换、矢量数据叠合、栅格数据迭加等操作以及按一定模式关系进行的各种数据运算,包括算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等。综合分析功能可以提高系统评价、管理和决策的能力,主要包括

43、信息量测、属性分析、统计分析、二维模型分析、三维模型分析、多要素综合分析等。数据显示与输出数据显示是中问处理过程和最终结果的屏幕显示,通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式,对于图形数据根据要素的信息量和密集程度,可选择放大或缩小显示。不仅可以输出全要素地图,也可以根据用户需要,分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。.地理信息系统在铁路轨道状态分析中的应用轨道状态分析所涉及的数据都含有类似“起点里程”、“终点里程”、“中心里程”等具有空间位置属性的字段。因此,建设轨道状态分析系统应充分利用技术,实现铁路轨道信息的可视化。系统结合技术主要实现以下几点功能:轨道状态查询。轨道状态分析系统

44、最重要的一项查询功能就是对轨道状态的查询。轨道状态主要是通过轨道的检测数据、维修数据来反映。因此,在掌握轨道检测数据、维修数据后,就能在一定程度上掌握轨道的状态,为工务部门各级领导决策提供依据。例如在查询某一里北京交通学硕士学位论文 铁路轨道状态分析关键技术介纫程的钢轨信息后,可以直接查询该里程钢轨的历史检测、维修信息,同时结合该里程的轨道的通过总重,便能得出该里程点钢轨是否要进行维修。轨道状态发展趋势预测。工务部门各级领导可以根据线路设备综合图中轨道上标注及其维修情况对轨道整体的发展趋势做出预测。标注内容主要包括:通过总重、维修次数、值、不同超限等级的超限次数、已达到临时补修的地点数、己达到

45、经常保养的地点数、已达到综合维修的地点数等。图文互访。这是最常用的查询,主要是两类:第一类是按属性信息的要求来查询空间位置,俗称“文查图”。如查出某条线半径小于米的曲线有几处,通常先在属性数据库中查询,得到一个有关线路名称、所属工务段、行别、曲线起点里程、终点里程、曲线半径、缓和线长度、超高等信息的文字报告;然后利用属性和空间信息的对应关系,则可进一步查出这些益线的地理位置,并用指定的线型、线宽、颜色绘出相应的专题地图。第二类是按空间位景来查询属性信息,俗称“图查文”。最常用的是在使用地图时,对所关心的图形目标查出它们的文字属性信息。点、线、面相互关系的查询。例如查询某一区问内的超限信息,就属

46、于点状目标与铁路线路之间相互关系的查询。查询某一分局管辖范围内的线路长度,则属于面线关系查询。地址匹配查询。工务部门经常需要在地图上,根据设备名称、里程或编码等信息,迅速实现对该设备的空间定位。这种定位查询尤其在事故分析、抢险救援、线路病害防治等方面经常使用。量算。工务部门常用的量算有:两点之间或点到线之间的距离;线的长度;通过总重及超限次数计算等。分类。由于工务部门设备数量及检测数据极其庞大,分类将能帮助工务部门管理人员是把复杂的问题简化,便于观察和思考。例如某一段时间内某等级的超限点在空间上的分布情况。北京交通大学硕士学位论文铁路轨道状态分析及预测方法研究第章铁路轨道状态分析及预测方法研究

47、.铁路轨道状态分析方法研究轨道状态分析方法包括空问分析法、时间分析法、空间与时间相结合分析法、专题图分析法、综合数据分析法等。每种分析方法都是从不同角度描述轨道状态变化和发展规律。但这里我们需要指出的是,任何一种分析方法都不是孤立使用的,系统在实现任一功能时往往都需要借鉴其他分析方法,这样不仅可以从不同角度对数据进行挖掘,也能满足现场不同部门的不同需求。以下将对各种分析法的内容及应用情况进行详细说明。.空间分析法空间分析法就是从空问的角度对轨道状态进行分析。一般包含五个方面:空间位置分析、空间分布分析、空间形态分析、空间相关分析和空间关系分析。空间位置分析是借助于空间坐标系来传递空间物体的个体

48、信息。空间分布分析反映同类空间事物的群体信息。空间形态分析着重于描述空间物体的几何特征,如轨道长度,几何尺寸等。空间相关分析是根据两组相关的数值,比较他们相关的程度。空问关系分析是指空间物体之间的距离关系、方位关系等。对轨道状态从空间的角度进行分析是由以下三方面的原因决定的:第一,铁路轨道是一个连续分布的对象,具有空间连续性和延续性。第二,在第二章中我们已经提到描述轨道状态的各种数据都含有类似“起点里程”、“终点里程”、“中心里程”等具有空间位瞿属性的字段,各种数据都具有非常强的空间性。第三,轨道状态发生变化还与多种因素有关,如轨道所处的地理位置、气候环境等。因此,对轨道状态要从空间的角度进行

49、综合分析,把握影响轨道状态变化的各种因素,将轨道的各种非空间特性的数据依托地理空间进行解释,从轨道的空间位置和联系北京交通大学硕士学位论文 铁路轨道状态分析及预测方法研究等方面对轨道进行描述和分析。系统主要分析内容包括:轨道病害点的分布、维修点的分布、重点地段的分布、复合病害【”】的分布,一次检测中管辖范围内每公里轨道状态对比分析等等。从空间角度分析数据可以使铁路部门管理者有效、实时地掌握轨道状态,也能够使现场工作人员进行有重点地维修,提高维修质量与效率。利用空间分析法对轨道超限情况分析如图?所示。超隈数据,/ ,.兰皇:莓/:。/、 ,一。?誓二:二二毒疹豸一兰鎏篓:蔓童兰芋”/?。三二:二

50、二:二:。:一黼譬兰兰兰形/一?一一析/?一?。一?。其他数冬嘻谫争万。茅芎?二主芝篓量妻.羔图?轨道状态空间分柝示意图.时间分析法时间分析法就是从时间的角度对轨道状态进行分析。第一章中我们已经讲述,对轨道状态进行分析和对轨道状态的发展趋势进行预测的前提是大量积累各种数据,从这些历史数据中找出轨道变化的规律,进而分析其状态变化、预测其发展趋势。从历史数据中找出轨道变化规律是时间分析法的主要目标。时间分析法重视对历史数据的积累,注重对某一点或者某一整体在一段时间内的变化情况,认为只有在充分了解历史数据的情况下才能对轨道状态进行分析。系统主要分析内容包括:一年北京交通大学硕士学位论文 铁路轨道状态

51、分析及预测方法研究内重点地段分布;某里程点在选定时间范围内轨道状态变化情况,这一点可以从超限次数、于分总数、值肄角度进行分析;某工区一年三级超限点分布情况等。利用时间分析法对于工务部门掌握轨道变化规律有重要的意义。利用时间分析法分析某里程轨道高低和轨向在一段时问内变化情况如图?所示。图?一段时间内轨道高低和轨向变化情况示意图.空间和时间相结合分析法空间和时间相结合分析法就是从空闾和时间两个角度同时对轨道状态进行分析。数据的收集和输入是一个相当长的过程,而外部环境无时无刻不在变化,因此往往会出现这种情形。即在一个较大的地理范围内,某些地点的数据是一个历史时期的,另一些地点的数据是另一个历史时期的,当要联系起来进行对比分析时,就会存在数据收集的时间和空间差异。因此,对轨道状态进行分析,要同时从空间和时间两个不同的角度进行分析。空间分析法和时问分析法在对轨道状态分析中都发挥了重要作用,但在实际应用中,为了加深分析层次,这两种方法往往不单独使用。因此,本文所研究