江　凱，蘇　謙，白　皓，劉朝軍

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都　610031; 2.四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司，成都　610041)

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大數(shù)據(jù)環(huán)境下高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)管理平臺設(shè)計與分析

江凱1，蘇謙1，白皓2，劉朝軍1

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031; 2.四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司，成都610041)

摘要:以大數(shù)據(jù)環(huán)境下的高速鐵路線下結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)為目標(biāo)，在深入分析大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵和技術(shù)特征的基礎(chǔ)上，針對檢測數(shù)據(jù)管理與信息反饋的應(yīng)用需求，深度挖掘線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)的用途，主要包括:多次檢測數(shù)據(jù)對比、異常及病害位置精確定位等，提出基于云計算理念的高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的平臺框架方案，并進(jìn)一步構(gòu)建可靠性分析模型。該系統(tǒng)能為高速鐵路的運營管理提供智能和個性化的信息服務(wù)，有助于保證運營安全。

關(guān)鍵詞:大數(shù)據(jù);高速鐵路;檢測數(shù)據(jù);管理系統(tǒng);云計算;信息服務(wù)

1　概述

近年來，我國高速鐵路發(fā)展異常迅速，并已成為我國現(xiàn)代化交通體系的主干［1］。為保障線路運營安全，高速鐵路管理部門加強(qiáng)了高速鐵路運營狀態(tài)的檢測與監(jiān)測，高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測就是其中重要一環(huán)。而高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)管理平臺由業(yè)主單位委托科研院所進(jìn)行開發(fā)，交付使用后由運營管理部門進(jìn)行維護(hù)管理將會成為一種發(fā)展的趨勢。

高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)主要包括:路基運營狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)、橋梁健康狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)以及隧道襯砌狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)［2-4］。為保障線路運營安全會長期進(jìn)行大量的高速鐵路線下結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測，產(chǎn)生大量的檢測數(shù)據(jù)。由于檢測設(shè)備的原始數(shù)據(jù)格式多樣，需要特定的軟件甚至是特定的計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)分析，這樣不僅使原始檢測數(shù)據(jù)以及處理數(shù)據(jù)的存儲位置分散，而且使檢測數(shù)據(jù)處理過程變得十分繁瑣，并且將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保存管理也需要消耗大量的資源。

云計算(cloud computer)能夠按實際需求為用戶提供計算、存儲及應(yīng)用服務(wù)能力，同時，針對異域異構(gòu)資源的共享、信息資源的綜合利用提供解決方案［5］。構(gòu)建基于云計算高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)管理平臺，可以按需建立數(shù)據(jù)資源池，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理及調(diào)度，發(fā)揮數(shù)據(jù)綜合效益，滿足數(shù)據(jù)資源共享交換的需求，方便用戶使用檢測數(shù)據(jù)處理分析及管理服務(wù)。

2　高速鐵路線下結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息組成分析

2.1高速鐵路線下結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息組成

高速鐵路完整性數(shù)據(jù)是整個產(chǎn)業(yè)鏈的完整海量數(shù)據(jù)，包含其設(shè)計、建設(shè)、試驗、運營、管理等各個階段在內(nèi)，具體有高速鐵路線下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)信息、聯(lián)調(diào)聯(lián)試信息、運營監(jiān)測及檢測數(shù)據(jù)、站場信息、附屬設(shè)施信息、維護(hù)搶修信息、風(fēng)險評估及日常管理等方面的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)格式復(fù)雜，并且數(shù)據(jù)儲存量巨大，其具有典型大數(shù)據(jù)的4V特征［6］。數(shù)據(jù)價值的體現(xiàn)在于統(tǒng)計分析，并應(yīng)用于實踐，高速鐵路擁有龐大復(fù)雜的線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)，這些檢測數(shù)據(jù)所包含的內(nèi)容對于管理而言具有重要的價值信息，因此需要對其進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用;以檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)與其他高速鐵路數(shù)據(jù)(基礎(chǔ)信息、運營數(shù)據(jù)、維護(hù)信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等)進(jìn)行校準(zhǔn)、整合、對齊。本文在深入分析高速鐵路線下結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)的組成情況，初步構(gòu)建了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的高速鐵路信息數(shù)據(jù)模型(圖1)，并梳理了現(xiàn)有高速鐵路檢測數(shù)據(jù)的一般管理流程(圖2)。

圖1　大數(shù)據(jù)環(huán)境下高速鐵路線下結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)模型

高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測作業(yè)一般可以得到以下數(shù)據(jù):線下結(jié)構(gòu)病害數(shù)據(jù)(路基脫空、空洞、翻漿;隧道襯砌裂損、仰拱損壞、隧道漏水;橋梁混凝土病害、鋼筋病害，結(jié)構(gòu)病害等)，線下結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)、檢測設(shè)備本身性能數(shù)據(jù)［2-4］。經(jīng)過歷年多次檢測數(shù)據(jù)相互對比，可對病害發(fā)展情況進(jìn)行精確分析，掌握病害的精確位置與危害程度，可推測采取預(yù)維修措施的時間節(jié)點;將檢測數(shù)據(jù)信息應(yīng)用到高速鐵路運營管理、風(fēng)險評估以及日常維護(hù)中，對高速鐵路線下結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)特征信息進(jìn)行綜合分析，并進(jìn)行基于檢測數(shù)據(jù)的可靠性分析，提出相應(yīng)的運營管理及日常維護(hù)的建議。

2.2基于高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)的可靠性分析

通過高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)信息、高速鐵路運營信息以及相關(guān)設(shè)計和建設(shè)信息，可以對高速鐵路線下結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載、位移以及強(qiáng)度分布規(guī)律的分析，從而達(dá)到對高速鐵路線下結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性評估的目的。同時，也可以將分析結(jié)果應(yīng)用到高速鐵路線下結(jié)構(gòu)管理、線下結(jié)構(gòu)維護(hù)計劃制定以及檢測計劃的制定中。

高速鐵路線下結(jié)構(gòu)的荷載、位移以及強(qiáng)度均為隨機(jī)變量，這是因為當(dāng)高速鐵路線下結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)層尺寸、病害范圍、荷載作用等參數(shù)均為隨機(jī)變量的緣故。

可通過隨機(jī)有限元法對高速鐵路線下結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度評估。隨機(jī)有限元法的基本思路是對處于隨機(jī)變量均值點的控制量進(jìn)行泰勒展開，經(jīng)數(shù)學(xué)處理得所需計算公式。

支配方程的矩陣形式如下

式中K——剛度矩陣;

U——位移向量;

F——荷載向量。

設(shè)Y=(Y1，Y2，…，Yn)T為具有隨機(jī)性質(zhì)的基本參數(shù)，對位移U在Y的均值點進(jìn)行泰勒展開，可得

式中E(U)——位移均值;

COV(Yi，Yj)——Yi，Yj的協(xié)方差。

位移的協(xié)方差為

同理，也可將應(yīng)力σ在均值點進(jìn)行泰勒展開，由式(3)可得

通過式(4)～(7)，即可求出(U)和σ的均值和方差。

安全剩余量的函數(shù)表達(dá)式為

式中Z——線下結(jié)構(gòu)的特性或荷載;

安全剩余量的靈敏度分析表達(dá)式為

式中zj——線下結(jié)構(gòu)的載荷或特性參數(shù);

Dj——線下結(jié)構(gòu)位移列陣的位移。

3　高速鐵路線下檢測數(shù)據(jù)管理平臺

3.1檢測數(shù)據(jù)的對比應(yīng)用

檢測數(shù)據(jù)對比的主要內(nèi)容:確定高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害、特征點位置以及精確里程;確定高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害的種類和影響范圍，識別新的結(jié)構(gòu)病害點等。檢測數(shù)據(jù)對比流程如下。

(1)多次檢測相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括高速鐵路基礎(chǔ)信息，運營信息，檢測原始信號，檢測報告以及維護(hù)信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。

(2)病害和里程數(shù)據(jù)對齊分析，是檢測數(shù)據(jù)對比的關(guān)鍵，決定了病害缺陷和特征點對比的準(zhǔn)確性。在對齊的過程中會發(fā)現(xiàn)病害檢測起終點不一致、病害內(nèi)容不一致、甚至出現(xiàn)漏報和誤報的情況，這時需要對比檢測作業(yè)的信息及原始的信號。

(3)根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果，調(diào)整高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害和特征點位置標(biāo)示圖。

高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害和特征點對比分析，其主要目的是尋找新的高速鐵路線下結(jié)構(gòu)病害和區(qū)分病害種類。高速鐵路病害和特征點對比有以下兩種方法:一是利用線下結(jié)構(gòu)檢測報告中出現(xiàn)的兩次或者多次相關(guān)的病害和特征點信息進(jìn)行對比;二是利用線下結(jié)構(gòu)檢測的原始信號進(jìn)行對比。

3.2基于云計算理念高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測信息管理平臺

云計算是計算科學(xué)概念的一種商業(yè)實現(xiàn)，它通過互聯(lián)網(wǎng)將存儲和計算資源構(gòu)成資源池，并進(jìn)行統(tǒng)一管理。

大數(shù)據(jù)能為云計算提供更多更好的有業(yè)務(wù)需求的實際應(yīng)用，而云計算則通過為大數(shù)據(jù)提供豐富的存儲能力及強(qiáng)大的計算能力，以實現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的快速處理。這是因為，前者強(qiáng)調(diào)的是對象，而后者則強(qiáng)調(diào)的是計算。

依托中心節(jié)點、區(qū)域節(jié)點及業(yè)務(wù)集中節(jié)點，基于云計算理念的檢測數(shù)據(jù)管理平臺在建設(shè)時，整合分布的物理資源，形成統(tǒng)一調(diào)配的邏輯資源。其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

基于云計算理念的檢測信息管理平臺是由面向用戶的云應(yīng)用平臺(SaaS，軟件即服務(wù))，檢測數(shù)據(jù)管理支撐平臺(PaaS，平臺即服務(wù))，檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施平臺(IaaS，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))，基礎(chǔ)環(huán)境，以及安全體系和運行維護(hù)體系等6部分構(gòu)成。

(1)基礎(chǔ)環(huán)境層由云計算中心、災(zāi)備中心、其他云3部分組成。云計算中心，是支持高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)管理平臺運行必備的基礎(chǔ)。災(zāi)備中心，是支持高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)管理平臺的重要組成部分，是防范災(zāi)難、降低損失的重要手段，具有數(shù)據(jù)實時備份、冗余處理能力和網(wǎng)絡(luò)傳輸條件，能夠在數(shù)據(jù)管理平臺面臨災(zāi)難無法正常運作的時候，提供替代服務(wù)。其他云，提供與其他云服務(wù)商聯(lián)接的接口，可以連接到其他云服務(wù)商，使用其所提供的相關(guān)服務(wù)。

(2)檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施平臺，通過整合分布的物理資源，形成統(tǒng)一的資源池，并對其中的資源進(jìn)行調(diào)度管理，再將資源虛擬為可調(diào)配的資源，即可作為服務(wù)對外提供。

(3)檢測數(shù)據(jù)支撐平臺層是對上層應(yīng)用的支撐以及對底層資源的管理，主要包括檢測數(shù)據(jù)交換共享平臺，檢測數(shù)據(jù)處理流程支撐平臺、報表平臺，以及彈性應(yīng)用框架、數(shù)據(jù)庫、中間件等，還有相關(guān)的系統(tǒng)環(huán)境軟件。

數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)去重以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能，其主要作用是對儲存在管理平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和整理。中間件主要是為檢測數(shù)據(jù)管理云應(yīng)用層提供相適應(yīng)的運行環(huán)境，是位于應(yīng)用與硬件和操作系統(tǒng)之間的通用服務(wù)。數(shù)據(jù)挖掘平臺以分析決策相關(guān)價值關(guān)系、模式與走向為目的，以對檢測數(shù)據(jù)挖掘和分析為手段構(gòu)建云數(shù)據(jù)挖掘平臺。搜索引擎可以為用戶提供所需要的檢索服務(wù)，它是通過相應(yīng)的策略將數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行組織和處理后，向用戶展示所需求的相關(guān)信息。開發(fā)測試平臺為用戶提供一個靈活、高效的開發(fā)集成環(huán)境，方便用戶對相關(guān)軟件和檢測數(shù)據(jù)管理平臺的業(yè)務(wù)進(jìn)行開發(fā)、測試及重組。

(4)檢測數(shù)據(jù)管理應(yīng)用層面向最終用戶，通過中間件將檢測數(shù)據(jù)管理支撐平臺的功能統(tǒng)一封裝后提供給用戶，方便用戶操作。向用戶提供檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)、檢測數(shù)據(jù)對比服務(wù)、檢測所數(shù)據(jù)共享服務(wù)以及綜合性業(yè)務(wù)功能服務(wù)。

(5)安全體系對整個數(shù)據(jù)管理平臺起到安全防護(hù)的作用，保障數(shù)據(jù)管理平臺的高效運行，從上至下包括用戶身份認(rèn)證與接入管理、云網(wǎng)絡(luò)安全、云數(shù)據(jù)安全、云安全管理、虛擬化、云基礎(chǔ)設(shè)施及物理安全等。

圖3　基于云計算理念的高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測信息管理平臺邏輯結(jié)構(gòu)

(6)運行維護(hù)體系對整個數(shù)據(jù)管理平臺進(jìn)行維護(hù)及管理，保障數(shù)據(jù)管理平臺的穩(wěn)定運行，包括資源管理、監(jiān)控管理、部署管理、發(fā)放管理、備份管理、業(yè)務(wù)管理、服務(wù)目錄、用戶管理以及賬戶管理。通過對數(shù)據(jù)管理平臺運行狀況的監(jiān)控，確保管理平臺正常、安全、高效、經(jīng)濟(jì)運行。

3.3高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測信息管理平臺的可靠性分析

由于基于云計算理念的高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測信息管理平臺是一個龐大的復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，為保證其長期安全可靠的運行，則對其軟件系統(tǒng)進(jìn)行正確的可靠性評估顯得尤為重要。

大型復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，只有部分相關(guān)信息明確，只能獲得較為有限的信息，因此可以采用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行系統(tǒng)可靠性評估。

通過軟件系統(tǒng)的整體可靠性，硬件系統(tǒng)可靠性、界面友好性以及使用人員水平估算值對高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測信息管理平臺進(jìn)行可靠性評估。

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，則有

式中z0——參考序列;

zk——比較序列;

z0(i)——z0在第i點的值;

zk(i)——zk在第i的的值;

設(shè)參考序列Z0為軟件系統(tǒng)的可靠性，比較序列Zk為硬件系統(tǒng)，界面友好性為R1，使用人員水平估算值為Cu，系統(tǒng)出錯率為EF，軟件測試覆蓋率為Tc，則Z0與Zk在ti時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

真值初始化

式中，k=0，1，2，…，n; j=0，1，2，…，m。

4　結(jié)語

隨著高速鐵路運營管理在國內(nèi)開展的深入和成熟，高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測已經(jīng)成為高速鐵路運營狀態(tài)可靠性評估以及風(fēng)險預(yù)測的重要手段。在大數(shù)據(jù)背景下完成高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)的分析整合，能夠有效提升高速鐵路管理水平，并保證高速鐵路安全可靠高效運行。通過對基于云計算的高速鐵路線下結(jié)構(gòu)檢測信息共享平臺研究，并建立了一套行之有效的可靠分析模型，有利于精確管理檢測數(shù)據(jù)、推進(jìn)檢測數(shù)據(jù)的共享、實現(xiàn)規(guī)范數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用并促進(jìn)數(shù)據(jù)共享平臺的建設(shè)實施。

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Design and Analysis of Data Management Platform for High Speed Railway Infrastructure Inspection

JIANG Kai1，SU Qian1，BAI Hao2，LIU Chao-jun1
(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.Sichuan Expressway Construction＆Development Corporation，Chengdu 610041，China)

Abstract:This paper aims to establish a data management platform for high speed railway infrastructure in the big data environment on the basis of intensive analysis of the insights and technical characteristics of the big data and explores the potentials of the infrastructure inspection data in the application of inspection data management and information feedback，including mainly multi comparison of inspection data and precision locating of abnormalities and defects.The platform frame program for high speed railway infrastructure inspection data management is proposed on the basis of cloud computing concept，followed by the establishment of the reliability analysis model.This system may provide intelligent and personalized information service tobook=25,ebook=28high speed railway operation and enhance traffic safety.

Key words:Big data; High speed railway; Inspection data; Management system; Cloud computing; Information service

作者簡介:江凱(1983—)男，博士研究生，主要研究方向為高速鐵路及城市道路無損檢測技術(shù)，E-mail:jiangkaihuangshu@ 163.com。

收稿日期:2015-07-27;修回日期:2015-08-19

文章編號:1004-2954(2016) 03-0024-05

中圖分類號:U238

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.006