楊春艷

朔黃鐵路線路檢測和救援中心，中國·河北 滄州 062350

大數(shù)據(jù)；鋼軌磨耗；數(shù)據(jù)分析

1 引言

隨著鐵路信息化步伐的加快，鐵路運營系統(tǒng)的數(shù)據(jù)已具有海量性、多源性、數(shù)據(jù)類型多、處理要求快等特點。傳統(tǒng)的鐵路數(shù)據(jù)分析仍然采用人力以Excel 表格為基本模板的定時定量分析鋼軌磨耗指標(biāo)，并按月記錄原平分公司管內(nèi)鋼軌側(cè)磨發(fā)展情況。但隨著數(shù)據(jù)量的逐月增加，Excel 表格功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足對海量檢測數(shù)據(jù)的梳理、統(tǒng)計、分析等需求，也無法滿足對磨耗數(shù)據(jù)更為深入的研究需要。分析鋼軌磨耗影響因素，研究曲線磨耗發(fā)展速率，預(yù)測磨耗發(fā)展趨勢，輔助實現(xiàn)鋼軌壽命管理等研究過程均受到了技術(shù)瓶頸制約。同時經(jīng)考察全球尚不存在針對磨耗檢測數(shù)據(jù)開發(fā)的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。因此，如何便利大數(shù)據(jù)分析，深度挖掘磨耗數(shù)據(jù)價值成為鋼軌磨耗研究的關(guān)鍵。

2 鋼軌磨耗數(shù)據(jù)分析的現(xiàn)狀與面臨的問題

中國朔黃鐵路原平分公司管內(nèi)線路屬于典型山區(qū)鐵路，橋隧毗連、填挖相接、坡度大、曲線多、半徑小是其主要特點。經(jīng)統(tǒng)計，原平分公司上行重載線路有曲線179 條，共計94.182km，占原平分公司上行線路總長的36.8%；R ≤600m以下的曲線75 條，共計43.112km，占分公司上行曲線總長的45.8%；600 ＜R ≤800 的曲線35 條，共計21.309km，占分公司上行曲線總長的22.6%。由于線路條件復(fù)雜，加之面臨逐年增加的運量和更大軸重車輛的通行，小半徑曲線鋼軌磨耗發(fā)展呈現(xiàn)出加速趨勢。這不僅縮短了鋼軌使用壽命，增加了養(yǎng)護維修的工作量和費用，也給行車安全帶來極大隱患。因此，對朔黃重載鐵路曲線磨耗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性管理和分析面臨以下六類問題[1]。

（1）檢測數(shù)據(jù)量大

朔黃鐵路綜合檢測車鋼軌磨耗檢測系統(tǒng)上線應(yīng)用兩年，積累了大量鋼軌磨耗數(shù)據(jù)，綜合檢測車磨耗檢測數(shù)據(jù)的采集規(guī)則為一米四個采集點，每月的原平上行179 個曲線區(qū)段鋼軌磨耗數(shù)據(jù)可達近百萬條。

（2）曲線磨耗計算量大

為了考察每條曲線是否達到規(guī)定的磨耗傷損級別，曲線鋼軌磨耗值成為重要指標(biāo)。其計算方式是對每條曲線鋼軌磨耗最明顯區(qū)段里程段內(nèi)的磨耗值進行算數(shù)平均得到。但由于涉及的文件較多，計算過程會面臨與數(shù)據(jù)分割同樣的誤差問題。

（3）通過總重與換軌周期比較量大

每條曲線鋼軌在上線后其磨耗值會隨著累計通過總重的變化而變化，當(dāng)磨耗傷損程度達到規(guī)定值后須下線。為了考察磨耗發(fā)展情況與自上線后鋼軌上所通過的重量總和之間的關(guān)系，累計通過總重成為一項重要考察指標(biāo)。其計算方式是在同一次換軌周期內(nèi)，檢測當(dāng)日的調(diào)度日報統(tǒng)計通過總重數(shù)據(jù)與上線當(dāng)日的調(diào)度日報統(tǒng)計通過總重數(shù)據(jù)差值。但由于每一條曲線的換軌時間起始點不同，需要根據(jù)不同鋼軌換軌日期的時間進行通過總重數(shù)據(jù)抓取，且曲線鋼軌的數(shù)目較多，人工計算統(tǒng)計效率低且可能出現(xiàn)誤差的可能性較大。

（4）磨耗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)量大

如果僅把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的進行儲存管理還無法充分體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的價值，必須將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)查詢才能對數(shù)據(jù)間隱含的信息加以利用。要研究曲線磨耗發(fā)展與累計通過總重之間的關(guān)系就必須對曲線磨耗、通過總重和臺賬信息進行關(guān)聯(lián)查詢。

（5）磨耗數(shù)據(jù)存儲量大

隨著綜合檢測車每月檢測后的磨耗數(shù)據(jù)不斷增加，對數(shù)據(jù)的安全可靠性管理也隨之增強。本項目計劃利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決對海量數(shù)據(jù)的管理。數(shù)據(jù)庫是依靠結(jié)構(gòu)性查詢語言SQL 對各種數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入，由于涉及的數(shù)據(jù)相當(dāng)大，同時涉及的表也比較多，人工逐條導(dǎo)入數(shù)據(jù)很繁瑣也很耗時。

（6）磨耗數(shù)據(jù)展示量大

僅按照里程情況對每條曲線的磨耗數(shù)據(jù)進行羅列無法直觀對磨耗傷損級別進行詳細(xì)考察，進而降低了對傷損曲線級別的迅速判斷。同時，如果利用Excel 表格作圖功能進行逐月磨耗考察，并不能靈活跨月份對磨耗發(fā)展情況進行觀察。磨耗檢測數(shù)據(jù)的可視化將便利以上需求。

如何利用檢測數(shù)據(jù)對朔黃鐵路曲線磨耗情況進行系統(tǒng)性分析，借助計算機來高效解決大數(shù)據(jù)量分析及入庫工作，并通過分析結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場安全、經(jīng)濟、科學(xué)的鋼軌“狀態(tài)修”，實現(xiàn)鋼軌的壽命管理，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用成為一種選擇[2]。

3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)分析的優(yōu)勢和實現(xiàn)

3.1 大數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)共享

數(shù)據(jù)是記錄信息的載體，是知識的來源。數(shù)據(jù)的激增意味著記錄范圍、測量范圍和分析范圍不斷擴大，知識的邊界也在不斷延伸。如何收集、保存、維護、管理、分析、共享正在指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)是我們必須面對的一個挑戰(zhàn)。

針對特定的業(yè)務(wù)過程，處理離散的事務(wù)，數(shù)據(jù)成為一種過程記錄。數(shù)據(jù)的不斷積累的結(jié)果，不僅僅用于查詢，而且應(yīng)用于分析。怎樣從各個獨立的信息系統(tǒng)提取、整合有價值的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識、從知識到利潤的轉(zhuǎn)化。通過數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，建立一種格式多源數(shù)據(jù)存儲中心，即使通過不同平臺采集的數(shù)據(jù)，可以按照統(tǒng)一的定義格式被提取出來，再通過清洗、轉(zhuǎn)換、集成最后歸流入海，加載進數(shù)據(jù)倉庫[3]。

同時通過統(tǒng)一接口，為每個系統(tǒng)提供信息共享的機制，使得各種運輸數(shù)據(jù)充分共享，數(shù)據(jù)之間通過各種方式來匹配和結(jié)合，充分發(fā)揮和挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的潛力，把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行采集、整理和統(tǒng)計分析，形成信息管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，并在此之上開發(fā)出用戶需要的特殊功能，進一步提高朔黃鐵路的信息化管理水平。

將專業(yè)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立分析模型，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)趨勢變化可感知、劣化自動預(yù)警，自動生成預(yù)警維護工單。數(shù)據(jù)之所以要進行分析處理，關(guān)鍵在于這些數(shù)據(jù)量巨大，這些數(shù)據(jù)精確地記載了過去和現(xiàn)在發(fā)生的事，對面向未來的決策有著極其重大的意義和價值。在數(shù)據(jù)中找出關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和驗證假設(shè)，可極大提升決策的準(zhǔn)確性和可靠性，使決策真正智慧。智慧決策不僅有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行規(guī)律，同時為“狀態(tài)修”提供數(shù)據(jù)分析支撐。通過數(shù)據(jù)分析進行數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)，進而將復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚慕换ィ蓪崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的“全方位”“立體式”呈現(xiàn)。如區(qū)別于傳統(tǒng)柱狀圖的玫瑰花圖，用于展現(xiàn)二維數(shù)據(jù)；表現(xiàn)宏觀數(shù)據(jù)趨勢的日歷圖；用于層級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)的太陽輻射圖及樹圖；表現(xiàn)節(jié)點關(guān)聯(lián)關(guān)系的弦圖等等，這些簡捷、生動且具有藝術(shù)氣息的絢麗圖表，不僅讓龐雜的數(shù)據(jù)變成具有特定業(yè)務(wù)指標(biāo)并實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的聯(lián)動分析，并最終為企業(yè)提供科學(xué)決策[4]。

3.2 專業(yè)應(yīng)用：專業(yè)應(yīng)用，共享平臺，智慧服務(wù)

利用鋼軌磨耗信息系統(tǒng)軟件（如圖1所示）管理檢測數(shù)據(jù)，分析影響磨耗的關(guān)鍵因素和磨耗發(fā)展規(guī)律，建立鋼軌磨耗發(fā)展預(yù)測模型，對鋼軌的“狀態(tài)修”和修理周期提出合理化建議，并最終實現(xiàn)延長鋼軌使用壽命的目標(biāo)。

圖1 鋼軌磨耗管理信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)分割自動化

綜合檢測車磨耗檢測數(shù)據(jù)的采集規(guī)則為一米四個采集點，這代表每月的原平上行磨耗數(shù)據(jù)可達近百萬條，而每次的檢測數(shù)據(jù)都必須按照曲線所在的起始里程值將原始數(shù)據(jù)進行分割歸檔[5]。依靠人力去提取分析每條曲線的數(shù)據(jù)值，不僅耗時費力，還有可能導(dǎo)致提取數(shù)據(jù)時發(fā)生人工誤差，所以計算方式是對每條曲線鋼軌磨耗最明顯區(qū)段里程段內(nèi)的磨耗值進行算數(shù)平均得到（如圖2所示）。

圖2 鋼軌磨耗速率擬合曲線

（2）曲線鋼軌磨耗值計算自動化

將數(shù)據(jù)提取分割管理是對數(shù)據(jù)進行分析的第一步。為了考察每條曲線是否達到規(guī)定的磨耗傷損級別，曲線鋼軌磨耗值成為重要指標(biāo)。其計算方式是對每條曲線鋼軌磨耗最明顯區(qū)段里程段內(nèi)的磨耗值進行算數(shù)平均得到。但由于涉及的文件較多，計算過程會面臨與數(shù)據(jù)分割同樣的誤差問題，所以也必須借助計算機來高效解決這部分工作，計算過程如圖3所示。

圖3 曲線傷損判斷流程圖

（3）累計通過總重計算自動化

每條曲線鋼軌在上線后其磨耗值會隨著累計通過總重的變化而變化，當(dāng)磨耗傷損程度達到規(guī)定值后須下線。為了考察磨耗發(fā)展情況與自上線后鋼軌上所通過的重量總和之間的關(guān)系，累計通過總重成為一項重要考察指標(biāo)。其計算方式是在同一次換軌周期內(nèi)，檢測當(dāng)日的調(diào)度日報統(tǒng)計通過總重數(shù)據(jù)與上線當(dāng)日的調(diào)度日報統(tǒng)計通過總重數(shù)據(jù)差值。但由于每一條曲線的換軌時間起始點不同，需要根據(jù)不同鋼軌換軌日期的時間進行通過總重數(shù)據(jù)抓取，且曲線鋼軌的數(shù)目較多，人工計算統(tǒng)計效率低且出現(xiàn)誤差的可能性較大。

（4）磨耗檢測數(shù)據(jù)可視化

僅按照里程情況對每條曲線的磨耗數(shù)據(jù)進行羅列無法直觀對磨耗傷損級別進行詳細(xì)考察，從而降低了對傷損曲線級別的迅速判斷。同時，如果利用Excel 作圖功能進行逐月磨耗考察，并不能靈活跨月份對磨耗發(fā)展情況進行觀察。磨耗檢測數(shù)據(jù)的可視化將便利以上需求[6]。

（5）數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫管理自動化

隨著綜合檢測車每月檢測后的磨耗數(shù)據(jù)不斷增加，對數(shù)據(jù)的安全可靠性管理也隨之增強。本項目計劃利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決對海量數(shù)據(jù)的管理。數(shù)據(jù)庫是依靠結(jié)構(gòu)性查詢語言SQL對各種數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入，由于涉及的數(shù)據(jù)相當(dāng)大，同時涉及的表也比較多。人工逐條導(dǎo)入數(shù)據(jù)很繁瑣也很耗時，所以必須將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的過程實現(xiàn)自動化。鋼軌磨耗管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的E-R 關(guān)系圖，以及表中各字段的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

圖4 鋼軌磨耗管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的E-R 關(guān)系圖

（6）曲線磨耗、通過總重和臺賬信息關(guān)聯(lián)查詢

如果僅把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化進行儲存管理那還無法充分體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的價值，必須將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)查詢才能對數(shù)據(jù)間隱含的信息加以利用。

（7）利用查詢結(jié)果觀察磨耗發(fā)展趨勢

雖然利用數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)方便的關(guān)聯(lián)查詢，但要想考察鋼軌磨耗整體的發(fā)展趨勢就需要對查詢后的數(shù)據(jù)進行二次處理。通過對查詢后的數(shù)據(jù)進行建模分析以及對數(shù)據(jù)點進行曲線擬合將考察對象量化和直觀化，從而進一步深入分析數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)中的價值。

以分割后每月每條曲線的磨耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，選擇任意一條曲線進行觀察，再選取其單月數(shù)據(jù)、連續(xù)或不連續(xù)的多月數(shù)據(jù)進行作圖。將磨耗數(shù)據(jù)以折線圖的形式呈現(xiàn)：X軸為曲線里程（單位：公里km），Y 軸為磨耗值（單位：毫米mm）。同時可以將朔黃曲線不同傷損程度磨耗標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)注于圖中。此功能方便了檢測人員直觀跟蹤曲線磨耗的發(fā)展情況，且能第一時間對曲線的磨耗傷損程度進行判斷。

圖5 磨耗數(shù)據(jù)可視化設(shè)計示意圖

4 結(jié)論與展望

使用本系統(tǒng)統(tǒng)計分析鋼軌磨耗數(shù)據(jù)，可提高統(tǒng)計和分析工作效率，減少人為統(tǒng)計錯誤，增強信息傳輸?shù)募皶r性和準(zhǔn)確性，將技術(shù)人員從海量數(shù)據(jù)和繁瑣統(tǒng)計等流程中解脫出來。同時軟件系統(tǒng)分析的結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對指導(dǎo)安全生產(chǎn)、防止工作失誤、指導(dǎo)設(shè)備狀態(tài)修理有重要意義，其間接經(jīng)濟效益更為樂觀。

鋼軌磨耗管理信息系統(tǒng)軟件的應(yīng)用，通過斷面磨耗分析系統(tǒng)，可對側(cè)磨傷損程度進行問題地段篩選，對影響側(cè)磨因素進行側(cè)磨發(fā)展速率預(yù)判，對小半徑曲線側(cè)磨情況進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。更適用于重載鐵路的運營需要，可大大降低各類行車事故的發(fā)生概率，提高鐵路運輸生產(chǎn)的效率。對公司的運輸帶來很大的經(jīng)濟效益和社會效益。