（交通运输规划与管理专业论文）铁路轨道状态分析系统设计与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y - 7 4 1 7 2 4 摘要 摘要 铁路工务部门对线路设备的大中修和e 1 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”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。 北京交通大学硕士学位论文摘要 最后，介绍本文所研究的应用系统在南疆铁路i 临管处的实施情况。 在实际应用中，系统采用i n t e r a c t 网络技术、大型数据库( o r a c l e ) 技术和g i s 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g i s 尤其是w e b g i s 技术的优势，使得决策者 能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 a b s t r a c l a b s t r a c t t h eb a s i ct a s ko fb i g r e p a i ra n dm a i n t e n a n c er e p a i ro fe n g i n e e f i n g d e p a r t m e n ti st ok e e p t h e i n t e g r i t yo f r a i le q u i p m e n t sa n dt h eb a l a n c eo fr a i l q u a l i t ys o t h a tt r a i n sw o u l dm na taf i x e d s p e e ds a f e l y ，r e p o s e f u l l ya n d c o n t i n u o u s l ya n d r a i l sw o u l d p r o l o n g i t su s i n gl i f e w i t hd e v e l o p m e n to ft h e r a i ls t a t ei n s p e c tt e c h n o l o g y , a l lk i n d so fi n s p e c t i v ee q u i p m e n th a v eo f f e r e da l a r g en u m b e r s o fs t a t i ca n dd y n a m i ci n s p e c t i v ed a t a ，w h i c hp l a yag u i d a n c e r o l e i n b i gr e p a i r a n dm a i n t e n a n c e r e p a i r b e h i n d h a n d i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc a u s et h ep r e s e n tm a i n t e n a n c et o r e s to nm a i n t e n a n c ea f t e r w a r d s t h u s ，t h es i t u a t i o no fs a f e t yi sv e r ys e v e r e h o wt os c i e n t i f i c a l l ya n a l y z ea n df o r e c a s tr a i ls t a t ea n dm a k em a i n t e n a n c e p l a na c c o r d i n g t or a i ls t a t ei sb e c o m i n gt h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t o f r a i l w a ye n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t o ns a f e p r o d u c t i o n t h i st h e s i sw i l ls t u d yo nt h er e l e v a n tt h e o r i e s ，m e t h o d sa n dr e a l i z a t i o n o fr a i ls t a t ea n a l y s i s ，h o wt oa n a l y z er a i ls t a t em a k i n gu s eo fr a i lb a s i c i n f o r m a t i o n ，d i s e a s ei n f o r m a t i o n ，m a i n t e n a n c ei n f o r m a t i o n ，d y n a m i ci n s p e c t i n f o r m a t i o n ，s t a t i ci n s p e c ti n f o r m a t i o n ，h o w t of o r e c a s tr a i ls t a t e ，a n dh o wt o g u i d e t h er a i lm a i n t e n a n c e b y t h er e s u l to fr a i ls t a t ea n a l y s i sa n df o r e c a s ta n d t h es t a n d a r da n dt e c h n o l o g yo fr a i lm a i n t e n a n c er e p a i r o nt h eb a s i so f t h e s e ，f i r s t l y , t h et h e s i sw i l lr o u n d l ya n a l y z e st h em a i n p r o b l e m se x i s t i n gi nt h ec u r r e n ta n a l y t i c a ls y s t e m o fr a i ls t a t e ，a n dp o i n t so u t t h et w om a j o rf a c t o r st h a tr e s t r i c tr a i ls t a t em a n a g e m e n ta l et h el a g g i n go f m a n a g e m e n tg u i d e l i n e sa n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s s e c o n d l y , t h et h e s i s w i l le s p e c i a l l yp r o b ei n t ot h er e l e v a n tt h e o r i e sa n dm e t h o d so fe s t a b l i s h i n g 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c l t h ea n a l y t i c a ls y s t e mo fr a i ls t a t e ，a n dp u tf o r w a r di t sd e s i g no b j e c t ，f u n c t i o n s t r u c t u r ea n db r i e fd e s i g nc r i t e r i o no fd a t aw a r e h o u s eo nt o po fe x p l a i n i n g t h em a i nf u n c t i o no fe v e r ym o d u l ei nd e t a i l t h i r d l y , i nt h eb a c k g r o u n do f s c i e n t i f i cr e s e a r c hc o m m i t t e db ys o u t h e mx i n j i a n gr a i l w a yb u r e a ut h e a n a l y t i c a ls y s t e m o fr a i ls t a t ew i l lb ed e v e l o p e d i n d i c a t e df r o ma p p l i c a t i o n ，t h ea n a l y t i c a ls y s t e mo fr a i ls t a t ew i l la p p l y t e c h n o l o g i e s o f i n t e m e t ，l a r g ed a t a b a s e ( o r a c l e ) a n dg i s ，a n d r e a l i z e f u n c t i o n so f c o l l e c t i n g ，m e m o r i z i n g ，m a n a g i n g r a i l s s t a t i ca n d d y n a m i c d a t a b ya c c u m u l a t i n g a n dm i n i n gt h e s ed a t aa n dt a k i n ga d v a n t a g eo fg i s e s p e c i a l l yw e b - g 1 s ，d e c i s i o n - m a k e r s c a na n a l y z et h e mt i m e l ya n ds p a t i a l l y a n df i n dr e l a t i o n sb e t w e e nt h e m c o n s e q u e n t l y , t h ea n a l y t i c a ls y s t e mo f r a i l s t a t er e a l i z e sh o l d i n gt h er a i ls t a t ea n df o r e c a s t i n gi t sc h a n g ea n dh e l p st o m a k ev a r i o u sm a i n t a i n i n gp l a n sa n dd e c i s i o n m a k i n g k e yw o r d s ：r a i l w a y ；e n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t ；r a i ls t a t e ；m e a s u r i n g ； m a i n t e n a n c e ；p a s s i n g g r o s sw e i g h t ；f o r e c a s t ；d a t ew a r e h o u s e ；g i s 北京交通大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 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l 一1 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i l 】： ( 1 ) 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2 5 m m 时) 会使道床阻力显著降 低，引起无缝线路发生胀轨跑道。 ( 2 ) 水平不平顺将使车辆产生侧滚振动，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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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 北京交通大学硕士学位论文绪论 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。 ( 5 ) 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( 1 ：1 0 ) 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。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 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。 ( 8 ) 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。 轨道 不平顺 高低 水平 l 垂向不平顺：平面扭曲 lj 钢轨波浪形磨耗 l轨面不平顺( 包括擦伤，剥离，马鞍形磨耗) i 方向 横向不平顺1 轨距 l 复合不平顺垂向与横向不平顺同时存在且呈叠加状态 l 【其它如轨底坡偏差，曲线头尾几何偏差 图1 一l 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。 1 1 2 建设铁路轨道状态分析系统的意义 2 0 0 4 年1 2 月2 日，刘志军部长在在全国铁路运输安全= i ：作会议上 北京交通大学硕士学位论文绪论 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”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i 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1 2 l 。 1 1 3 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2 9 起事故征兆，每个征兆背后还会有3 0 0 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，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 3 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【3 l 进行多角度、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g i s 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。 1 2 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9 0 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9 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。 欧洲轨道研究院( e u r o p e a nr a i l r e s e a r c hi n s t i t u t e ) 开发的 4 北京交通大学硕士学位论文绪论 e c o t r a c k 轨道维护及更新决策支持系统( d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m f o r t r a c km a i n t e n a n c ea n dr e n e w a l ) ，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( r a i lm a n a g e m e n tc o n s u l t a n t sg m b h ) 的r a i l s y s 铁路基础设施及时刻表管理系统( t h ei n f r a s t r u c t u r ea n dt i m et a b l e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 中的组件基础设施数据管理( i n f r a s t r u c t u r e d a t a m a n a g e m e n t ) 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”i 。 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，1 9 9 8 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t q i 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2 0 0 m 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7 项几何不平顺幅值的标准差，将7 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1 4 i 。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1 5 】： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 缺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因。 ( 4 ) 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 6 北京交通大学硕士学位论文绪论 是针对超限次数、轨检车t q i 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。 1 3 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 1 4 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。 8 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 第2 章铁路轨道状态分析关键技术介绍 2 1 数据仓库技术 2 1 1 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 w h i n m o n 在其著作 b u i l d i n g t h ed a t aw a r e h o u s e ) 一书中给予如下描 述：数据仓库( d a t aw a r e h o u s e ) 是一个面向主题的( s u b j e c to r i e n t e d ) 、 集成的( i n t e g r a t e ) 、相对稳定的( n o n v o l a t i l e ) 、反映历史变化( t i m e v a r i a n t ) 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1 7 j 。 数据仓库具有以下特点1 8 j ： ( 1 ) 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。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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 9 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 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。 ( 4 ) 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2 1 数据仓库的特性 特性描述 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 2 1 2 数据仓库的体系结构 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w h i n m o n 所区分的3 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 1 0 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 储等) ；数据表现一面向最终用户1 9 。其基本体系结构如图2 1 所示。 蔽雠雨一麟鬟 用芏鬟一i 厕 爱群鎏兰划 e i $ 工鼻i 一 元黼 i 兰苎竺墨l “”工具 网 ? 艟( 卜 藤瓢 d m 工具 图2 1 数据仓库系统的基本体系结构示意图 2 1 3 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。 ( 1 ) 星型模式( s t a rs c h e m a ) ：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2 2 所示。 t i m es a | c s i 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2 2 数据仓库的星型数据组织模式 ( 2 ) 雪花模式( s n o w f l a k es c h e m a ) ：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2 3 。 图2 3 数据仓库的雪花数据组织模式 ( 3 ) 事实星座( f a c tc o n s t e l l a t i o n ) ：复杂的应用可能需要多个事实 表共享维表。这种模式可以看作成星型模式集，因此也称为星系模式 ( g a l a x ys c h e m a ) 。 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。 2 1 4 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： ( 1 ) 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1 0 0 0 公里计算，在一次检测中平均每0 2 5 米产生一条记录，1 0 0 0 公里有4 0 0 万条记录，正线每月检测两次产生8 0 0 万条记录，一年产生 9 千6 百万条记录，对轨道状态进行预测需积累2 3 年的数据，则大概 有2 亿4 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。 2 ) 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：d m i s 、t m l s 、p w m i s 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。 ( 3 ) 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。 1 3 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 2 2 地理信息系统技术 2 2 1 地理信息系统的概念及特征 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 又称空 间信息系统( s p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，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，g i s 的定义主要有如下四种： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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、c a d 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。 1 4 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- - f l 新兴的交叉学科；同时，地理信息系统又是一个技术 系统，是以地理空间数据库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基础，采用地理模 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1 6 1 。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。 2 2 2 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。