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1、高铁软路基监测系统的设计与实现丁凌航花向红许承权蔡建民龚国栋武汉大学测绘学院武汉大学灾害监测和防治研究中心闽江学院摘要：介绍了高铁软路基监测系统的设计思路，对系统总体结构、数据管理模块、数据 处理模块进行了详细设计。采用C#语言和Access数据库，开发了高铁软路基监 测系统，实现了不同类型的数据统一管理，以及数据的处理、可视化显示、预警 分析和报告输出等功能。关键词：高铁软路基;监测系统;数据可视化;预警分析;作者简介：丁凌航，硕士，主要研究方向为工程测量和地而三维激光扫描。E-mail:2011301610110 作者简介：许承权，博丄主要研究方向为工程测量与数据处理。E-mail:301
2、41842qq. com收稿日期：2015-12-07基金：国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目(PF2013-6)Design and Implementa/tion ofHigh-Speed Soft FoundationMonitoring SystemDING LinghangHUA Xianghong XU Chengquan CAIJianmin GONG GuodongSchool of Geodesy and Geomaics, WuhanUniversity; Minjiang University;Abstract：This paper introduces a m
3、onitoring system of highspeed soft foundation, and detailedly designs the system architecture, data management module, data processing module. Using C # language and the Access database, it develops the soft foimdeition of high-speed monitoring system to achieve unificd managcmcnt of diffcrcnt typcs
4、 of data，as well as datei processing， visualization, pre-warning analysis, report output and other functions.Keyword：high-speed soft foundation; monitoring system; data visualization; early-warning analysis;Received： 2015-12-07 由于高铁的运行速度要远快于普通火车，因而其对路基的稳定性要求也颇高。然 而，我国经济较发达的沿海地区的土壤类型多为软土，具有含水量大、压缩性 高
5、、沉降量大和排水固结稳定性差等特点，这导致路基的不稳定，无法满足高铁 的运行安全，所以必须对这些软路基做加固处理，口在建设完成后，还要实吋 对其进行监测，防止因为地表的负荷过大造成软路基的形变量超过设计要求 。传统的高铁路基监测方式多为定期进行复测，监测项目主要包括路基沉降监测、 地下水位监测、土壤压力监测等及1。传统方式无法实时地对高铁软路基进行监 测，测量产生的大量数据文件不能进行有效的管理。为此，本文提出了不同类型 的数据统一管理的方法3,设计并实现了基于C#的高铁软路基监测系统。1系统设计1.1系统总体设计系统的总体设计结构如图1所示。系统利用C#连接Access数据库的功能，将监 测
6、数据通过系统的界面导入数据库中进行存储。在界面中的DataGridView控件 中，能显示导入的数据，以便用户检查数据的完整性和正确性。在数据处理模块 功能设计中，通过分析沉降、孔隙水压力以及深层土体位移3类数据，可以对软 路基的变形情况做出判断。通过预警分析模块做进一步的分析，判断数据是否超 过了设定的阈值，发现异常及时报告;通过可视化组件，将监测结果以图表的形 式直观地反馈给用户；通过成果输出模块将整个处理的过程输出成报告。1. 2数据库设计 系统采用Access数据库进行数据管理。根据数据观测类型的不同，分别设计了 不同的数据库，将不同类型的数据分开存储。对于相同类型的数据，在同一数据
7、库下，根据观测点位的不同分成不同的数据表保存。为方便管理与搜索，每张表 的表名由观测点位唯一确定，在查询时，通过数据观测类型以及观测点位名就 能快速定位到数据表，再通过对数据表中记录的搜索，找到所需的数据项。而在 数据表中，表的字段名则由导入的数据确定，通过获取导入数据中的信息，确 定每张数据表拥有的字段数和各自的字段名称，例如，观测日期、点位深度、累 计沉降量等，然后将数据按行写入表中。图 1 高铁软基监测系统结构 Fig. 1 Structure of High-Speed Soft Foundation MoniLoring System下载原图2系统功能的实现2.1数据管理如何将数量众
8、多且分属不同类型的监测数据统一存储到数据库中是关键问题。系 统利用了人机交互的手段，通过读取数据中的信息实现数据自动分类读取，根 据导入文件的后缀名判断该数据的格式，自动选择读取该格式数据的程序类， 将数据导入系统中，并通过DeiteiGEdVicw控件显示，以便用户确认数据的完整 性。同时，系统根据用户的提示，会自动识别数据的观测类型，并打开相应的数 据库。在数据库中新建一个以该数据所代表的观测点位命名的数据表，再通过获 取数据文件中的信息设置表中的字段名，最后将获取的数据写入数据库中。为了对数据进行更改，用户要在数据编辑对话框中输入需要更新的数据的类型 以及点名，系统将根据数据的类型定位相
9、应的数据库，然后通过与其中的数据 表名的匹配确定需要更新的数据记录，该记录的信息通过DataGridVicw控件显 示，用户可以在DataGridView控件中直接对数据进行编辑、更改，修改的信息 将用于更新相应的数据记录。2. 2数据可视化监测数据大部分都是以表格或文本形式记录的，很难直观地从中看出软路基的 变化情况。为弥补这一缺陷，系统利用chart绘图控件，将监测数据绘制成图表, 实现数据的可视化，方便用户对数据进行分析。首先，调用chart控件中的各种 方法对图表的属性进行设置，包括横纵轴的名称、曲线的线型以及图例等;其次， 计算各种曲线拟合模型的参数，将实测数据代入模型的误差方程，利
10、用最小二 乘的方法进行平差，解得各个模型参数，从而计算各模型的模拟值;最后，利用 chart控件中的AddXY方法，将数据添加到图中显示。某软路基沉降监测儿种曲 线拟合模型拟合的结果如图2所示。图2沉降数据拟合曲线Fig. 2 Fitting Curve of Subsidence Data 卜载原 图从图2可以看岀，儿种方法的拟合效果比较接近。为了进一步的分析，系统在 chart控件中添加了缩放的功能，经过缩放后的图形能更好地反映不同模型间 的区别。2. 3数据处理1）沉降数据处理模块。该模块提供了双曲线法、抛物线法、泊松曲线法以及灰 色理论模型法GM （1, 1） 4-8等多种沉降曲线预测
11、模型。模块可以直接从数据 库中获取相应的沉降监测数据计算不同时刻的沉降速率。用户可以根据需要在 checkBox中选择一，种或多种方法进行建模，利用可视化模块在chart控件中显 示建立的曲线模型以及相应的沉降速率曲线，分析比较各曲线，确定最接近实 际情况的预测模型，进行路基的沉降规律分析。同时，用户可以通过报告输出模 块将整个数据处理过程输出成报告。2）孔隙水压力数据处理模块。对孔隙水压力的监测通常是利用埋设在土体内的 振弦式渗压计对该压力进行监测，通过读取该渗压计的读数来计算孔隙水压力 的大小9,10。孔隙水压力的计算为：式中，k、b代表了渗压计的最小读数和温度修正系数;F。、T。代表了渗
12、压计的基 准值和温度的基准值;F、T代表渗压计的实测值和温度值。由式（1）可知，孔 隙水压力的计算中，需要预先设置基准值的大小，因此，在系统中实现了参数 设置的功能，在大气压力异常的地区，需要对大气压力做相应的修正。根据设置 的参数以及数据库中渗压计的测量值和温度值，再利用式（1）计算得到孔隙水 压力的大小，并将结果通过可视化模块显示。3）深层土体位移数据处理模块。为了监测土体的横向位移，需要利用测斜仪获 取不同深度土体的位移量。从数据库中导入获取的位移值，按口期的顺序将每一 次监测的结果绘制在chart控件中，得到一个时间段内土体不同深度的位移量。 某工程一断面的深层土体位移如图3所示。图3
13、深层土体位移图Fig. 3 Movement of Deep Soils下载原图 从图3中可以看出不同深度的土体随着时间变化的位移量，利用预警分析模块 还能分析不同深度土体的位移总量和位移速度是否超过设计范围。2. 4预警分析在监测过程中，当所有数值都在允许的范围内变化，说明高铁软路基路段是安 全的;相反，若出现超出阈值范围的数据，则需要予以警告。为了实现预警，系 统建立了参数阈值的数据库。在数据库中，每一条记录代表了一片区域，其中的 每一个数据项代表了高铁施工期或运营期内各参数的阈值。在设置阈值时，需要 考虑土壤的含水量、土层压力等因素，在高铁运营期间还需要考虑高铁运行车 速。预警分析时，用
14、户可以在combox控件的下拉列表中选择需要监测的区域，系统 将在数据库中搜寻区域所在的记录，将该记录的各个阈值赋给对应的参数。用户 也可以根据需要，在参数的textbox控件中调整text属性的值，手动修改参数 的阈值。之后，系统将根据设定的阈值遍历所选区域的所有数据表，对数据进行 判断。首先，根据“工程进度”字段判断数据对应的时刻是在施工期还是运营期 内，以确定是否使用带行车速度的参数阈值;其次，将数据与阈值进行比对，判 断数据是否在阈值范围内，若存在超限的数据，则在其对应的数据表中新建“预警标记”字段，并将超出阈值范围的数据记录的该字段设为1,将接近阈 值记录的该字段设为2;最后，可以利
15、用系统的输出功能将“预警标记”字段为 1和2的记录输出到界面中，起到提醒用户的作用。3结束语高铁软路基监测的数据类型众多且数量十分庞大，传统的数据管理模式很难对 其进行有效的管理。本文利用C#语言编写了一个监测系统，通过C#连接Access 数据库，将不同类型的数据分类入库存储，再分别对每一类型的数据进行处理 与可视化显示。系统拥有数据处理、预警分析与成果输出功能，能有效地监测整 个软路基的变化情况，发现问题及时预警，可以保证高铁的正常施工和安全运 营。参考文献1 许双安，任晓春，袁永信高速铁路沉降数据处理与评估系统设计与实现J 测绘地理信息，2014, 39 (4) : 54-572 廖世芳
16、.戈壁地区高速铁路沉降变形监测与预测研究D.西安:西安科技大学, 20123 赵世运，刘华，李先明，等寒区高速铁路路基变形智能监测系统设计与实 现J冰川冻土，2014, 36 (4) : 944-9524 陈大勇，刘大伟卡尔曼滤波法在城际高铁沉降变形监测与分析的应用J 测绘与空间地理信息，2015, 38 (6) : 183-1855 吴晓恩，杨平园，胡惠华，等基于实测数据软土地基沉降预测方法的比较 J交通科学与工程，2014 (3) : 15-19刘闯，花向红，赵杰，等基于小波去噪的高铁沉降预测模型研究J测绘 地理信息，2015, 40 (1) : 37-407 王富麒.改进BP算法的灰色神经网络模型在高铁沉降预测中的应用研究D.
