高速鐵路施工調(diào)度組織過程管理系統(tǒng)研究

馮小芳

（鐵道部信息技術(shù)中心 信息工程部，北京 100038）

鐵路施工調(diào)度組織是鐵路運輸組織的重要組成部分，隨著列車速度、密度的不斷提高，行車組織和施工調(diào)度組織的科學(xué)性、時效性需要不斷提高，對高速鐵路施工調(diào)度組織過程實現(xiàn)信息化、專業(yè)化、遠程化的需求變得越來越迫切?！?鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法 》( 鐵運 [ 2012 ]280 號) 對加強施工組織和施工現(xiàn)場管理等方面提出新的要求，對施工及綜合維修組織實施現(xiàn)場需要實現(xiàn)更加準確、直觀、實時的盯控，利用先進的技術(shù)實現(xiàn)施工調(diào)度組織過程管理，研究其安全支撐技術(shù)，以提高施工作業(yè)效率和運輸組織管理安全，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)概述及目標

高速鐵路施工調(diào)度組織過程管理(簡稱高鐵施工作業(yè)管理) 系統(tǒng)主要包括編制施工維修計劃、掌握施工調(diào)度組織的設(shè)備情況和組織實施施工調(diào)度組織作業(yè)等部分。為此，主要研究高鐵施工作業(yè)管理系統(tǒng)的施工登銷記管理、施工作業(yè)現(xiàn)場管理和全程定位監(jiān)控管理。

施工登銷記管理，即在施工維修作業(yè)開始前確認施工維修作業(yè)計劃是否已經(jīng)完成登記、準備就緒、具備作業(yè)開始條件，當(dāng)確認后，列車調(diào)度根據(jù)列車運行狀態(tài)、牽引供電狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)，下達施工維修作業(yè)開始與結(jié)束命令，將發(fā)令結(jié)果登記在綜合維修登記簿上。

施工作業(yè)現(xiàn)場管理，即對作業(yè)過程進行監(jiān)督和管理，對要求停電的施工維修作業(yè)，請求供電調(diào)度員進行停電控制，對作業(yè)現(xiàn)場情況進行監(jiān)控，對作業(yè)進度和其他的異常情況進行預(yù)警提醒。

全程定位監(jiān)控管理，即對施工作業(yè)組織進行全程定位監(jiān)控，主要利用先進的定位技術(shù)在鐵路地理信息線路網(wǎng)絡(luò)中實時顯示施工維修作業(yè)計劃、作業(yè)分布和主要設(shè)備的配備情況，同時顯示施工維修作業(yè)組織過程中作業(yè)人員和現(xiàn)場盯控人員的地理位置分布情況，并且通過施工終端控制平臺對高速鐵路施工調(diào)度組織的全過程進行監(jiān)督管理。

高鐵施工作業(yè)管理系統(tǒng)的主要目標為：實現(xiàn)施工登銷記管理的電子化、遠程化；實現(xiàn)施工登銷記過程中各個環(huán)節(jié)的流程化及安全卡控；實現(xiàn)綜合維修組織管理及施工作業(yè)現(xiàn)場管理的一體化、信息化；實現(xiàn)定位管理以達到科學(xué)的監(jiān)控和及時的反饋，便于解決施工現(xiàn)場的突發(fā)情況；為更好地進行施工現(xiàn)場盯控提供科學(xué)、直觀、安全、及時的手段；為督促施工計劃的兌現(xiàn)和實現(xiàn)施工現(xiàn)場登記提供技術(shù)支撐。

2 總體結(jié)構(gòu)及工作流程

高鐵施工作業(yè)管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于涉及施工登銷記管理和施工作業(yè)現(xiàn)場管理的各級單位。其中，施工登銷記管理涉及的主要單位有：行車調(diào)度臺、綜合維修調(diào)度臺、供電調(diào)度臺、各專業(yè)維修中心、各施工設(shè)備管理單位、施工單位及配合單位；施工登銷記管理是在鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上，完成計劃調(diào)整、施工請點登記、施工作業(yè)確認、施工承認登記、施工銷點登記、施工開通確認等工作。施工作業(yè)現(xiàn)場管理涉及的主要人員和單位有：施工盯控的人員(施工領(lǐng)導(dǎo)小組正、副組長，行車組織，設(shè)備管理，建設(shè)，設(shè)計，施工，監(jiān)理，安監(jiān)等)、施工單位及配合單位等。施工作業(yè)現(xiàn)場管理所涉及的場所分布于鐵路沿線，位置分散，可以利用手持設(shè)備和無線通信技術(shù)共同實現(xiàn)。無線通信網(wǎng)絡(luò)及其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過鐵路安全平臺接入鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，保障運輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全可靠。全程定位監(jiān)控管理運行于施工終端控制平臺上，施工終端控制平臺是運行于鐵路內(nèi)部網(wǎng)上的用戶操作平臺，用于對施工作業(yè)組織實施進行全程定位監(jiān)控。高鐵施工作業(yè)管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

高鐵施工作業(yè)管理系統(tǒng)在傳統(tǒng)的施工作業(yè)管理流程的基礎(chǔ)上，融入了施工作業(yè)現(xiàn)場管理，使施工的登銷記與現(xiàn)場組織實施形成一個閉環(huán)，透明可控。按照工作場景不同，其具體工作流程如下。

（1）準備期：施工(維修) 調(diào)度員對即將執(zhí)行的計劃進行增加、取消、修改等調(diào)整；施工單位及配合單位的現(xiàn)場作業(yè)人員授權(quán)分配手持設(shè)備。施工調(diào)度員提前將相關(guān)施工作業(yè)計劃發(fā)送到相關(guān)的手持設(shè)備，手持設(shè)備提示持有者“有作業(yè)待執(zhí)行”。

（2）實施期：施工單位、配合單位的現(xiàn)場作業(yè)人員通過手持終端向施工終端控制平臺發(fā)送人員到現(xiàn)場確認、施工請點登記、施工作業(yè)請點時間等信息；運輸調(diào)度指揮人員確認施工作業(yè)狀態(tài)信息，發(fā)送施工作業(yè)開始命令、停電命令等，同時推送給作業(yè)現(xiàn)場的手持終端；施工單位及配合單位的現(xiàn)場作業(yè)人員通過手持終端接收作業(yè)命令并回執(zhí)作業(yè)開始確認、作業(yè)現(xiàn)場的聲像資料和臨時狀態(tài)信息；施工盯控人員通過手持終端接收臨時調(diào)度命令、反饋現(xiàn)場的施工作業(yè)組織情況；手持終端提醒現(xiàn)場作業(yè)人員施工作業(yè)進度及預(yù)警信息。

（3）結(jié)束期：施工單位及配合單位人員通過手持終端或PC機進行施工銷點登記、請求銷點時間及作業(yè)結(jié)束確認信息至調(diào)度臺；施工盯控人員通過手持設(shè)備發(fā)送人員已經(jīng)離場的確認信息至調(diào)度臺；調(diào)度臺發(fā)送施工開通令，涉及停電的，發(fā)送送電命令。施工作業(yè)結(jié)束，正式開通，高鐵施工作業(yè)管理流程結(jié)束。

圖1 高鐵施工作業(yè)管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 核心模塊及其支撐技術(shù)

3.1 施工登銷記管理

施工登銷記主要包括施工請點登記、命令登記、確認登記、銷點登記、開通登記 5個階段。

施工登銷記管理的施工(配合) 單位操作終端可以使用 PC 機在辦公網(wǎng)絡(luò)上進行集中登記，也可以使用手持設(shè)備在施工作業(yè)所在地進行遠程登記。集中登記時采用 B/S 模式，中心服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫部署在鐵路局，而操作網(wǎng)頁可以在任意有鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的地方進行。登記的信息通過消息機制通知調(diào)度臺( 相關(guān)的行車調(diào)度臺和供電調(diào)度臺)，調(diào)度臺的終控端收到消息后，自動刷新調(diào)度臺的登記界面，實時更新調(diào)度臺上所監(jiān)控登記計劃的狀態(tài)。

為提高系統(tǒng)的運行效率和安全性，調(diào)度臺終控端采用 EJB3.0 架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)庫、EJB 服務(wù)器和客戶端 3 層。業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)的處理都交由 EJB 服務(wù)器處理，客戶端只處理用戶交互和消息刷新。系統(tǒng)的交互性和時效性能夠得到很好的解決。

施工登銷記管理的安全卡控至關(guān)重要。該系統(tǒng)采用單位用戶、驗證碼、密碼、電子簽名等組合驗證方法，并在操作過程中采用視頻監(jiān)控，記錄操作員的影像資料。施工登銷記的各個階段采取狀態(tài)控制，主要通過施工登銷記規(guī)定的相關(guān)流程進行卡控，只有前階段執(zhí)行完畢才能進行下一階段的工作。針對施工內(nèi)容的相關(guān)信息進行卡控，如涉及供電登記請求必須通過供電調(diào)度的確認后才能進行下一階段的作業(yè)。

3.2 鐵路安全平臺

該系統(tǒng)涉及鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵功能，也涉及在施工現(xiàn)場利用手持終端進行數(shù)據(jù)采集、傳輸和狀態(tài)反饋等功能。無線網(wǎng)絡(luò)與鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的對接和數(shù)據(jù)的安全問題對于鐵路運輸生產(chǎn)是重中之重，必須處理好，利用鐵路安全平臺可以解決無線通信網(wǎng)絡(luò)與鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全對接問題。

安全平臺主要由內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換統(tǒng)一軟件系統(tǒng)(Message Queue Transport United Program，MTUP) 服務(wù)器及特定的數(shù)據(jù)協(xié)議組成。MTUP 與內(nèi)網(wǎng)用戶的接口定義在鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各應(yīng)用服務(wù)器上的消息隊列(Message Queue，MQ) 處，即 MTUP負責(zé)接收來自鐵路安全平臺的數(shù)據(jù)并放入專門的應(yīng)用程序隊列中。反之，應(yīng)用程序隊列將要通過MTUP 發(fā)送的數(shù)據(jù)放入專門的隊列中，由 MTUP 接收和轉(zhuǎn)發(fā)至無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊。通過 MQ 和 MTUP服務(wù)器實現(xiàn)拆合數(shù)據(jù)包的過程為：①數(shù)據(jù)拆包過程( 安全平臺外)：接收外部無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)，按照協(xié)議拆解數(shù)據(jù)包；②制定應(yīng)用程序接口( Application Program Interface，API)協(xié)議及 MTUP整合數(shù)據(jù)包策略；③數(shù)據(jù)整合過程(安全平臺內(nèi))：由 API 協(xié)議部分加上業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)固定區(qū)域一起按照既定的組包策略組裝成一個 MTUP 數(shù)據(jù)包；④測試數(shù)據(jù)協(xié)議可靠性，通過拆包、組包過程的測試，評估數(shù)據(jù)協(xié)議及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。安全平臺實現(xiàn)策略示意圖如圖2 所示。

3.3 作業(yè)現(xiàn)場手持終端及無線通信技術(shù)選擇

施工現(xiàn)場作業(yè)和盯控人員都配備手持終端，考慮現(xiàn)場作業(yè)的實際情況，手持終端需要具備防水、防震、防摔等性能，同時要求操作便捷、電池耐用。為此，需要定制一款合適的機型。手持終端首先應(yīng)當(dāng)具備下載功能，能夠下載需要監(jiān)督完成的作業(yè)任務(wù)信息，對手持終端根據(jù)需求進行二次開發(fā)，通過手持終端可以瀏覽施工計劃的執(zhí)行情況，提交模塊化的登記、狀態(tài)、圖片信息等，手持終端還應(yīng)當(dāng)具有授權(quán)和身份認證的功能，方便定位管理，同時能夠快捷地拍照、對講，以便工作中的溝通與交流。

通過對多個無線通信技術(shù)進行比較，并且在京滬高速鐵路行駛列車中測試手機通信、無線上網(wǎng)等功能后，總結(jié)出基于碼分多址(Code-Division Multiple Access，CDMA) 技術(shù)的某無線通信技術(shù)整體性能較好，京滬高速鐵路沿線的測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

從圖3 中可以看出，該無線通信技術(shù)的信號覆蓋率為 94.48%，語音接通率為 95.44%，平均文件上傳速率(含 Drop) 為 285.95 kbps，平均文件下載速率(含 Drop) 為 620.54 kbps，是目前實現(xiàn)現(xiàn)場手持終端通信的最佳選擇。

圖2 安全平臺實現(xiàn)策略示意圖

圖3 京滬高速鐵路沿線的測試數(shù)據(jù)

3.4 全程定位監(jiān)控管理

全程定位監(jiān)控管理包括高速鐵路施工調(diào)度組織的定位展示和監(jiān)控管理 2個部分。

定位展示主要完成施工作業(yè)位置分布及現(xiàn)場作業(yè)人員定位顯示、作業(yè)組織過程及作業(yè)組織實施過程狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)記錄等?？梢詫㈩A(yù)計實施的施工作業(yè)計劃分布展示在基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS) 鐵路線路網(wǎng)絡(luò)圖形上，通過圖形化界面完整展示所有作業(yè)單元的當(dāng)前位置，通過不同的圖形特征顯示各種類型作業(yè)單元的活動范圍，對違反作業(yè)活動區(qū)域的施工單元給予調(diào)度人員警告和提示。GPSone 是美國高通公司推出的是一種基于 CDMA 的全球定位技術(shù)，利用 GPS 衛(wèi)星和基站等進行綜合定位，是目前手機平臺最領(lǐng)先的定位技術(shù)。無線二進制運行環(huán)境(Binary Runtime Environment for Wireless，BREW) 是一種專門為無線設(shè)備設(shè)計的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境。定位展示選用GPSone + BREW 技術(shù)，將 CDMA 和 BREW 結(jié)合進行終端定位管理，手持設(shè)備持有者的具體定位信息也同時顯示在現(xiàn)有的基于 GIS 的鐵路線路網(wǎng)絡(luò)圖形上。

監(jiān)控管理包括進度管理、預(yù)警提示及綜合信息展示等。施工作業(yè)進度管理主要通過圖形化界面完整展示所有工單作業(yè)進度，對關(guān)鍵施工步驟、關(guān)鍵施工單元給予音頻提示。預(yù)警提示主要針對工單要求時間與施工單元實際作業(yè)不符、人員位置狀態(tài)不合理、現(xiàn)場設(shè)備緊張等情況給予專門的預(yù)警提示。綜合信息展示主要指通過在完整的施工流程中采集和嵌入圖片、音頻等信息，并且將其按照施工作業(yè)計劃號進行分條匯總的功能。通過詳細列表功能完成對整個作業(yè)組織實施過程的記載(包括所有施工狀態(tài)、過程照片、預(yù)警信息、通信溝通過程)，整個過程可回溯，并且通過圖片上傳、采集不可量化的現(xiàn)場信息，對整個施工作業(yè)過程形成閉環(huán)管理。同時，按照日、周、月、季度、年度生成數(shù)據(jù)報表，以反映一定時間范圍內(nèi)的施工作業(yè)過程管理信息，便于更加科學(xué)地安排施工作業(yè)。

全程監(jiān)控定位管理的所有信息展示在施工終端控制平臺上，施工終端控制平臺的用戶界面如圖4所示。

圖4 施工終端控制平臺用戶界面

4 結(jié)束語

高鐵施工作業(yè)管理系統(tǒng)利用無線網(wǎng)絡(luò)、手持終端，結(jié)合鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一個從計劃、施工登銷記到施工作業(yè)現(xiàn)場管理的施工調(diào)度作業(yè)全過程閉環(huán)管理信息平臺。通過施工登銷記管理、施工作業(yè)現(xiàn)場管理、全程定位監(jiān)控管理等一系列的過程，既能夠保證高速鐵路的施工維修安全性，又能夠提高高速鐵路的天窗兌現(xiàn)率、施工維修計劃給點兌現(xiàn)率和設(shè)備應(yīng)用效率，同時還為應(yīng)急鐵路調(diào)度指揮提供了技術(shù)支撐。該系統(tǒng)利用基于 GIS 的鐵路線路網(wǎng)絡(luò)圖進行定位管理，實時準確地顯示施工計劃位置，為調(diào)度指揮提供依據(jù)；通過明確提醒施工作業(yè)進度，嚴格監(jiān)控施工作業(yè)活動范圍和作業(yè)過程，避免調(diào)度人員反復(fù)詢問、核實情況，節(jié)省精力和時間，提高工作效率，減少施工事故。