鐵路電力線路缺陷綜合管理模型設(shè)計

伍華國，柴修偉，郭 強

（1.廣鐵集團懷化供電段，湖南 懷化 418000；2.武漢工程大學(xué) 興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205；3.上海?？乒こ套稍冇邢薰荆虾?200321）

1 引言

近年來，我國鐵路工程迅速發(fā)展，取得了舉世矚目的成就，極大地促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展，且方便了民眾出行。特別是高速鐵路已經(jīng)成為中國制造走向世界的一張名片，被國外評為中國“現(xiàn)代四大發(fā)明”之首。中國鐵路經(jīng)過多年的技術(shù)和管理沉淀，已逐步發(fā)展成熟，形成了一套完整可靠的運營體系。電力供應(yīng)是鐵路系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，其缺陷巡檢和管理技術(shù)水平直接關(guān)系到鐵路的正常運營和安全［1］。目前，線路巡檢已成為鐵路電力系統(tǒng)管理的日常工作，主要采用人工檢查、判斷、匯總、上報和安排整改等方式處理缺陷，這種方式工作量大，效率低，而且實際效果不盡如人意。隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不少生產(chǎn)單位、科研院校和個人開始對鐵路電力系統(tǒng)缺陷巡檢和管理技術(shù)進行研究，并取得了一定的成果［2-4］。神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司引入了信息鈕扣對電力設(shè)備部件進行編碼標(biāo)識，并采用巡檢儀錄入的方式直接讀取設(shè)備信息，并在此基礎(chǔ)上人工輸入巡檢結(jié)果。這種方式在一定程度減少了錄入數(shù)據(jù)工作量，降低了設(shè)備定位和識別的出錯率。但運營過程中發(fā)現(xiàn)，這種自動識別設(shè)備露天易損壞，需要定期更換電池，維護工作量和費用過高［5］。西南交通大學(xué)的吳積欽團隊致力于研發(fā)高鐵接觸網(wǎng)便攜式巡檢設(shè)備，采用安裝在列車上的全景攝像機獲取接觸網(wǎng)視頻數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進行缺陷提取和分析［6］。中國電子科技集團公司第33研究所對鐵路巡檢信息數(shù)據(jù)格式和SQL、Oracle等數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行了分析研究，提出了選擇或優(yōu)化依據(jù)［7］。以上針對硬件和軟件的研究工作從不同方面對缺陷巡檢進行了優(yōu)化改進。但目前針對鐵路電力系統(tǒng)缺陷系統(tǒng)研究的成果很少，目前絕大部分發(fā)表成果為供電部門的巡檢系統(tǒng)研究，如基于手持終端信息采集和集控站運行模式的變電站設(shè)備巡檢和缺陷管理系統(tǒng)研究，以及對目前供電設(shè)備缺陷巡檢中漏洞的分析和對策等研究［8］。

綜上所述，目前專門針對鐵路供電系統(tǒng)缺陷巡檢的硬件設(shè)備和軟件有較多的應(yīng)用和研究，但針對整個系統(tǒng)數(shù)字化模型設(shè)計的研究很少。文中以當(dāng)前計算機、數(shù)據(jù)庫、移動通訊和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為背景，研究了該系統(tǒng)開發(fā)所需的設(shè)備模型、用戶模型、缺陷定位和特征模型以及檢測處理流程模型，通過對基礎(chǔ)理論的深入透徹研究，為該系統(tǒng)的開發(fā)提供堅實的基礎(chǔ)。

2 主要缺陷源

經(jīng)過大量的資料查閱和現(xiàn)場調(diào)查，特別是對廣鐵集團懷化供電段所轄線路的深入調(diào)研，統(tǒng)計總結(jié)了鐵路供電系統(tǒng)中的常規(guī)設(shè)備及缺陷類型［9-11］，見表1（表中未包含針對特定線路的專用或特殊設(shè)備）。

表1 鐵路供電線路通用設(shè)備統(tǒng)計表

3 缺陷定位和描述

一般來說，工程行業(yè)為了對目標(biāo)進行準(zhǔn)確定位，一般有坐標(biāo)值和位置描述兩種方式。具體到鐵路電力系統(tǒng)中，所有部件都是鐵路系統(tǒng)的附屬物，而整個鐵路線都有明確的線路、區(qū)段、里程桿號，因此傳統(tǒng)鐵路巡檢中采用描述方式進行定位。文中采用鐵路行業(yè)慣例，采用描述定位方式，包括線別、站區(qū)、行別、股道、隧道和桿號6個指標(biāo)組合的方式進行描述。如圖1所示，缺陷A定位描述為：區(qū)間A-B，上行線，桿號1××；缺陷B定位描述為：A站，股道1，桿號0××。

圖1 鐵路供電線路缺陷定位示意圖

鐵路電力線路在運營過程中產(chǎn)生的缺陷多種多樣，如絕緣子開裂，輸電線斷股，電桿折斷等等。缺陷產(chǎn)生的原因也可能是多方面的，如產(chǎn)品質(zhì)量不合格，制造技術(shù)不達標(biāo)，人為破壞等等。而隨著產(chǎn)品技術(shù)的淘汰、更新、換代，缺陷的來源和表現(xiàn)形式與原來相比也會發(fā)生變化。

文中提出采用兩種方式對缺陷進行描述，一種是建立已知常見缺陷記錄集；另一種是臨時性描述，主要是對已建缺陷集的補充，當(dāng)缺陷內(nèi)容未包含在集合中或采用集合中的表述內(nèi)容不準(zhǔn)確時，由巡檢人員根據(jù)缺陷表現(xiàn)特征和自身從業(yè)經(jīng)驗進行定義和描述。

文中在查閱大量資料，針對我國鐵路系統(tǒng)特點，并結(jié)合廣鐵集團懷化供電段多年巡檢記錄，對鐵路供電系統(tǒng)運行過程中的缺陷和成因進行了統(tǒng)計、歸納、精化和提煉，并建立了常見缺陷表（見表2），該表基本包含了鐵路供電系統(tǒng)運營過程中出現(xiàn)概率較大的缺陷及成因。表中內(nèi)容包含了常見缺陷類型和成因，可以作為開發(fā)智能化巡檢系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，巡檢人員直接以快速選擇方式對缺陷進行描述。需要指出的是，以上鐵路供電系統(tǒng)缺陷集合并不是一成不變的，而是隨著運營需要一直在變化，因此需要根據(jù)實際情況不斷調(diào)整以滿足正常運營需要。

此外，當(dāng)缺陷類型、性狀和成因與表中內(nèi)容不符合時，巡檢人員根據(jù)實際情況進行描述。該部分內(nèi)容與巡檢人員專業(yè)素質(zhì)、培訓(xùn)經(jīng)歷、工作經(jīng)驗有很大關(guān)系，具有一定的隨機性，文中不做具體討論。

表2 鐵路供電系統(tǒng)缺陷及成因統(tǒng)計表

另外，根據(jù)鐵路缺陷巡檢要求，文中采用的管理系統(tǒng)中，對缺陷的描述還需要添加輔助信息，缺陷巡檢單位和人員信息是其中最重要且必不可少的，按照我國鐵路供電系統(tǒng)的行政職能分工體系，依次為：車間―工區(qū)―人員。以廣鐵集團懷化供電段所管轄的兩條線路為例（見表3），分別為焦柳線和渝懷線，在轄區(qū)內(nèi)經(jīng)過多個站點和站區(qū)。供電段下設(shè)多個檢修車間，如表中石門北供電車間、張家界供電車間等，車間下設(shè)多個工區(qū)，如表3中澧縣接觸網(wǎng)工區(qū)、石門北接觸網(wǎng)工區(qū)等，負責(zé)對轄區(qū)站場（或區(qū)間）電力線路的巡檢和維護。綜上所述，缺陷描述采用以下方式:缺陷名稱，發(fā)現(xiàn)人，所述工區(qū)，所屬車間。

4 缺陷綜合管理模型構(gòu)建

借助計算機、網(wǎng)絡(luò)和自動化技術(shù)，鐵路供電系統(tǒng)缺陷巡檢手段可以實現(xiàn)人機交互的半自動化和智能化采集，自動上傳服務(wù)器，智能化結(jié)果分析。同時，由于采集技術(shù)的提升和效率的提高，缺陷信息將越來越完整和準(zhǔn)確。

文中通過大量資料查詢、實地調(diào)研并結(jié)合廣鐵集團懷化供電段多年缺陷巡檢資料和記錄翻閱匯總，提出在信息化技術(shù)的支撐下，為保證對缺陷信息全面、準(zhǔn)確及可持續(xù)化管理，應(yīng)當(dāng)對其來源、環(huán)境、時間、人員、成員等信息進行全面收集和整理，建立缺陷的描述模型。該模型中包含以下子項：缺陷發(fā)現(xiàn)途徑、發(fā)現(xiàn)日期、發(fā)現(xiàn)人、線路等級、線路名稱、車間、班組、站區(qū)分類、站區(qū)、行別、隧道名稱、桿號、設(shè)備類別、零部件名稱、缺陷內(nèi)容、缺陷照片、缺陷性質(zhì)、缺陷等級、原因分析、整改措施、整改期限、督辦人、處理日期、處理人、處理措施、處理后照片、跟蹤驗證、備注。這些內(nèi)容分別以數(shù)值、文字和圖像的形式對缺陷進行全方位描述，達到了“流程閉合、性狀明確、信息完整、利于分析”的目標(biāo)。

表3 懷化供電段巡檢人員信息示例表

根據(jù)我國鐵路供電系統(tǒng)巡檢要求和慣例，缺陷管理系統(tǒng)的組織者和參與者（統(tǒng)稱“用戶”）的角色包括班組、車間、技術(shù)科、分管領(lǐng)導(dǎo)和平臺管理。文中通過大量資料查詢、實地調(diào)研并結(jié)合廣鐵集團懷化供電段巡檢部門和人員組織現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化改進，提出了適合于我國現(xiàn)階段的鐵路供電系統(tǒng)缺陷管理系統(tǒng)用戶及權(quán)限分配模型，如圖2所示。該模型中，明確了各方的角色和權(quán)限。

圖2 鐵路電力線路缺陷管理系統(tǒng)用戶模型設(shè)計圖

我國鐵路電力線路巡檢經(jīng)過多年的實踐已經(jīng)形成了一套行之有效的檢測和處理流程，該流程從缺陷的檢測、上報、審核、處理建議到缺陷整改、整改效果上報和銷號形成了一個閉合系統(tǒng)。文中在分析國內(nèi)多個鐵路供電段缺陷檢測資料的基礎(chǔ)上，以廣鐵懷化供電段現(xiàn)狀為主要參照依據(jù)，基于目前計算機自動化、互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊技術(shù)運用的需要，對傳統(tǒng)缺陷檢測流程進行了改進和優(yōu)化，形成了一套既能滿足檢測需要，又適合新技術(shù)改造的標(biāo)準(zhǔn)化要求，具體流程如圖3所示。

圖3 鐵路電力線路缺陷處理流程模型設(shè)計圖

5 工程應(yīng)用

基于以上模型開發(fā)了用于廣鐵集團懷化供電段的具備采集、通訊、分析等功能的軟件系統(tǒng)。截止2016年底，該供電段下轄6個車間，每個車間下轄4～6個工區(qū)，共31個工區(qū)。近年來，隨著鐵路運輸日益繁忙，鐵路設(shè)施年年遞增，針對線路的缺陷檢查、管理和維護工作量直線攀升，依靠原有人工處理的手段越來越力不從心。為此，針對其線路檢查工作的流程、特點和需求開發(fā)了缺陷采集與管理軟件。該軟件系統(tǒng)包含了智能手機端和PC端采集模塊（信息查看、照相、數(shù)據(jù)錄入、上傳等，如圖4所示），數(shù)據(jù)庫管理模塊（數(shù)據(jù)保存和維護，如圖5所示），分析模塊（數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖表、報表等分析和展示，如圖6所示）這3大模塊，通過這些子模塊實現(xiàn)了對該供電段管轄線路的自動化安全監(jiān)測。該軟件完全采用文中所述的工作流程、用戶模型、人員管理模型和數(shù)據(jù)組織模型，目前已穩(wěn)定運行13個月，共采集1522條缺陷記錄。

圖4 鐵路電力線路缺陷手機、PC端采集錄入界面圖

同時，在數(shù)據(jù)庫挖掘和計算機編程技術(shù)的支持下，可以實現(xiàn)任意時間段內(nèi)對任意內(nèi)容信息的獨立或綜合顯示、分析，結(jié)果更加系統(tǒng)、準(zhǔn)確和可靠。

圖5 缺陷統(tǒng)計列表圖

在該系統(tǒng)投入之前，缺陷管理采用現(xiàn)場記錄并匯總成Excel表格后定期上報至相關(guān)部門分析決策。部分典型結(jié)果如圖7所示，這種方法是典型的“記賬”形式，盡管Excel電子表格具備優(yōu)秀的分析和報表功能，但實際應(yīng)用中受人員素質(zhì)和技能水平限制，也僅僅只能發(fā)揮其記錄功能。此外，該方法處理缺陷的周期長，缺陷信息采集、傳輸和分析效率嚴(yán)重低下，“跟蹤管理和快速處置”只能流于口號或形式。

圖6 缺陷信息分析圖表

為了對新模型及軟件的可靠性、效率進行定量化評價，與原有方法、工具進行了比對，工作對象和工作條件不變，考慮工作效率、經(jīng)濟性、成果準(zhǔn)確性和全面性等多個指標(biāo)，進行了4個月的跟蹤調(diào)查和比對，比對結(jié)果見表4。

由以上對比結(jié)果可以看出，采用文中模型開發(fā)的軟件在人工效率、信息傳輸效率、結(jié)果準(zhǔn)確性方面均有大幅度提高，能夠更好地滿足我國目前電氣化鐵路跨越式發(fā)展的需要。

該系統(tǒng)可以滿足3000～5000個并發(fā)線程訪問，對應(yīng)同時在線訪問人數(shù)約300萬人；系統(tǒng)采用Java語言開發(fā)，不受操作系統(tǒng)的限制，系統(tǒng)設(shè)計采用B/S訪問模式，與瀏覽器無關(guān)，能夠滿足各類型用戶的需求。目前全國共有18個鐵路局（集團公司），下轄54個供電段，同時在線使用人數(shù)不超過5000人，該系統(tǒng)完全可以滿足全國鐵路電力系統(tǒng)的使用要求。前期對該模型進行了大量的資料查詢和實地調(diào)研，基本上涵蓋了目前常見的缺陷類型并根據(jù)規(guī)范要求對缺陷描述指標(biāo)進行了統(tǒng)計分析。另外，模型中對新增缺陷類型的描述和管理也提供了相應(yīng)的處理方法，使得模型具備了一定的自適應(yīng)能力。

6 成果和結(jié)論

圖7 原采集和記錄方法結(jié)果圖

表4 新/老缺陷處理方法指標(biāo)對比表

我國是一個鐵路大國，供電系統(tǒng)缺陷檢修任務(wù)十分繁重。文中以當(dāng)前發(fā)展成熟的計算機智能、互聯(lián)網(wǎng)和移動通訊技術(shù)為背景，對目前巡檢內(nèi)容、模式和流程進行了深入分析，在此基礎(chǔ)上建立了數(shù)字化綜合管理模型。具體成果和結(jié)論如下：

（1）分析了國內(nèi)鐵路電力系統(tǒng)巡檢現(xiàn)狀，以及目前的缺陷管理模式和流程。

（2）在深入分析我國鐵路系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，建立了基于智能關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)的缺陷采集、處理和分析模型。

（3）主要以廣鐵集團懷化供電段為例，建立了具備智能化、數(shù)字化背景的缺陷描述模型、缺陷處理流程模型和人員管理模型，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。文中對系統(tǒng)運行結(jié)果進行了多方位的展示和分析，表明了模型具有良好的實用性，且具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

（4）對新模型的可靠性和先進性進行了分析，通過與原有方法的對比可得，基于該模型開發(fā)的缺陷管理系統(tǒng)不僅效率得到大幅度提高，且檢測和分析成果更可靠、準(zhǔn)確和全面。

綜上所述，文中建立了數(shù)字化檢測技術(shù)背景下的鐵路電力系統(tǒng)缺陷綜合管理系統(tǒng)模型，包括人員管理、缺陷定義、缺陷預(yù)設(shè)、缺陷定位和缺陷處理流程等多個模型，這些模型的建立為開展鐵路電力巡檢的數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)，具有較大的優(yōu)越性。文中在模型設(shè)計分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和瀏覽器無關(guān)，可以滿足全國54個電力段同時在線操作，依據(jù)模型中的缺陷描述方法和新增缺陷處理方法，使得該系統(tǒng)具備了目前鐵路電力線路缺陷管理所要求的采集、分析、統(tǒng)計等能力。