南寧鐵路局工務(wù)固定設(shè)施管控信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陶 凱，彭 勛，劉國躍

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路南寧局集團有限公司，廣西 南寧 530029；3.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081)

為了適應(yīng)鐵路養(yǎng)護維修新形勢和新要求，我國鐵路工務(wù)管理部門及科研院所研發(fā)了諸多鐵路養(yǎng)護維修管理信息系統(tǒng)[1-3]，如哈爾濱鐵路局工務(wù)處與IBM公司合作開發(fā)了“工務(wù)數(shù)字化線路系統(tǒng)”，上海鐵路局阜陽工務(wù)段使用的“工務(wù)養(yǎng)修生產(chǎn)管理系統(tǒng)”等。這些管理信息系統(tǒng)在鐵路工務(wù)安全生產(chǎn)管理中發(fā)揮了重要作用。但是也存在一些問題：①信息化總體模式形成較早，已經(jīng)不能適應(yīng)新的形勢和要求；②信息系統(tǒng)沒有構(gòu)成有機整體，大多各自獨立，信息資源難以共享，綜合應(yīng)用難以展開，整體效益難以發(fā)揮；③投入應(yīng)用的信息系統(tǒng)運行質(zhì)量不高，特別是原始信息的采集不夠及時、準確、完整，與實用要求有差距；④采用的信息技術(shù)落后，仍沿用傳統(tǒng)的作業(yè)流程，組織機構(gòu)、管理流程和規(guī)章制度沒有實質(zhì)性的改變，信息化效益難以充分發(fā)揮；⑤數(shù)據(jù)處理的方法簡單，效率和智能化水平偏低，難以滿足面向改革的信息化支撐需求。

鑒于上述問題，亟需構(gòu)建滿足生產(chǎn)閉環(huán)要求的統(tǒng)一平臺，確保平臺完整性強，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)暢通，數(shù)據(jù)處理高效智能、實時性高。南寧局工務(wù)固定設(shè)施管控信息系統(tǒng)覆蓋了各級工務(wù)職能部門的主要工作環(huán)節(jié)，無縫集成生產(chǎn)業(yè)務(wù)流、辦公平臺和移動應(yīng)用。另外，該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行整體分析與挖掘，以脈絡(luò)清晰的展示方式為用戶提供決策支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的特點是用戶數(shù)量小，用戶分布分散，分布于鐵路局及下屬的各個段、工區(qū)和車間中，因而采用就近訪問原則在每個局和段中部署服務(wù)器。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，在采用內(nèi)外網(wǎng)物理隔離方案的基礎(chǔ)上，對重要數(shù)據(jù)進行加密，實現(xiàn)異地災(zāi)備和及時同步。另外，為保證負載均衡及訪問體驗，對部分特殊數(shù)據(jù)采用讀寫分離、多次備份、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方案，提高了系統(tǒng)在鐵路生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)方面的適用性。整個系統(tǒng)分為工務(wù)段級應(yīng)用與鐵路局級應(yīng)用，如圖1所示。局級應(yīng)用統(tǒng)一管理全局線路的臺賬和檢修數(shù)據(jù)，側(cè)重支撐技術(shù)管理和安全監(jiān)管。段級應(yīng)用側(cè)重生產(chǎn)管理和安全管理，能夠處理相應(yīng)管界內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)并將其完美呈現(xiàn)。不同部門和各級用戶的權(quán)限結(jié)合系統(tǒng)功能、管界及業(yè)務(wù)達到精準定制，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的同時又充分保證其安全性。

不同子系統(tǒng)間的集成采用面向服務(wù)架構(gòu)的方式，該方式不僅能保證原有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和邏輯安全性，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)之間的松耦合，方便系統(tǒng)流程的重組和優(yōu)化，提升系統(tǒng)功能擴張性，延長使用周期。

1.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

工務(wù)固定設(shè)施管控信息系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由下自上分為4部分，分別是底層資源、公共支撐、基礎(chǔ)平臺、業(yè)務(wù)功能。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)

1)底層資源包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等基礎(chǔ)的軟硬件環(huán)境，是系統(tǒng)運行的基本要素。

2)公共支撐包括權(quán)限的精細化管理和統(tǒng)一認證管理。目的是通過訪問控制的方式，在保障數(shù)據(jù)安全的同時，完成各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享及聯(lián)動。不同業(yè)務(wù)部門、不同來源的數(shù)據(jù)得以互聯(lián)互通，才能保證數(shù)據(jù)的整體性與一致性，從而產(chǎn)生綜合效益。

3)基礎(chǔ)平臺[4]包括各種數(shù)據(jù)的底層處理與數(shù)據(jù)交互接口。工務(wù)生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)來源是多樣的，包括各種設(shè)備數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等，還包括很多非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)?；A(chǔ)平臺完成所有數(shù)據(jù)的全面采集，整理這些數(shù)據(jù)資源并形成統(tǒng)一有效的管理，是一個具有高度魯棒性和擴展性的數(shù)據(jù)管理平臺。

4)業(yè)務(wù)功能是該系統(tǒng)的核心部分，包括不同主題業(yè)務(wù)的實現(xiàn)。其中，OA辦公管理支持日常的無紙化辦公；作業(yè)計劃管理結(jié)合檢測數(shù)據(jù)及分析成果，跟蹤檢修過程，實現(xiàn)對人員及現(xiàn)場作業(yè)的有效管理；設(shè)備質(zhì)量管理用于實時把握線路狀態(tài)，有效評估、診斷、預(yù)測線路狀態(tài)，為方案制定提供科學的數(shù)據(jù)支持；鋼軌探傷管理實現(xiàn)探傷數(shù)據(jù)的管理與統(tǒng)計；安全監(jiān)控管理從安全的視角關(guān)注設(shè)備問題，有針對性地對病害進行定義與處理，有效整合、處理與運用檢測數(shù)據(jù)，同時避免工作的疏漏。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 功能結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的匯集處理和生產(chǎn)業(yè)務(wù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)信息快速獲取、流轉(zhuǎn)、處理和集中安全監(jiān)控。其功能結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

傳統(tǒng)的企業(yè)級系統(tǒng)例如ERP(企業(yè)資源計劃)、OA系統(tǒng)、CRM(客戶關(guān)系管理)、EIP(企業(yè)信息門戶)都是獨立的，用戶不僅要頻繁切換工作平臺，甚至造成重復(fù)工作，效率和用戶體驗大打折扣。該系統(tǒng)將生產(chǎn)與辦公實現(xiàn)互聯(lián)互通，有效解決“信息孤島”問題。

以往的作業(yè)計劃管理只是對作業(yè)管理流程的簡單信息化，確切來說只是將紙質(zhì)媒介轉(zhuǎn)為電子媒介，并未顯著提高工作效率，從而促進制度改革。該系統(tǒng)的“作業(yè)計劃管理”功能在移動端的實現(xiàn)了結(jié)合OA系統(tǒng)的辦公服務(wù)，提供異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的無縫流轉(zhuǎn)，保障工作溝通的實時性、一致性、安全性和可靠性，從整體上簡化了從計劃提出到審批、實施、匯報的整體流程，對鐵路作業(yè)制度的優(yōu)化有深遠影響。

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的檢測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣，大小迥異，檢測數(shù)據(jù)的來源多樣，查看及處理方式不一，以往的數(shù)據(jù)采集與管理缺乏實時性、靈動性、整體性，側(cè)重檢測數(shù)據(jù)的獨立存儲，且不同來源的數(shù)據(jù)由于重視程度不同導致記錄不規(guī)范，甚至是缺失。該系統(tǒng)有效匯集了所有類型的檢測數(shù)據(jù)，提供統(tǒng)一的管理方案，并提供豐富易用的用戶接口以保證數(shù)據(jù)收集的及時性。

數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用是挖掘數(shù)據(jù)價值的必經(jīng)之路，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析只是對數(shù)據(jù)的一些基本統(tǒng)計，并未形成直觀的、綜合的、流程化的成果，對維修養(yǎng)護的指導也缺乏系統(tǒng)性?！熬€路質(zhì)量”功能以線路設(shè)備為核心，設(shè)計專業(yè)的檢測及分析方式，應(yīng)用直觀可靠的評價體系，全方位地跟蹤設(shè)備狀態(tài)，對設(shè)備的養(yǎng)護維修提供科學的指導方案。

為了保障設(shè)備安全，設(shè)備病害或動態(tài)超限等問題成為重要的關(guān)注點。該系統(tǒng)通過多維度地挖掘數(shù)據(jù)價值，并結(jié)合過程管理思想，提出問題閉環(huán)控制的管理方案，不僅深入每個病害的生命周期，而且對不同設(shè)備的病害進行分析與總結(jié)，達到對設(shè)備的精細控制。

2.2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

為了保障生產(chǎn)流程中的高效協(xié)同工作，使所有角色明確崗位職責，各司其職，該系統(tǒng)致力實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的智能化(如圖 4所示)，核心是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)的管理。數(shù)據(jù)來自于移動終端等多種渠道，線路質(zhì)量分析模塊對檢測數(shù)據(jù)進行整合分析得到線路問題。將線路問題導入鐵路局自定義的規(guī)范化問題庫[5]。非問題庫與日常作業(yè)調(diào)度結(jié)合保證作業(yè)的高效安全。另外將問題履歷結(jié)合現(xiàn)場處理情況構(gòu)造工務(wù)電子地圖，達到精細化的資源管理及設(shè)備狀態(tài)檢測。最終形成一個良性循環(huán)體系。

圖4 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與典型應(yīng)用場景

3.1 檢測數(shù)據(jù)集成管理

檢測數(shù)據(jù)有來源分散、種類多樣、時序嚴格的特點，難以有效處理。多端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成是保證互聯(lián)互通的基本方案。該系統(tǒng)從數(shù)據(jù)的及時采集，到數(shù)據(jù)成果的運用與可視化匯報，都保證了檢測數(shù)據(jù)的高度集成。

圖5 移動端功能展示

移動終端應(yīng)用(如圖5所示)受業(yè)務(wù)場景的驅(qū)動，可以實現(xiàn)服務(wù)器與現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)的及時同步[6]。在生產(chǎn)過程控制與管理方面，移動終端可以用來填報現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，保證檢測數(shù)據(jù)的實時性與完整性。與此同時，移動終端可以查閱各類數(shù)據(jù)，如軌道檢測波形、基礎(chǔ)設(shè)施臺賬、維修作業(yè)計劃、技術(shù)規(guī)章等信息，用來指導現(xiàn)場作業(yè)。另外，移動終端的信息推送功能與作業(yè)計劃移動審批，極大地提高了辦公效率。

諸如移動端等多元系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)接入服務(wù)器后，由于其整合程度低、時效性高，被初步清洗和轉(zhuǎn)換后，針對不同類型的數(shù)據(jù)采取不同的存儲方式，作為最原始的數(shù)據(jù)存儲。與此同時，“檢測數(shù)據(jù)整合平臺”面向數(shù)據(jù)分析而建模，將異源系統(tǒng)中有共性的數(shù)據(jù)聚集在一起，適合數(shù)據(jù)整合度較高的分析型業(yè)務(wù)，特點是全局考慮、提取共性、冗余設(shè)計、多粒度存儲，滿足更深層次業(yè)務(wù)的需求。另外，“集成交換平臺”會結(jié)合用戶具體需求，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)、分析報表、業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的綜合集成，封裝為面向主題的最終服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理、分析與發(fā)布

該系統(tǒng)充分保證了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的智能性，得益于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整體性與一致性處理方案。在應(yīng)用層面，統(tǒng)一數(shù)據(jù)的邏輯分布，保證應(yīng)用的訪問方式不變，對不同的訪問模式提供不同的功能，最終系統(tǒng)實現(xiàn)自動發(fā)現(xiàn)、人工決定、自動處理的業(yè)務(wù)流程。在數(shù)據(jù)存儲層面，實現(xiàn)負載均衡與數(shù)據(jù)遷移的便捷性，引入分布式事務(wù)等方案，實現(xiàn)不同表之間的數(shù)據(jù)一致性。根據(jù)數(shù)據(jù)類型，以異步或半同步的方式實現(xiàn)同一數(shù)據(jù)不同副本之間的數(shù)據(jù)一致性，并且滿足具有一定復(fù)雜關(guān)系的數(shù)據(jù)操作。在性能上，保證數(shù)據(jù)庫特性，提升數(shù)據(jù)規(guī)模，保證線上低延遲訪問。在數(shù)據(jù)處理上，結(jié)合行業(yè)特點及現(xiàn)實業(yè)務(wù)，實現(xiàn)統(tǒng)一計算架構(gòu)平臺，包括庫內(nèi)分析和內(nèi)存計算。庫內(nèi)分析無需提取數(shù)據(jù)，避免額外開銷；內(nèi)存計算充分利用服務(wù)器內(nèi)存資源，實現(xiàn)智能分配，保證高彈性、可伸縮的計算需求，加強對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理。計算方法上，結(jié)合設(shè)備機理特征，依據(jù)最新研究的評估算法、修正算法等理論，引入深度學習相關(guān)的研究成果，實現(xiàn)科學的評估方案，并與業(yè)務(wù)運營集成。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方案專業(yè)程度高，具體特點有：①利用病害數(shù)量的趨勢性分析，跟蹤設(shè)備變化情況；②通 過檢測偏差重復(fù)性分析確定薄弱區(qū)段；③檢測偏差與波形數(shù)據(jù)集成分析，快速、高效分析檢測波形；④多 源檢測數(shù)據(jù)綜合關(guān)聯(lián)分析，查找病害成因；⑤線路單元質(zhì)量綜合評價，篩選出線路質(zhì)量不良區(qū)段；⑥按照線路、行別、車間、工區(qū)、速度等級等特征來統(tǒng)計匯總，運用相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘算法，提供動靜態(tài)統(tǒng)計圖表，自動生成分析報告。

該系統(tǒng)提供基于GIS的數(shù)據(jù)發(fā)布方案[7]，記錄檢修作業(yè)軌跡的同時，提供科學指導并應(yīng)對安全管理問題，展示效果如圖6所示。綜合的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)使得人員針對性更強，使用價值更高。

圖6 GIS應(yīng)用示例

3.3 高效工作

該系統(tǒng)針對鐵路工務(wù)生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的各個流程，實現(xiàn)生產(chǎn)管理和辦公管理2大子系統(tǒng)。生產(chǎn)管理是工務(wù)生產(chǎn)管理中的信息化，而辦公管理是日常辦公業(yè)務(wù)的信息化，全面實現(xiàn)子系統(tǒng)間的信息融合能有效提高生產(chǎn)效率。為了保證數(shù)據(jù)互通，設(shè)計并實現(xiàn)了辦公系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)集成交換平臺，實現(xiàn)整體閉環(huán)流程的智能化。子系統(tǒng)間實現(xiàn)統(tǒng)一認證登陸方式，不同子系統(tǒng)的資源可以無縫流轉(zhuǎn)或共享，使整個平臺在易用性和便捷性上得到很大提升。

生產(chǎn)系統(tǒng)和OA系統(tǒng)的集成也會促進企業(yè)組織和任務(wù)的調(diào)整，為企業(yè)流程重組提供便利。具體集成內(nèi)容包括功能集成和數(shù)據(jù)一致性集成。功能上，對相關(guān)集成功能的范圍進行規(guī)劃，確定系統(tǒng)間權(quán)限與業(yè)務(wù)的互通接口，將通訊的集成轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)運作流程的協(xié)同流轉(zhuǎn)，例如生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析報告可以直接推送到OA系統(tǒng)并生成郵件正文；數(shù)據(jù)一致性上，生產(chǎn)系統(tǒng)可以通過公共支撐平臺解析OA系統(tǒng)中的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，自動導入生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程，存儲范式一致的數(shù)據(jù)，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化。

4 應(yīng)用情況

系統(tǒng)自2016年11月在南寧鐵路局開始投入應(yīng)用[7]。應(yīng)用實踐表明：系統(tǒng)通過檢測分析、生產(chǎn)調(diào)度、辦公管理3大部分，實現(xiàn)了基礎(chǔ)臺賬管理、多種檢測數(shù)據(jù)管理、綜合數(shù)據(jù)分析與狀態(tài)評價；利用檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果為維修計劃編制提供輔助支撐、為作業(yè)效果評價提供數(shù)據(jù)依據(jù)；結(jié)合公文辦公管理，建立生產(chǎn)系統(tǒng)與辦公系統(tǒng)交互通道，實現(xiàn)生產(chǎn)、辦公一體化。

系統(tǒng)在使用過程中提高了線路養(yǎng)護維修流程的效率，在優(yōu)化資源配置、節(jié)約維護成本方面有重要意義，同時增進生產(chǎn)辦公管理的規(guī)范化，逐步成為用戶日常生產(chǎn)的辦公管理平臺。該系統(tǒng)操作簡單，靈活性強，數(shù)據(jù)展示覆蓋面廣，得到了用戶的普遍認可與好評。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)面向維修體制改革，遵循檢、養(yǎng)、修分離等指導思想，結(jié)合新時期下智能辦公、高效生產(chǎn)的要求，實現(xiàn)了整體生產(chǎn)流程與數(shù)據(jù)處理的綜合化、智能化、一體化。具體特點如下：

1)該系統(tǒng)全面、實時收集檢測數(shù)據(jù)，并與辦公數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)等集成管理，保證數(shù)據(jù)的整體性、規(guī)范性、安全性。

2)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)更智能，數(shù)據(jù)分析方法專業(yè)而有效，實現(xiàn)問題流程控制、單元質(zhì)量控制、波形數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用功能，保證數(shù)據(jù)價值最大化。

3)該系統(tǒng)既是數(shù)字化辦公平臺，也是生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)匯聚和分析平臺，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)與辦公數(shù)據(jù)的便捷交互，通過生產(chǎn)系統(tǒng)與OA系統(tǒng)的集成，對企業(yè)流程控制和制度落實起到有效的推動作用。

4)該系統(tǒng)擴展了移動應(yīng)用，簡化了辦公流程，轉(zhuǎn)變了生產(chǎn)方式，促進了規(guī)章改善，促進了改革制度與科學工作的良性循環(huán)。