朔黃重載鐵路線路維修健康管理平臺(tái)

曲建軍，秦懷兵，龍亦語，馬帥，代春平

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350）

0 引言

朔黃鐵路是我國西煤東運(yùn)的第二大重載運(yùn)輸通道，其重載貨車車輛軸重、編組數(shù)量和牽引質(zhì)量較大，2萬t及以上軸重重載列車已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化開行，年通過總重目前已突破4億t。與普速線路相比，朔黃重載鐵路存在既有線路設(shè)備劣化速率較快，線路日常維修養(yǎng)護(hù)工作量大，綜合維修、大中修周期短，線路修理綜合費(fèi)用高且維修后線路設(shè)備保持效果差等問題。朔黃重載鐵路目前執(zhí)行的綜合維修和大中修仍然以周期修為主，部分項(xiàng)目缺少更加科學(xué)的參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，造成超前修或滯后修，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)維修模式已不能滿足降本增效要求。因此，引入先進(jìn)的預(yù)防性維修管理理念，采用科學(xué)的預(yù)測與決策手段指導(dǎo)工務(wù)部門制定維修計(jì)劃，構(gòu)建的朔黃重載鐵路設(shè)備健康管理平臺(tái)具有重要現(xiàn)實(shí)意義［1］。

當(dāng)前，朔黃重載鐵路已積累了大量設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)、維修信息、通過總重?cái)?shù)據(jù)、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)沒有得到系統(tǒng)化管理和深入挖掘，無法為設(shè)備健康管理提供數(shù)據(jù)支撐，也造成了一定程度的資源浪費(fèi)。隨著朔黃鐵路設(shè)計(jì)建造和運(yùn)營維修技術(shù)的快速發(fā)展，各鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)部門已經(jīng)深刻意識(shí)到綜合分析利用各類數(shù)據(jù)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施健康管理系統(tǒng)平臺(tái)，提高線路維修管理的科學(xué)性、針對(duì)性、智能性和經(jīng)濟(jì)性的重要性［2-3］。但是朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司現(xiàn)有的管理信息系統(tǒng)普遍存在一些問題，如信息系統(tǒng)各自獨(dú)立，數(shù)據(jù)資源難以共享；信息采集不夠及時(shí)、準(zhǔn)確、完整；分析手段落后，信息化、智能化效益難以充分發(fā)揮［4］。因此，有必要引入數(shù)據(jù)資產(chǎn)化概念，對(duì)朔黃鐵路各類數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化、規(guī)范化管理和綜合分析，充分挖掘并利用各類數(shù)據(jù)隱含信息，使其在設(shè)備健康管理過程中發(fā)揮重要作用。

根據(jù)朔黃重載鐵路的運(yùn)營和維修特點(diǎn)，構(gòu)建了朔黃鐵路智能化線路設(shè)備健康管理系統(tǒng)，對(duì)朔黃鐵路通過總重、設(shè)備臺(tái)賬和各類檢修數(shù)據(jù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理，引入先進(jìn)的預(yù)防性維修管理理念并采用科學(xué)的預(yù)測與決策方法，著力研究以大機(jī)搗固、大機(jī)清篩、鋼軌維修為代表的重載線路重要維修方式的優(yōu)化決策技術(shù)和智能算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)預(yù)測和維修計(jì)劃輔助決策，有效管控朔黃鐵路線路修理成本、變革維修模式，搭建高效、先進(jìn)、智能的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成分析、智能化分析與設(shè)備健康管理。

1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)綜合考慮朔黃重載鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)特點(diǎn)，提出了一套具有高兼容性、可擴(kuò)展性和易用性的軟件體系邏輯架構(gòu)［5］。

朔黃重載鐵路線路修理優(yōu)化決策及設(shè)備健康管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)化的管理平臺(tái)、對(duì)線路設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測管理。該系統(tǒng)以軌道幾何動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)、道床檢測數(shù)據(jù)、鋼軌磨耗和傷損檢查數(shù)據(jù)等作為數(shù)據(jù)源，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，封裝各類分析算法，提供具有擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)和算法集成管理，建立線路設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)及預(yù)測決策模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)搗固維修、道床清篩、鋼軌狀態(tài)等典型病害的預(yù)測和設(shè)備狀態(tài)分析，為生產(chǎn)計(jì)劃的制定提供輔助決策支持。

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)（見圖1）共分為采集層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。采集層研究確定數(shù)據(jù)綜合接入方案，制定統(tǒng)一接口規(guī)范，接入各類檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為朔黃重載鐵路線路修理優(yōu)化決策及設(shè)備健康管理提供多源數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)層以多種存儲(chǔ)和計(jì)算技術(shù)為支撐，匯集軌道幾何、鋼軌傷損、道床狀態(tài)、臺(tái)賬數(shù)據(jù)、通過總重?cái)?shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)等，建設(shè)海量數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、計(jì)算和管理體系，形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)資源庫與應(yīng)用資源庫。服務(wù)層針對(duì)各業(yè)務(wù)模塊結(jié)合大機(jī)搗固預(yù)測與決策算法、道岔清篩算法、鋼軌狀態(tài)評(píng)估算法等，研究建立線路設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)及預(yù)測模型。應(yīng)用層利用該系統(tǒng)管理的軌道檢測數(shù)據(jù)、道床不良、鋼軌磨耗與傷損數(shù)據(jù)，根據(jù)維修信息、通過總重信息、基礎(chǔ)臺(tái)賬信息和病害數(shù)據(jù)等，對(duì)各類歷史問題數(shù)據(jù)及其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析并做出維修決策建議。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)（見圖2）包括系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和展現(xiàn)層。系統(tǒng)層基于Linux操作系統(tǒng)及JDK1.8提供系統(tǒng)支持。數(shù)據(jù)層包括多種數(shù)據(jù)來源，具體包括基于數(shù)據(jù)庫及Redis的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、以文件流方式讀取的數(shù)據(jù)、通過Smb協(xié)議遠(yuǎn)程以流方式讀取的數(shù)據(jù)，以及通過Geo Core Service讀取的檢測文件數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)層基于Spring Cloud Alibaba、Spring Security OAuth2.0、Spring Cloud Gateway、Spring Boot、Mybatis、Redis等成熟的技術(shù)棧開發(fā)，業(yè)務(wù)層為展現(xiàn)層提供Rest風(fēng)格的API。同時(shí)業(yè)務(wù)層采用OkHttp調(diào)用其他的底層服務(wù)，如Geo Core Service。展現(xiàn)層核心基于Vue Element組件庫開發(fā)，同時(shí)包括基于Js、css、html、Echarts、d3開發(fā)的圖表組件等，前端發(fā)布打包為Electron應(yīng)用程序，Electron中集成了NodeJs，可以實(shí)現(xiàn)客戶端功能擴(kuò)展。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 軟件功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)包括基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)管理、檢測數(shù)據(jù)管理、大機(jī)搗固預(yù)測與決策、大機(jī)清篩預(yù)測與決策、鋼軌狀態(tài)綜合分析5個(gè)模塊，各模塊示意見圖3。

圖3 朔黃重載鐵路健康管理平臺(tái)功能模塊示意圖

3.1 基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)管理

重載鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、格式多樣，包括維修數(shù)據(jù)、通過總重?cái)?shù)據(jù)、鋼軌履歷信息、基礎(chǔ)臺(tái)賬信息等多方面內(nèi)容，記錄及查看方式不一，異構(gòu)性特征顯著。以往的基礎(chǔ)運(yùn)輸數(shù)據(jù)采集與管理主要依靠人工記錄和Excel表格匯總，記錄不規(guī)范，且記錄的準(zhǔn)確性、時(shí)效性不高，因此需要建立起一個(gè)統(tǒng)一的、集成的運(yùn)維數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，不僅能有效匯集所有類型的設(shè)備基礎(chǔ)信息，針對(duì)不同類型數(shù)據(jù)特點(diǎn)采取不同的儲(chǔ)存方式，統(tǒng)一管理，還能保證數(shù)據(jù)收集的及時(shí)性、完整性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪裕?］。

該模塊從地理位置、時(shí)間、設(shè)備3個(gè)維度對(duì)基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并建立了基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)管理庫（見圖4）。該數(shù)據(jù)庫不僅全面融合了維修作業(yè)、通過總重、鋼軌履歷、基礎(chǔ)臺(tái)賬等信息源，同時(shí)還支持?jǐn)?shù)據(jù)展示和圖形展示（以圖5維修信息展示為例），滿足基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)的調(diào)用需求和可視化需求。

圖4 基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)庫

圖5 基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)展示

3.2 檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

朔黃重載鐵路的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)包括軌道檢測數(shù)據(jù)、鋼軌傷損數(shù)據(jù)、鋼軌磨耗數(shù)據(jù)、車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)，不同種類數(shù)據(jù)之間的記錄格式、量級(jí)、查看及處理方式不一。以往各類數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)的方式缺乏實(shí)時(shí)性和整體性，不能及時(shí)對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析與互動(dòng)交流，甚至由于記錄不及時(shí)還可能造成數(shù)據(jù)缺失。因此需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)錄入與存儲(chǔ)平臺(tái)，為不同種類的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)提供相應(yīng)的用戶接口，保證數(shù)據(jù)能及時(shí)、完整地錄入系統(tǒng)［7］。

檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊（見圖6）集合了數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間信息，根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的記錄格式，不僅涵蓋了多種檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，還支持?jǐn)?shù)據(jù)的文本和圖形的多維展示，基于線路行別、里程、日期或線路區(qū)間等條件對(duì)檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，保證了數(shù)據(jù)查詢的靈活性，能夠有效支持現(xiàn)場作業(yè)。

圖6 檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊數(shù)據(jù)

3.3 大機(jī)搗固預(yù)測與決策

大機(jī)搗固預(yù)測與決策模塊包含搗固指數(shù)查詢與統(tǒng)計(jì)、軌道質(zhì)量分析預(yù)測、搗固計(jì)劃輔助決策、搗固效果分析四部分內(nèi)容［8-9］。該模塊引入搗固指數(shù)（MTQI）概念用于評(píng)價(jià)搗固維修前后的軌道質(zhì)量，基于狀態(tài)修理念，采用科學(xué)預(yù)測理論和挖掘方法，設(shè)置未來1年內(nèi)的計(jì)劃累計(jì)通過運(yùn)量，預(yù)測未來1年內(nèi)的MTQI發(fā)展趨勢(shì)值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)列表和色階圖形展示（見圖7），其中色階圖以不同顏色表示線路的健康、預(yù)警、優(yōu)先、超限狀態(tài)，并對(duì)預(yù)測無效值進(jìn)行標(biāo)記，可直觀展示某一區(qū)段未來1年內(nèi)線路質(zhì)量變化情況，為搗固維修決策提供指導(dǎo)建議，同時(shí)該模塊還提供線路劣化趨勢(shì)計(jì)算功能，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)查看不同區(qū)段的線路劣化速率。用戶還可以根據(jù)現(xiàn)場情況配置不同的搗固標(biāo)準(zhǔn)、模式、條件、天窗等參數(shù)并存儲(chǔ)為搗固方案，系統(tǒng)根據(jù)搗固方案中的參數(shù)進(jìn)行搗固計(jì)劃優(yōu)化決策，生成大機(jī)搗固計(jì)劃方案的數(shù)據(jù)結(jié)果和圖形展示（見圖8）。作為閉環(huán)管理，設(shè)置作業(yè)后的搗固質(zhì)量評(píng)價(jià)功能，可根據(jù)不同搗固模式作業(yè)前后的軌道質(zhì)量變化分析評(píng)價(jià)其搗固效果（見圖9）。

圖7 軌道質(zhì)量預(yù)測色階圖形

圖8 大機(jī)搗固維修決策計(jì)劃

圖9 大機(jī)搗固效果對(duì)比

3.4 大機(jī)清篩預(yù)測與決策

該模塊分為道床臟污率查詢與統(tǒng)計(jì)、臟污率對(duì)比分析與預(yù)測、清篩計(jì)劃輔助決策和清篩質(zhì)量評(píng)價(jià)四部分內(nèi)容［10-11］。引入根據(jù)探地雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)計(jì)算得出的評(píng)價(jià)性指標(biāo)—道床臟污率，用以評(píng)價(jià)道床受臟污介質(zhì)污染程度，可根據(jù)時(shí)空信息查詢道床臟污率數(shù)據(jù)，并支持圖表等直觀展示方式（見圖10）。臟污率對(duì)比分析與預(yù)測功能可對(duì)同一區(qū)段不同時(shí)間的道床臟污率進(jìn)行對(duì)比（見圖11），并基于通過總重、維修信息等歷史數(shù)據(jù)和臺(tái)賬數(shù)據(jù)進(jìn)行道床臟污率的短期預(yù)測。清篩計(jì)劃輔助決策功能根據(jù)選定的評(píng)價(jià)區(qū)計(jì)算臟污平均值、里程占比和歷史清篩信息，用于指導(dǎo)清篩決策（見圖12）。清篩質(zhì)量評(píng)價(jià)功能可對(duì)完成清篩作業(yè)后的道床臟污狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)評(píng)價(jià)，根據(jù)選定的時(shí)空條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢并繪制清篩前后道床臟污指數(shù)曲線，用以評(píng)價(jià)清篩后道床的污染程度及評(píng)估清篩效果。

圖10 道床臟污率查詢與統(tǒng)計(jì)展示

圖11 道床臟污率對(duì)比分析展示

圖12 清篩計(jì)劃輔助決策展示

3.5 鋼軌狀態(tài)綜合分析

該模塊分為磨耗統(tǒng)計(jì)分析、鋼軌磨耗預(yù)測、傷損統(tǒng)計(jì)分析、鋼軌重傷量預(yù)測、鋼軌狀態(tài)綜合評(píng)估五部分，是鋼軌綜合狀態(tài)信息管理平臺(tái)，可對(duì)曲線地段鋼軌磨耗情況、鋼軌內(nèi)部傷損進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)分析（見圖13），并根據(jù)鋼軌磨耗情況和維修歷史數(shù)據(jù)、鋼軌履歷、通過總重、檢測數(shù)據(jù)和鋼軌服役環(huán)境等信息對(duì)鋼軌磨耗進(jìn)行預(yù)測分析并進(jìn)行數(shù)字與圖形化展示。鋼軌狀態(tài)綜合評(píng)估部分將鋼軌廓形、表面狀態(tài)、平順性及內(nèi)部傷損等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，用于指導(dǎo)鋼軌打磨等維修工作。鋼軌重傷量預(yù)測功能可預(yù)測某區(qū)段未來某月在特定的通過總重下每公里的鋼軌重傷量，指導(dǎo)線路的換軌大修［12-13］。

圖13 鋼軌傷損統(tǒng)計(jì)展示

4 結(jié)束語

研發(fā)形成重載鐵路線路維修健康管理平臺(tái)，是國內(nèi)首次針對(duì)重載線路的大機(jī)搗固、道床清篩、鋼軌狀態(tài)管理的系列預(yù)防性維修技術(shù)研究成果統(tǒng)一進(jìn)行的平臺(tái)化集成。平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、預(yù)處理并形成基礎(chǔ)運(yùn)維與檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，為線路健康管理提供數(shù)據(jù)支撐；突破了傳統(tǒng)維修模式和維修體制，通過科學(xué)的預(yù)測決策手段指導(dǎo)重載鐵路維修計(jì)劃的制定，為工務(wù)部門大中修計(jì)劃安排提供科學(xué)依據(jù)；提供了面向用戶的功能窗口，操作簡單、功能齊全，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、多維統(tǒng)計(jì)分析、綜合分析、設(shè)備評(píng)價(jià)、輔助維修計(jì)劃展示等功能，可提升朔黃鐵路運(yùn)營維護(hù)、安全管理信息化技術(shù)水平，提高設(shè)備管理效率并降低維修成本，為朔黃重載鐵路的維修作業(yè)提供科學(xué)化、智能化、經(jīng)濟(jì)化決策指導(dǎo)。