信息化技術(shù)在鋼軌全壽命周期管理中的應(yīng)用分析

蘆斌，王亮，王鵬揚，劉慧德，張茉顏，何逸飛，肖宏

（1.北京市地鐵運營有限公司線路分公司，北京 100044；2.北京交通大學(xué)，北京 100044）

1 引言

近年來我國城市軌道交通建設(shè)迅速發(fā)展，龐大復(fù)雜的線網(wǎng)對于線路的運維管理能力提出了更高的要求，在保證軌道設(shè)備高平順性和高可靠性的同時，還要實現(xiàn)降本增效。鋼軌作為行車安全的重要基礎(chǔ)，其全壽命周期涉及鋼軌設(shè)計、生產(chǎn)、采購、焊接、鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)維修到下道各個過程，每個環(huán)節(jié)都有可能影響鋼軌質(zhì)量和狀態(tài)。此外，眾多條線路在開通時間、運營狀況和線路條件等方面的差異也給鋼軌精細(xì)化管理帶來較大困難。

對于鋼軌全壽命周期中各個階段的數(shù)據(jù)維護(hù)，如鋼軌原始信息、鋼軌打磨、鋼軌涂覆、鋼軌磨耗、鋼軌折斷及焊復(fù)、鋼軌的鎖定及放散記錄、通過總重等，傳統(tǒng)人工手動錄入及卡片式管理的方法已經(jīng)難以適應(yīng)實時精準(zhǔn)維護(hù)大量數(shù)據(jù)的需求。同時，隨著國內(nèi)外信息化、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集、存儲和應(yīng)用分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)，全面統(tǒng)計、計算、分析鋼軌全壽命周期各項數(shù)據(jù)成為可能。目前，結(jié)合大數(shù)據(jù)的信息化管理技術(shù)在鐵路行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，但對于城市軌道交通鋼軌全壽命周期精細(xì)化管理方面尚未開展系統(tǒng)研究及應(yīng)用。

2 鐵路信息化管理應(yīng)用綜述

在鐵路物資管理和工務(wù)作業(yè)方面，馮浩宇[1]通過工機具分庫管理、分區(qū)擺放、分類編號，并利用二維碼技術(shù)，在工機具存放、取用、進(jìn)出網(wǎng)、庫存清點、檢定校準(zhǔn)方面實現(xiàn)全方位數(shù)據(jù)化管理。江昶霆[2]應(yīng)用流程分析法和電路分析法，提煉基于二維碼的鐵路物資主要流動過程，并在仿真檢驗的基礎(chǔ)上，提出公司制改革下鐵路物資管理模式，為各鐵路集團(tuán)有限公司物資管理創(chuàng)新和模式創(chuàng)新提供決策支持。馬浩[3]從二維碼標(biāo)識技術(shù)入手，通過二維碼標(biāo)識技術(shù)對各項工作和各種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理形成高效的信息化管理工作模式。汪德昌[4]針對目前工務(wù)作業(yè)工機具管理中存在的問題，設(shè)計研發(fā)了高速鐵路工務(wù)作業(yè)工機具管理系統(tǒng)，分別從管理流程和界面2 個方面論述系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，并通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，提出了改進(jìn)優(yōu)化方案。陸紅生[5]分析了鐵路工務(wù)設(shè)備管理現(xiàn)狀及存在的問題，探討了二維碼技術(shù)在工務(wù)設(shè)備遠(yuǎn)程管理中的應(yīng)用。

在鐵路設(shè)施全壽命信息管理方面，張士東[6]基于二維碼技術(shù)和FineReport軟件平臺，運用GPS 核查人員定位的方法，構(gòu)建了鐵路線路設(shè)備痕跡管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備檢查、發(fā)現(xiàn)問題、整改問題全過程的監(jiān)控和管理。張明[7]結(jié)合中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司研制的道岔軌件全壽命智能管理信息平臺，利用二維碼及SQLite 輕型數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計道岔軌件信息查詢APP，有效推動了線路設(shè)備全服役壽命周期的信息化管理。四川遂寧工務(wù)段橋路技術(shù)科[8]通過手持機掃描現(xiàn)場安裝的RFID 芯片中的二維碼，利用GPS 坐標(biāo)定位，將數(shù)據(jù)傳輸至該段橋路技術(shù)科橋路設(shè)備檢查管理系統(tǒng)，提高了防洪季期間橋隧設(shè)備檢查監(jiān)控力度，促進(jìn)防洪工作效率的提升。陸紅生[9]提出研究二維碼技術(shù)在鐵路軌距尺遠(yuǎn)程管理中的應(yīng)用方案，闡述了信息管理、狀態(tài)管理、使用管理、遠(yuǎn)程管理4個模塊的功能，總結(jié)試用效果，為計量器具檢定、管理探索新模式提供借鑒與參考。馬麗光[10]就二維碼技術(shù)在鋼軌原材管理、鋼軌件與原材追蹤管理、鋼軌件工序管理應(yīng)用上展開討論，并通過二維碼技術(shù)與ERP 系統(tǒng)結(jié)合，提升了企業(yè)生產(chǎn)管理效率。劉建軍[11]經(jīng)過對自動識別技術(shù)的比較，提出采用射頻識別技術(shù)（RFID）是提高鐵路集裝箱管理水平的有效手段，并進(jìn)行投入產(chǎn)出分析。張軍[12]采用RFID 技術(shù)研制開發(fā)了適應(yīng)速度350km/h 的客車電子標(biāo)簽，并通過對既有地面AEI 設(shè)備的改造，實現(xiàn)了對高速標(biāo)簽的動態(tài)識別。

綜上可知，在鐵路管理的信息化應(yīng)用方面，國內(nèi)大多采用二維碼、GPS、RFID 等技術(shù)結(jié)合軟件平臺以及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行綜合管理的工作模式，但在城市軌道交通領(lǐng)域尚未開展。事實上，城市軌道交通與國有鐵路在設(shè)備管理、養(yǎng)修方法、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等方面有諸多不同，這使得鋼軌在全壽命周期管理方面也存在較大差異?；诖耍疚闹饕接懟阡撥壢珘勖芷诠芾?，提出RFID 電子標(biāo)簽、數(shù)據(jù)采集APP、云端服務(wù)器以及PC端應(yīng)用軟件相結(jié)合的綜合管理系統(tǒng)。

3 鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)

3.1 需求分析

鋼軌的全壽命周期管理首先需要綜合全線網(wǎng)，并且采集獲取鋼軌從設(shè)計、生產(chǎn)、焊接、鋪設(shè)、生產(chǎn)管控、運營維護(hù)到下道全過程的各項數(shù)據(jù)，包括鋼軌原始數(shù)據(jù)、周期性打磨、涂覆、磨耗、折斷及焊復(fù)、鎖定及放散、通過總重等信息。因此需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)以接收和容納大量的鋼軌全壽命周期數(shù)據(jù)。

其次，需要基于系統(tǒng)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)的方法，結(jié)合線路運營的實際情況，對鋼軌全壽命周期的評價指標(biāo)進(jìn)行分析并得到合理有效的解決方法，從而實現(xiàn)對鋼軌使用壽命、維修計劃和更新改造計劃的優(yōu)化，提高鋼軌全壽命周期管理水平，科學(xué)控制鋼軌生產(chǎn)管控成本，保障線路安全。因此，還需要數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將采集到的大量鋼軌數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。

3.2 總體設(shè)計

基于鋼軌全壽命周期管理的需求，鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，如圖1所示。

圖1 鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集主要通過鋪設(shè)電子標(biāo)簽，對鋼軌進(jìn)行編碼鋪設(shè)電子標(biāo)簽，建立鋼軌屬性數(shù)據(jù)，從而加強鋼軌各項數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，為后續(xù)鋼軌全壽命周期的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)管控打下基礎(chǔ)。通過數(shù)據(jù)采集APP，配合鋼軌電子標(biāo)簽的鋪設(shè)，提供將鋪設(shè)的電子標(biāo)簽錄入相應(yīng)的鋼軌編碼信息，工作人員通過掃描電子標(biāo)簽，上傳鋼軌檢查維修數(shù)據(jù)，并在云端實時查詢鋼軌設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊需要進(jìn)行鋼軌全壽命周期指標(biāo)的提取和閾值的建立，利用鋼軌的全壽命周期各項數(shù)據(jù)，包括前期制造、建設(shè)、安裝等數(shù)據(jù)以及運營階段設(shè)備狀態(tài)的磨耗、傷損、維修、通過總重等多項數(shù)據(jù)，構(gòu)建鋼軌使用壽命分析模型，分析鋼軌劣化規(guī)律，以確定鋼軌全壽命周期的維修更換評價方法。

3.3 數(shù)據(jù)采集

電子標(biāo)簽可采用RFID，即射頻識別技術(shù)，它集成了射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)，主要組成部分為應(yīng)答器、閱讀器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)。閱讀器將檢測到信號后通過天線發(fā)射相應(yīng)頻率的信號，再由應(yīng)用軟件接收信號，然后進(jìn)行信息處理。其中應(yīng)答器即為電子標(biāo)簽本身，它由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。閱讀器為讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備，可以是手持式移動設(shè)備，而天線即標(biāo)簽和閱讀器之間的射頻信號。

對應(yīng)于鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)，電子標(biāo)簽貼設(shè)于鋼軌軌腰處，如圖2 所示，每段鋼軌貼設(shè)一個標(biāo)簽，以識別唯一鋼軌。此外，通過電子標(biāo)簽可以獲得鋼軌基本信息，并確定現(xiàn)場位置。

圖2 鋼軌電子標(biāo)簽的貼設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場鋼軌的實際環(huán)境條件，電子標(biāo)簽的貼設(shè)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

①粘結(jié)牢固，不影響鋼軌正常使用；

②易于現(xiàn)場操作識別；

③抗金屬、抗振動、抗電磁環(huán)境等；

④抗高低溫環(huán)境。

工作人員在現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)采集APP對電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取，并將信號傳輸?shù)綉?yīng)用軟件，應(yīng)用軟件通過云端服務(wù)器實現(xiàn)鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)管理。其中，鋼軌的設(shè)計、生產(chǎn)、焊接、鋪設(shè)、生產(chǎn)管控、運營維護(hù)信息可事先錄入，這些數(shù)據(jù)維護(hù)在服務(wù)器，下道工作人員在讀取電子標(biāo)簽后，將檢測到的鋼軌傷損情況記錄并上傳到云端，從而對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新和維護(hù)。

鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)采集模塊如圖3 所示，相比于傳統(tǒng)的鋼軌傷損記錄方式，電子標(biāo)簽和數(shù)據(jù)采集APP 的使用，大大減少了下道人員的工作量，并提高了其工作效率，推動了鋼軌全壽命周期管理工作模式的智能化發(fā)展。

圖3 鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)采集模塊

3.4 數(shù)據(jù)管理

對于儲存在云端的鋼軌數(shù)據(jù)，還需要通過應(yīng)用軟件進(jìn)一步處理，因此建立相應(yīng)的鋼軌全壽命周期的數(shù)學(xué)模型，如圖4 所示。其中指標(biāo)的建立和閾值的提取，主要根據(jù)通過總重、鋼軌磨耗、重傷情況等進(jìn)行確定。

圖4 鋼軌全壽命周期數(shù)學(xué)模型

相對于傳統(tǒng)的運維模式，通過數(shù)據(jù)管理平臺對鋼軌傷損、磨耗、焊縫、打磨等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，從統(tǒng)計學(xué)意義上進(jìn)行鋼軌維修更換評價和分析，并隨著數(shù)學(xué)模型的迭代更新，逐步制定全面的、多指標(biāo)的、精細(xì)化的評價方法及指標(biāo)，促進(jìn)鋼軌精細(xì)化管理，同時降低了運維成本，提高了效益。

4 結(jié)論

本文在綜合調(diào)研信息化技術(shù)在鐵路物資管理和工務(wù)作業(yè)方面以及鐵路設(shè)施全壽命信息管理方面的應(yīng)用基礎(chǔ)上，闡述了城市軌道交通鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)組成，結(jié)合電子標(biāo)簽技術(shù)、數(shù)據(jù)采集APP、云端服務(wù)器以及PC 端應(yīng)用軟件，對其數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行了詳細(xì)介紹，明確了信息化技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用優(yōu)勢。

城市軌道交通的快速發(fā)展亟待建立信息化的鋼軌全壽命周期管理工作模式，應(yīng)充分利用各項信息化技術(shù)，提升管理的精度和效率，同時降低傳統(tǒng)運營維護(hù)工作所帶來的時間成本和人工負(fù)荷。本文提出的鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)也可為城市軌道交通其他物資設(shè)施管理的智能化發(fā)展提供參考。