道岔大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

任京楠，陳金澤，王東妍，吳 霞，姜 帥

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國鐵路上海局集團有限公司 寧波工務段，寧波 315012；3. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

鐵路線路設(shè)備作為列車運行的基礎(chǔ)，保持其狀態(tài)良好一直是鐵路維修單位的工作重點。道岔是鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)之一，其結(jié)構(gòu)復雜，包含多種道岔大軌件（簡稱：大軌件），如基本軌、尖軌、轍叉、護軌、導曲等[1]。列車通過道岔時，會因為自身存在的結(jié)構(gòu)不平順性，引起車輪和軌道發(fā)生多點接觸，使道岔承受較大的沖擊力，導致行車的安全性與舒適性下降，因此，大軌件的服役壽命遠小于區(qū)間線路的鋼軌壽命[2]。2022 年，各鐵路局集團公司的道岔統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國道岔鋪設(shè)約20.8 萬組，鋪設(shè)里程約0.72 萬km，為鐵路線路總里程的5.2%，道岔部分的養(yǎng)護維修任務更是占據(jù)了工務專業(yè)工作量的50%左右[3]。由此可見，大軌件作為軌道的關(guān)鍵部位，直接關(guān)系到鐵路行車的安全性與平順性。

在鐵路傳統(tǒng)的被動式養(yǎng)護維修方式下，大軌件運營維護（簡稱：運維）管理的信息化和智能化程度較低。目前，鐵路部分單位對大軌件與備件的養(yǎng)護情況實行紙面人工記錄，易產(chǎn)生數(shù)據(jù)更新不及時、錯記漏記、記錄查閱困難等問題。亟需使用信息化手段，以保障大軌件養(yǎng)護數(shù)據(jù)的可靠性與實時性。

李曉東[4]從簡化統(tǒng)一道岔型號與標準、跨鐵路局集團公司區(qū)域聯(lián)儲、強化大軌件壽命周期分析、預測庫存需求、建立庫存評價體系等方面，提出了大軌件備品庫的優(yōu)化策略；馬德禮[5]從建立網(wǎng)格化庫存管理體系、全壽命跟蹤機制、統(tǒng)一道岔標準、標準化評價體系等4 個方面，提出了優(yōu)化鐵路工務線上料庫存的實施路徑；王司東[6]設(shè)計了基于BeX5 平臺的工務線路維修管理系統(tǒng)，登記道岔病害，并進行動態(tài)化的病害出入庫管理；張明[7]結(jié)合中國鐵路呼和浩特局集團有限公司研制的大軌件全壽命智能管理信息平臺，設(shè)計了基于Android 的大軌件信息查詢App，協(xié)助維修人員在作業(yè)現(xiàn)場通過掃描二維碼，快速獲取軌件的相關(guān)信息。

上述研究均存在側(cè)重方向較單一、沒有建設(shè)與管理理念相配套的信息化系統(tǒng)等問題，無法滿足大軌件運維管理需求。因此，本文設(shè)計一套大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對大軌件全生命周期履歷數(shù)據(jù)的自動記錄，研發(fā)配套手持終端App，協(xié)助維修人員進行現(xiàn)場作業(yè)、更新設(shè)備信息，提升大軌件服役狀態(tài)和重復利用程度，增強大軌件管理效率，降低維護人員勞動強度。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，其應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器在鐵路綜合信息網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)運行，可實現(xiàn)中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）、鐵路局集團公司、站段、車間、工區(qū)的聯(lián)網(wǎng)應用。該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)架構(gòu)

1.1.1 感知層

感知層是獲取大軌件數(shù)據(jù)和實現(xiàn)大軌件狀態(tài)分析的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)獲取手段包括動態(tài)檢測和靜態(tài)檢查。其中，動態(tài)檢測數(shù)據(jù)來源于軌檢車、探傷車等；靜態(tài)檢查數(shù)據(jù)來源于軌檢儀、軌距尺、弦繩等[8]。

1.1.2 傳輸層

傳輸層將從互聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸網(wǎng)中獲取的檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時、安全地傳輸至鐵路綜合信息網(wǎng)。

1.1.3 系統(tǒng)支撐層

系統(tǒng)支撐層由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和中間件構(gòu)成?；诰哂芯W(wǎng)格計算功能的數(shù)據(jù)庫，利用地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）中間件配置地圖管理引擎，支持地理信息的采集和發(fā)布，并采用報表中間件完成各類報表的制作。

1.1.4 服務層

服務層包含通信服務、接口服務、地理信息服務、空間服務和平臺服務，具有統(tǒng)一的開發(fā)框架，留有二次開發(fā)接口，可根據(jù)各鐵路局集團公司的特殊業(yè)務需求，進行服務的二次開發(fā)。

1.1.5 應用與訪問層

應用與訪問層由臺賬管理、檢測檢查數(shù)據(jù)管理、大軌件狀態(tài)分析、生產(chǎn)計劃管理、作業(yè)管控等5 個模塊構(gòu)成。用戶可通過瀏覽器或手持終端App 訪問本系統(tǒng)，并進行數(shù)據(jù)交互。

1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。其中，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括：主數(shù)據(jù)（包括單位里程管界、靜態(tài)檢查病害標準、作業(yè)項目等公用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）、業(yè)務數(shù)據(jù)（包括設(shè)備資產(chǎn)、移動檢測、現(xiàn)場檢查、狀態(tài)分析、生產(chǎn)調(diào)度、現(xiàn)場作業(yè)等所有生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)）、外部數(shù)據(jù)（包括天窗計劃、環(huán)境天氣、物資目錄等外部系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)）；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括：文本文件（包括規(guī)章制度、通知公告等文字敘述數(shù)據(jù)）和多媒體文件（包括質(zhì)量問題圖片、現(xiàn)場作業(yè)錄像、現(xiàn)場語音記錄等聲像數(shù)據(jù)）。

2 功能設(shè)計

大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)以大軌件臺賬為核心，對多種檢測監(jiān)測手段獲取的報警數(shù)據(jù)進行標準化采集，對大軌件服役狀態(tài)進行量化分析，輔助大軌件維修生產(chǎn)計劃的編制，以網(wǎng)頁和手持終端相結(jié)合的形式，對大軌件維修作業(yè)全程發(fā)生的行為與數(shù)據(jù)進行實時把控，從而完成大軌件全生命周期的閉環(huán)管理。該系統(tǒng)功能如圖2 所示。

圖2 大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)功能

2.1 臺賬管理

本系統(tǒng)依據(jù)大軌件服役情況，建立大軌件臺賬與備件臺賬。將服役中的大軌件，錄入大軌件臺賬；將下道與新采購的大軌件，錄入備件臺賬。為使作業(yè)人員可快速定位病害，錄入時要梳理大軌件部位字典，并盡量細化。

設(shè)備管理人員可在網(wǎng)頁端錄入大軌件信息并查詢歷史信息（大軌件位置、病害、作業(yè)記錄等），還可為每個大軌件生成對應的二維碼。通過將二維碼固定在現(xiàn)場對應的大軌件上，作業(yè)人員即可在現(xiàn)場使用手持終端掃碼，實時查詢其當前信息與歷史更換記錄，快速判斷大軌件狀態(tài)及是否具備再次上道使用的條件。若經(jīng)維修后能滿足上道要求，則將該大軌件錄入備件臺賬；若已無法修復，則廢棄。

2.2 檢測檢查數(shù)據(jù)管理

該功能先建立大軌件設(shè)備缺陷標準字典，將設(shè)備問題描述詞條化、錄入問題選擇化、問題等級自動化、問題提醒智能化，實現(xiàn)不同階段、不同來源的多種檢測監(jiān)測報警數(shù)據(jù)信息的標準化采集和錄入，為大軌件狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。將大軌件的病害數(shù)據(jù)全部納入系統(tǒng)病害庫，統(tǒng)一分類，實現(xiàn)閉環(huán)管理。

2.3 大軌件狀態(tài)分析

該功能結(jié)合大軌件的投產(chǎn)時間，使用可調(diào)權(quán)重算法對大軌件狀態(tài)進行量化評分，綜合分析其劣化趨勢，找出病害成因，篩選重點病害單元，輔助專業(yè)分析人員智能判識大軌件質(zhì)量狀態(tài)與缺陷，篩選重點病害地段和大軌件缺陷。同時，建立針對病害發(fā)生地點的歷史超限數(shù)據(jù)和生產(chǎn)計劃的追蹤功能，實現(xiàn)單點病害的數(shù)據(jù)追蹤與分析。

2.4 生產(chǎn)計劃管理

該功能以大軌件狀態(tài)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)置大軌件的檢查維修項目周期，依據(jù)設(shè)置的周期規(guī)則，根據(jù)病害緊急程度和車間生產(chǎn)能力，自動生成工區(qū)管內(nèi)年/月計劃，最后由日計劃引入兌現(xiàn)。實現(xiàn)了年/月計劃的自動生成、計劃日期變更、審批、匯總、兌現(xiàn)統(tǒng)計等功能。

2.5 作業(yè)管控

2.5.1 網(wǎng)頁端

本系統(tǒng)網(wǎng)頁端可實時顯示現(xiàn)場作業(yè)人員的運行軌跡，并進行作業(yè)監(jiān)控，對超出作業(yè)范圍的情況進行報警，事后可追蹤查看作業(yè)人員的運行軌跡，實現(xiàn)從選定起始點到終止點的回溯。管理人員對作業(yè)全過程的錄音、照片、錄像等多媒體資料進行分析后，將作業(yè)詳細指標信息、安全措施落實情況和分析結(jié)果等錄入系統(tǒng)，并統(tǒng)計匯總。

2.5.2 移動端

作業(yè)人員可通過手持終端App 全程跟蹤作業(yè)過程，對方案審批、作業(yè)前準備、人員到崗、工機具上下道、關(guān)鍵工序控制和進出工作門等施工維修各環(huán)節(jié)進行實時記錄，將現(xiàn)場情況以錄音、照片、錄像的形式進行詳細記錄。若當前作業(yè)包含更換大軌件的項目，作業(yè)人員可通過掃碼，對服役中/備用的大軌件進行信息狀態(tài)更新，包含下道時間、病害類型、下道原因等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大軌件全生命周期管理流程

本文運用資產(chǎn)管理理念，結(jié)合運行維護期間專業(yè)設(shè)備的修程修制，實現(xiàn)了大軌件從生產(chǎn)至報廢的全生命周期管理和從臨時修、計劃修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。通過對大軌件全生命信息的自動記錄，節(jié)省人力，減少了傳統(tǒng)人工記錄可能產(chǎn)生的少記、漏記、字跡辨識困難等情況，提升數(shù)據(jù)的時效性和確定性，實現(xiàn)大軌件歷史數(shù)據(jù)的追溯及全生命周期各階段數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，從而使積累的數(shù)據(jù)充分發(fā)揮其價值，有效提升大軌件全生命周期管理水平。

3.2 大軌件部位精細化管理

有別于以往的整組道岔評價，本文將管理細化至大軌件的各部位，提升數(shù)據(jù)的可靠性、實用性，能夠準確、快速定位并處置大軌件缺陷，使大軌件與病害數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)更緊密，有利于全面感知大軌件狀態(tài)，分析劣化規(guī)律，科學指導維修計劃的編制與實際生產(chǎn)作業(yè)。根據(jù)大軌件的累計通過總重，判斷各線路運營壓力，更換設(shè)備時優(yōu)先將新購入的大軌件置于繁忙線路，對于維修后的備用大軌件，依據(jù)其自身狀態(tài)，匹配至繁忙程度適宜的線路。實現(xiàn)高質(zhì)量的精準維修，避免多余勞動與換軌的投入。

3.3 手持終端App 現(xiàn)場信息交互

借助手持終端App，現(xiàn)場作業(yè)人員可快速查詢大軌件的詳細信息，掌握其具體狀態(tài)。在現(xiàn)場，工作人員通過掃描大軌件上的二維碼，進行設(shè)備上下道操作，并完善相應信息，使大軌件信息得到及時、規(guī)范更新，節(jié)約人工填報時間。數(shù)據(jù)的實時交互提升了作業(yè)效率與工作人員的作業(yè)體驗。

3.4 大文件數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)

本系統(tǒng)支持基于手持終端App 的錄音、照片、錄像等大文件的實時傳輸，以國鐵集團信息中心建立的CA（Certificate Authority）證書為基礎(chǔ)，利用DES（Data Encryption Standard）算法加密傳輸數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)屬性，服務端解析數(shù)據(jù)包并加密數(shù)據(jù)內(nèi)容。讀寫文件時，基于HTTP 協(xié)議，采用對稱加密、用戶密鑰驗證的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，確保信息傳輸?shù)谋Ｃ苄?、?shù)據(jù)交換的完整性、發(fā)送信息的不可否認性和交互者身份的確定性，提高傳輸有效性和安全性，顯著提升傳輸速度。

4 系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)于2023 年6 月在中國鐵路呼和浩特局集團有限公司某工務段試點應用，取得良好的試用效果。該工務段管界范圍內(nèi)共600 余組道岔，細分成6 000余個大軌件，系統(tǒng)通過臺賬管理功能對大軌件當前狀態(tài)與歷史信息等進行精細化記錄，如圖3 所示。在此基礎(chǔ)上，設(shè)備的劣化趨勢分析可更具有針對性，為設(shè)備的精準修、狀態(tài)修提供決策支持?；诖筌壖姆蹠r長、通過總重、該線路列車運行速度等數(shù)據(jù)，分析線路運營強度，當需要進行大軌件更換作業(yè)時，對該位置相鄰大軌件的型號匹配、線路運營強度、備用大軌件狀態(tài)進行綜合考慮，選擇最適合該位置的備用大軌件。有效保障了大軌件的良好服役狀態(tài)，延長大軌件服役周期，減少了人力與大軌件采購成本。

圖3 大軌件臺賬管理界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)，細化大軌件部位，實現(xiàn)了臺賬管理、檢測檢查、狀態(tài)分析等功能，從而滿足大軌件全生命周期的閉環(huán)管理需求。試用結(jié)果證明，該系統(tǒng)可有效保障大軌件的服役狀態(tài)，延長服役周期，減少人力與采購成本。

下一步，將根據(jù)長期應用積累的數(shù)據(jù)，對線路的外部環(huán)境、通過總重、設(shè)備病害等因素進行關(guān)聯(lián)分析，優(yōu)化大軌件的維修、更換周期，在維修管理單位進行試點，并深入調(diào)研各單位的個性化需求，進一步完善本系統(tǒng)，以便充分、高效地發(fā)揮大軌件的剩余價值。