重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

賈慧軍

（國(guó)能包神鐵路有限責(zé)任公司，鄂爾多斯 017000）

近年來(lái)，各國(guó)鐵路都面臨著運(yùn)輸需求增長(zhǎng)快速化、運(yùn)輸服務(wù)定制化、運(yùn)輸安全泛在化等挑戰(zhàn)。在鐵路運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)能力相對(duì)固定的前提下，通過(guò)采用新一代信息技術(shù)大幅提升鐵路運(yùn)輸組織效率效益已成為各國(guó)鐵路發(fā)展的必由之路。在重載鐵路相關(guān)研究上，宋宗瑩等人[1]提出了智慧重載鐵路系統(tǒng)框架，對(duì)智慧重載鐵路系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行了探討；代春平[2]采用大數(shù)據(jù)、BIM 和GIS 技術(shù)構(gòu)建了重載鐵路工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)重載鐵路工務(wù)數(shù)字化、精細(xì)化管理；段培勇[3]基于移動(dòng)GIS 技術(shù)，對(duì)重載鐵路工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；王鵬等人[4]設(shè)計(jì)了重載鐵路線橋隧一體化巡檢系統(tǒng)，利用無(wú)人機(jī)巡檢為重載鐵路工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維輔助決策提供數(shù)據(jù)支撐。以上研究均是針對(duì)重載鐵路整體信息化架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏重載鐵路路基工務(wù)信息化管理的相關(guān)研究。

在運(yùn)輸需求日益增長(zhǎng)的情況下，眾多修建年代久遠(yuǎn)的重載鐵路信息化水平較低，在路基工務(wù)管理過(guò)程中，日常巡檢、專(zhuān)項(xiàng)檢查、春秋檢等病害檢查工作需要打印填寫(xiě)相關(guān)檢查報(bào)表單，在完成維修后還需要進(jìn)行繁雜的銷(xiāo)項(xiàng)工作，數(shù)字化程度低、重復(fù)勞動(dòng)多，亟待信息化優(yōu)化；此外，由于多年高負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，作為大部分重載鐵路主要工程結(jié)構(gòu)物的路基，更是面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，亟待使用信息化手段對(duì)以檢查、維修為核心的重載鐵路路基工務(wù)管理方法進(jìn)行升級(jí)改造。以可視化[5]、智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)（簡(jiǎn)稱(chēng)：運(yùn)維）[6]、機(jī)器學(xué)習(xí)[7]、路基服役狀態(tài)綜合評(píng)估[8-9]等技術(shù)為代表的信息化賦能手段，為路基工務(wù)智能化升級(jí)提供了理論基礎(chǔ)與落地支撐。

本文結(jié)合重載鐵路路基工務(wù)管理實(shí)際需求與鐵路路基服役狀態(tài)影響因素，設(shè)計(jì)重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)，進(jìn)一步提高工務(wù)管理效率和質(zhì)量、保障路基運(yùn)維安全。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)總體架構(gòu)可以分為用戶(hù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、基礎(chǔ)服務(wù)層、數(shù)據(jù)資源層和設(shè)施層，如圖1 所示。

圖1 重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)總體架構(gòu)

1.1.1 設(shè)施層

以云計(jì)算后臺(tái)為支撐，具備高度可靠性、可擴(kuò)展性、靈活性及安全性，對(duì)用戶(hù)需求實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)；通過(guò)無(wú)人機(jī)、激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)字孿生模型的逆向建模，所生產(chǎn)的模型用于各類(lèi)數(shù)據(jù)掛接與可視化渲染；利用監(jiān)測(cè)傳感器和信息采集終端獲取鐵路路基狀態(tài)情況。

1.1.2 數(shù)據(jù)資源層

包含了路基病害、路基評(píng)估、路基算法、路基維修、三維模型等多種類(lèi)型數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組織和管理，提供高效、安全、可靠的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和管理服務(wù)，以支持平臺(tái)各種業(yè)務(wù)功能。該層采用數(shù)據(jù)庫(kù)和存儲(chǔ)技術(shù)，提供高性能、高可用性、高擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)服務(wù)；支持查詢(xún)、分析、挖掘、導(dǎo)出等靈活的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式，以滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)需求；此外，還具備數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)備份、容災(zāi)恢復(fù)等功能，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

1.1.3 基礎(chǔ)服務(wù)層

以統(tǒng)一時(shí)空基礎(chǔ)為技術(shù)核心，提供了物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)接入服務(wù)，保證各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)回傳；提供三維數(shù)字孿生模型及數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接口，能夠?qū)A斜攝影、激光點(diǎn)云等各類(lèi)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化集成，為具體業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)；提供路基狀態(tài)評(píng)估算法，引入智能化算法對(duì)路基數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，為輔助決策提供依據(jù)；提供一系列前后端接口，滿(mǎn)足平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.1.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

通過(guò)可視化界面為用戶(hù)提供操作功能，是人機(jī)交互的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，包括綜合可視化大屏模塊、輔助決策模塊、路基檢查與維修管理模塊。

1.1.5 用戶(hù)訪問(wèn)層

規(guī)定平臺(tái)訪問(wèn)用戶(hù)分類(lèi)，利用權(quán)限控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)權(quán)限劃分，保障平臺(tái)安全及隱私；同時(shí)，提供PC 端、平板電腦端及移動(dòng)手機(jī)端等多種訪問(wèn)模式。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

后端層采用Java 語(yǔ)言基于Spring Boot 框架開(kāi)發(fā)，其數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，前端命令經(jīng)Spring MVC 中Controller 層解析傳遞后，通過(guò)Spring Data JPA 滿(mǎn)足后端程序與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的高效交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算與更新數(shù)據(jù)獲取。

前端層采用Vue3 框架進(jìn)行平臺(tái)開(kāi)發(fā)，構(gòu)建一套布局簡(jiǎn)潔、操作響應(yīng)迅速、人機(jī)交互充分符合工務(wù)管理工作實(shí)際流程的前端界面。在傳統(tǒng)Web 界面開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，引入Cesium.js 及Echart.js 技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維及二維可視化，提高數(shù)據(jù)利用效率，打通數(shù)據(jù)孤島。

利用Spring MVC 框架及Axios 實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)交互，通過(guò)Axios 實(shí)現(xiàn)前端用戶(hù)請(qǐng)求的發(fā)送與后端數(shù)據(jù)的接收。

2 平臺(tái)功能

重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)功能分為路基檢查與維修管理、輔助決策及綜合可視化大屏，貫穿路基工務(wù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評(píng)估及效果可視化全流程，賦能智能化工務(wù)管理，功能架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)功能架構(gòu)

2.1 路基檢查與維修管理

2.1.1 路基病害管理

整理《鐵路路基大維修規(guī)則》[10]《鐵路線路維修規(guī)則》[11]《鐵路路基病害分類(lèi)》[12]中對(duì)病害的分類(lèi)及信息要求，進(jìn)行病害數(shù)據(jù)采集優(yōu)化，可根據(jù)《鐵路大修維修規(guī)則》及各類(lèi)評(píng)估體系中的病害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)病害核心信息的規(guī)則化管理。增加病害處理狀態(tài)、病害描述、病害側(cè)別等信息，全面對(duì)病害信息進(jìn)行完善。同時(shí)，檢查現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)移動(dòng)終端客戶(hù)端填寫(xiě)數(shù)據(jù)，提供了一系列規(guī)則化表單輔助快速信息錄入，自動(dòng)獲取病害信息經(jīng)緯度坐標(biāo)，為后續(xù)統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)管理功能實(shí)現(xiàn)病害數(shù)據(jù)的增、刪、查、改，同時(shí)可對(duì)病害進(jìn)行批量選擇以進(jìn)行工務(wù)維修安排，并根據(jù)維修結(jié)果切換病害狀態(tài)。

2.1.2 過(guò)渡段綜合信息管理

基于鐵路工務(wù)實(shí)際情況，將過(guò)渡段分為路橋過(guò)渡段和路涵過(guò)渡段，分別收集其病害里程、病害類(lèi)型、過(guò)渡段類(lèi)型、病害級(jí)別等病害信息，統(tǒng)計(jì)病害比例，在前端進(jìn)行圖表和表單展示。

2.1.3 路基維修管理

通過(guò)病害數(shù)據(jù)庫(kù)篩選及數(shù)字孿生模型區(qū)域選擇的方式批量選定路基病害，自動(dòng)生成路基病害維修整治項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化作業(yè)工作量提取。建立以維修項(xiàng)目為核心的病害數(shù)據(jù)狀態(tài)更新機(jī)制，通過(guò)維修項(xiàng)目進(jìn)展情況驅(qū)動(dòng)病害數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生變化，消除流程誤差，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量與統(tǒng)計(jì)效果。

2.2 輔助決策

2.2.1 算法適配功能

重載鐵路運(yùn)維過(guò)程中不同線路對(duì)路基的服役狀態(tài)和維修要求存在不同程度的差別，本平臺(tái)提供評(píng)估算法適配功能，評(píng)估算法以AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)為核心算法，可針對(duì)不同線路構(gòu)建與之對(duì)應(yīng)的路基服役狀評(píng)估算法框架，進(jìn)而進(jìn)行路基評(píng)估。

2.2.2 里程綜合決策展板

依據(jù)算法適配功能中的評(píng)估結(jié)果，里程綜合決策展板分別提供設(shè)備、里程、工區(qū)、站區(qū)等4 個(gè)層級(jí)的輔助決策建議。其中，設(shè)備層級(jí)提供具體病害的維修建議，支撐養(yǎng)護(hù)修決策；里程層級(jí)提供單里程范圍內(nèi)病害綜合建議，支撐大修及中修方案制定；工區(qū)層級(jí)提供工區(qū)內(nèi)路基段的整體服役狀態(tài)情況，可輔助工區(qū)領(lǐng)導(dǎo)人員對(duì)路基整體的把握；站區(qū)層級(jí)提供整個(gè)站區(qū)路基段情況概述。

2.3 綜合可視化大屏

2.3.1 三維可視化及操作

病害數(shù)據(jù)與評(píng)估結(jié)果在三維數(shù)字孿生模型中的可視化展現(xiàn)，可方便工務(wù)管理人員快速定位數(shù)據(jù)來(lái)源、掌握路基狀態(tài)，充分提高數(shù)據(jù)服務(wù)決策的效率。平臺(tái)支持二維及三維可視化展示，其中，二維主要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)、分類(lèi)、分段統(tǒng)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)，快速明晰數(shù)據(jù)基本面，加深數(shù)據(jù)應(yīng)用層級(jí)；三維可視化效果基于Cesium.js 引擎，加載傾斜攝影、激光點(diǎn)云及BIM 逆向模型，將路基評(píng)估結(jié)果、路基巡檢病害數(shù)據(jù)、路基外觀情況進(jìn)行集成可視化，將路基工務(wù)管理落實(shí)在“一張圖”上，降低平臺(tái)操作難度，提升決策效率。

2.3.2 動(dòng)態(tài)圖表統(tǒng)計(jì)可視化

動(dòng)態(tài)圖表統(tǒng)計(jì)和可視化展示了各個(gè)設(shè)備、里程、工區(qū)、站區(qū)評(píng)估得分排名、病害數(shù)量統(tǒng)計(jì)及病害比例統(tǒng)計(jì)等，可對(duì)其進(jìn)行直觀比較。

2.3.3 評(píng)估結(jié)果推送

重載鐵路路基服役狀態(tài)評(píng)估結(jié)果可通過(guò)大屏顯示、手機(jī)短信、APP 信息推送與網(wǎng)站站內(nèi)信息等途徑進(jìn)行結(jié)果告知。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 重載鐵路路基狀態(tài)評(píng)估

根據(jù)路基工務(wù)管理組織架構(gòu)及實(shí)際需求，將路基分為設(shè)備、里程、工區(qū)、站區(qū)等4 個(gè)級(jí)別，實(shí)現(xiàn)各層級(jí)范圍路基狀態(tài)評(píng)估，為輔助決策提供依據(jù)，狀態(tài)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 路基狀態(tài)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)

采用基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)的綜合評(píng)估算法進(jìn)行逐層評(píng)估計(jì)算獲取評(píng)估結(jié)果，指導(dǎo)工務(wù)作業(yè)，輔助工務(wù)決策。

根據(jù)《鐵路路基大維修規(guī)則》中第5.0.2 條規(guī)定，路基設(shè)備狀態(tài)評(píng)定應(yīng)根據(jù)線路公里標(biāo)逐公里（站線逐股道）分段進(jìn)行，故分別統(tǒng)計(jì)里程內(nèi)不同設(shè)備的病害數(shù)量和級(jí)別，其中，每種病害嚴(yán)重程度分為5 級(jí)，分別為極嚴(yán)重、嚴(yán)重、較重、中等、輕微。利用不同級(jí)別賦予不同權(quán)值的方式計(jì)算得到每種病害的評(píng)估得分，計(jì)算公式為

式（1）中，S j表示第j類(lèi)病害得分；Ci表示第j類(lèi)病害的第i級(jí)別的數(shù)量；Wi表示第j類(lèi)病害的第i級(jí)別的權(quán)重。

根據(jù)求得的病害得分，計(jì)算每種設(shè)備的得分矩陣。計(jì)算公式為

式（2）中，Szb表示第z個(gè)設(shè)備的得分，z可以是基床、路堤、路塹、路橋過(guò)渡段、路涵過(guò)渡段等；n表示第z個(gè)設(shè)備的病害種類(lèi)數(shù)量。

根據(jù)每種設(shè)備的病害得分，計(jì)算里程的得分矩陣，即

式（3）中，Spm表示第p個(gè)里程的得分矩陣，得分矩陣形式為[a，b，c，d，e]，分別代表極嚴(yán)重、嚴(yán)重、較重、中等、輕微等級(jí)，取a、b、c、d、e中最大值所對(duì)應(yīng)的等級(jí)作為此里程的評(píng)定等級(jí)；fp表示第p個(gè)里程的隸屬度函數(shù)；Spb表示第p個(gè)里程包含的設(shè)備綜合得分矩陣；Wp表示第p個(gè)里程下各個(gè)設(shè)備的權(quán)重矩陣。

同理，根據(jù)里程的得分矩陣，計(jì)算每個(gè)工區(qū)的得分矩陣，進(jìn)而計(jì)算站區(qū)的得分矩陣，即

式（4）和式（5）中，Sqg表示第q個(gè)工區(qū)的得分矩陣；Sqm表示第q個(gè)工區(qū)下所有里程的綜合得分矩陣；Wq表示第q個(gè)工區(qū)下各個(gè)里程的權(quán)重矩陣；Syc表示第y個(gè)站區(qū)的得分矩陣；Syg表示第y個(gè)站區(qū)下所有工區(qū)的綜合得分矩陣；Wy表示第y個(gè)站區(qū)下各個(gè)工區(qū)的權(quán)重矩陣。

3.2 重載鐵路路基輔助決策

根據(jù)《鐵路路基大維修規(guī)則》建立重載鐵路大維修計(jì)劃庫(kù)、評(píng)估建議庫(kù)和養(yǎng)護(hù)措施庫(kù)，基于重載鐵路路基狀態(tài)評(píng)估的結(jié)果，對(duì)重載鐵路路基進(jìn)行輔助決策，如圖5 所示。

圖5 輔助決策體系

大維修計(jì)劃庫(kù)主要包括大修和維修計(jì)劃，將極嚴(yán)重和嚴(yán)重的工區(qū)和區(qū)段加入大修計(jì)劃，將較重、中等和輕微等級(jí)加入維修計(jì)劃；評(píng)估建議庫(kù)可依據(jù)各個(gè)里程的評(píng)估結(jié)果，針對(duì)性地給出評(píng)估建議；養(yǎng)護(hù)措施庫(kù)主要依據(jù)設(shè)備的評(píng)估結(jié)果給出相應(yīng)的路基養(yǎng)護(hù)措施。

輔助決策技術(shù)可以在路基出現(xiàn)病害的情況下，針對(duì)分析結(jié)果提供及時(shí)準(zhǔn)確且有針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)方案，對(duì)一種病害可提供一種或多種可行養(yǎng)護(hù)方案，每一種養(yǎng)護(hù)方案均提供對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)措施的實(shí)施成本、養(yǎng)護(hù)后達(dá)到的指標(biāo)、養(yǎng)護(hù)后壽命延續(xù)情況等。

4 平臺(tái)應(yīng)用

包神（包頭—神木）鐵路于1986 年8 月正式開(kāi)工建設(shè)，運(yùn)營(yíng)里程191.472 km，運(yùn)營(yíng)已超過(guò)30 年。本文選取包神鐵路關(guān)碾房站K38+456 至朝腦溝站K73+992 作為研究區(qū)段，區(qū)段內(nèi)路基總長(zhǎng)31 615 m，占研究區(qū)段線路總長(zhǎng)的88.87%。重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)應(yīng)用效果如圖6 所示（綠色代表評(píng)估結(jié)果為輕微；黃色代表評(píng)估結(jié)果為較重；點(diǎn)狀物代表病害位置）。

（1）通過(guò)系統(tǒng)性的路基服役數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，采用路基信息標(biāo)準(zhǔn)化采集方法，現(xiàn)場(chǎng)工務(wù)人員通過(guò)多種移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集，通過(guò)信息化手段替代復(fù)雜低效的人工采集工作，提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量與深度。

（2）采用路基服役狀態(tài)綜合評(píng)估體系與模型，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)段內(nèi)超過(guò)30 km 里程級(jí)單位、2 個(gè)站區(qū)的路基狀態(tài)總體評(píng)估，以及基于多元數(shù)據(jù)的輔助決策，提升了路基工務(wù)計(jì)劃、實(shí)施過(guò)程的效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)重載鐵路路基工務(wù)管理平臺(tái)，以路基工務(wù)管理實(shí)際需求出發(fā)，基于層次耦合的路基評(píng)估體系構(gòu)建路基數(shù)據(jù)采集指標(biāo)，采用模糊層次分析方法實(shí)現(xiàn)路基狀態(tài)綜合評(píng)估，為工務(wù)檢查、維修提供輔助決策依據(jù)，打通路基工務(wù)管理數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)路基服役狀態(tài)智能感知、智能分析與智能決策，進(jìn)一步提高鐵路路基安全管理水平。