高速鐵路技術(shù)改造與大修整治項目精細(xì)化管理與輔助決策關(guān)鍵技術(shù)研究

程智博，楊懷志，吳艷華，李 景，高 峰，江曉振

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038）

0 引言

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型時代背景下，以數(shù)字化思維、數(shù)字化技術(shù)推動高速鐵路數(shù)字化智能化升級是必然的發(fā)展趨勢和要求。技術(shù)改造與大修整治(以下簡稱“技改大修”)是高速鐵路公司對管轄范圍內(nèi)的鐵路運輸設(shè)施設(shè)備進(jìn)行的綜合性技術(shù)改造和采取的重大技術(shù)措施，是提高鐵路運輸設(shè)施設(shè)備技術(shù)水平，保證鐵路設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定的重要手段。某高速鐵路公司目前已研發(fā)了高速鐵路技術(shù)改造與大修整治項目計劃系統(tǒng)(以下簡稱“系統(tǒng)”)，改變原有郵件立項審批流程及紙質(zhì)文檔流轉(zhuǎn)模式，實現(xiàn)技改大修項目的科學(xué)化管理與運營[1]。然而，隨著系統(tǒng)實際投入使用，既有管理模式已無法滿足智能運維[2-3]、快速響應(yīng)的業(yè)務(wù)要求，存在審批流程按需服務(wù)、設(shè)備及整改方式眾多、信息提取不完備不及時等狀況，利用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化技改大修立項與審批流程，開展項目精細(xì)化管理與輔助決策勢在必行。審批工作流程優(yōu)化在各領(lǐng)域廣泛研究運用，包括政務(wù)行政審批[4-5]、工程建設(shè)項目審批[6-7]、商業(yè)信貸審批[8-9]等，在技改大修項目管控方面，相關(guān)學(xué)者利用大數(shù)據(jù)、建筑信息模型(BIM)等技術(shù)，研究全過程［10］、集約化[11]、精益化[12]等管理模式，積極探索構(gòu)建立項輔助決策模型[13]并開展經(jīng)濟(jì)效益的后評價[14]，對于高速鐵路技改大修優(yōu)化具有較高的指導(dǎo)意義，但在具體應(yīng)用方面，仍需要結(jié)合高速鐵路技改大修本身特點及高速鐵路公司實際需求開展精細(xì)化管理研究。

為建立高效精細(xì)的高速鐵路技改大修服務(wù)體系，需要進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)行技改大修管理模式，通過構(gòu)建技改大修知識庫、自定義配置優(yōu)化審批流程、基于時空關(guān)聯(lián)構(gòu)建設(shè)備數(shù)據(jù)鏈條等措施，利用信息新技術(shù)開展智能化輔助決策，對項目的立項是否符合高速鐵路公司技改大修計劃管理實施辦法和用途管制要求進(jìn)行合規(guī)性檢測，實現(xiàn)項目管理各環(huán)節(jié)協(xié)同、高效、持續(xù)運行，確保項目滿足高速鐵路技改大修精細(xì)化管理需求并快速響應(yīng)，服務(wù)于高速鐵路公司、鐵路局集團(tuán)公司的技改大修項目的規(guī)劃審批工作，提升高速鐵路技改大修項目審批的服務(wù)水平、服務(wù)質(zhì)量及服務(wù)效率。

1 需求分析

以某高速鐵路公司項目計劃管理業(yè)務(wù)需求為依據(jù)，提出系統(tǒng)總體框架，該系統(tǒng)包括工作桌面、項目管理、月報管理、統(tǒng)計報表、數(shù)據(jù)管理等功能模塊，利用工作流模型設(shè)計項目立項審批流程，在高速鐵路公司及鐵路局集團(tuán)公司應(yīng)用中實現(xiàn)項目錄入、接轉(zhuǎn)與維護(hù)，并初步開展項目數(shù)量及金額方面的統(tǒng)計[1]。

現(xiàn)階段高速鐵路技改大修管理過程中，立項及維護(hù)過程僅以項目為單位進(jìn)行審批與管理，然而項目中存在跨專業(yè)、涉及設(shè)備類型眾多、金額歸屬不明確等問題。為了支撐高速鐵路線路智能化提升，需要由粗放型管理模式逐步向數(shù)字化、精細(xì)化管理模式轉(zhuǎn)變，高速鐵路技改大修精細(xì)化管理模式轉(zhuǎn)變?nèi)绫?所示。

表1 高速鐵路技改大修精細(xì)化管理模式轉(zhuǎn)變Tab.1 Transformation of refined management mode for technical renovation and overhaul of high speed railway

精細(xì)化管理具體需求如下。

（1）由于技改大修項目中各專業(yè)設(shè)備類型繁多，某些項目包括設(shè)備整體及其細(xì)化的部件/組件信息，需要從原有項目級轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備級管理粒度，為現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施維護(hù)提供全面、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

（2）歷年項目內(nèi)容中設(shè)備名稱及整改方式尚未標(biāo)準(zhǔn)化，需要制定統(tǒng)一的規(guī)范性描述，利用規(guī)范化管理，實現(xiàn)新立項項目上報的標(biāo)準(zhǔn)化，方便快速開展技改大修各維度的統(tǒng)計分析。

（3）審批往復(fù)頻率較高，在立項、可研及實施階段均存在某類設(shè)備或細(xì)化的部件/組件進(jìn)行取消、修改后重新上報等多個環(huán)節(jié)，需要對現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程優(yōu)化實現(xiàn)一站式無縫對接，滿足不同層級用戶使用需求；既有系統(tǒng)利用工作流模型，從鐵路局集團(tuán)公司提交立項計劃開始，經(jīng)過逐層審批完成審批流程，但目前以單線程為主，且項目維護(hù)僅至撥款階段，且項目批復(fù)金額無法與設(shè)備一一對應(yīng)，需要補全工程實施、竣工驗收結(jié)算等資料，為開展項目費用預(yù)估及造價分析等提供管理基礎(chǔ)。

（4）立項階段依靠人工經(jīng)驗進(jìn)行決策，手工翻閱設(shè)備歷史維修、大修情況，需要構(gòu)建歷史技改大修知識庫，實現(xiàn)歷史技改大修數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析與建模，開展立項沖突檢測及費用預(yù)測等輔助決策應(yīng)用。

2 精細(xì)化管理關(guān)鍵技術(shù)研究

為了真正落實技改大修全過程、精細(xì)化管理，實現(xiàn)面向設(shè)備級的管理環(huán)節(jié)系統(tǒng)、高效、持續(xù)運行，針對以上需求開展高速鐵路技改大修精細(xì)化管理關(guān)鍵技術(shù)研究，在既有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，優(yōu)化立項管理流程，新增知識庫、統(tǒng)計分析、設(shè)備狀態(tài)綜合分析、立項沖突檢測及費用預(yù)算預(yù)估等內(nèi)容。高速鐵路技改大修項目精細(xì)化管理總體框架如圖1所示。

圖1 高速鐵路技改大修項目精細(xì)化管理總體框架Fig.1 Overall framework of refined management of high speed railway technical renovation and overhaul project

2.1 技改大修知識庫構(gòu)建

利用前期構(gòu)建的技改大修項目關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)庫，助以工務(wù)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)為核心的設(shè)備數(shù)據(jù)，采用知識圖譜構(gòu)建基于圖數(shù)據(jù)庫的設(shè)備臺賬、維修、技改大修等關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)縱向貫通管理系統(tǒng)、橫向連接不同層級信息系統(tǒng)的信息交互。高速鐵路技改大修知識圖譜構(gòu)建框架如圖2所示。

圖2 高速鐵路技改大修知識圖譜構(gòu)建框架Fig.2 Framework of knowledge map for technical renovation and overhaul of high speed railway

（1）數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源既包括工務(wù)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、資產(chǎn)管理信息系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入的數(shù)據(jù)，也包括技改大修項目關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)庫，同步開展數(shù)據(jù)預(yù)處理及清洗等工作。

（2）知識構(gòu)建。采用資源描述框架(Resource Description Framework，RDF)三元組形象化表達(dá)技改大修設(shè)備本體，包括名稱、臺賬信息、檢測信息、病害信息、審批管理類信息等，在本體表達(dá)階段規(guī)范設(shè)備名稱及整改方式，語義關(guān)系定義2 個概念間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過抽取與融合技改大修設(shè)備全生命周期知識，利用有向圖將技改大修各設(shè)備、各階段等信息進(jìn)行組織關(guān)聯(lián)表達(dá)，采用圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行組織存儲與管理。

（3）知識應(yīng)用。知識應(yīng)用技術(shù)是基于技改大修知識圖譜，對知識單元進(jìn)行計算和推理，建立對應(yīng)的審批規(guī)則庫，構(gòu)建輔助審批意見自動生成模型，按照既定審批規(guī)則進(jìn)行智能化審查，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷提高意見的準(zhǔn)確率；基于設(shè)備全要素數(shù)據(jù)，構(gòu)建多因素引發(fā)的設(shè)備故障預(yù)測模型，為開展預(yù)防性維修、長久未維修提醒提供知識推理。

研究使用圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行技改大修知識庫存儲，以軌道板及鋼軌技改大修項目為例構(gòu)建知識圖譜，技改大修知識圖譜如圖3所示。

圖3 技改大修知識圖譜Fig.3 Example of knowledge map for technical renovation and overhaul

2.2 基于流程優(yōu)化的立項管理設(shè)計

科學(xué)的業(yè)務(wù)流程設(shè)置可以保證技改大修項目在各級部門、各專業(yè)之間工作流轉(zhuǎn)合理、便捷[15]。通過開展基于流程優(yōu)化的立項管理設(shè)計，以流程優(yōu)化為方法，以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，對既有工作業(yè)務(wù)流程自發(fā)地、持續(xù)地進(jìn)行改造、調(diào)整，實現(xiàn)項目從錄入、審查、流轉(zhuǎn)到進(jìn)度查看，維護(hù)全過程高效管理。

在立項審批階段，梳理原有工作流程不足，將冗余的業(yè)務(wù)流程簡化，新增并整合業(yè)務(wù)新流程，現(xiàn)階段項目立項審批業(yè)務(wù)流程圖如圖4 所示。鐵路局集團(tuán)公司計統(tǒng)部、高速鐵路公司專業(yè)處室、高速鐵路公司計財部、高速鐵路公司領(lǐng)導(dǎo)層，每個角色執(zhí)行的業(yè)務(wù)不同，如鐵路局集團(tuán)公司計統(tǒng)部涉及上報/重報項目或可研文件。根據(jù)各立項審批環(huán)節(jié)，系統(tǒng)能夠自動更新當(dāng)前狀態(tài)，包括待審核、已通過審核、審核未通過、審核后需要重新上報等。為了實現(xiàn)高效規(guī)范化的流程管理，系統(tǒng)需要支持多級審批人員逐層審核和審批流程回轉(zhuǎn)，根據(jù)審批狀態(tài)不同實現(xiàn)全流程消息通知，為了適應(yīng)多場景下的立項審批模式，需要采用自定義配置方式，滿足在不同階段、不同場景下的重組、集成業(yè)務(wù)流程需求。

圖4 現(xiàn)階段項目立項審批業(yè)務(wù)流程圖Fig.4 Flow chart of project approval business

在維護(hù)管理階段，開展面向設(shè)備級的項目維護(hù)，包括月報管理、施工進(jìn)展情況、未完成原因、接轉(zhuǎn)信息、計價撥款、驗收信息等，實現(xiàn)項目進(jìn)展信息透明公開、高效貫通，為開展項目跟蹤及后評估提供可靠支持。

2.3 技改大修設(shè)備時空關(guān)聯(lián)

利用技改大修知識庫，利用多表主鍵和外鍵實現(xiàn)設(shè)備級數(shù)據(jù)表關(guān)聯(lián)，利用統(tǒng)一時間維度開展其時間范圍內(nèi)的設(shè)備關(guān)聯(lián)，使用線性參考技術(shù)將鐵路一維里程坐標(biāo)與二維經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，反映設(shè)備空間關(guān)系，基于以上3 種方式構(gòu)建設(shè)備不同業(yè)務(wù)各環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，開展面向設(shè)備的出廠安裝、檢測監(jiān)測、日常維修、技改大修等全過程信息關(guān)聯(lián)與演繹，保障信息在空間和時間上的完整性和延續(xù)性，支持設(shè)備各環(huán)節(jié)狀態(tài)和屬性的實時記錄及跟蹤管理。

2.4 立項輔助決策

基于知識圖譜快速檢索歷史項目中設(shè)備技改大修歷史知識信息，構(gòu)建沖突檢測模型對項目中同類整治措施的設(shè)備信息、里程信息、項目年份進(jìn)行相似度分析，對比鐵路局集團(tuán)公司上報的立項設(shè)備具體信息，發(fā)現(xiàn)重復(fù)立項、違規(guī)立項等問題；綜合歷史項目批復(fù)概算、驗收計價、實施單位、實施年度等構(gòu)建項目費用估算模型，根據(jù)上報設(shè)備關(guān)鍵特征信息，預(yù)測項目費用，避免主觀估算，為項目管理人員提供輔助決策支持。

3 應(yīng)用實例

3.1 立項管理優(yōu)化實例

面向技改大修設(shè)備級立項進(jìn)行流程優(yōu)化，利用知識庫反向應(yīng)用于立項上報環(huán)節(jié)，結(jié)合已建立的規(guī)范化描述規(guī)則上報，面向設(shè)備名稱、整改方式、里程點等基本信息，實現(xiàn)多專業(yè)、多設(shè)備技改大修內(nèi)容上報，從源頭有效地提升數(shù)據(jù)粒度及標(biāo)準(zhǔn)化程度。利用自定義配置方式，支持多用戶分級審批流程，實現(xiàn)設(shè)備各部門數(shù)據(jù)整合共享和業(yè)務(wù)協(xié)同服務(wù)，提高立項審批流程的可移植性和智能化程度。面向設(shè)備級的項目立項上報界面如圖5 所示。

圖5 面向設(shè)備級的項目立項上報界面Fig.5 Interface of device-level project initiation and reporting

3.2 技改大修設(shè)備時空關(guān)聯(lián)實例

開展技改大修設(shè)備時空關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合鐵路地理信息專業(yè)地圖，實現(xiàn)設(shè)備地圖定位?；谠O(shè)備全數(shù)據(jù)鏈條，支持統(tǒng)一數(shù)據(jù)查詢語言，同時檢索設(shè)備臺賬、檢測維修、技改大修等多個數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)表及文本內(nèi)容，大幅提升檢索準(zhǔn)確度及效率。技改大修設(shè)備時空關(guān)聯(lián)圖如圖6所示。

圖6 技改大修設(shè)備時空關(guān)聯(lián)圖Fig.6 Spatiotemporal correlation diagram of technical reform and overhaul equipment (taking a certain equipment as an example)

3.3 立項沖突檢測實例

結(jié)合設(shè)備技術(shù)改造和大修歷史立項數(shù)據(jù)，上傳擬立項項目設(shè)備名稱及整改方式，利用沖突檢測模型挖掘該設(shè)備歷史技改大修情況，結(jié)合里程信息以圖形化方式直觀展示，如果存在重復(fù)立項情況以不同顏色色塊進(jìn)行展示，支持提醒長期未開展技改大修的設(shè)備及時開展整治工作，同時列出技改大修項目詳情及文件內(nèi)容，該分析應(yīng)用代替原有手動查閱資料對比工作，大大提高決策精度。立項沖突檢測如圖7所示。

圖7 立項沖突檢測Fig.7 Project initiation conflict detection

4 結(jié)束語

在既有系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過開展高速鐵路技改大修精細(xì)化管理需求分析，深化精細(xì)化管理總體框架，開展技改大修知識庫構(gòu)建、基于流程優(yōu)化的立項管理設(shè)計、技改大修設(shè)備時空關(guān)聯(lián)、立項輔助決策等關(guān)鍵技術(shù)研究，結(jié)果表明，應(yīng)用實例形成了一套業(yè)務(wù)實踐與數(shù)據(jù)、知識體系之間的“閉環(huán)反饋”的體系，提升了技改大修管理精細(xì)化程度，充分挖掘數(shù)據(jù)潛在價值并開展輔助決策。下一步擬開展技改大修造價分析及后評價分析，不斷拓展技改大修輔助決策應(yīng)用。