重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張壽康，姜尚炎，陶 凱，白亞偉

（1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100080；2.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；3.成都唐源電氣股份有限公司，成都 610045）

重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路運(yùn)輸中占有重要地位，對推動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用[1]。數(shù)字化、智能化、可持續(xù)化已成為全球鐵路未來發(fā)展的重要方向，許多國家都在積極推動大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)等新技術(shù)與鐵路業(yè)務(wù)的深度融合[2-3]。

智慧重載鐵路系統(tǒng)包括智能運(yùn)營、智能裝備運(yùn)用、基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)營維護(hù)（簡稱：運(yùn)維）和智能管理等4個方面[1]。供電設(shè)備智能運(yùn)維可實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備的全面智能監(jiān)控、智能運(yùn)維和全生命周期管理[4]，是基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維的重要組成部分。

當(dāng)前，我國重載鐵路各供電工隊(duì)在維修作業(yè)的生產(chǎn)組織和生產(chǎn)作業(yè)過程中，常用的信息系統(tǒng)均需要在PC端進(jìn)行操作，操作終端類型單一[5]。由于供電工隊(duì)大部分作業(yè)在施工現(xiàn)場，現(xiàn)場維修人員通常用紙筆在現(xiàn)場記錄作業(yè)情況，待維修結(jié)束后，再使用信息系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)情況的轉(zhuǎn)錄[6]；同時，在供電設(shè)備維修過程中，對人身安全和設(shè)備安全的要求越來越高，對安全作業(yè)的管理越來越規(guī)范，傳統(tǒng)的管理手段難以在安全管理方面做到百無一漏。因此，我國重載鐵路亟需實(shí)現(xiàn)供電設(shè)施智能化運(yùn)維，利用移動應(yīng)用技術(shù)提升智能化管理水平。

本文基于智慧重載鐵路體系框架，進(jìn)行了重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)維修作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高數(shù)據(jù)采集效率，確保采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性[7]，同時，對現(xiàn)場作業(yè)流程的各環(huán)節(jié)進(jìn)行安全卡控，提高供電維修作業(yè)的安全系數(shù)。

1 移動應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用的架構(gòu)包括中央認(rèn)證服務(wù)（CAS，Central Authentication Service）統(tǒng)一認(rèn)證、企業(yè)應(yīng)用層、隔離區(qū)（DMZ，Demilitarized Zone）、移動應(yīng)用層、移動服務(wù)層及終端用戶層[8]，如圖1所示。

圖1 重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用總體架構(gòu)

（1）CAS統(tǒng)一認(rèn)證：處于鐵路綜合信息網(wǎng)（簡稱：內(nèi)網(wǎng)）的移動應(yīng)用和移動應(yīng)用層均使用CAS統(tǒng)一認(rèn)證進(jìn)行身份認(rèn)證，移動應(yīng)用請求的業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口需要先驗(yàn)證請求的數(shù)據(jù)中是否包含用戶憑證，以及用戶憑證是否有效，驗(yàn)證成功后方可授權(quán)訪問該數(shù)據(jù)接口。

（2）企業(yè)應(yīng)用層：制定內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)與供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，如安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，必須遵循標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)與供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用間的數(shù)據(jù)交互。

（3）DMZ：處于互聯(lián)網(wǎng)的移動終端直接與內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，必須在DMZ部署生產(chǎn)計(jì)劃接口轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備接口轉(zhuǎn)發(fā)和統(tǒng)一用戶接口轉(zhuǎn)發(fā)的反向代理接口。移動終端采集的數(shù)據(jù)先經(jīng)過DMZ的反向代理接口，再經(jīng)過安全隔離網(wǎng)閘與內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以保障數(shù)據(jù)交互的安全性。

（4）移動應(yīng)用層：移動應(yīng)用層由安全保障、業(yè)務(wù)功能和統(tǒng)一API（Application Programming Interface）等組件構(gòu)成，支撐移動終端與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)間數(shù)據(jù)請求與訪問的業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)解析與UI（User Interface）展示。該層提供UI開發(fā)規(guī)范、數(shù)據(jù)安全請求標(biāo)準(zhǔn)、文件上傳存儲、常用開發(fā)工具等。

（5）移動服務(wù)層：提供企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)配置的各種安全措施，包括防火墻、防病毒網(wǎng)關(guān)、安全隔離網(wǎng)閘及移動運(yùn)營商提供的4G/5G網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi[9]。內(nèi)網(wǎng)終端設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備通信時，必須通過安全隔離網(wǎng)閘、防火墻及防病毒等安全設(shè)備的隔離和防護(hù)，消除連接互聯(lián)網(wǎng)帶來的安全風(fēng)險和隱患。

（6）終端用戶層：為移動終端用戶提供功能展示和操作服務(wù)，用戶可通過移動終端完成移動應(yīng)用提供的各項(xiàng)在線業(yè)務(wù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用既需要與互聯(lián)網(wǎng)連接，又需要與在內(nèi)網(wǎng)中運(yùn)行的其他應(yīng)用系統(tǒng)連接。因此，該移動應(yīng)用需要通過安全防護(hù)設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩雷o(hù)隔離后，再與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接[8]。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

后臺服務(wù)及應(yīng)用系統(tǒng)部署在內(nèi)網(wǎng)區(qū)域的應(yīng)用服務(wù)器上，后方辦公用戶和終端用戶通過內(nèi)網(wǎng)訪問應(yīng)用系統(tǒng)；移動終端用戶通過互聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)過防火墻與處于DMZ的業(yè)務(wù)代理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，業(yè)務(wù)代理服務(wù)器通過安全隔離網(wǎng)閘與應(yīng)用服務(wù)器后臺服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；利用安全隔離網(wǎng)閘的數(shù)據(jù)文件無協(xié)議“擺渡”功能，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)物理上的隔離，基于DMZ的業(yè)務(wù)代理服務(wù)器只保存少量特定企業(yè)數(shù)據(jù)的特性，保障內(nèi)網(wǎng)和數(shù)據(jù)的安全。

1.3 系統(tǒng)功能

重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用的功能包括由作業(yè)指揮、作業(yè)過程控制、臺賬填寫和資料查詢?，F(xiàn)場作業(yè)人員通過移動終端，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)控、作業(yè)全過程跟蹤、作業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制、維修臺賬填寫、各類作業(yè)資料快捷查詢等功能。其功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用功能架構(gòu)

1.3.1 作業(yè)指揮

作業(yè)指揮包括組員即時通信、應(yīng)急值守?fù)屝?、音視頻通信和人員定位信息等功能。

1.3.1.1 組員即時通信

主要實(shí)現(xiàn)駐站組、地線組、作業(yè)組與工作領(lǐng)導(dǎo)人之間的通信。駐站組在天窗命令、要令及銷令后，將相關(guān)單據(jù)拍照發(fā)送給工作領(lǐng)導(dǎo)人，工作領(lǐng)導(dǎo)人接收后向組員發(fā)布下一步作業(yè)指令；地線組與工作領(lǐng)導(dǎo)人主要進(jìn)行的通信有：作業(yè)前工具材料清點(diǎn)、抵達(dá)掛接地線位置、接收掛接地線指令、地線掛接完畢、接收拆除地線指令、地線拆除完畢、作業(yè)后工具材料清點(diǎn)、撤離線路完成等；作業(yè)組與工作領(lǐng)導(dǎo)人間的主要通信有：到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)確認(rèn)、作業(yè)前工具材料清點(diǎn)、接收進(jìn)入封鎖區(qū)指令、接收開始作業(yè)指令、接收停止作業(yè)指令、作業(yè)后工具材料清點(diǎn)、撤離線路完成等。

1.3.1.2 應(yīng)急值守?fù)屝?/p>

應(yīng)急值班員每日上報本值守點(diǎn)當(dāng)日人員信息，當(dāng)發(fā)生搶修任務(wù)時，供電調(diào)度發(fā)布搶修命令到相應(yīng)值守點(diǎn)，應(yīng)急搶修人員可在移動應(yīng)用中查看搶修任務(wù)信息、搶修路徑、作業(yè)門分布、搶修工具材料清單、參與人員等信息，到達(dá)現(xiàn)場后可與供電調(diào)度進(jìn)行音視頻通話，反饋現(xiàn)場情況、接收作業(yè)指令。應(yīng)急值守?fù)屝薰δ艿膽?yīng)急指揮處理界面如圖4所示。

圖4 應(yīng)急值守?fù)屝薰δ艿膽?yīng)急指揮處理界面示意

1.3.1.3 音視頻通信

音視頻通信功能支持點(diǎn)對點(diǎn)通信和群組通信。其中，群組通信可把相關(guān)作業(yè)人員組建成一個群組，實(shí)時發(fā)布和接收作業(yè)指令，群組內(nèi)的文字、圖片、音視頻保留歷史數(shù)據(jù)備查。

1.3.1.4 人員定位信息

供電工隊(duì)人員登錄移動應(yīng)用后，將位置信息實(shí)時發(fā)送至后臺，工作領(lǐng)導(dǎo)人及搶修指揮人員可在后臺查看作業(yè)組成員的實(shí)時位置信息。

1.3.2 作業(yè)過程控制

工作領(lǐng)導(dǎo)人、地線組、作業(yè)組、駐站組使用移動終端，分別對線路封鎖和解封時間、地線掛接和拆除時間、作業(yè)前后材料清點(diǎn)完成情況、駐站登記及天窗時間依照各作業(yè)環(huán)節(jié)順序進(jìn)行填報，數(shù)據(jù)在小組間實(shí)時共享，卡控各作業(yè)環(huán)節(jié)順序，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，保障作業(yè)現(xiàn)場各作業(yè)環(huán)節(jié)安全有序。作業(yè)環(huán)節(jié)卡控流程如圖5所示。

圖5 作業(yè)環(huán)節(jié)卡控流程

工作領(lǐng)導(dǎo)人通過流程把控駐站組、地線組及作業(yè)組的各個作業(yè)環(huán)節(jié)。上個作業(yè)環(huán)節(jié)結(jié)束后，工作領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)布指令給下個作業(yè)環(huán)節(jié)的負(fù)責(zé)人，令其開始作業(yè)，保障整個作業(yè)過程的安全有序。同時，記錄每個作業(yè)環(huán)節(jié)的起止時間，以便通過時間順序追溯當(dāng)天的作業(yè)情況。工作領(lǐng)導(dǎo)人作業(yè)流程節(jié)點(diǎn)及主界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 工作領(lǐng)導(dǎo)人流程節(jié)點(diǎn)及界面設(shè)計(jì)

1.3.3 臺賬填寫

主要實(shí)現(xiàn)全面檢修臺賬、關(guān)鍵設(shè)備檢修臺賬和作業(yè)完成統(tǒng)計(jì)表等各類作業(yè)臺賬的即時填寫，并提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能，保障臺賬數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

（1）全面檢修臺賬錄入功能可自動加載當(dāng)前檢修范圍的支柱號，逐個支柱填寫檢修臺賬內(nèi)容，也可錄入檢修過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷信息。填寫界面如圖7（a）所示。

圖7 臺賬填寫界面設(shè)計(jì)

（2）關(guān)鍵設(shè)備檢修臺賬可選擇當(dāng)前檢修范圍內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備，填寫其對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備臺賬。關(guān)鍵設(shè)備臺賬內(nèi)容默認(rèn)顯示上一次填寫的臺賬參數(shù)，本次任務(wù)需要填寫的參數(shù)以藍(lán)色顯示。填寫界面如圖7（b）所示。

（3）作業(yè)完成統(tǒng)計(jì)表主要填報檢修作業(yè)完成數(shù)量和檢修條公里數(shù)，并確認(rèn)作業(yè)流程環(huán)節(jié)中填寫的行調(diào)時間、電調(diào)時間及作業(yè)起止時間。

1.3.4 資料查詢

實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員在移動終端上對作業(yè)工作票、分工單、供電示意圖、設(shè)備資料庫等資料的查閱，現(xiàn)場作業(yè)需要圖紙資料時可及時下載查閱，給予作業(yè)人員必要的資料支持。

2 關(guān)鍵技術(shù)

重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用基于Android移動終端，融合運(yùn)用安全隔離網(wǎng)閘、音視頻通信、移動終端定位及移動應(yīng)用開發(fā)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重載鐵路供電生產(chǎn)作業(yè)的運(yùn)維智能化。

2.1 安全隔離網(wǎng)閘技術(shù)

安全隔離網(wǎng)閘主要使用在不同網(wǎng)絡(luò)之間，在進(jìn)行物理安全隔離的基礎(chǔ)上提供可靠的數(shù)據(jù)通信。利用其隔離交換單元在內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)間不同時建立連接的特性，阻斷其移動應(yīng)用層與內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的直接物理連接，確保了內(nèi)網(wǎng)的安全，為移動應(yīng)用與內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互提供了安全保障。

2.2 音視頻通信技術(shù)

供電工隊(duì)作業(yè)人員使用重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用的移動終端進(jìn)行維修作業(yè)和搶修作業(yè)時，作業(yè)組成員之間及與調(diào)度指揮人員之間，需要進(jìn)行實(shí)時的語音及視頻溝通。由于現(xiàn)場作業(yè)存在夜晚、山區(qū)、荒野等復(fù)雜環(huán)境，本文主要使用多媒體通信協(xié)議RTSP、圖像和視頻編碼技術(shù)H.264，以及音視頻增強(qiáng)技術(shù)等，基于移動運(yùn)營商的4G/5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)清晰可靠的移動應(yīng)用音視頻通信功能，提高維修和搶修作業(yè)的安全性和工作效率。

2.3 移動終端定位技術(shù)

由于供電工隊(duì)作業(yè)人員的維修和搶修作業(yè)均在戶外進(jìn)行，本移動應(yīng)用主要使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位技術(shù)+基站定位技術(shù)互補(bǔ)和協(xié)同的方式獲取位置信息，將移動終端使用人員的位置信息發(fā)送到后臺服務(wù)器，并共享給作業(yè)成員和調(diào)度指揮人員，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)人員位置的實(shí)時監(jiān)控。

2.4 移動應(yīng)用開發(fā)技術(shù)

本文基于Android移動應(yīng)用平臺，采用HTML5+Java前后端開發(fā)語言，使用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境和MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫[10-11]，開發(fā)重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)作業(yè)指揮、作業(yè)過程控制、臺賬填寫、資料查詢等移動應(yīng)用功能。

3 運(yùn)用效果

重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用于2022年9月完成研發(fā)，隨后在朔黃（朔州—黃燁）重載鐵路進(jìn)行試運(yùn)用，運(yùn)用效果良好，其功能滿足設(shè)計(jì)要求和用戶期望，安全性達(dá)到了國家能源集團(tuán)信息化安全管理要求。依托重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用，朔黃重載鐵路供電基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維實(shí)現(xiàn)了維修作業(yè)的智能化和維修流程的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.1 建立維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程

建立統(tǒng)一的維修作業(yè)流程，規(guī)范各供電工隊(duì)維修作業(yè)過程中的請點(diǎn)銷點(diǎn)、線路封鎖解封、掛接拆除地線、作業(yè)前后材料清點(diǎn)等流程環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)朔黃重載鐵路全流程的供電維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管理。

3.2 完善作業(yè)環(huán)節(jié)安全卡控措施

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的供電維修作業(yè)流程，工作領(lǐng)導(dǎo)人作為流程各環(huán)節(jié)的管控者和主要推動者，接收地線組、作業(yè)組、駐站組各環(huán)節(jié)的完成信息，確認(rèn)無誤后向下一環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)人發(fā)布作業(yè)指令，確保作業(yè)流程的有序執(zhí)行，避免流程混亂導(dǎo)致安全事件的發(fā)生。完善了供電維修作業(yè)流程環(huán)節(jié)的安全卡控手段和措施，提高了維修作業(yè)的安全系數(shù)。

3.3 實(shí)現(xiàn)作業(yè)遠(yuǎn)程指揮

工作領(lǐng)導(dǎo)人掌握對各作業(yè)小組事項(xiàng)的進(jìn)展及定位信息，通過即時音視頻通信指揮現(xiàn)場作業(yè)。應(yīng)急指揮人員掌握搶修人員位置、搶修工具材料攜帶情況等，通過音視頻通信了解搶修現(xiàn)場進(jìn)展情況，并作出判斷，指揮現(xiàn)場搶修作業(yè)。提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)朔黃重載鐵路可視化供電維修作業(yè)管理。

3.4 實(shí)現(xiàn)作業(yè)臺賬實(shí)時填寫

維修作業(yè)人員可利用作業(yè)過程間隙、作業(yè)結(jié)束后、乘坐軌道車等碎片化時間，及時填寫作業(yè)臺賬，提高維修作業(yè)數(shù)據(jù)的采集時效；對檢修臺賬填寫設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能，提高臺賬數(shù)據(jù)的合理性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了重載鐵路供電智能運(yùn)維移動應(yīng)用，解決了重載鐵路各供電工隊(duì)在維修作業(yè)過程中數(shù)據(jù)重復(fù)記錄與錄入、現(xiàn)場作業(yè)流程不標(biāo)準(zhǔn)、安全管理手段比較落后等問題，實(shí)現(xiàn)了維修作業(yè)流程的標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高了數(shù)據(jù)采集效率，掌握了維修作業(yè)人員的實(shí)時位置，并實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場作業(yè)關(guān)鍵安全環(huán)節(jié)的卡控，增強(qiáng)了維修作業(yè)的安全管理。在朔黃重載鐵路的運(yùn)用效果表明，該移動應(yīng)用有效保障了朔黃重載鐵路供電設(shè)備運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。