基于三維GIS技術的工務線路質量閉環(huán)管理模式應用研究

■ 羅志權 郭琦 梁棟 羅永亮

基于三維GIS技術的工務線路質量閉環(huán)管理模式應用研究

■ 羅志權 郭琦 梁棟 羅永亮

以三維GIS作為技術支持，依托海南東環(huán)線線路設備以及檢測數(shù)據(jù)，基于三維GIS鐵路固定設施生產(chǎn)管理系統(tǒng)，探索研究工務線路質量閉環(huán)管理模式在系統(tǒng)中的應用。通過對工務線路質量閉環(huán)管理的廣泛調(diào)研，提出工務線路質量閉環(huán)管理在三維GIS鐵路固定設施生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的功能應用并總結其特點，研究線路質量分析應用于系統(tǒng)功能的邏輯算法。實踐表明，工務線路質量閉環(huán)管理模式通過結合三維地圖展示使線路缺陷查詢管理更為直觀；閉環(huán)管理模式應用于系統(tǒng)功能能夠良好覆蓋鐵路養(yǎng)護維修的各個過程體系，符合中國鐵路總公司維修體制改革的各項規(guī)范，進一步提高業(yè)務效率與數(shù)據(jù)精準度，以期為鐵路工務系統(tǒng)安全生產(chǎn)工作作出貢獻。

三維；GIS技術；固定設施；生產(chǎn)管理；融合算法；閉環(huán)管理；養(yǎng)護維修

鐵路運營安全已成為我國政府和廣大群眾最為關注的內(nèi)容之一，但傳統(tǒng)的生產(chǎn)維修管理手段已難以應對里程、運量與安全級別不斷增加的需求。對于鐵路設備管理部門亟需尋求新的、更加有效的管理手段，及時掌握設備狀態(tài)及其周邊環(huán)境，合理制定維修計劃，有效處理設備的漸進性缺陷與突發(fā)性故障，降低鐵路沿線的地形、地質、自然環(huán)境等條件對生產(chǎn)維修的影響，減少設備維修維護對本專業(yè)其他設備設施、外專業(yè)關聯(lián)設備設施的影響［1］。

工務線路質量閉環(huán)管理模式是鐵路工務系統(tǒng)近年來根據(jù)中國鐵路總公司維修體制改革要求逐漸推廣的新型管理模式［2-3］，它將過往鐵路養(yǎng)護維修相對獨立的各個工作階段徹底關聯(lián)起來，建立流轉機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與履歷追溯，進一步提高養(yǎng)護維修工作效率以及作業(yè)精準度［4］?；谌SGIS鐵路固定設施生產(chǎn)管理系統(tǒng)，提出了一整套工務線路質量閉環(huán)管理模式在系統(tǒng)中應用的解決方案，并結合海南東環(huán)線設備數(shù)據(jù)以及線路檢測數(shù)據(jù)進行實踐驗證。

1 工務線路質量閉環(huán)管理模式

1.1 基本內(nèi)容

工務線路質量閉環(huán)管理是鐵路養(yǎng)護維修中一種重要的管理模式，同時也是一個完整的過程體系（見圖1），通過以下步驟完成鐵路養(yǎng)護維修的閉環(huán)管理，從而確保線路質量安全工作的順利開展。（1）按照線路設備的檢測周期采用各種檢測儀器及檢測手段對線路幾何尺寸以及其他安全參數(shù)進行檢測；（2）通過線路質量分析，將得到的檢測結果數(shù)據(jù)按照一定的分析邏輯加以分析利用，得到針對性的分析結果數(shù)據(jù)；（3）將這些分析結果匯總、篩選，形成對應的鐵路線路整治辦法，并最終派工到日常維修作業(yè)中去；（4）通過下一次的檢測結果來驗證上一次維修作業(yè)的有效性，指導接下來的維修作業(yè)；（5）將線路設備的檢測結果以及維修反饋登記在案，形成線路設備履歷可供追溯。

圖1 閉環(huán)管理模式示意圖

1.2 功能概述

根據(jù)中國鐵路總公司維修體制改革辦法［5］對工務線路質量安全管理要求的闡述，總結出適用于工務線路質量安全管理辦法的線路質量閉環(huán)管理功能［6］，其中包括：線路設備管理、檢測數(shù)據(jù)管理、線路質量分析、維修計劃管理、設備單元履歷等幾大功能，且功能間實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通與流程卡控，具體功能操作流程見圖2。

圖2 閉環(huán)管理操作流程示意圖

1.2.1 線路設備管理

工務線路設備主要包括鋼軌、曲線、道岔、軌枕等。線路設備管理主要是針對鐵路養(yǎng)護維修作業(yè)中的相關設備的定位信息以及設備基本參數(shù)進行管理，為之后的線路質量分析提供基礎數(shù)據(jù)支持與分析依據(jù)。

1.2.2 檢測數(shù)據(jù)管理

線路設備檢測是閉環(huán)管理的起始階段，主要是按照線路設備的檢測周期采用各種檢測儀器及檢測手段對線路幾何尺寸以及其他安全參數(shù)進行檢測并登記。采用的檢測儀器主要包括軌檢儀、車載式添乘儀、軌檢車等。將這些檢測數(shù)據(jù)按照動態(tài)和靜態(tài)進行分類管理，并建立審核發(fā)布機制，從而為線路質量綜合分析提供真實有效的數(shù)據(jù)來源。

1.2.3 線路質量分析

線路質量分析是工務線路質量閉環(huán)管理中承上啟下的重要階段。采用不同的分析方法對檢測數(shù)據(jù)進行不同算法邏輯的數(shù)據(jù)計算，得到針對性的分析結果，再將這些分析結果匯總、篩選，形成相應的鐵路線路整治辦法。線路質量分析主要有3種方法：線路不平順度分析、集中修大機搗固分析、設備單元化分析，3種分析方法都會產(chǎn)生對應的線路問題缺陷區(qū)段以及整治建議，為維修計劃的制訂提供依據(jù)。

（1）線路不平順度分析（動靜態(tài)分析）。線路不平順度分析是通過設定動態(tài)的單元長度去查找單元長度內(nèi)各種檢測結果中的問題缺陷點，通過設定不同的問題等級扣分來計算單元長度內(nèi)總扣分值，并與分析人員設定的動態(tài)扣分閾值相比較，如果超過閾值則將此單元區(qū)域判定為問題區(qū)段并輸出。如果相鄰的問題區(qū)段距離長度小于分析人員設定的間距長度閾值，則將相鄰的問題區(qū)段合并，最終將線路里程范圍內(nèi)所有的問題區(qū)段輸出流轉到維修計劃管理處，為計劃制訂提供數(shù)據(jù)支持。

（2）集中修大機搗固分析。集中修大機搗固分析是采用軌檢車TQI以及軌檢車超限檢測數(shù)據(jù)通過區(qū)分不同線路速度等級的因素設定幾何尺寸的峰值閾值，當檢測結果的幾何尺寸峰值超過設定閾值，則將軌檢車TQI 200 m單元輸出為缺陷區(qū)段，并根據(jù)超過閾值的數(shù)據(jù)大小來判定線路搗固的遍數(shù)，最后將首尾相連的有缺陷的200 m區(qū)段進行融合，得到最終搗固建議輸出，作為線路集中修搗固作業(yè)的數(shù)據(jù)支持。

（3）線路設備單元化分析。線路設備單元化分析是按照線路設備特征以及線路速度等級將線路劃分為連續(xù)的線路設備單元，并建立相應的設備單元履歷。每月月初采用軌檢車、軌檢儀、機車報警等檢測結果數(shù)據(jù)按照設定的權值系數(shù)相乘得到總的單元評分，根據(jù)評分范圍判定當月的單元質量評價，并把最終的評價得分和評價等級加入線路設備單元履歷供追溯查詢，通過線路設備單元履歷可以直觀查詢該單元一段時間內(nèi)的質量變化。

（4）維修計劃管理。通過線路質量分析得到的分析結果最終將流轉到計劃的制訂中，并與分析結果相關聯(lián)，當計劃流轉執(zhí)行完成后，分析結果狀態(tài)也會相對應地變化。鐵路維修作業(yè)人員根據(jù)計劃內(nèi)容進行實際現(xiàn)場作業(yè)，并將實際作業(yè)情況反饋到計劃中保存以供追溯。

2 線路質量分析算法研究

通過線路質量分析最終得到的線路問題區(qū)段往往呈現(xiàn)不均勻性分布，部分里程段問題缺陷密集，且具有相同的線路特征以及問題誘因，按照鐵路維修規(guī)范應該視為一個問題統(tǒng)一處理［7］。因此，線路質量分析缺陷區(qū)段融合算法以及算法參數(shù)的驗證也成為課題研究的內(nèi)容。通過反復調(diào)整融合算法邏輯以及融合算法參數(shù)得到測試結果數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際情況相比對，最終確定了融合算法的邏輯與算法參數(shù)如下：

以初始缺陷里程點作為起點，按里程從小到大排序查找下一個里程點，若2個里程點間距小于融合里程參數(shù)值，則2個里程點之間形成缺陷里程區(qū)段，之后以第2個里程點作為起點繼續(xù)按照順序查找，直到與下一個里程點間距大于融合里程參數(shù)值時，取最后一個里程點作為當前缺陷區(qū)段終點，然后再次以下一個缺陷里程點作為下一段缺陷里程區(qū)段起點。

圖3 融合算法參數(shù)驗證步驟示意圖

如圖3所示，根據(jù)動靜態(tài)分析的業(yè)務需求，以及融合算法的基本思路，結合海南東環(huán)線實際融合里程參數(shù)單一變量驗證結果的數(shù)據(jù)分析（見圖4），可以得出以下結論：在4組數(shù)據(jù)中前2組百分比取較低值，后2組百分比取較高值。當參數(shù)值取30 m時，融合算法得出的一系列缺陷區(qū)段數(shù)據(jù)能夠更全面覆蓋線路上的缺陷數(shù)據(jù)，更好反應線路上的包括添乘儀晃車、軌檢儀臨時補修、機車報警等缺陷情況，更有效地指導維修派工工作。

3 基于三維GIS鐵路固定設施生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能的應用

3.1 設備管理

設備管理模塊支持在三維場景中加載鐵路設施設備精細三維模型，并將設施設備模型與相關對象信息關聯(lián)，進行直觀可視化管理與查詢，提高管理工作效率和質量（見圖5）。主要包括線上設備車站、區(qū)間、道岔、曲線、橋梁、隧道、道床、變動所等，支持相關設備查詢、定位、標識、信息及相關專題圖顯示。

3.2 檢測數(shù)據(jù)管理

根據(jù)檢測原始數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術，完成綜合設施關鍵數(shù)據(jù)分析模型的建立，以提高線路質量和檢修效率。支持在三維場景沿線動態(tài)標識相關線路檢控結果地理位置，添加相關標注，關聯(lián)相關信息，從而進行可視化管理與查詢，提高管理工作效率和質量（見圖6）。

3.3 線路質量分析

圖4 參數(shù)驗證百分比線形圖

圖5 設備管理案例

圖6 檢測數(shù)據(jù)管理案例

線路質量分析分3大功能，數(shù)據(jù)來源于添乘儀、軌檢儀、軌檢車等檢測數(shù)據(jù)，綜合考慮失效連接零件等因素，能夠自動計算出重點病害與病害集中區(qū)域，并給予評價，給出整治建議。同時支持相關分析結果信息查詢、定位、標識、嚴重級別篩選、以及相關專題圖如統(tǒng)計圖、趨勢圖、線路技術圖、車站配線圖等專題圖的查詢顯示。線路質量分析功能案例見圖7。

圖7 線路質量分析案例

3.4 維修計劃管理查詢

通過線路質量分析得到的分析結果最終將流轉到計劃的制訂中，最后與分析結果相關聯(lián)。作業(yè)管理模塊支持在三維場景沿線動態(tài)標識相關作業(yè)地理位置、添加相關標注、關聯(lián)作業(yè)信息，從而進行可視化管理與查詢，同時支持相關作業(yè)位置定位、標識、信息及相關專題圖的查詢（見圖8）。

4 結束語

依托于海南東環(huán)線線路設備以及檢測數(shù)據(jù)，基于三維GIS鐵路固定設施生產(chǎn)管理系統(tǒng)，探索了工務線路質量閉環(huán)管理在系統(tǒng)中應用的解決方案，取得以下成果：

（1）將鐵路設施設備三維建模后，通過在三維GIS平臺中集成，并建立與后臺設備臺賬的關聯(lián)，實現(xiàn)了鐵路設施設備所見即所得的查詢方式。

圖8 維修計劃管理查詢

（2）整合線路綜合圖、站場配線圖等多種專題圖，實現(xiàn)圖紙數(shù)字化，并與三維GIS集成，實現(xiàn)專題圖內(nèi)容的速查及其與安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合查詢。

（3）采用多種檢測手段為系統(tǒng)算法提供各種檢測數(shù)據(jù)，最大程度地消除信息孤島現(xiàn)象；采用多種峰值管理、扣分管理以及創(chuàng)新建立質量分析缺陷區(qū)段里程融合等邏輯算法實現(xiàn)全面的線路質量分析功能，最大程度地提供線路質量安全保障。

（4）系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)結合三維地圖展示使線路缺陷查詢管理更為直觀，并提供誘因分析、維修建議等功能實現(xiàn)了缺陷分析維修與計劃的關聯(lián)，完成工務線路質量的閉環(huán)管理，符合鐵路局維修體制改革的各項規(guī)范。

［1］ 廖林勇. 淺議鐵路工務安全管理存在的問題及對策［J］. 安全生產(chǎn)與監(jiān)督，2004（5）：37-38.

［2］ 鐵總運［2013］60號 中國鐵路總公司關于加強和改進工務普速線路維修管理工作的通知［S］.

［3］ 徐貴紅，陶凱，劉金朝，等. 鐵路工務安全生產(chǎn)管理分析系統(tǒng)［J］. 鐵路技術創(chuàng)新，2015（2）：27-30.

［4］ 莊小靜. 鐵路線路檢養(yǎng)修體制改革的實踐［J］. 環(huán)球市場信息導報，2015（19）：62.

［5］ 中國鐵路總公司. 鐵路技術管理規(guī)程［M］. 北京：中國鐵道出版社，2014.

［6］ 葉茂瑞，莫善軍，黃凱，等. 鐵路工務安全信息集成方法研究［J］. 鐵道運輸與經(jīng)濟，2007，29（7）：39-42.

［7］ 胡傳亮，劉振東. 事件數(shù)分析法在鐵路工務施工安全管理中的運用［J］. 赤子，2013（2）：129-130.

羅志權：海南高速鐵路有限公司，高級工程師，海南 海口，570125
郭 琦：海南高速鐵路有限公司，工程師，海南海口，570125
梁 棟：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，助理工程師，四川 成都，610031
羅永亮：中國中鐵二院工程集團有限責任公司，助理工程師，四川 成都，610031

責任編輯 李葳

U216.2；TP29

A

1672-061X（2016）03-0046-06

中國中鐵二院工程集團有限責任公司課題項目（14126211（14-15））。