道岔大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任京楠，陳金澤，王東妍，吳 霞，姜 帥

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 寧波工務(wù)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(yùn)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(diǎn)。道岔是鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多種道岔大軌件（簡稱：大軌件），如基本軌、尖軌、轍叉、護(hù)軌、導(dǎo)曲等[1]。列車通過道岔時(shí)，會因?yàn)樽陨泶嬖诘慕Y(jié)構(gòu)不平順性，引起車輪和軌道發(fā)生多點(diǎn)接觸，使道岔承受較大的沖擊力，導(dǎo)致行車的安全性與舒適性下降，因此，大軌件的服役壽命遠(yuǎn)小于區(qū)間線路的鋼軌壽命[2]。2022 年，各鐵路局集團(tuán)公司的道岔統(tǒng)計(jì)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(hù)維修任務(wù)更是占據(jù)了工務(wù)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(hù)維修方式下，大軌件運(yùn)營維護(hù)（簡稱：運(yùn)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(hù)情況實(shí)行紙面人工記錄，易產(chǎn)生數(shù)據(jù)更新不及時(shí)、錯(cuò)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(hù)數(shù)據(jù)的可靠性與實(shí)時(shí)性。

李曉東[4]從簡化統(tǒng)一道岔型號與標(biāo)準(zhǔn)、跨鐵路局集團(tuán)公司區(qū)域聯(lián)儲、強(qiáng)化大軌件壽命周期分析、預(yù)測庫存需求、建立庫存評價(jià)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(jī)制、統(tǒng)一道岔標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化評價(jià)體系等4 個(gè)方面，提出了優(yōu)化鐵路工務(wù)線上料庫存的實(shí)施路徑；王司東[6]設(shè)計(jì)了基于BeX5 平臺的工務(wù)線路維修管理系統(tǒng)，登記道岔病害，并進(jìn)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(tuán)有限公司研制的大軌件全壽命智能管理信息平臺，設(shè)計(jì)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(yùn)維管理需求。因此，本文設(shè)計(jì)一套大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)，實(shí)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(jìn)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(fù)利用程度，增強(qiáng)大軌件管理效率，降低維護(hù)人員勞動強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在鐵路綜合信息網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱：國鐵集團(tuán)）、鐵路局集團(tuán)公司、站段、車間、工區(qū)的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shí)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(shí)時(shí)、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。基于具有網(wǎng)格計(jì)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(bào)表中間件完成各類報(bào)表的制作。

1.1.4 服務(wù)層

服務(wù)層包含通信服務(wù)、接口服務(wù)、地理信息服務(wù)、空間服務(wù)和平臺服務(wù)，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(tuán)公司的特殊業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行服務(wù)的二次開發(fā)。

1.1.5 應(yīng)用與訪問層

應(yīng)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(jì)劃管理、作業(yè)管控等5 個(gè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)項(xiàng)目等公用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）、業(yè)務(wù)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(jì)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?jǐn)⑹鰯?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(jì)

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(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化采集，對大軌件服役狀態(tài)進(jìn)行量化分析，輔助大軌件維修生產(chǎn)計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)要梳理大軌件部位字典，并盡量細(xì)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(gè)大軌件生成對應(yīng)的二維碼。通過將二維碼固定在現(xiàn)場對應(yīng)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(shí)時(shí)查詢其當(dāng)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(fù)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)不同階段、不同來源的多種檢測監(jiān)測報(bào)警數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)間，使用可調(diào)權(quán)重算法對大軌件狀態(tài)進(jìn)行量化評分，綜合分析其劣化趨勢，找出病害成因，篩選重點(diǎn)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(diǎn)病害地段和大軌件缺陷。同時(shí)，建立針對病害發(fā)生地點(diǎn)的歷史超限數(shù)據(jù)和生產(chǎn)計(jì)劃的追蹤功能，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)病害的數(shù)據(jù)追蹤與分析。

2.4 生產(chǎn)計(jì)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(xiàng)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(jì)劃，最后由日計(jì)劃引入兌現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)了年/月計(jì)劃的自動生成、計(jì)劃日期變更、審批、匯總、兌現(xiàn)統(tǒng)計(jì)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(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場作業(yè)人員的運(yùn)行軌跡，并進(jìn)行作業(yè)監(jiān)控，對超出作業(yè)范圍的情況進(jìn)行報(bào)警，事后可追蹤查看作業(yè)人員的運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)從選定起始點(diǎn)到終止點(diǎn)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(jìn)行分析后，將作業(yè)詳細(xì)指標(biāo)信息、安全措施落實(shí)情況和分析結(jié)果等錄入系統(tǒng)，并統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)備、人員到崗、工機(jī)具上下道、關(guān)鍵工序控制和進(jìn)出工作門等施工維修各環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，將現(xiàn)場情況以錄音、照片、錄像的形式進(jìn)行詳細(xì)記錄。若當(dāng)前作業(yè)包含更換大軌件的項(xiàng)目，作業(yè)人員可通過掃碼，對服役中/備用的大軌件進(jìn)行信息狀態(tài)更新，包含下道時(shí)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(yùn)用資產(chǎn)管理理念，結(jié)合運(yùn)行維護(hù)期間專業(yè)設(shè)備的修程修制，實(shí)現(xiàn)了大軌件從生產(chǎn)至報(bào)廢的全生命周期管理和從臨時(shí)修、計(jì)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(shí)效性和確定性，實(shí)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(jià)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(xì)化管理

有別于以往的整組道岔評價(jià)，本文將管理細(xì)化至大軌件的各部位，提升數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)用性，能夠準(zhǔn)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(xué)指導(dǎo)維修計(jì)劃的編制與實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)。根據(jù)大軌件的累計(jì)通過總重，判斷各線路運(yùn)營壓力，更換設(shè)備時(shí)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的精準(zhǔn)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(xì)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(jìn)行設(shè)備上下道操作，并完善相應(yīng)信息，使大軌件信息得到及時(shí)、規(guī)范更新，節(jié)約人工填報(bào)時(shí)間。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互提升了作業(yè)效率與工作人員的作業(yè)體驗(yàn)。

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(shí)時(shí)傳輸，以國鐵集團(tuán)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(wù)端解析數(shù)據(jù)包并加密數(shù)據(jù)內(nèi)容。讀寫文件時(shí)，基于HTTP 協(xié)議，采用對稱加密、用戶密鑰驗(yàn)證的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保信息傳輸?shù)谋Ｃ苄浴?shù)據(jù)交換的完整性、發(fā)送信息的不可否認(rèn)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(yīng)用

本系統(tǒng)于2023 年6 月在中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司某工務(wù)段試點(diǎn)應(yīng)用，取得良好的試用效果。該工務(wù)段管界范圍內(nèi)共600 余組道岔，細(xì)分成6 000余個(gè)大軌件，系統(tǒng)通過臺賬管理功能對大軌件當(dāng)前狀態(tài)與歷史信息等進(jìn)行精細(xì)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(zhǔn)修、狀態(tài)修提供決策支持。基于大軌件的服役時(shí)長、通過總重、該線路列車運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)，分析線路運(yùn)營強(qiáng)度，當(dāng)需要進(jìn)行大軌件更換作業(yè)時(shí)，對該位置相鄰大軌件的型號匹配、線路運(yùn)營強(qiáng)度、備用大軌件狀態(tài)進(jìn)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了大軌件全生命周期管理信息系統(tǒng)，細(xì)化大軌件部位，實(shí)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(yīng)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(jìn)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(jìn)行試點(diǎn)，并深入調(diào)研各單位的個(gè)性化需求，進(jìn)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(jià)值。