重載鐵路路基工務管理平臺設計和應用

賈慧軍

（國能包神鐵路有限責任公司，鄂爾多斯 017000）

近年來，各國鐵路都面臨著運輸需求增長快速化、運輸服務定制化、運輸安全泛在化等挑戰。在鐵路運輸基礎設施供應能力相對固定的前提下，通過采用新一代信息技術大幅提升鐵路運輸組織效率效益已成為各國鐵路發展的必由之路。在重載鐵路相關研究上，宋宗瑩等人[1]提出了智慧重載鐵路系統框架，對智慧重載鐵路系統的發展戰略進行了探討；代春平[2]采用大數據、BIM 和GIS 技術構建了重載鐵路工務設備全壽命周期管理系統，實現重載鐵路工務數字化、精細化管理；段培勇[3]基于移動GIS 技術，對重載鐵路工務設備智能巡檢終端架構進行了設計；王鵬等人[4]設計了重載鐵路線橋隧一體化巡檢系統，利用無人機巡檢為重載鐵路工務設備智能運維輔助決策提供數據支撐。以上研究均是針對重載鐵路整體信息化架構進行設計，缺乏重載鐵路路基工務信息化管理的相關研究。

在運輸需求日益增長的情況下，眾多修建年代久遠的重載鐵路信息化水平較低，在路基工務管理過程中，日常巡檢、專項檢查、春秋檢等病害檢查工作需要打印填寫相關檢查報表單，在完成維修后還需要進行繁雜的銷項工作，數字化程度低、重復勞動多，亟待信息化優化；此外，由于多年高負荷運營，作為大部分重載鐵路主要工程結構物的路基，更是面臨著嚴峻挑戰。因此，亟待使用信息化手段對以檢查、維修為核心的重載鐵路路基工務管理方法進行升級改造。以可視化[5]、智能運營維護（簡稱：運維）[6]、機器學習[7]、路基服役狀態綜合評估[8-9]等技術為代表的信息化賦能手段，為路基工務智能化升級提供了理論基礎與落地支撐。

本文結合重載鐵路路基工務管理實際需求與鐵路路基服役狀態影響因素，設計重載鐵路路基工務管理平臺，進一步提高工務管理效率和質量、保障路基運維安全。

1 平臺設計

1.1 總體架構

重載鐵路路基工務管理平臺總體架構可以分為用戶訪問層、業務應用層、基礎服務層、數據資源層和設施層，如圖1 所示。

圖1 重載鐵路路基工務管理平臺總體架構

1.1.1 設施層

以云計算后臺為支撐，具備高度可靠性、可擴展性、靈活性及安全性，對用戶需求實現快速響應；通過無人機、激光雷達進行數字孿生模型的逆向建模，所生產的模型用于各類數據掛接與可視化渲染；利用監測傳感器和信息采集終端獲取鐵路路基狀態情況。

1.1.2 數據資源層

包含了路基病害、路基評估、路基算法、路基維修、三維模型等多種類型數據，通過統一的數據模型進行組織和管理，提供高效、安全、可靠的數據訪問和管理服務，以支持平臺各種業務功能。該層采用數據庫和存儲技術，提供高性能、高可用性、高擴展性的數據處理和存儲服務；支持查詢、分析、挖掘、導出等靈活的數據訪問方式，以滿足不同業務需求；此外，還具備數據安全、數據備份、容災恢復等功能，保證數據的完整性和可靠性。

1.1.3 基礎服務層

以統一時空基礎為技術核心，提供了物聯網傳感器數據接入服務，保證各類物聯網設備的數據回傳；提供三維數字孿生模型及數據的標準化接口，能夠將傾斜攝影、激光點云等各類模型數據進行規則化集成，為具體業務應用開發提供基礎；提供路基狀態評估算法，引入智能化算法對路基數據進行融合分析，為輔助決策提供依據；提供一系列前后端接口，滿足平臺運轉。

1.1.4 業務應用層

通過可視化界面為用戶提供操作功能，是人機交互的關鍵節點，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 用戶訪問層

規定平臺訪問用戶分類，利用權限控制技術實現不同用戶權限劃分，保障平臺安全及隱私；同時，提供PC 端、平板電腦端及移動手機端等多種訪問模式。

1.2 技術架構

重載鐵路路基工務管理平臺技術架構如圖2 所示。

圖2 重載鐵路路基工務管理平臺技術架構

后端層采用Java 語言基于Spring Boot 框架開發，其數據庫采用MySQL，前端命令經Spring MVC 中Controller 層解析傳遞后，通過Spring Data JPA 滿足后端程序與數據庫之間的高效交互，實現數據運算與更新數據獲取。

前端層采用Vue3 框架進行平臺開發，構建一套布局簡潔、操作響應迅速、人機交互充分符合工務管理工作實際流程的前端界面。在傳統Web 界面開發基礎上，引入Cesium.js 及Echart.js 技術，分別實現數據的三維及二維可視化，提高數據利用效率，打通數據孤島。

利用Spring MVC 框架及Axios 實現前后端數據交互，通過Axios 實現前端用戶請求的發送與后端數據的接收。

2 平臺功能

重載鐵路路基工務管理平臺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，貫穿路基工務數據采集、數據分析、狀態評估及效果可視化全流程，賦能智能化工務管理，功能架構如圖3 所示。

圖3 重載鐵路路基工務管理平臺功能架構

2.1 路基檢查與維修管理

2.1.1 路基病害管理

整理《鐵路路基大維修規則》[10]《鐵路線路維修規則》[11]《鐵路路基病害分類》[12]中對病害的分類及信息要求，進行病害數據采集優化，可根據《鐵路大修維修規則》及各類評估體系中的病害分級標準來實現對病害核心信息的規則化管理。增加病害處理狀態、病害描述、病害側別等信息，全面對病害信息進行完善。同時，檢查現場可通過移動終端客戶端填寫數據，提供了一系列規則化表單輔助快速信息錄入，自動獲取病害信息經緯度坐標，為后續統一時空基準的數據分析提供基礎。數據管理功能實現病害數據的增、刪、查、改，同時可對病害進行批量選擇以進行工務維修安排，并根據維修結果切換病害狀態。

2.1.2 過渡段綜合信息管理

基于鐵路工務實際情況，將過渡段分為路橋過渡段和路涵過渡段，分別收集其病害里程、病害類型、過渡段類型、病害級別等病害信息，統計病害比例，在前端進行圖表和表單展示。

2.1.3 路基維修管理

通過病害數據庫篩選及數字孿生模型區域選擇的方式批量選定路基病害，自動生成路基病害維修整治項目，實現精細化作業工作量提取。建立以維修項目為核心的病害數據狀態更新機制，通過維修項目進展情況驅動病害數據狀態發生變化，消除流程誤差，保證數據質量與統計效果。

2.2 輔助決策

2.2.1 算法適配功能

重載鐵路運維過程中不同線路對路基的服役狀態和維修要求存在不同程度的差別，本平臺提供評估算法適配功能，評估算法以AHP-模糊綜合評價為核心算法，可針對不同線路構建與之對應的路基服役狀評估算法框架，進而進行路基評估。

2.2.2 里程綜合決策展板

依據算法適配功能中的評估結果，里程綜合決策展板分別提供設備、里程、工區、站區等4 個層級的輔助決策建議。其中，設備層級提供具體病害的維修建議，支撐養護修決策；里程層級提供單里程范圍內病害綜合建議，支撐大修及中修方案制定；工區層級提供工區內路基段的整體服役狀態情況，可輔助工區領導人員對路基整體的把握；站區層級提供整個站區路基段情況概述。

2.3 綜合可視化大屏

2.3.1 三維可視化及操作

病害數據與評估結果在三維數字孿生模型中的可視化展現，可方便工務管理人員快速定位數據來源、掌握路基狀態，充分提高數據服務決策的效率。平臺支持二維及三維可視化展示，其中，二維主要實現各類數據的趨勢、分類、分段統計結果呈現，快速明晰數據基本面，加深數據應用層級；三維可視化效果基于Cesium.js 引擎，加載傾斜攝影、激光點云及BIM 逆向模型，將路基評估結果、路基巡檢病害數據、路基外觀情況進行集成可視化，將路基工務管理落實在“一張圖”上，降低平臺操作難度，提升決策效率。

2.3.2 動態圖表統計可視化

動態圖表統計和可視化展示了各個設備、里程、工區、站區評估得分排名、病害數量統計及病害比例統計等，可對其進行直觀比較。

2.3.3 評估結果推送

重載鐵路路基服役狀態評估結果可通過大屏顯示、手機短信、APP 信息推送與網站站內信息等途徑進行結果告知。

3 關鍵技術

3.1 重載鐵路路基狀態評估

根據路基工務管理組織架構及實際需求，將路基分為設備、里程、工區、站區等4 個級別，實現各層級范圍路基狀態評估，為輔助決策提供依據，狀態評估層次結構如圖4 所示。

圖4 路基狀態評估層次結構

采用基于AHP-模糊綜合評價的綜合評估算法進行逐層評估計算獲取評估結果，指導工務作業，輔助工務決策。

根據《鐵路路基大維修規則》中第5.0.2 條規定，路基設備狀態評定應根據線路公里標逐公里（站線逐股道）分段進行，故分別統計里程內不同設備的病害數量和級別，其中，每種病害嚴重程度分為5 級，分別為極嚴重、嚴重、較重、中等、輕微。利用不同級別賦予不同權值的方式計算得到每種病害的評估得分，計算公式為

式（1）中，S j表示第j類病害得分；Ci表示第j類病害的第i級別的數量；Wi表示第j類病害的第i級別的權重。

根據求得的病害得分，計算每種設備的得分矩陣。計算公式為

式（2）中，Szb表示第z個設備的得分，z可以是基床、路堤、路塹、路橋過渡段、路涵過渡段等；n表示第z個設備的病害種類數量。

根據每種設備的病害得分，計算里程的得分矩陣，即

式（3）中，Spm表示第p個里程的得分矩陣，得分矩陣形式為[a，b，c，d，e]，分別代表極嚴重、嚴重、較重、中等、輕微等級，取a、b、c、d、e中最大值所對應的等級作為此里程的評定等級；fp表示第p個里程的隸屬度函數；Spb表示第p個里程包含的設備綜合得分矩陣；Wp表示第p個里程下各個設備的權重矩陣。

同理，根據里程的得分矩陣，計算每個工區的得分矩陣，進而計算站區的得分矩陣，即

式（4）和式（5）中，Sqg表示第q個工區的得分矩陣；Sqm表示第q個工區下所有里程的綜合得分矩陣；Wq表示第q個工區下各個里程的權重矩陣；Syc表示第y個站區的得分矩陣；Syg表示第y個站區下所有工區的綜合得分矩陣；Wy表示第y個站區下各個工區的權重矩陣。

3.2 重載鐵路路基輔助決策

根據《鐵路路基大維修規則》建立重載鐵路大維修計劃庫、評估建議庫和養護措施庫，基于重載鐵路路基狀態評估的結果，對重載鐵路路基進行輔助決策，如圖5 所示。

圖5 輔助決策體系

大維修計劃庫主要包括大修和維修計劃，將極嚴重和嚴重的工區和區段加入大修計劃，將較重、中等和輕微等級加入維修計劃；評估建議庫可依據各個里程的評估結果，針對性地給出評估建議；養護措施庫主要依據設備的評估結果給出相應的路基養護措施。

輔助決策技術可以在路基出現病害的情況下，針對分析結果提供及時準確且有針對性的養護方案，對一種病害可提供一種或多種可行養護方案，每一種養護方案均提供對應養護措施的實施成本、養護后達到的指標、養護后壽命延續情況等。

4 平臺應用

包神（包頭—神木）鐵路于1986 年8 月正式開工建設，運營里程191.472 km，運營已超過30 年。本文選取包神鐵路關碾房站K38+456 至朝腦溝站K73+992 作為研究區段，區段內路基總長31 615 m，占研究區段線路總長的88.87%。重載鐵路路基工務管理平臺應用效果如圖6 所示（綠色代表評估結果為輕微；黃色代表評估結果為較重；點狀物代表病害位置）。

（1）通過系統性的路基服役數據結構分析，采用路基信息標準化采集方法，現場工務人員通過多種移動終端實現數據的快速采集，通過信息化手段替代復雜低效的人工采集工作，提升數據采集質量與深度。

（2）采用路基服役狀態綜合評估體系與模型，實現了試驗段內超過30 km 里程級單位、2 個站區的路基狀態總體評估，以及基于多元數據的輔助決策，提升了路基工務計劃、實施過程的效率。

5 結束語

本文設計重載鐵路路基工務管理平臺，以路基工務管理實際需求出發，基于層次耦合的路基評估體系構建路基數據采集指標，采用模糊層次分析方法實現路基狀態綜合評估，為工務檢查、維修提供輔助決策依據，打通路基工務管理數據孤島，實現路基服役狀態智能感知、智能分析與智能決策，進一步提高鐵路路基安全管理水平。