■ 陶凱??楊飛??趙鋼??張煜??

城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修智能管理系統(tǒng)

■ 陶凱??楊飛??趙鋼??張煜

近年來我國城市軌道交通發(fā)展迅速，基礎(chǔ)設(shè)施維修投入日漸龐大。以周期性檢修為主的傳統(tǒng)維修模式，存在一定程度的過維修和欠維修問題。根據(jù)城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)備特征和維修特點，提出城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修智能管理系統(tǒng)的基本框架，包括系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，分析總結(jié)了系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢。系統(tǒng)采用B/S和C/S相結(jié)合的綜合架構(gòu)，由數(shù)據(jù)層、服務層和應用層3部分組成；關(guān)鍵技術(shù)主要由檢測數(shù)據(jù)集成管理、設(shè)備狀態(tài)綜合分析評估、維修作業(yè)決策支持、綜合可視化展示4部分組成。該系統(tǒng)不僅可以集成管理多元化的基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)，還能通過智能化的綜合數(shù)據(jù)分析指導城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修作業(yè)。

城市軌道交通；基礎(chǔ)設(shè)施維修；智能管理系統(tǒng)；B/S架構(gòu)；設(shè)備狀態(tài)評估；可視化；維修決策

0 引言

城市軌道交通具有準時性、舒適性和安全性等特點，而高質(zhì)量的城市軌道交通服務依賴于基礎(chǔ)設(shè)施的良好服役狀態(tài)。因此每年在基礎(chǔ)設(shè)施維修養(yǎng)護方面都需要投入大量的維修資源，維修費用成為城市軌道交通系統(tǒng)運營成本的主要支出[1]。例如，天津是我國第二個擁有地鐵的城市，2009年，天津地鐵線路總長已達80 km，當年地鐵運營費用約為3億元，其中維修養(yǎng)護的支出為1．6億元，占總支出的一半以上。因此，提高維修效率、降低維修成本具有重要現(xiàn)實意義。

我國城市軌道交通維修養(yǎng)護主要以周期性檢修為主，較少考慮基礎(chǔ)設(shè)施的實際運營狀態(tài)，存在過維修和欠維修現(xiàn)象，造成了一定程度的資源浪費[2-3]。因此，利用信息化的智能管理系統(tǒng)改進城市軌道交通的設(shè)備管理水平是必然趨勢，能夠達到提高維修作業(yè)針對性、有效性，以及控制作業(yè)質(zhì)量和維修投入的目的[4-5]。

既有城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修管理系統(tǒng)雖然在一定程度上實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)控、故障記錄、維修報表生成等功能，但無法實現(xiàn)對維修決策進行建模和優(yōu)化，在數(shù)據(jù)的智能處理和維修判斷上也有所欠缺[6-7]。針對這種情況，根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)的組成、運行和維修特點，提出了城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是高度集成管理多源的檢測數(shù)據(jù)，能夠進行綜合性的數(shù)據(jù)融合分析與設(shè)備狀態(tài)量化評估，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和機器學習技術(shù)為維修作業(yè)提供決策支持，同時擁有卓越的用戶體驗，支持多種可視化方案，便于系統(tǒng)分析結(jié)果的展示與呈現(xiàn)。

1 架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)綜合考慮我國城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修養(yǎng)護業(yè)務的特點，提出了一套具有高兼容性、可擴展性和易用性的軟件體系架構(gòu)。

傳統(tǒng)城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修信息管理系統(tǒng)通常根據(jù)設(shè)備專業(yè)來劃分，系統(tǒng)間缺乏互動與交流，但其原有業(yè)務領(lǐng)域具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和技術(shù)優(yōu)勢。如果拋棄原有系統(tǒng)重新開發(fā)，勢必造成資源浪費?；谶@種兼容性要求，以及城市軌道交通維修機構(gòu)、人員的分布特性和不同職能的用戶訪問終端或功能的多樣化等因素，選擇采用B/S架構(gòu)來支持系統(tǒng)主體服務。這樣不僅允許用戶在任何時間、任何地點訪問系統(tǒng)，還提高了系統(tǒng)對既有軟件模塊的兼容性，同時還使系統(tǒng)易于擴展、便于新功能的推廣應用。為解決B/S架構(gòu)在大文件的上傳和下載方面的劣勢及對操作頁面的定制性較差等問題，系統(tǒng)還包含多個面向特定用戶群的C/S模式客戶端，以用戶熟悉且易于操作的方法提供數(shù)據(jù)集成管理、處理分析、專項分析及可視化展示等服務。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)見圖1，共分為數(shù)據(jù)層、服務層和應用層。數(shù)據(jù)層負責城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施臺賬及維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)的存儲和管理，包括以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫為主體的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，以及負責圖片、大體積文件等數(shù)據(jù)存儲的非結(jié)構(gòu)化文件服務器。服務層主要實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務功能，包括數(shù)據(jù)接收、處理、入庫，數(shù)據(jù)分析，生成報表等。該層還接入了GIS服務和FTP服務等外部服務的入口。應用層滿足系統(tǒng)展示及與用戶交互的需求，如為維修檢測數(shù)據(jù)傳輸提供的客戶端程序，為檢測數(shù)據(jù)分析、維修方案建議及綜合展示提供的Web頁面。

此外，為保障數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)提供了整套安全適宜的管理方案。采用DES加密和UniNAC網(wǎng)絡準入控制系統(tǒng)等技術(shù)對重要數(shù)據(jù)進行加密和訪問權(quán)限控制。另外，部分特殊數(shù)據(jù)采用讀寫分離、多次備份、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方案，保障負載均衡及良好的訪問體驗。

2 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括檢測數(shù)據(jù)集成管理、設(shè)備狀態(tài)綜合分析評估、維修作業(yè)決策支持、綜合可視化展示4個部分（見圖2）。

2.1 檢測數(shù)據(jù)集成管理

城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的檢測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜、大小迥異，檢測數(shù)據(jù)的來源與格式多種多樣，查看及處理方式不一，異構(gòu)化特征顯著。而以往的數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)往往只側(cè)重某一些方面的檢測數(shù)據(jù)，將其獨立存儲，缺乏實時性、靈動性、整體性，且不同來源的數(shù)據(jù)由于重視程度不同導致記錄不規(guī)范，甚至缺失。因此系統(tǒng)需要建立一個統(tǒng)一的、集成的數(shù)據(jù)管理平臺，不僅能夠有效匯集所有類型的檢測數(shù)據(jù)，針對不同類型的數(shù)據(jù)采取不同的存儲方式，提供統(tǒng)一的管理方案，同時還提供豐富易用的用戶接口，保證數(shù)據(jù)收集的及時性、完整性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪浴?/p>

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)從時間、地理和設(shè)備3個維度對原始數(shù)據(jù)進行整合，并建立了城市軌道檢測數(shù)據(jù)倉庫（見圖3）。該數(shù)據(jù)倉庫不僅全面融合了基礎(chǔ)設(shè)施臺賬、軌道檢測、鋼軌探傷、軌道巡檢、接觸網(wǎng)（軌）檢測、接觸網(wǎng)（軌）巡檢等專業(yè)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，同時還支持檢測波形、檢測圖像和檢測報表等多種數(shù)據(jù)格式，增強了維修數(shù)據(jù)的管理能力。同時，異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與集成提供了多元化、多維度、多屬性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析做好了準備工作。

圖3 城市軌道檢測數(shù)據(jù)倉庫

該系統(tǒng)不僅在數(shù)據(jù)存儲上實現(xiàn)了統(tǒng)一集成，同時還拓展了數(shù)據(jù)接入渠道。不但可以直接導入檢測車、探傷車、探傷儀等檢測設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件，而且還提供了一套智能移動終端，輔助記錄現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)，保證檢查數(shù)據(jù)接入的實時性、完整性和規(guī)范性。移動終端應用以現(xiàn)場檢查業(yè)務場景為驅(qū)動，支持查閱各類技術(shù)數(shù)據(jù)，如軌道檢測波形、基礎(chǔ)設(shè)施臺賬、技術(shù)規(guī)章等信息，這些信息均有效地支持現(xiàn)場作業(yè)。

2.2 設(shè)備狀態(tài)綜合分析評估

數(shù)據(jù)分析與應用是發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的必經(jīng)之路，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析只是對數(shù)據(jù)進行一些基本統(tǒng)計，并未形成直觀、綜合、流程化的成果，對維修養(yǎng)護的指導也缺乏系統(tǒng)性。

該系統(tǒng)融合了軌道幾何檢測、軌道外觀巡檢、鋼軌探傷檢查、接觸網(wǎng)（軌）檢測與巡檢等數(shù)據(jù)，全面分析評估整個城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的服役狀態(tài)。系統(tǒng)同時提供了智能、便捷的分析處理工具和易于理解、操作的用戶界面，便于用戶完成綜合分析操作。

以軌道幾何動態(tài)檢測數(shù)據(jù)處理分析為例，系統(tǒng)提供檢測波形精細分析客戶端（見圖4），用戶可以通過界面操作，指導系統(tǒng)自動完成軌道幾何動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的精細分析，包括波形預處理（格式轉(zhuǎn)換和干擾濾波）、波形里程智能校正、無效數(shù)據(jù)智能識別、歷次波形對比及變化智能識別、自定義標準偏差篩選、幅值測量與數(shù)值統(tǒng)計等。

系統(tǒng)基于多源檢測數(shù)據(jù)，通過層次分析法等數(shù)據(jù)建模技術(shù)，建立了以軌道幾何狀態(tài)、鋼軌傷損狀態(tài)及接觸網(wǎng)（軌）狀態(tài)等指標綜合評價設(shè)備單元質(zhì)量的評估模型。通過該評價評估模型不僅可以找出綜合質(zhì)量較差的設(shè)備單元，優(yōu)先納入維修計劃，還能夠跟蹤設(shè)備單元質(zhì)量變化趨勢，確定更合理的檢修周期和作業(yè)后質(zhì)量跟蹤驗收方案。同時提供了直觀的可視化展示方式——在單元質(zhì)量色階圖中以紅黃綠3種顏色分別對應表示設(shè)備單元質(zhì)量優(yōu)先維修、計劃維修、優(yōu)良保養(yǎng)3個等級，設(shè)備單元質(zhì)量評價見圖5。

圖4 檢測波形精細分析客戶端

除智能、綜合的數(shù)據(jù)分析與評估外，系統(tǒng)還能夠按照設(shè)定模板自動生成專項分析報告，以文件的形式反映檢測概況、偏差數(shù)量及其變化等內(nèi)容。

2.3 維修作業(yè)決策支持

為改進維修養(yǎng)護模式、優(yōu)化資源配置，系統(tǒng)以納入管理的檢測和維修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)融合分析方法，尤其是大數(shù)據(jù)技術(shù)和機器學習技術(shù)，為城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修決策提供支持。養(yǎng)護維修決策支持界面見圖6。

典型應用之一是通過綜合量化評估，確定計劃優(yōu)先維修的病害區(qū)段。系統(tǒng)基于設(shè)備病害對行車安全和舒適影響大小的綜合量化評估模型確定優(yōu)先維修區(qū)段，附帶歷史病害詳細信息，維修決策人員可以直觀地判斷維修病害主要原因和作業(yè)區(qū)段范圍，填報維修方案和維修計劃[8]。

另一個典型應用是監(jiān)控周期性檢查兌現(xiàn)情況，及時發(fā)現(xiàn)周期檢查未覆蓋區(qū)域，有效避免檢查不到位和病害長期未處理持續(xù)惡化的情況，對于城市軌道交通安全運營具有重要作用。鋼軌周期探傷檢查兌現(xiàn)監(jiān)控見圖7。

2.4 綜合可視化展示

傳統(tǒng)的檢修數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)大多以表格和報告的形式展示數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。這種方式雖然全面、詳細，但不夠直觀，不利于觀察和總結(jié)。新系統(tǒng)提供了一整套可視化展示模塊，使系統(tǒng)收集的原始數(shù)據(jù)及系統(tǒng)分析結(jié)果等信息能夠以圖表的方式直觀地展現(xiàn)給用戶。以病害重復區(qū)段分析可視化展示（見圖8）為例，以散點圖方式直觀展示同類型病害沿線路里程在每個單元區(qū)段出現(xiàn)的頻次，維修決策人員可以快速判斷該類病害的頻發(fā)地段，即質(zhì)量薄弱區(qū)段，以便制定維修方案和計劃。

圖5 設(shè)備單元質(zhì)量評價

圖6 養(yǎng)護維修決策支持界面

圖7 鋼軌周期探傷檢查兌現(xiàn)監(jiān)控

除統(tǒng)計圖表外，系統(tǒng)還引入GIS服務，根據(jù)地理位置信息及城市軌道交通路網(wǎng)情況，制作了電子地圖。電子地圖可以將城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施中的設(shè)備問題在城市軌道交通線路圖中進行標注，包括病害類型、產(chǎn)生時間、維修作業(yè)歷史及檢修狀態(tài)等信息，清晰直觀地展示問題聚集區(qū)域。同時，記錄的檢修作業(yè)軌跡也可以作為工務維修人員工作考核的依據(jù)。

此外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)定時器程序，按照規(guī)定時間，周期性地將檢測情況和分析報告反饋到系統(tǒng)主程序界面或智能移動終端，便于管理者及維修人員對城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修狀態(tài)的實時監(jiān)管與掌控。分析結(jié)果中一旦出現(xiàn)產(chǎn)生高危病害的可能，系統(tǒng)會啟動預警程序，維修人員可以第一時間了解到系統(tǒng)預測的病害位置與類型，并及時安排檢查和維修[9]。線路安全問題可視化展示與報警見圖9。

3 系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

（1）高兼容、易擴展、用戶友好型的軟件平臺架構(gòu)。系統(tǒng)主體服務采用B/S架構(gòu)，不僅使系統(tǒng)訪問更便捷，還提高了系統(tǒng)的兼容性和可擴展性，便于既有系統(tǒng)的接入與新功能的推廣。系統(tǒng)還包含一個客戶端程序，為數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)專項分析及可視化展示等服務提供了便于操作的用戶界面，改善了用戶體驗，同時也彌補了B/S架構(gòu)在大文件傳輸上的不足。系統(tǒng)的核心服務封裝于中間層，既便于維護和升級，又提高了軟件模塊的復用性。

圖8 病害重復區(qū)段分析可視化展示

圖9 線路安全問題可視化展示與報警

（2）高度集成化的檢測數(shù)據(jù)管理。城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的檢測數(shù)據(jù)異構(gòu)特征顯著，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)體量和數(shù)據(jù)來源等方面都不盡相同，很難完成綜合分析。該系統(tǒng)從時間、地理和設(shè)備3個維度對原始數(shù)據(jù)進行整合集成，并建立了城市軌道檢測數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫實現(xiàn)了異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與集成，使不同來源、不同格式的數(shù)據(jù)有了統(tǒng)一收集、管理和分析的平臺，增強了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時為綜合性的數(shù)據(jù)分析與決策支持奠定了基礎(chǔ)。

（3）多指標、全方位、綜合性的設(shè)備狀態(tài)分析評估體系。系統(tǒng)融合軌道檢測數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、鋼軌探傷數(shù)據(jù)、接觸網(wǎng)（軌）檢測數(shù)據(jù)等全方位、多元化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，綜合、全面地分析整個城市軌道交通線路的運營狀態(tài)，同時建立了多指標綜合量化評估體系，能夠通過軌道狀態(tài)評估、鋼軌傷損狀態(tài)評估及接觸網(wǎng)（軌）狀態(tài)評估等對城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的運行狀況做出綜合全面的評價。

（4）專業(yè)化、自動化、智能化的分析預測功能，能夠為維修作業(yè)提供決策支持。系統(tǒng)利用專業(yè)化的數(shù)據(jù)融合分析方法，尤其是大數(shù)據(jù)技術(shù)和機器學習技術(shù)，對檢測維修數(shù)據(jù)進行深度分析，并以分析結(jié)果指導維修作業(yè)決策。如可以通過綜合量化評估模型，基于設(shè)備病害對行車安全和舒適影響大小等因素，判斷需要優(yōu)先維修的區(qū)段；還可以智能監(jiān)控周期性檢查兌現(xiàn)情況，及時發(fā)現(xiàn)檢查未覆蓋區(qū)域。

（5）直觀、有效的綜合可視化展示模式。該系統(tǒng)的可視化展示模塊，使系統(tǒng)收集的原始數(shù)據(jù)及系統(tǒng)統(tǒng)計分析結(jié)果可以以圖表的方式直觀展現(xiàn)給用戶，用戶可以快速準確地獲得所需信息，便于對數(shù)據(jù)的宏觀把控。如在病害重復分析中，以散點圖的方式直觀展示同類型病害沿線路里程在每個單元區(qū)段出現(xiàn)的頻次，維修決策人員可以快速判斷該類病害的頻發(fā)地段，即質(zhì)量薄弱區(qū)段，便于制定維修計劃；基于GIS服務的電子地圖，可以直接在城市軌道交通線路圖中標注設(shè)備安全質(zhì)量問題，維修人員可以快速了解病害分布情況。

4 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)備特征和維修特點，提出城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施維修智能管理系統(tǒng)的基本框架，包括各功能模塊及關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)采用B/S和C/S結(jié)合的綜合架構(gòu)，具有高友好性、高兼容性和高擴展性等特點。在完成檢修數(shù)據(jù)集成管理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還通過大數(shù)據(jù)分析和機器學習等技術(shù)，為城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修工作提供決策支持。同時，提供多種可視化方式，直觀地展示設(shè)備資產(chǎn)、病害問題、狀態(tài)等級等數(shù)據(jù)處理分析成果。

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陶凱：中國鐵道科學研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，副研究?員，北京，100081

楊飛：中國鐵道科學研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，助理研?究員，北京，100081

趙鋼：中國鐵道科學研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，研究?員，北京，100081

張煜：中國鐵道科學研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，研究實?習員，北京，100081

責任編輯李鳳玲

U216.9；TP311.1

A

1672-061X（2016）06-0062-06

中國鐵道科學研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2015YJ092）；國家國際科技合作專項項目（2015DFA81780）