陳東生，徐貴紅，陶　凱，楊濤存(中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京　100081)

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鐵路工務(wù)智能移動(dòng)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳東生，徐貴紅，陶凱，楊濤存
(中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081)

摘要:采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，基于Android平臺(tái)研發(fā)了鐵路工務(wù)智能移動(dòng)終端系統(tǒng)(Track Pad)。該系統(tǒng)支持在作業(yè)現(xiàn)場下載查看設(shè)備臺(tái)賬、歷史檢測數(shù)據(jù)和規(guī)章制度，輔助記錄和集成管理現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，同時(shí)為移動(dòng)辦公提供平臺(tái)。其以標(biāo)準(zhǔn)化檢修業(yè)務(wù)場景驅(qū)動(dòng)，將多個(gè)獨(dú)立功能的移動(dòng)應(yīng)用組合成一套完整的輔助作業(yè)應(yīng)用。經(jīng)工務(wù)段試用表明，該系統(tǒng)提高了檢修作業(yè)效率和管理技術(shù)水平，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞:鐵路工務(wù)智能移動(dòng)終端信息化移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算

高速鐵路線路設(shè)備現(xiàn)場檢查和維修積累了海量信息，尤其是各類人工或小型便攜設(shè)備的現(xiàn)場靜態(tài)檢查數(shù)據(jù)，以及維修計(jì)劃、整治方案、質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)等。這些信息多以紙質(zhì)資料、Excel或Word文件等離散形式保存，無法做到方便地查詢檢索與統(tǒng)計(jì)分析。此外，現(xiàn)場作業(yè)需要設(shè)備臺(tái)賬和歷史檢查數(shù)據(jù)支持，當(dāng)前作業(yè)人員一般攜帶預(yù)先準(zhǔn)備好的紙質(zhì)資料，這些紙質(zhì)資料攜帶不便，且不便于在夜間天窗時(shí)使用。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)和移動(dòng)終端設(shè)備的快速發(fā)展，移動(dòng)終端應(yīng)用在油氣管道、輸電線路檢修、倉儲(chǔ)物流管理等行業(yè)已有成功應(yīng)用。鐵路行業(yè)也在積極探索如何結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)，利用移動(dòng)應(yīng)用改變作業(yè)習(xí)慣、優(yōu)化作業(yè)模式、減少重復(fù)工作、提升工作效率，如客運(yùn)部門研發(fā)的移動(dòng)訂票應(yīng)用“鐵路12306”，在實(shí)際工作中取得了良好的效果;但是在線路設(shè)備檢修領(lǐng)域，尤其是現(xiàn)場檢修數(shù)據(jù)管理等信息化支持方面未見成熟應(yīng)用案例。

為提高高速鐵路線路設(shè)備現(xiàn)場檢修作業(yè)效率和技術(shù)水平，以標(biāo)準(zhǔn)化檢修業(yè)務(wù)場景驅(qū)動(dòng)，利用最新的移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)模式，基于Android平臺(tái)研發(fā)了鐵路工務(wù)智能移動(dòng)終端系統(tǒng)(Track Pad)，界面如圖1所示。系統(tǒng)契合了鐵路作業(yè)現(xiàn)場信息化支持需求，緊跟信息化時(shí)代的發(fā)展步伐。

圖1　鐵路工務(wù)智能移動(dòng)終端系統(tǒng)界面

1　系統(tǒng)組成與架構(gòu)

系統(tǒng)采用流行的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合了云計(jì)算服務(wù)模式的一般應(yīng)用結(jié)構(gòu)，由應(yīng)用邏輯層和應(yīng)用支撐層兩大部分組成，其中應(yīng)用支撐層又分為技術(shù)支撐子層和平臺(tái)支撐子層，如圖2所示。分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利于分散關(guān)注、松散耦合、邏輯復(fù)用和標(biāo)準(zhǔn)定義。

1.1應(yīng)用邏輯層

應(yīng)用邏輯層是軟件系統(tǒng)的核心部分，是云計(jì)算SaaS應(yīng)用的基礎(chǔ)層次和表現(xiàn)層次。應(yīng)用邏輯層由一系列功能服務(wù)模塊組成，包含了系統(tǒng)全部業(yè)務(wù)性和管理性功能模塊，這些功能模塊組成了一個(gè)功能模塊庫，庫中的功能模塊可根據(jù)用戶需求靈活配置。換句話說，本層提供的就是全部應(yīng)用服務(wù)和管理服務(wù)的功能引擎。

1.2應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層由兩部分組成，分別為技術(shù)支撐子層和平臺(tái)支撐子層，為系統(tǒng)的邏輯功能提供基礎(chǔ)軟硬件服務(wù)和技術(shù)支持，是云計(jì)算概念模式中PaaS應(yīng)用的體現(xiàn)。技術(shù)支撐子層為軟件功能提供了必要的保障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件平臺(tái)的協(xié)同工作和有效運(yùn)轉(zhuǎn);平臺(tái)支撐子層為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、軟件運(yùn)行、安全認(rèn)證等基礎(chǔ)服務(wù)。

圖2　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能分為移動(dòng)應(yīng)用功能和云服務(wù)平臺(tái)功能兩部分。

2.1移動(dòng)應(yīng)用功能

移動(dòng)應(yīng)用功能面向業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)，包括檢修作業(yè)輔助、查閱基礎(chǔ)信息、查看檢測數(shù)據(jù)和其他輔助功能，如圖3所示。

圖3　移動(dòng)應(yīng)用功能

檢修作業(yè)輔助模塊是數(shù)據(jù)采集的核心功能，使用該功能填寫靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)并按照約定的格式存入數(shù)據(jù)庫。表格輸入時(shí)提供多種便于用戶快速輸入的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)格式多樣，包括基本數(shù)字、字符串、照片、錄音等多媒體格式。同時(shí)記錄檢修作業(yè)時(shí)的GPS軌跡，用于電子地圖實(shí)時(shí)監(jiān)控;也可以記錄作業(yè)視頻，用于作業(yè)存檔和安全監(jiān)控。

查閱基礎(chǔ)信息模塊可以查閱設(shè)備綜合圖、配線圖、工務(wù)設(shè)備臺(tái)賬、常用的技術(shù)規(guī)章等內(nèi)容。

查看檢測數(shù)據(jù)功能可以讓用戶隨時(shí)查看對(duì)應(yīng)位置的軌道幾何檢測和外觀巡檢數(shù)據(jù)(見圖4)，通過里程定位信息，從服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取相應(yīng)的軌道幾何波形或外觀巡檢照片，并在移動(dòng)終端顯示。其中軌道幾何檢測波形支持里程定位、幅值測量和任意200 m區(qū)段TQI指數(shù)計(jì)算。

圖4　檢測數(shù)據(jù)查看

另外，移動(dòng)應(yīng)用還提供人員、機(jī)具管理，GPS定位信息采集(見圖5)和地圖顯示等功能。

圖5　線路檢查GPS定位信息

2.2云服務(wù)平臺(tái)功能

云服務(wù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)定義服務(wù)、用戶管理服務(wù)、文件存儲(chǔ)服務(wù)、地理信息查詢服務(wù)、消息推送服務(wù)等適用于典型移動(dòng)應(yīng)用場景的通用服務(wù)，如圖6所示。這些數(shù)據(jù)是前端業(yè)務(wù)功能的支撐，由專業(yè)人員統(tǒng)一維護(hù)并定期更新。

圖6　云服務(wù)平臺(tái)功能

例如，工務(wù)段在管理技術(shù)規(guī)章類文檔時(shí)，往往需要頻繁更新并發(fā)布，使用云平臺(tái)只需在更新時(shí)由管理員在云端上傳新版本的數(shù)據(jù)，所有客戶端(移動(dòng)終端)便可以自動(dòng)更新為新版本。使用云服務(wù)平臺(tái)同步文件如圖7所示。

圖7　使用云服務(wù)平臺(tái)同步文件

3　全流程輔助作業(yè)

以標(biāo)準(zhǔn)化檢修業(yè)務(wù)場景驅(qū)動(dòng)，將多個(gè)獨(dú)立功能的移動(dòng)應(yīng)用組合成一套完整的輔助作業(yè)應(yīng)用。全流程輔助作業(yè)功能如圖8所示。如通過現(xiàn)場檢修作業(yè)輔助應(yīng)用，用戶在進(jìn)入作業(yè)門前從服務(wù)器獲取作業(yè)計(jì)劃及派工單數(shù)據(jù)，形成作業(yè)任務(wù)、人員和機(jī)具列表，并采用掃描二維碼或拍照等方式清點(diǎn)人員和機(jī)具;上線開始檢查作業(yè)時(shí)，根據(jù)任務(wù)列表彈出對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)檢查記錄表，支持隨時(shí)切換到設(shè)備臺(tái)賬、歷史檢測數(shù)據(jù)、作業(yè)指導(dǎo)書等支持模式，并不斷記錄作業(yè)人員移動(dòng)的GPS軌跡;作業(yè)完成離開作業(yè)地段前，再次清點(diǎn)核對(duì)作業(yè)人員和機(jī)具，確保作業(yè)人員攜帶全部機(jī)具下線;下線離開作業(yè)門后，自動(dòng)評(píng)估作業(yè)完成情況(工作量百分比);針對(duì)作業(yè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)和檢查項(xiàng)給出提示，如天窗結(jié)束前30 min有自動(dòng)提醒。

圖8　全流程輔助作業(yè)功能

現(xiàn)場作業(yè)完成回到駐地辦公室后，對(duì)應(yīng)作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)上傳檢修數(shù)據(jù)、作業(yè)軌跡、人員機(jī)具、完成情況等信息。云端服務(wù)平臺(tái)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)入庫，自動(dòng)生成檢修簡報(bào)。

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1 Android平臺(tái)

Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核、面向移動(dòng)終端設(shè)備的開源操作系統(tǒng)，其架構(gòu)主要分為4個(gè)層次，應(yīng)用程序都是基于應(yīng)用框架層所提供的基本框架和API進(jìn)行開發(fā)。

Android在技術(shù)上具有以下優(yōu)勢:全開放智能手機(jī)平臺(tái);多硬件平臺(tái)的支持;使用眾多的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù);核心技術(shù)完整、統(tǒng)一;完善的SDK和文檔;完善的輔助開發(fā)工具。隨著移動(dòng)終端硬件的發(fā)展，基于Android系統(tǒng)開發(fā)工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)具備了應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4.2插座式功能擴(kuò)展

對(duì)軟件模塊的管理，本系統(tǒng)采用了“萬能插座”式設(shè)計(jì)，充分利用了Android平臺(tái)提供的包管理(Package Manager)架構(gòu)，即軟件模塊在遵守一定的開發(fā)規(guī)范和統(tǒng)一API接口的情況下，實(shí)現(xiàn)了集中化管理，可以根據(jù)用戶需求，靈活地添加或者刪除模塊，即可插拔插座;而所有已添加功能，均可從管理軟件入口處啟動(dòng)，方便了用戶的使用。

4.3授權(quán)驗(yàn)證流程

出于安全性考慮，需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)身份驗(yàn)證的機(jī)制。首先，用戶發(fā)送帶有設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)IMEI的請(qǐng)求到服務(wù)器端，獲得系統(tǒng)管理員批準(zhǔn)后，該設(shè)備成為授權(quán)設(shè)備。根據(jù)用戶需求和采購情況，系統(tǒng)管理員設(shè)定該用戶的授權(quán)時(shí)間或授權(quán)使用次數(shù)。管理員完成授權(quán)工作后，用戶可以在客戶端自主注冊成為授權(quán)用戶。系統(tǒng)授權(quán)驗(yàn)證流程如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)授權(quán)驗(yàn)證流程

程序進(jìn)入時(shí)，經(jīng)過判斷是否是授權(quán)設(shè)備、是否在授權(quán)時(shí)間(次數(shù))內(nèi)和是否是授權(quán)用戶3道驗(yàn)證程序，全部通過才能進(jìn)入，否則回到驗(yàn)證前狀態(tài)。

4.4服務(wù)器通信與上傳

Android平臺(tái)的移動(dòng)端數(shù)據(jù)上傳模塊核心功能原理如圖10所示。使用APIUtil負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信層的服務(wù)器與客戶端連接，其中APIUtil中的核心功能源自HttpClient類，采用標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議、POST或者GET請(qǐng)求，獲取或者上傳數(shù)據(jù);而數(shù)據(jù)通過JSON格式進(jìn)行包裝，由APIUtil將JSON格式的數(shù)據(jù)與自定義模型對(duì)象互相轉(zhuǎn)化;模型對(duì)象、Android組件與控制器則構(gòu)成了經(jīng)典的MVC模式，由控制器進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，SQLite作為Android端嵌入式數(shù)據(jù)庫，對(duì)模型中的用戶相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化保存。

圖10　數(shù)據(jù)上傳模塊核心功能原理

5　結(jié)論

鐵路工務(wù)智能移動(dòng)終端系統(tǒng)(Track Pad)將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場信息化支持，能夠在作業(yè)現(xiàn)場下載查看設(shè)備臺(tái)賬、歷史檢測數(shù)據(jù)和規(guī)章制度，輔助記錄和集成管理現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，同時(shí)為移動(dòng)辦公提供平臺(tái)。以標(biāo)準(zhǔn)化檢修業(yè)務(wù)場景驅(qū)動(dòng)，將多個(gè)獨(dú)立功能的移動(dòng)應(yīng)用組合成一套完整的輔助作業(yè)應(yīng)用。

系統(tǒng)功能經(jīng)過不斷迭代日趨完善，服務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性、容錯(cuò)性好。在工務(wù)段部署試用期間，提高了檢修作業(yè)效率和管理技術(shù)水平，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，契合了建設(shè)綠色、職能和人文鐵路的發(fā)展潮流。

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(責(zé)任審編周彥彥)

Design and Realization of the Intelligent Mobile Terminal System of Railway Maintenance

CHEN Dongsheng，XU Guihong，TAO Kai，YANG Taocun

(Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Based on the Android platform，the intelligent mobile terminal system(T rack Pad)of railway maintenance was developed with technologies of mobile internet and cloud computing.T he system was designed for downloading and checking data including equipment accounts，historical test data and regulations during on-site operations，and providing a mobile office platform.It was driven by standardized maintenance procedure，and combined multiple independent functions into a complete set of auxiliary operation application.Railway maintenance results show that the system improves the maintenance operations efficiency and management technology，which could achieve remarkable technological economy and social benefits.

Key words:Railway maintenance;Intelligent mobile terminal;Information;M obile internet;Cloud computing

作者簡介:陳東生(1966—)，男，副研究員，碩士。

基金項(xiàng)目:中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2014G009-D);國家國際科技合作專項(xiàng)(2015DFA81780);中國鐵道科學(xué)研究院基金(2014YJ050)

收稿日期:2015-10-18;修回日期:2016-01-05

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0118-04

中圖分類號(hào):U216;TN929.53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.29