■ 羅志權(quán) 郭琦 梁棟 羅永亮

基于三維GIS技術(shù)的工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理模式應(yīng)用研究

■ 羅志權(quán) 郭琦 梁棟 羅永亮

以三維GIS作為技術(shù)支持，依托海南東環(huán)線線路設(shè)備以及檢測(cè)數(shù)據(jù)，基于三維GIS鐵路固定設(shè)施生產(chǎn)管理系統(tǒng)，探索研究工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理模式在系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過對(duì)工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理的廣泛調(diào)研，提出工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理在三維GIS鐵路固定設(shè)施生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的功能應(yīng)用并總結(jié)其特點(diǎn)，研究線路質(zhì)量分析應(yīng)用于系統(tǒng)功能的邏輯算法。實(shí)踐表明，工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理模式通過結(jié)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(yīng)用于系統(tǒng)功能能夠良好覆蓋鐵路養(yǎng)護(hù)維修的各個(gè)過程體系，符合中國(guó)鐵路總公司維修體制改革的各項(xiàng)規(guī)范，進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)效率與數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，以期為鐵路工務(wù)系統(tǒng)安全生產(chǎn)工作作出貢獻(xiàn)。

三維；GIS技術(shù)；固定設(shè)施；生產(chǎn)管理；融合算法；閉環(huán)管理；養(yǎng)護(hù)維修

鐵路運(yùn)營(yíng)安全已成為我國(guó)政府和廣大群眾最為關(guān)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(yīng)對(duì)里程、運(yùn)量與安全級(jí)別不斷增加的需求。對(duì)于鐵路設(shè)備管理部門亟需尋求新的、更加有效的管理手段，及時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)及其周邊環(huán)境，合理制定維修計(jì)劃，有效處理設(shè)備的漸進(jìn)性缺陷與突發(fā)性故障，降低鐵路沿線的地形、地質(zhì)、自然環(huán)境等條件對(duì)生產(chǎn)維修的影響，減少設(shè)備維修維護(hù)對(duì)本專業(yè)其他設(shè)備設(shè)施、外專業(yè)關(guān)聯(lián)設(shè)備設(shè)施的影響［1］。

工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理模式是鐵路工務(wù)系統(tǒng)近年來根據(jù)中國(guó)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(hù)維修相對(duì)獨(dú)立的各個(gè)工作階段徹底關(guān)聯(lián)起來，建立流轉(zhuǎn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與履歷追溯，進(jìn)一步提高養(yǎng)護(hù)維修工作效率以及作業(yè)精準(zhǔn)度［4］?；谌SGIS鐵路固定設(shè)施生產(chǎn)管理系統(tǒng)，提出了一整套工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理模式在系統(tǒng)中應(yīng)用的解決方案，并結(jié)合海南東環(huán)線設(shè)備數(shù)據(jù)以及線路檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

1 工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理模式

1.1 基本內(nèi)容

工務(wù)線路質(zhì)量閉環(huán)管理是鐵路養(yǎng)護(hù)維修中一種重要的管理模式，同時(shí)也是一個(gè)完整的過程體系（見圖1），通過以下步驟完成鐵路養(yǎng)護(hù)維修的閉環(huán)管理，從而確保線路質(zhì)量安全工作的順利開展。（1）按照線路設(shè)備的檢測(cè)周期采用各種檢測(cè)儀器及檢測(cè)手段對(duì)線路幾何尺寸以及其他安全參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；（2）通過線路質(zhì)量分析，將得到的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)按照一定的分析邏輯加以分析利用，得到針對(duì)性的分析結(jié)果數(shù)據(jù)；（3）將這些分析結(jié)果匯總、篩選，形成對(duì)應(yīng)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(cè)結(jié)果來驗(yàn)證上一次維修作業(yè)的有效性，指導(dǎo)接下來的維修作業(yè)；（5）將線路設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果以及維修反饋登記在案，形成線路設(shè)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(guó)鐵路總公司維修體制改革辦法［5］對(duì)工務(wù)線路質(zhì)量安全管理要求的闡述，總結(jié)出適用于工務(wù)線路質(zhì)量安全管理辦法的線路質(zhì)量閉環(huán)管理功能［6］，其中包括：線路設(shè)備管理、檢測(cè)數(shù)據(jù)管理、線路質(zhì)量分析、維修計(jì)劃管理、設(shè)備單元履歷等幾大功能，且功能間實(shí)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(shè)備管理

工務(wù)線路設(shè)備主要包括鋼軌、曲線、道岔、軌枕等。線路設(shè)備管理主要是針對(duì)鐵路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)中的相關(guān)設(shè)備的定位信息以及設(shè)備基本參數(shù)進(jìn)行管理，為之后的線路質(zhì)量分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持與分析依據(jù)。

1.2.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)管理

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

1.2.3 線路質(zhì)量分析

線路質(zhì)量分析是工務(wù)線路質(zhì)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(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同算法邏輯的數(shù)據(jù)計(jì)算，得到針對(duì)性的分析結(jié)果，再將這些分析結(jié)果匯總、篩選，形成相應(yīng)的鐵路線路整治辦法。線路質(zhì)量分析主要有3種方法：線路不平順度分析、集中修大機(jī)搗固分析、設(shè)備單元化分析，3種分析方法都會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的線路問題缺陷區(qū)段以及整治建議，為維修計(jì)劃的制訂提供依據(jù)。

（1）線路不平順度分析（動(dòng)靜態(tài)分析）。線路不平順度分析是通過設(shè)定動(dòng)態(tài)的單元長(zhǎng)度去查找單元長(zhǎng)度內(nèi)各種檢測(cè)結(jié)果中的問題缺陷點(diǎn)，通過設(shè)定不同的問題等級(jí)扣分來計(jì)算單元長(zhǎng)度內(nèi)總扣分值，并與分析人員設(shè)定的動(dòng)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(zhǎng)度小于分析人員設(shè)定的間距長(zhǎng)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(zhuǎn)到維修計(jì)劃管理處，為計(jì)劃制訂提供數(shù)據(jù)支持。

（2）集中修大機(jī)搗固分析。集中修大機(jī)搗固分析是采用軌檢車TQI以及軌檢車超限檢測(cè)數(shù)據(jù)通過區(qū)分不同線路速度等級(jí)的因素設(shè)定幾何尺寸的峰值閾值，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果的幾何尺寸峰值超過設(shè)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(jìn)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(shè)備單元化分析。線路設(shè)備單元化分析是按照線路設(shè)備特征以及線路速度等級(jí)將線路劃分為連續(xù)的線路設(shè)備單元，并建立相應(yīng)的設(shè)備單元履歷。每月月初采用軌檢車、軌檢儀、機(jī)車報(bào)警等檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)按照設(shè)定的權(quán)值系數(shù)相乘得到總的單元評(píng)分，根據(jù)評(píng)分范圍判定當(dāng)月的單元質(zhì)量評(píng)價(jià)，并把最終的評(píng)價(jià)得分和評(píng)價(jià)等級(jí)加入線路設(shè)備單元履歷供追溯查詢，通過線路設(shè)備單元履歷可以直觀查詢?cè)搯卧欢螘r(shí)間內(nèi)的質(zhì)量變化。

（4）維修計(jì)劃管理。通過線路質(zhì)量分析得到的分析結(jié)果最終將流轉(zhuǎn)到計(jì)劃的制訂中，并與分析結(jié)果相關(guān)聯(lián)，當(dāng)計(jì)劃流轉(zhuǎn)執(zhí)行完成后，分析結(jié)果狀態(tài)也會(huì)相對(duì)應(yīng)地變化。鐵路維修作業(yè)人員根據(jù)計(jì)劃內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，并將實(shí)際作業(yè)情況反饋到計(jì)劃中保存以供追溯。

2 線路質(zhì)量分析算法研究

通過線路質(zhì)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(yīng)該視為一個(gè)問題統(tǒng)一處理［7］。因此，線路質(zhì)量分析缺陷區(qū)段融合算法以及算法參數(shù)的驗(yàn)證也成為課題研究的內(nèi)容。通過反復(fù)調(diào)整融合算法邏輯以及融合算法參數(shù)得到測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相比對(duì)，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(diǎn)作為起點(diǎn)，按里程從小到大排序查找下一個(gè)里程點(diǎn)，若2個(gè)里程點(diǎn)間距小于融合里程參數(shù)值，則2個(gè)里程點(diǎn)之間形成缺陷里程區(qū)段，之后以第2個(gè)里程點(diǎn)作為起點(diǎn)繼續(xù)按照順序查找，直到與下一個(gè)里程點(diǎn)間距大于融合里程參數(shù)值時(shí)，取最后一個(gè)里程點(diǎn)作為當(dāng)前缺陷區(qū)段終點(diǎn)，然后再次以下一個(gè)缺陷里程點(diǎn)作為下一段缺陷里程區(qū)段起點(diǎn)。

圖3 融合算法參數(shù)驗(yàn)證步驟示意圖

如圖3所示，根據(jù)動(dòng)靜態(tài)分析的業(yè)務(wù)需求，以及融合算法的基本思路，結(jié)合海南東環(huán)線實(shí)際融合里程參數(shù)單一變量驗(yàn)證結(jié)果的數(shù)據(jù)分析（見圖4），可以得出以下結(jié)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(dāng)參數(shù)值取30 m時(shí)，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(yīng)線路上的包括添乘儀晃車、軌檢儀臨時(shí)補(bǔ)修、機(jī)車報(bào)警等缺陷情況，更有效地指導(dǎo)維修派工工作。

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

3.1 設(shè)備管理

設(shè)備管理模塊支持在三維場(chǎng)景中加載鐵路設(shè)施設(shè)備精細(xì)三維模型，并將設(shè)施設(shè)備模型與相關(guān)對(duì)象信息關(guān)聯(lián)，進(jìn)行直觀可視化管理與查詢，提高管理工作效率和質(zhì)量（見圖5）。主要包括線上設(shè)備車站、區(qū)間、道岔、曲線、橋梁、隧道、道床、變動(dòng)所等，支持相關(guān)設(shè)備查詢、定位、標(biāo)識(shí)、信息及相關(guān)專題圖顯示。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)管理

根據(jù)檢測(cè)原始數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，完成綜合設(shè)施關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析模型的建立，以提高線路質(zhì)量和檢修效率。支持在三維場(chǎng)景沿線動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)相關(guān)線路檢控結(jié)果地理位置，添加相關(guān)標(biāo)注，關(guān)聯(lián)相關(guān)信息，從而進(jìn)行可視化管理與查詢，提高管理工作效率和質(zhì)量（見圖6）。

3.3 線路質(zhì)量分析

圖4 參數(shù)驗(yàn)證百分比線形圖

圖5 設(shè)備管理案例

圖6 檢測(cè)數(shù)據(jù)管理案例

線路質(zhì)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(cè)數(shù)據(jù)，綜合考慮失效連接零件等因素，能夠自動(dòng)計(jì)算出重點(diǎn)病害與病害集中區(qū)域，并給予評(píng)價(jià)，給出整治建議。同時(shí)支持相關(guān)分析結(jié)果信息查詢、定位、標(biāo)識(shí)、嚴(yán)重級(jí)別篩選、以及相關(guān)專題圖如統(tǒng)計(jì)圖、趨勢(shì)圖、線路技術(shù)圖、車站配線圖等專題圖的查詢顯示。線路質(zhì)量分析功能案例見圖7。

圖7 線路質(zhì)量分析案例

3.4 維修計(jì)劃管理查詢

通過線路質(zhì)量分析得到的分析結(jié)果最終將流轉(zhuǎn)到計(jì)劃的制訂中，最后與分析結(jié)果相關(guān)聯(lián)。作業(yè)管理模塊支持在三維場(chǎng)景沿線動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)相關(guān)作業(yè)地理位置、添加相關(guān)標(biāo)注、關(guān)聯(lián)作業(yè)信息，從而進(jìn)行可視化管理與查詢，同時(shí)支持相關(guān)作業(yè)位置定位、標(biāo)識(shí)、信息及相關(guān)專題圖的查詢（見圖8）。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

（1）將鐵路設(shè)施設(shè)備三維建模后，通過在三維GIS平臺(tái)中集成，并建立與后臺(tái)設(shè)備臺(tái)賬的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了鐵路設(shè)施設(shè)備所見即所得的查詢方式。

圖8 維修計(jì)劃管理查詢

（2）整合線路綜合圖、站場(chǎng)配線圖等多種專題圖，實(shí)現(xiàn)圖紙數(shù)字化，并與三維GIS集成，實(shí)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(cè)手段為系統(tǒng)算法提供各種檢測(cè)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(zhì)量分析缺陷區(qū)段里程融合等邏輯算法實(shí)現(xiàn)全面的線路質(zhì)量分析功能，最大程度地提供線路質(zhì)量安全保障。

（4）系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)結(jié)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(shí)現(xiàn)了缺陷分析維修與計(jì)劃的關(guān)聯(lián)，完成工務(wù)線路質(zhì)量的閉環(huán)管理，符合鐵路局維修體制改革的各項(xiàng)規(guī)范。

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羅志權(quán)：海南高速鐵路有限公司，高級(jí)工程師，海南 ?？冢?70125
郭 琦：海南高速鐵路有限公司，工程師，海南?？?，570125
梁 棟：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，助理工程師，四川 成都，610031
羅永亮：中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，助理工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯 李葳

U216.2；TP29

A

1672-061X（2016）03-0046-06

中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司課題項(xiàng)目（14126211（14-15））。