李 擎，劉 嶺，彭其淵，白 磊

（1.西南交通大學(xué)?交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川?成都?610031；2.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司?信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，北京?100073；3.北京九州鐵物軌道科技服務(wù)有限公司?信息中心，北京?100070)

0 引言

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施是一種典型的線性資產(chǎn)，在空間分布上具有線性、連續(xù)、帶狀布局等特征，其檢查、維修活動(dòng)具有以下特點(diǎn)：①檢查、維修活動(dòng)在水平方向上具有連續(xù)性，如軌檢車檢查作業(yè)、線路搗固作業(yè)在空間上是連續(xù)進(jìn)展的；②檢查、維修活動(dòng)一般從線路區(qū)段的一端延伸到另外一端，如線路搗固作業(yè)消耗時(shí)間的同時(shí)在里程位置上也不斷地向前進(jìn)展；③檢查、維修活動(dòng)主要由具有重復(fù)特征的活動(dòng)組成，如線路搗固作業(yè)一般是在多個(gè)區(qū)段內(nèi)連續(xù)、重復(fù)進(jìn)行；④檢查、維修活動(dòng)易受時(shí)間因素、空間因素的影響，如在小半徑曲線、瞭望條件不良等地段需要降低線路搗固作業(yè)的活動(dòng)速率。

針對(duì)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者多研究鐵路客流數(shù)據(jù)可視化模型[1-2]、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)可視化模型[3-4]。鐵路現(xiàn)場(chǎng)常用甘特圖、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖可視化展現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查、維修計(jì)劃。由于鐵路檢查、維修活動(dòng)的上述特點(diǎn)，應(yīng)用上述方法時(shí)存在著諸多不足[5-7]，只能體現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查、維修活動(dòng)的時(shí)間信息，難以表達(dá)出檢查、維修活動(dòng)的空間位置等信息；無法展現(xiàn)出不同檢查、維修活動(dòng)在空間維度上的各種約束。因此，甘特圖和網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖很難直觀展現(xiàn)出檢查計(jì)劃存在漏檢、維修計(jì)劃存在時(shí)空沖突的狀況。如何充分可視化展現(xiàn)檢查與維修活動(dòng)數(shù)據(jù)、深入挖掘釋放數(shù)據(jù)中的潛在價(jià)值，是鐵路管理者面臨的一個(gè)重要課題。

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)“數(shù)據(jù)可視化”尚未有統(tǒng)一的定義[8]。雖然數(shù)據(jù)可視化概念各有不同，但其基本思想可歸納為借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及圖像處理技術(shù)，不再局限于關(guān)系數(shù)據(jù)表，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、融合，從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)新知識(shí)的獲取。

研究將基于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)格化管理方法，提出一種新的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修計(jì)劃可視化模型，簡(jiǎn)潔、清晰、直觀展示鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)的時(shí)間與空間信息、不同活動(dòng)在時(shí)間與空間維度上的各種約束或邏輯關(guān)系、不同時(shí)空位置活動(dòng)速率的變化等信息。

1 常用的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化方法分析

1.1 基于甘特圖的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化方法

基于甘特圖的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化方法，以線條圖的表現(xiàn)形式，利用檢查與維修活動(dòng)列表與時(shí)間刻度，直觀展示檢查與維修活動(dòng)的序列及其持續(xù)時(shí)間。該方法用于鐵路檢查、維修計(jì)劃可視化時(shí)存在以下不足[5,7]。

（1）主要關(guān)注時(shí)間進(jìn)程管理，難以體現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)的空間位置信息，無法準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)的活動(dòng)進(jìn)展情形，無法體現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)的重復(fù)性特征。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施是一種典型的線性資產(chǎn)，空間位置信息對(duì)其檢查與維修管理十分重要。

（2）無法體現(xiàn)不同檢查與維修活動(dòng)在空間維度上的各種約束，而這些約束對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)的高效管理很關(guān)鍵。例如，為保障鐵路現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全與效率，活動(dòng)之間需要保持一定的空間間隔，但甘特圖不能提供此類信息。

（3）無法體現(xiàn)各類時(shí)間、空間因素對(duì)檢查與維修活動(dòng)速率的影響，無法展示同一個(gè)檢查、維修活動(dòng)速率在不同時(shí)空位置中的變化。

1.2 基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化方法

基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化方法，以有向、有序網(wǎng)狀圖形的表現(xiàn)形式，利用節(jié)點(diǎn)與箭線描述檢查與維修計(jì)劃的工作流程，其中節(jié)點(diǎn)及其編號(hào)表示檢查與維修活動(dòng)，箭線表示活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系。該方法用于鐵路檢查、維修計(jì)劃的可視化時(shí)存在以下不足[6]。

（1）鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)大多為連續(xù)、重復(fù)活動(dòng)，如果用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖對(duì)其進(jìn)行計(jì)劃編制與展示，為保證活動(dòng)之間的約束關(guān)系，需要將連續(xù)的活動(dòng)離散化，這將使網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖復(fù)雜難懂、可讀性較差，可能會(huì)使連續(xù)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)在現(xiàn)場(chǎng)組織安排時(shí)，出現(xiàn)中斷，造成資源的不合理配置。

（2）與甘特圖類似，網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖只能體現(xiàn)時(shí)間一個(gè)維度信息，不能表達(dá)出鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)的空間位置信息、空間維度上的各種約束與活動(dòng)速率的變化等。

2 基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化建模

為克服上述甘特圖、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖存在的不足，研究提出一種新的基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化模型(Time-location Grid-based Visualization Model for Railway Inspection and Maintenance， TGVMRIM)，該模型基于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)格化管理方法，將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)在時(shí)間、空間維度上進(jìn)行細(xì)分，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)等，圖形化展示鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)的時(shí)間與空間信息、不同活動(dòng)在時(shí)間與空間維度上的各種約束等信息。

2.1 鐵路時(shí)空網(wǎng)格的定義

依據(jù)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)格化管理方法[9]，鐵路網(wǎng)格是指將線性、連續(xù)、帶狀布局的鐵路線路按一定規(guī)則，劃分成的若干相鄰等長(zhǎng)的“小區(qū)段”。鐵路網(wǎng)格由其相應(yīng)里程范圍內(nèi)的不同專業(yè)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成，是這些鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的綜合體。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出鐵路時(shí)空網(wǎng)格，它是指基于時(shí)間、空間2個(gè)維度按照一定規(guī)則將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期過程進(jìn)行分割，形成的若干個(gè)小單元。鐵路時(shí)空網(wǎng)格示意圖如圖1所示。圖1中橫坐標(biāo)表示里程，縱坐標(biāo)表示時(shí)間，每個(gè)時(shí)空網(wǎng)格用Gij表示，i表示第i個(gè)鐵路網(wǎng)格，j表示網(wǎng)格所處時(shí)間段。

圖1 鐵路時(shí)空網(wǎng)格示意圖Fig.1 Sketch map of railway time-location grid

鐵路時(shí)空網(wǎng)格是一個(gè)基于時(shí)間-空間的基本單元，其劃分方法如下。

（1）時(shí)間網(wǎng)格劃分：根據(jù)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理的實(shí)際工作要求，在時(shí)間維度上可以按照分、時(shí)、天、周、月、年對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期過程進(jìn)行劃分。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，管理者可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景需求，選擇時(shí)間網(wǎng)格單元的大小。

（2）空間網(wǎng)格劃分：作為在空間維度上對(duì)線性、連續(xù)鐵路線路進(jìn)行分割的最小單位，空間網(wǎng)格的劃分應(yīng)充分考慮檢查與維修活動(dòng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和鐵路現(xiàn)場(chǎng)的管理需求，將鐵路網(wǎng)格的長(zhǎng)度定為200 m，相鄰網(wǎng)格選擇鐵路百米標(biāo)作為分界點(diǎn)。

基于鐵路時(shí)空網(wǎng)格，將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)按照較小的時(shí)間單位、空間單位劃分，能更細(xì)致地定義檢查與維修活動(dòng)在時(shí)間、空間上的各種約束，更準(zhǔn)確地描述各類時(shí)間因素、空間因素對(duì)檢查與維修活動(dòng)的影響，使管理者能在較高的時(shí)間、空間分辨率下管理鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)，基于2種不同可視化思路的檢查與維修計(jì)劃對(duì)比如圖2所示。圖2中橫坐標(biāo)表示線路里程，縱坐標(biāo)表示活動(dòng)執(zhí)行的時(shí)間，藍(lán)色線條代表檢查與維修活動(dòng)，其與橫坐標(biāo)的夾角大小表示活動(dòng)執(zhí)行速率的快慢，夾角越小表示相應(yīng)活動(dòng)的執(zhí)行速率越快。圖2中紅色陰影部分表示相鄰2個(gè)活動(dòng)之間的時(shí)空約束，直觀展現(xiàn)相鄰兩個(gè)活動(dòng)執(zhí)行全過程中任一時(shí)刻、任一里程點(diǎn)之間存在的時(shí)空約束。

2.2 TGVM-RIM模型的建立

TGVM-RIM模型主要包括3部分，基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化模型如圖3所示，基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化示意圖如圖4所示。

（1）建立一個(gè)二維直角坐標(biāo)系，描述鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)的各類時(shí)空關(guān)系，其中縱軸代表檢查、維修計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間，橫軸代表鐵路線路里程。基于橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)的刻度，在直角坐標(biāo)系中可以劃分出鐵路時(shí)空網(wǎng)格。

（2）獲取檢查與維修活動(dòng)Ak(k= 1，2，…，K，其中K為檢查、維修活動(dòng)總數(shù))在途經(jīng)的所有時(shí)空網(wǎng)格中的開始里程坐標(biāo)、開始時(shí)間坐標(biāo)與結(jié)束里程坐標(biāo)、結(jié)束時(shí)間坐標(biāo)。不同類型、狀態(tài)的檢查與維修活動(dòng)，采用不同的線型、顏色描述。

（3）應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，基于檢查、維修活動(dòng)Ak的時(shí)空位置、線型、顏色等信息，實(shí)現(xiàn)鐵路時(shí)空網(wǎng)格檢查、維修活動(dòng)專題圖的自動(dòng)繪制，并輸出相應(yīng)的專題圖。圖4可以直觀展現(xiàn)不同活動(dòng)間的時(shí)空約束，同一活動(dòng)在不同時(shí)空網(wǎng)格中速率的變化等。

圖2 基于2種不同可視化思路的檢查與維修計(jì)劃對(duì)比圖Fig.2 Comparison of inspection and maintenance schedules based on two different visualization thoughts

圖3 基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化模型Fig.3 Time-location grids based visualization model for railway inspection and maintenance

圖4 基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化示意圖Fig.4 Time-location grids based visualization of railway inspection and maintenance

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 背景提出

實(shí)例采用國(guó)內(nèi)某線路某年4月18日—4月23日重車方向 K528+000 ～ K533+ 000范圍內(nèi)集中修6個(gè)綜合天窗(180 min)的計(jì)劃數(shù)據(jù)對(duì)TGVM-RIM的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。分別采用甘特圖、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖與模型TGVM-RIM對(duì)上述集中修計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，國(guó)內(nèi)某線路集中修甘特圖如圖5所示，國(guó)內(nèi)某線路集中修網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖如圖6所示，國(guó)內(nèi)某線路集中修時(shí)空網(wǎng)格可視化圖如圖7所示。

3.2 模型結(jié)果分析

分析圖5可知，甘特圖過于簡(jiǎn)單，只能展示活動(dòng)的時(shí)間信息，較難體現(xiàn)出活動(dòng)之間的時(shí)間約束關(guān)系等。分析圖6可知，換軌大修1 (簡(jiǎn)稱A1)、大機(jī)清篩1 (簡(jiǎn)稱A2)、大機(jī)線路維修搗固1 (簡(jiǎn)稱A3)、大機(jī)打磨鋼軌1 (簡(jiǎn)稱A4)為重車方向K528+000 ～ K533+000范圍內(nèi)的連續(xù)活動(dòng)，其施工平均速率分別為2.5 km/h，1.5 km/h，4 km/h，5km/h。為了保證各個(gè)活動(dòng)之間的安全距離，網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖需要將4個(gè)維修活動(dòng)離散化處理，分為5段，以換軌大修1為例則有：A1 = A1-1+A1-2+A1-3+A1-4+A1-5。以此類推，4個(gè)維修活動(dòng)被離散成為了20個(gè)小活動(dòng)。由此可見，網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖比較復(fù)雜，可讀性較差。

圖5 國(guó)內(nèi)某線路集中修甘特圖Fig.5 Gantt chart of the concentrative maintenance schedule for a domestic railway

圖6 國(guó)內(nèi)某線路集中修網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖Fig.6 Network diagram of the concentrative maintenance schedule for a domestic railway

圖7 國(guó)內(nèi)某線路集中修時(shí)空網(wǎng)格可視化圖Fig.7 Time-location grids based visualization of the concentrative maintenance schedule for a domestic railway

綜合對(duì)比圖5、圖6和圖7可知，TGVMRIM具有以下優(yōu)勢(shì)：①不僅能夠清晰展示鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維修活動(dòng)的時(shí)間信息，而且能展現(xiàn)其里程位置信息，體現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維修活動(dòng)的重復(fù)性特征；②能夠清晰簡(jiǎn)潔地體現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維修活動(dòng)在時(shí)間、空間維度上的各種約束，為保障鐵路現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全與效率提供支持；③能夠直觀體現(xiàn)各類時(shí)間、空間因素對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維修活動(dòng)速率的影響，展現(xiàn)同一個(gè)維修活動(dòng)的速率在不同時(shí)空位置中的變化，為對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維修活動(dòng)進(jìn)行精細(xì)化、個(gè)性化管理奠定基礎(chǔ)；④畫面美觀易懂，具有非常強(qiáng)的可視性，有助于管理者理解、共享數(shù)據(jù)中的重要信息。

4 結(jié)束語

基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化模型的研究，是依據(jù)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)格化管理方法，考慮鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修活動(dòng)線性、連續(xù)進(jìn)展、重復(fù)進(jìn)行等特點(diǎn)，在二維直角坐標(biāo)系中直觀、精細(xì)化地描述不同活動(dòng)在時(shí)間、空間維度上的各類約束。研究結(jié)果表明，基于時(shí)空網(wǎng)格的鐵路檢查與維修計(jì)劃可視化模型相比于傳統(tǒng)的甘特圖與網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢查與維修計(jì)劃可視化方面更具有優(yōu)勢(shì)，能夠更合理地分配維修資源及控制維修成本，有助于提高管理者對(duì)檢查與維修活動(dòng)的管理效率和決策水平。基于鐵路時(shí)空網(wǎng)格的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維修進(jìn)度計(jì)劃的優(yōu)化編制及動(dòng)態(tài)調(diào)整，鐵路維修活動(dòng)安全風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)確評(píng)估等還有待進(jìn)一步深入研究。