蘆斌，王亮，王鵬揚(yáng)，劉慧德，張茉顏，何逸飛，肖宏

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司線(xiàn)路分公司，北京 100044；2.北京交通大學(xué)，北京 100044）

1 引言

近年來(lái)我國(guó)城市軌道交通建設(shè)迅速發(fā)展，龐大復(fù)雜的線(xiàn)網(wǎng)對(duì)于線(xiàn)路的運(yùn)維管理能力提出了更高的要求，在保證軌道設(shè)備高平順性和高可靠性的同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)降本增效。鋼軌作為行車(chē)安全的重要基礎(chǔ)，其全壽命周期涉及鋼軌設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、采購(gòu)、焊接、鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)維修到下道各個(gè)過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)都有可能影響鋼軌質(zhì)量和狀態(tài)。此外，眾多條線(xiàn)路在開(kāi)通時(shí)間、運(yùn)營(yíng)狀況和線(xiàn)路條件等方面的差異也給鋼軌精細(xì)化管理帶來(lái)較大困難。

對(duì)于鋼軌全壽命周期中各個(gè)階段的數(shù)據(jù)維護(hù)，如鋼軌原始信息、鋼軌打磨、鋼軌涂覆、鋼軌磨耗、鋼軌折斷及焊復(fù)、鋼軌的鎖定及放散記錄、通過(guò)總重等，傳統(tǒng)人工手動(dòng)錄入及卡片式管理的方法已經(jīng)難以適應(yīng)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)維護(hù)大量數(shù)據(jù)的需求。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)外信息化、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和應(yīng)用分析技術(shù)不斷涌現(xiàn)，全面統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析鋼軌全壽命周期各項(xiàng)數(shù)據(jù)成為可能。目前，結(jié)合大數(shù)據(jù)的信息化管理技術(shù)在鐵路行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，但對(duì)于城市軌道交通鋼軌全壽命周期精細(xì)化管理方面尚未開(kāi)展系統(tǒng)研究及應(yīng)用。

2 鐵路信息化管理應(yīng)用綜述

在鐵路物資管理和工務(wù)作業(yè)方面，馮浩宇[1]通過(guò)工機(jī)具分庫(kù)管理、分區(qū)擺放、分類(lèi)編號(hào)，并利用二維碼技術(shù)，在工機(jī)具存放、取用、進(jìn)出網(wǎng)、庫(kù)存清點(diǎn)、檢定校準(zhǔn)方面實(shí)現(xiàn)全方位數(shù)據(jù)化管理。江昶霆[2]應(yīng)用流程分析法和電路分析法，提煉基于二維碼的鐵路物資主要流動(dòng)過(guò)程，并在仿真檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出公司制改革下鐵路物資管理模式，為各鐵路集團(tuán)有限公司物資管理創(chuàng)新和模式創(chuàng)新提供決策支持。馬浩[3]從二維碼標(biāo)識(shí)技術(shù)入手，通過(guò)二維碼標(biāo)識(shí)技術(shù)對(duì)各項(xiàng)工作和各種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理形成高效的信息化管理工作模式。汪德昌[4]針對(duì)目前工務(wù)作業(yè)工機(jī)具管理中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)了高速鐵路工務(wù)作業(yè)工機(jī)具管理系統(tǒng)，分別從管理流程和界面2 個(gè)方面論述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，提出了改進(jìn)優(yōu)化方案。陸紅生[5]分析了鐵路工務(wù)設(shè)備管理現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，探討了二維碼技術(shù)在工務(wù)設(shè)備遠(yuǎn)程管理中的應(yīng)用。

在鐵路設(shè)施全壽命信息管理方面，張士東[6]基于二維碼技術(shù)和FineReport軟件平臺(tái)，運(yùn)用GPS 核查人員定位的方法，構(gòu)建了鐵路線(xiàn)路設(shè)備痕跡管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備檢查、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、整改問(wèn)題全過(guò)程的監(jiān)控和管理。張明[7]結(jié)合中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司研制的道岔軌件全壽命智能管理信息平臺(tái)，利用二維碼及SQLite 輕型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，設(shè)計(jì)道岔軌件信息查詢(xún)APP，有效推動(dòng)了線(xiàn)路設(shè)備全服役壽命周期的信息化管理。四川遂寧工務(wù)段橋路技術(shù)科[8]通過(guò)手持機(jī)掃描現(xiàn)場(chǎng)安裝的RFID 芯片中的二維碼，利用GPS 坐標(biāo)定位，將數(shù)據(jù)傳輸至該段橋路技術(shù)科橋路設(shè)備檢查管理系統(tǒng)，提高了防洪季期間橋隧設(shè)備檢查監(jiān)控力度，促進(jìn)防洪工作效率的提升。陸紅生[9]提出研究二維碼技術(shù)在鐵路軌距尺遠(yuǎn)程管理中的應(yīng)用方案，闡述了信息管理、狀態(tài)管理、使用管理、遠(yuǎn)程管理4個(gè)模塊的功能，總結(jié)試用效果，為計(jì)量器具檢定、管理探索新模式提供借鑒與參考。馬麗光[10]就二維碼技術(shù)在鋼軌原材管理、鋼軌件與原材追蹤管理、鋼軌件工序管理應(yīng)用上展開(kāi)討論，并通過(guò)二維碼技術(shù)與ERP 系統(tǒng)結(jié)合，提升了企業(yè)生產(chǎn)管理效率。劉建軍[11]經(jīng)過(guò)對(duì)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的比較，提出采用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是提高鐵路集裝箱管理水平的有效手段，并進(jìn)行投入產(chǎn)出分析。張軍[12]采用RFID 技術(shù)研制開(kāi)發(fā)了適應(yīng)速度350km/h 的客車(chē)電子標(biāo)簽，并通過(guò)對(duì)既有地面AEI 設(shè)備的改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速標(biāo)簽的動(dòng)態(tài)識(shí)別。

綜上可知，在鐵路管理的信息化應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)大多采用二維碼、GPS、RFID 等技術(shù)結(jié)合軟件平臺(tái)以及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行綜合管理的工作模式，但在城市軌道交通領(lǐng)域尚未開(kāi)展。事實(shí)上，城市軌道交通與國(guó)有鐵路在設(shè)備管理、養(yǎng)修方法、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等方面有諸多不同，這使得鋼軌在全壽命周期管理方面也存在較大差異?；诖?，本文主要探討基于鋼軌全壽命周期管理，提出RFID 電子標(biāo)簽、數(shù)據(jù)采集APP、云端服務(wù)器以及PC端應(yīng)用軟件相結(jié)合的綜合管理系統(tǒng)。

3 鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)

3.1 需求分析

鋼軌的全壽命周期管理首先需要綜合全線(xiàn)網(wǎng)，并且采集獲取鋼軌從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、焊接、鋪設(shè)、生產(chǎn)管控、運(yùn)營(yíng)維護(hù)到下道全過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括鋼軌原始數(shù)據(jù)、周期性打磨、涂覆、磨耗、折斷及焊復(fù)、鎖定及放散、通過(guò)總重等信息。因此需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)以接收和容納大量的鋼軌全壽命周期數(shù)據(jù)。

其次，需要基于系統(tǒng)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，結(jié)合線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)的實(shí)際情況，對(duì)鋼軌全壽命周期的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析并得到合理有效的解決方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌使用壽命、維修計(jì)劃和更新改造計(jì)劃的優(yōu)化，提高鋼軌全壽命周期管理水平，科學(xué)控制鋼軌生產(chǎn)管控成本，保障線(xiàn)路安全。因此，還需要數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將采集到的大量鋼軌數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。

3.2 總體設(shè)計(jì)

基于鋼軌全壽命周期管理的需求，鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，如圖1所示。

圖1 鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)鋪設(shè)電子標(biāo)簽，對(duì)鋼軌進(jìn)行編碼鋪設(shè)電子標(biāo)簽，建立鋼軌屬性數(shù)據(jù)，從而加強(qiáng)鋼軌各項(xiàng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，為后續(xù)鋼軌全壽命周期的檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)管控打下基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集APP，配合鋼軌電子標(biāo)簽的鋪設(shè)，提供將鋪設(shè)的電子標(biāo)簽錄入相應(yīng)的鋼軌編碼信息，工作人員通過(guò)掃描電子標(biāo)簽，上傳鋼軌檢查維修數(shù)據(jù)，并在云端實(shí)時(shí)查詢(xún)鋼軌設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊需要進(jìn)行鋼軌全壽命周期指標(biāo)的提取和閾值的建立，利用鋼軌的全壽命周期各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括前期制造、建設(shè)、安裝等數(shù)據(jù)以及運(yùn)營(yíng)階段設(shè)備狀態(tài)的磨耗、傷損、維修、通過(guò)總重等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建鋼軌使用壽命分析模型，分析鋼軌劣化規(guī)律，以確定鋼軌全壽命周期的維修更換評(píng)價(jià)方法。

3.3 數(shù)據(jù)采集

電子標(biāo)簽可采用RFID，即射頻識(shí)別技術(shù)，它集成了射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)，主要組成部分為應(yīng)答器、閱讀器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)。閱讀器將檢測(cè)到信號(hào)后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射相應(yīng)頻率的信號(hào)，再由應(yīng)用軟件接收信號(hào)，然后進(jìn)行信息處理。其中應(yīng)答器即為電子標(biāo)簽本身，它由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。閱讀器為讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備，可以是手持式移動(dòng)設(shè)備，而天線(xiàn)即標(biāo)簽和閱讀器之間的射頻信號(hào)。

對(duì)應(yīng)于鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)，電子標(biāo)簽貼設(shè)于鋼軌軌腰處，如圖2 所示，每段鋼軌貼設(shè)一個(gè)標(biāo)簽，以識(shí)別唯一鋼軌。此外，通過(guò)電子標(biāo)簽可以獲得鋼軌基本信息，并確定現(xiàn)場(chǎng)位置。

圖2 鋼軌電子標(biāo)簽的貼設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌的實(shí)際環(huán)境條件，電子標(biāo)簽的貼設(shè)應(yīng)滿(mǎn)足以下技術(shù)要求：

①粘結(jié)牢固，不影響鋼軌正常使用；

②易于現(xiàn)場(chǎng)操作識(shí)別；

③抗金屬、抗振動(dòng)、抗電磁環(huán)境等；

④抗高低溫環(huán)境。

工作人員在現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)采集APP對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取，并將信號(hào)傳輸?shù)綉?yīng)用軟件，應(yīng)用軟件通過(guò)云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)管理。其中，鋼軌的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、焊接、鋪設(shè)、生產(chǎn)管控、運(yùn)營(yíng)維護(hù)信息可事先錄入，這些數(shù)據(jù)維護(hù)在服務(wù)器，下道工作人員在讀取電子標(biāo)簽后，將檢測(cè)到的鋼軌傷損情況記錄并上傳到云端，從而對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新和維護(hù)。

鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)采集模塊如圖3 所示，相比于傳統(tǒng)的鋼軌傷損記錄方式，電子標(biāo)簽和數(shù)據(jù)采集APP 的使用，大大減少了下道人員的工作量，并提高了其工作效率，推動(dòng)了鋼軌全壽命周期管理工作模式的智能化發(fā)展。

圖3 鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)采集模塊

3.4 數(shù)據(jù)管理

對(duì)于儲(chǔ)存在云端的鋼軌數(shù)據(jù)，還需要通過(guò)應(yīng)用軟件進(jìn)一步處理，因此建立相應(yīng)的鋼軌全壽命周期的數(shù)學(xué)模型，如圖4 所示。其中指標(biāo)的建立和閾值的提取，主要根據(jù)通過(guò)總重、鋼軌磨耗、重傷情況等進(jìn)行確定。

圖4 鋼軌全壽命周期數(shù)學(xué)模型

相對(duì)于傳統(tǒng)的運(yùn)維模式，通過(guò)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)對(duì)鋼軌傷損、磨耗、焊縫、打磨等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上進(jìn)行鋼軌維修更換評(píng)價(jià)和分析，并隨著數(shù)學(xué)模型的迭代更新，逐步制定全面的、多指標(biāo)的、精細(xì)化的評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)，促進(jìn)鋼軌精細(xì)化管理，同時(shí)降低了運(yùn)維成本，提高了效益。

4 結(jié)論

本文在綜合調(diào)研信息化技術(shù)在鐵路物資管理和工務(wù)作業(yè)方面以及鐵路設(shè)施全壽命信息管理方面的應(yīng)用基礎(chǔ)上，闡述了城市軌道交通鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)組成，結(jié)合電子標(biāo)簽技術(shù)、數(shù)據(jù)采集APP、云端服務(wù)器以及PC 端應(yīng)用軟件，對(duì)其數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行了詳細(xì)介紹，明確了信息化技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

城市軌道交通的快速發(fā)展亟待建立信息化的鋼軌全壽命周期管理工作模式，應(yīng)充分利用各項(xiàng)信息化技術(shù)，提升管理的精度和效率，同時(shí)降低傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作所帶來(lái)的時(shí)間成本和人工負(fù)荷。本文提出的鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)也可為城市軌道交通其他物資設(shè)施管理的智能化發(fā)展提供參考。