鐵路工務(wù)線路維修方案智能決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈 鹍，王東妍，樊 濤，徐 鵬，任京楠

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

截至2020年底，全國鐵路運(yùn)營里程達(dá)到14.6萬km，其中，高速鐵路（簡稱：高鐵）運(yùn)營里程達(dá)3.79萬km，并將長期保持高速增長[1]。隨著鐵路運(yùn)營里程的增加，建設(shè)規(guī)模增長、設(shè)備老齡化、人員成本增加等問題逐漸凸顯，鐵路工務(wù)線路的養(yǎng)護(hù)維修成本也隨之增長。由于近年來鐵路工務(wù)線路各種動(dòng)軌檢車、搭載式檢測、軌檢小車、電子道尺等動(dòng)靜態(tài)檢測檢查設(shè)備的運(yùn)用，線路檢測檢查數(shù)據(jù)快速增長，這凸顯出海量檢測檢查數(shù)據(jù)的處理和分析能力不足的問題。

目前，我國鐵路推廣的工務(wù)安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測檢查數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入，但需人工進(jìn)行二次復(fù)核分析入庫，導(dǎo)致對(duì)數(shù)據(jù)的深層挖掘和應(yīng)用不足[2]，使設(shè)備的狀態(tài)無法準(zhǔn)確掌控，以致編排的維修計(jì)劃不夠合理。此外，鐵路工務(wù)部門目前尚未達(dá)到“標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、集成化”的管理要求[3]，亟須加快工務(wù)運(yùn)營維護(hù)管理組織的優(yōu)化升級(jí)，因而研發(fā)高效精準(zhǔn)的鐵路工務(wù)線路維修方案智能決策系統(tǒng)顯得十分迫切。

1 研究背景

陶竑宇[4]針對(duì)我國鐵路軌道管理信息系統(tǒng)功能單一、各子系統(tǒng)間缺乏數(shù)據(jù)交互等問題，研究了軌道單元質(zhì)量均衡管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建方法。何洋等人[5]針對(duì)復(fù)雜苛刻的工務(wù)養(yǎng)護(hù)條件，探索了管理單元?jiǎng)澐值幕驹瓌t和方法。徐貴紅等人[6]建立鐵路工務(wù)安全生產(chǎn)管理分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圍繞設(shè)備狀態(tài)的t鐵路工務(wù)生產(chǎn)組織管理閉環(huán)系統(tǒng)。賈慧青[7]針對(duì)鐵路工務(wù)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中工務(wù)維修與管理的現(xiàn)狀進(jìn)行了探究。孫雷等人[8]等針對(duì)鐵路工務(wù)養(yǎng)護(hù)問題，設(shè)計(jì)鐵路工務(wù)維修輔助平臺(tái)。方文斌等人[9]基于鐵路的成本問題，分析了時(shí)間驅(qū)動(dòng)作業(yè)成本法在鐵路維修部門的具體應(yīng)用。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)鐵路工務(wù)線路維修的修程修制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向鐵路工務(wù)線路維修方案的智能決策系統(tǒng)（簡稱：智能決策系統(tǒng)），建立鐵路工務(wù)線路設(shè)備單元量化分析體系，為鐵路工務(wù)線路養(yǎng)護(hù)維修方案的制訂提供更科學(xué)的支持，保障精準(zhǔn)計(jì)劃維修開展，減少人工分析及計(jì)劃編制，提高管理效能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

鐵路工務(wù)線路設(shè)備作為保障鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。為確保鐵路的安全運(yùn)營，鐵路工務(wù)線路需加強(qiáng)設(shè)備檢測檢查數(shù)據(jù)單元的量化分析，推進(jìn)維修組織優(yōu)化升級(jí)，制訂合適的養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃。智能決策系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)維修方案的自動(dòng)編制，包括制訂設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)規(guī)則和編制單元維修方案。

（1）制訂設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)規(guī)則。智能決策系統(tǒng)按照單元?jiǎng)澐衷瓌t，將鐵路工務(wù)線路設(shè)備劃分為若干單元，對(duì)動(dòng)軌檢車大值、車載重復(fù)晃車、添乘重復(fù)晃車等動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果進(jìn)行單元量化分析。此外，智能決策系統(tǒng)還能制訂分析規(guī)則，將點(diǎn)狀病害納入周狀態(tài)修。

（2）編制單元維修方案。智能決策系統(tǒng)建立月度設(shè)備檢測檢查數(shù)據(jù)與病害類型、作業(yè)項(xiàng)目、作業(yè)機(jī)具、天窗類型、人員工時(shí)等的對(duì)應(yīng)關(guān)系。智能決策系統(tǒng)能夠智能化推送最差的設(shè)備單元，并以最差設(shè)備單元優(yōu)先維修為準(zhǔn)則，自動(dòng)測算最差設(shè)備單元修后運(yùn)行質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良的工作量，輔助車間/站段人員編制月度單元維修方案。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能決策系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)平臺(tái)層和應(yīng)用層組成。

圖1 智能決策系統(tǒng)架構(gòu)

（1）感知層按檢測類型可分為移動(dòng)檢測、固定監(jiān)測和日常檢查；按監(jiān)測方式可分為動(dòng)軌檢車、搭載式檢測、定點(diǎn)監(jiān)測、專業(yè)檢查和常規(guī)檢查。檢測監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)鐵路線路全面感知、實(shí)時(shí)診斷、智能分析的重要手段[10]，主要獲取鐵路工務(wù)線路設(shè)備服役狀態(tài)下的幾何尺寸數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化病害數(shù)據(jù)、圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層是連接感知層、數(shù)據(jù)資源層和數(shù)據(jù)平臺(tái)層的紐帶，其功能是將感知層獲取的數(shù)據(jù)信息通過互聯(lián)網(wǎng)、專用通信網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)等及時(shí)安全地傳輸至數(shù)據(jù)資源層和數(shù)據(jù)平臺(tái)層，為數(shù)據(jù)的匯集共享和治理提供支撐。

（3）數(shù)據(jù)資源層主要對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、時(shí)序數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理。這些數(shù)據(jù)來自設(shè)備資產(chǎn)、各類檢測檢查、維修歷史記錄等，并通過傳輸層進(jìn)行匯集、存儲(chǔ)及治理。

（4）數(shù)據(jù)平臺(tái)層具備數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘分析等功能，將數(shù)據(jù)資源層的多源數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)和分析，為鐵路工務(wù)線路維修方案智能決策提供支持。數(shù)據(jù)平臺(tái)層依托檢測檢查數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等算法庫，對(duì)檢測檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析、趨勢(shì)分析、量化分析，得到缺陷診斷、缺陷報(bào)警、單元分析等客觀準(zhǔn)確的分析結(jié)果，為鐵路工務(wù)線路維修方案的智能決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

（5）應(yīng)用層包括單元量化分析、方案篩選、計(jì)劃編制、狀態(tài)評(píng)價(jià)等。應(yīng)用層以提升鐵路工務(wù)線路維修效率效益為目的，充分運(yùn)用檢測檢查數(shù)據(jù)，將檢測檢查數(shù)據(jù)與單元設(shè)備狀態(tài)、單元設(shè)備維護(hù)和單元設(shè)備管理充分關(guān)聯(lián)，進(jìn)行單元量化分析，將扣分排序靠前的設(shè)備單元優(yōu)先納入次月計(jì)劃修。

智能決策系統(tǒng)能夠推進(jìn)鐵路工務(wù)線路設(shè)備的全生命周期管理，發(fā)揮缺陷診斷、單元分析；指導(dǎo)精準(zhǔn)維修；提高服務(wù)質(zhì)量的作用。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依托我國鐵路推廣的鐵路工務(wù)安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，智能決策系統(tǒng)完善了鐵路工務(wù)線路維修方案傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)檢測—分析—計(jì)劃—作業(yè)—驗(yàn)收的閉環(huán)管理。鐵路工務(wù)線路維修方案的生產(chǎn)閉環(huán)管理如圖2所示。

圖2 鐵路工務(wù)線路維修生產(chǎn)閉環(huán)管理

智能決策系統(tǒng)使鐵路工務(wù)線路維修方案實(shí)現(xiàn)了5個(gè)“自動(dòng)”：自動(dòng)評(píng)定設(shè)備，明確養(yǎng)修重點(diǎn)；自動(dòng)測算工時(shí)，合理安排計(jì)劃；自動(dòng)維修設(shè)計(jì)，精細(xì)界定任務(wù)；自動(dòng)生成計(jì)劃，精益編制流程；自動(dòng)評(píng)價(jià)效果，同步追蹤質(zhì)量。

3.1 自動(dòng)評(píng)定設(shè)備

在鐵路工務(wù)線路設(shè)備精細(xì)檢查的基礎(chǔ)上，車間在每月18日通過智能決策系統(tǒng)自動(dòng)抓取動(dòng)靜態(tài)檢測檢查數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備單元進(jìn)行量化分析，形成設(shè)備單元的綜合評(píng)分。智能決策系統(tǒng)能夠?qū)^(qū)間直線單元、區(qū)間曲線單元、道岔單元和股道單元的扣分情況，按照從高到低的順序進(jìn)行排序，并顯示扣分項(xiàng)目和扣分分值，直觀準(zhǔn)確地反映設(shè)備的狀態(tài)。智能決策系統(tǒng)對(duì)設(shè)備單元量化分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 設(shè)備單元量化分析結(jié)果

車間依據(jù)自動(dòng)評(píng)定排序，對(duì)比月度設(shè)備質(zhì)量分析報(bào)告建議養(yǎng)修地點(diǎn)，將扣分排名靠前的設(shè)備單元納入次月計(jì)劃修建議。通過固化狀態(tài)修計(jì)劃來源，智能決策系統(tǒng)能夠明確養(yǎng)修重點(diǎn)，減少人工分析工作量，降低人為因素對(duì)計(jì)劃的干預(yù)，提高設(shè)備質(zhì)量分析的科學(xué)性和客觀性。

3.2 自動(dòng)測算工時(shí)

智能決策系統(tǒng)將采集的工作量與單項(xiàng)作業(yè)工時(shí)定額相關(guān)聯(lián)，自動(dòng)核算每個(gè)設(shè)備單元的綜合維修計(jì)劃工時(shí)。車間根據(jù)次月天窗、培訓(xùn)、人員等因素，在每月18日之前預(yù)估各工區(qū)的生產(chǎn)能力，并以總作業(yè)能力的70%作為計(jì)劃維修可用工時(shí)，按上行、下行、單線、站區(qū)等劃分規(guī)則，將相應(yīng)的作業(yè)能力錄入智能決策系統(tǒng)。智能決策系統(tǒng)生產(chǎn)組織月度天窗作業(yè)能力估算結(jié)果如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)組織月度作業(yè)能力估算

智能決策系統(tǒng)按照計(jì)劃修和臨時(shí)修用工比例為7:3的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合線、橋、安等專業(yè)科室定期聯(lián)合組織的計(jì)劃對(duì)接會(huì)，生成最終計(jì)劃維修任務(wù)。在選擇計(jì)劃維修單元時(shí)，智能決策系統(tǒng)通過自動(dòng)累加計(jì)劃消耗工時(shí)，從天窗類型與車間作業(yè)能力兩方面進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)劃安排飽和度的評(píng)價(jià)，輔助車間合理安排維修計(jì)劃和任務(wù)。

3.3 自動(dòng)維修設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備檢查組在正線道岔進(jìn)行檢查時(shí)，使用平板電腦來輔助現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。當(dāng)檢查數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)后，智能決策系統(tǒng)通過錄入病害與作業(yè)項(xiàng)目、作業(yè)項(xiàng)目與機(jī)具材料、工作量與工時(shí)定額等維修作業(yè)的邏輯關(guān)聯(lián)，自動(dòng)整合并生成了對(duì)設(shè)備單元整治項(xiàng)目、計(jì)劃工時(shí)和機(jī)具材料需求的任務(wù)界定，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與維修設(shè)計(jì)的融合，減少了重復(fù)檢查的環(huán)節(jié)。

3.4 自動(dòng)生成計(jì)劃

在對(duì)維修計(jì)劃分批至周的過程中，車間嚴(yán)格執(zhí)行段“1-2-3-4”工作要求：1天處理點(diǎn)狀病害、2天組織聯(lián)合作業(yè)、3天安排生產(chǎn)任務(wù)、維修工區(qū)每周處理點(diǎn)狀病害不少于4處?；谥悄軟Q策系統(tǒng)，車間統(tǒng)籌考慮設(shè)備單元病害嚴(yán)重程度、天窗需求、作業(yè)干擾、整治流程等因素，只選擇計(jì)劃維修整治單元和單元詳情病害，即可錄入生產(chǎn)計(jì)劃模塊，自動(dòng)生成月、周計(jì)劃。

智能決策系統(tǒng)精簡了傳統(tǒng)系統(tǒng)的重復(fù)列入、查找、捆綁病害等工作量較大的環(huán)節(jié)，減少車間計(jì)劃編制及狀態(tài)修錄入的工作量，以設(shè)備單元病害清單形式分批列入日計(jì)劃，精準(zhǔn)生成日作業(yè)方案。此外，智能決策系統(tǒng)根據(jù)工區(qū)回單，自動(dòng)追蹤任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度，并更新剩余工作量，為車間管控工區(qū)執(zhí)行維修設(shè)計(jì)提供支撐。

3.5 自動(dòng)評(píng)價(jià)效果

智能決策系統(tǒng)能夠在設(shè)備檢查時(shí)同步對(duì)上一個(gè)周期完成的狀態(tài)修設(shè)備單元的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行追蹤，通過對(duì)比整治前后兩個(gè)周期設(shè)備單元評(píng)分的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)修作業(yè)效果的自動(dòng)評(píng)價(jià)及設(shè)備變化趨勢(shì)的分析。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 設(shè)備質(zhì)量缺陷判識(shí)與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

設(shè)備質(zhì)量缺陷判識(shí)與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)利用鐵路工務(wù)線路的檢測檢查數(shù)據(jù)，分別對(duì)線路設(shè)備單元缺陷進(jìn)行判識(shí)，評(píng)價(jià)設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)，并開展鐵路工務(wù)線路設(shè)備單元量化分析。同時(shí)，該技術(shù)能夠輔助專業(yè)分析人員判斷設(shè)備的狀態(tài)及缺陷，篩選重點(diǎn)病害地段，以更科學(xué)合理地編制維修生產(chǎn)計(jì)劃。

4.2 作業(yè)效果評(píng)價(jià)與質(zhì)量追蹤技術(shù)

鐵路工務(wù)線路設(shè)備在維修后的評(píng)價(jià)，是確定當(dāng)次維修有效性的重要指標(biāo)。作業(yè)效果評(píng)價(jià)與質(zhì)量追蹤技術(shù)對(duì)鐵路工務(wù)線路設(shè)備維修前后的檢測檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，獲得設(shè)備的維修效果評(píng)價(jià)及狀態(tài)變化趨勢(shì)。通過設(shè)備病害生產(chǎn)閉環(huán)管理，該技術(shù)可展示以設(shè)備為核心的質(zhì)量變化過程，以支撐設(shè)備的全生命周期管理。

5 應(yīng)用效果

5.1 計(jì)劃更精準(zhǔn)

科學(xué)固化狀態(tài)修計(jì)劃來源，提高了計(jì)劃的嚴(yán)謹(jǐn)性。鐵路工務(wù)線路設(shè)備單元按照“先嚴(yán)重、后一般”的原則納入狀態(tài)修計(jì)劃，以基礎(chǔ)整治保動(dòng)態(tài)均衡，軌檢車月度平均軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI，Track Quality Index）同比下降。智能決策系統(tǒng)能夠使月度維修計(jì)劃安排更合理，實(shí)現(xiàn)以定額指導(dǎo)生產(chǎn)，提高月計(jì)劃的完成率。

5.2 管理更高效

智能決策系統(tǒng)通過自動(dòng)分析，能夠減少設(shè)備評(píng)定、計(jì)劃確定與編制、維修設(shè)計(jì)、勞效管理等方面的人工工作量，釋放管理效能。此外，該系統(tǒng)還能使管理人員將更多的精力用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，提升作業(yè)有效率，提高生產(chǎn)任務(wù)驗(yàn)收優(yōu)良率。

5.3 掌控更精細(xì)

智能決策系統(tǒng)通過智能整合，使鐵路工務(wù)線路設(shè)備的掌控度得到了進(jìn)一步提升。對(duì)設(shè)備檢查進(jìn)度、管內(nèi)薄弱設(shè)備、超期服役軌件、傷損軌件、備用料地點(diǎn)、待回收舊料地點(diǎn)等信息做到了快捷、精準(zhǔn)、精細(xì)的掌握。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了鐵路工務(wù)線路維修方案智能決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了檢測、分析、計(jì)劃、作業(yè)、驗(yàn)收的閉環(huán)管理，自動(dòng)編制生產(chǎn)計(jì)劃，增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析的有效程度，提高維修計(jì)劃科學(xué)性與兌現(xiàn)率、提升作業(yè)效率、優(yōu)化人財(cái)物資源運(yùn)用等目標(biāo)。目前，智能決策系統(tǒng)已在多個(gè)鐵路局集團(tuán)公司的下屬車間進(jìn)行試點(diǎn)推行。未來，本文將從建立維修知識(shí)庫、存儲(chǔ)實(shí)際作業(yè)典型案例等角度對(duì)智能決策系統(tǒng)的普適性進(jìn)行完善，以進(jìn)行大范圍推廣。