基于新一代信息技術的重載鐵路工務設備智能運維系統(tǒng)總體架構研究

丁茂廷 趙有明 柯在田

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧 062350；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081

隨著新一輪科技革命快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術創(chuàng)新取得重大突破。2017年國際重載大會首次提出了“國際重載4.0”理念，指出未來世界重載技術將進一步向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。將大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術與重載鐵路工務設備運維深度融合，搭建現(xiàn)代化數(shù)字網(wǎng)絡平臺，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值提升重載鐵路工務基礎設施設備檢測監(jiān)測可靠性和智能化水平，實現(xiàn)設備狀態(tài)修和精準修，提高維護效率降低運維成本，成為工務智能運維的研究發(fā)展方向。

近10年來，大數(shù)據(jù)、BIM、5G等技術在歐美國家鐵路得到了較為廣泛的應用，在基礎設施的狀態(tài)監(jiān)測與維護、運營管理、乘務管理等方面得到了重要的應用［1］。德國鐵路通過規(guī)劃建設統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心平臺，實現(xiàn)了包括經營狀況、設備故障分析等精益分析功能在內的數(shù)據(jù)綜合應用平臺［2］。美國貨運鐵路啟動了資產健康戰(zhàn)略計劃（Asset Health Strategic Initiative，AHSI），AHSI編輯和分析由各個鐵路公司分別收集和存儲的大量數(shù)據(jù)，并由此解決行業(yè)內最關鍵的鐵路設備管理與維護問題［3］。瑞典鐵路運用管理數(shù)百個不同的數(shù)據(jù)源，基于大量軌道狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，評估基礎設施的整體狀態(tài)、維護情況、資金支出等［4］。

中國國家鐵路集團有限公司于2018年啟動智能高速鐵路戰(zhàn)略研究，完成了中國智能高速鐵路頂層設計，形成了智能高速鐵路體系架構與標準體系，完成鐵路大數(shù)據(jù)成套技術應用體系攻關［5］及智能京張高鐵、智能京雄高鐵和浩吉鐵路等示范工程。國家能源集團在十四五發(fā)展規(guī)劃中明確提出以“智能運輸、精準運輸、高效運輸”為導向，以“保安、提效、降本、減人、可持續(xù)發(fā)展”為目標，以重載鐵路智能運輸創(chuàng)新為主攻方向，圍繞智能運營、智能裝備、智能運維、智能管理，開展系統(tǒng)、裝備發(fā)展規(guī)劃研究，依照“需求引領，高效適用”總體思路，構建智慧重載鐵路技術體系。

朔黃鐵路近10年的信息化建設，已積累28套信息化系統(tǒng)，分別管理了檢測監(jiān)測、施工維修等信息，使用了道岔監(jiān)測、斷軌監(jiān)測等大量監(jiān)測設備，初步構建了檢測監(jiān)測體系。工務設備智能運維系統(tǒng)作為智慧重載工務檢測監(jiān)測體系的重要組成部分，基于大數(shù)據(jù)等技術構建系統(tǒng)，快速掌握重載鐵路基礎設施狀態(tài)演變規(guī)律，提高安全風險的預判預知能力，做到超前防控及時處理和工務維修資源的科學配置［6］。針對重載鐵路的設備管理特點及需求，采用大數(shù)據(jù)、BIM［7］、GIS［8］、人工智能［9］等先進技術，圍繞智慧重載鐵路［10-12］發(fā)展戰(zhàn)略，采用“平臺+應用”的模式，建立重載鐵路工務設備智能運維系統(tǒng)，基于工務設備檢測監(jiān)測、維修和基礎設施臺賬數(shù)據(jù)，深度融合分析挖掘鋼軌、道岔、橋梁等設備狀態(tài)變化趨勢和規(guī)律，實現(xiàn)設備全壽命故障智能診斷、智能預警和健康管理全生產閉環(huán)管理，為工務設備運維提質增效。

1 總體架構

隨著檢測監(jiān)測技術發(fā)展，朔黃鐵路引入無人機、北斗監(jiān)測等新的監(jiān)測技術，全面提升了感知能力，而數(shù)據(jù)傳輸、存儲等能力亟待提升，重新建立工務設備智能運維架構（圖1）勢在必行。

圖1 工務設備運維總體架構

工務設備運維是以基礎設施設備為核心，采用綜合檢測車、探傷車、隧道檢測車、橋梁結構監(jiān)測、邊坡北斗監(jiān)測、無人機巡檢、人工檢查等手段對基礎設施服役狀態(tài)進行全面的檢測監(jiān)測，通過鐵路專用網(wǎng)、4G/5G等移動傳輸通道將數(shù)據(jù)匯聚至智能運維系統(tǒng)中。總體包括檢測監(jiān)測對象、感知層、傳輸層和工務設備智能運維系統(tǒng)四部分。該架構采用大數(shù)據(jù)、5G、無人機等技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的充分融合，建立了數(shù)據(jù)資產平臺和智能分析平臺。

檢測監(jiān)測對象涵蓋了鋼軌、道岔、橋梁、隧道、涵洞等主要設備。感知層主要是利用綜合檢測車、探傷車等移動檢測裝備，以及無人機、北斗監(jiān)測設備等獲取基礎設施狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括動態(tài)監(jiān)測、靜態(tài)監(jiān)測、空天監(jiān)測、日常檢查和自輪運轉設備運行監(jiān)控。傳輸層將采集到的基礎數(shù)據(jù)輸送到智能運維系統(tǒng)，使用鐵路專用通信網(wǎng)、移動4G/5G網(wǎng)、毫米波等技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效安全傳輸。工務設備智能運維系統(tǒng)基于檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)資源，提供檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合分析、健康狀態(tài)評估與預測、智能決策等多方面應用。

工務設備智能運維系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸集、存儲、管理和共享，同時建立算法集成分析服務平臺，集成各類設備狀態(tài)評估、預測、決策類算法和模型，結合數(shù)據(jù)面向維修提供經濟化、智能化的輔助決策支持。系統(tǒng)按業(yè)務邏輯劃分為三層：資源層、業(yè)務層和應用層。

1）資源層將工務基礎設施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲和管理。數(shù)據(jù)范圍包括動態(tài)檢測、靜態(tài)檢測、人工巡檢等檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，線路、橋梁、隧道等設備的基礎臺賬數(shù)據(jù)，年度計劃、月計劃、日計劃、作業(yè)票、作業(yè)驗收等施工維修作業(yè)信息，以及GIS信息、BIM信息、基礎數(shù)據(jù)字典等數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一存儲管理。

2）業(yè)務層進行智能分析，為各類模型和算法的執(zhí)行提供輔助支撐。具體包括：數(shù)據(jù)對外接口服務管理，算法注冊、調度、監(jiān)控和結果管理，病害錄入、病害分類分級和病害分析管理，以及健康評估、病害診斷、運維決策、分析預測管理。

3）應用展示層面向公司、分公司、工隊等各級用戶提供數(shù)據(jù)資產可視化、設備狀態(tài)可視化、數(shù)據(jù)融合分析等數(shù)據(jù)深度挖掘應用服務、安全生產等管理。主要提供線路、道岔、路基、橋梁、隧道等設備病害預警分析，設備狀態(tài)變化趨勢分析，設備健康狀態(tài)評估，輔助維修決策，生產計劃生成等功能。

2 數(shù)據(jù)架構

2.1 與既有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合

朔黃鐵路經過多年的發(fā)展已建立了很多檢測監(jiān)測系統(tǒng)和業(yè)務管理系統(tǒng)。從業(yè)務角度既有系統(tǒng)分為檢測監(jiān)測設備管理、數(shù)據(jù)管理、安全管控、企業(yè)資源計劃（ERP）、辦公自動化（OA）等信息系統(tǒng)。工務設備智能運維系統(tǒng)以工務設備為核心，根據(jù)一數(shù)一源、一源多用的原則與檢測監(jiān)測設備管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)連通接入設備動態(tài)檢測、靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；與物資系統(tǒng)和人事系統(tǒng)對接物資庫存以及物資屬性信息、人員信息；通過系統(tǒng)分析、預測結果將預警報警類信息推送給安全管控系統(tǒng)。針對不同業(yè)務系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)接口標準，在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用國密算法進行數(shù)據(jù)和消息加密，確保數(shù)據(jù)安全。與既有系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入關系見圖2。

圖2 與既有系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入關系

2.2 數(shù)據(jù)架構

綜合朔黃重載鐵路既有的和在建的信息化管理系統(tǒng)，結合本項目新建的工務檢測監(jiān)測設備及相關信息系統(tǒng)，共同構建本項目工務設備智能運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。該架構（圖3）支持數(shù)據(jù)生命周期管理、數(shù)據(jù)標準化存儲以及數(shù)據(jù)對外服務接口規(guī)范化管理。

圖3 數(shù)據(jù)架構

3 業(yè)務架構

工務設備智能運維管理是以朔黃重載鐵路固定資產投入、運營成本優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展為目標，對設備從入庫、運行、維護到報廢的全過程進行科學的閉環(huán)管理。結合GIS、數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)存儲技術，以提升工務設備全生命周期價值為出發(fā)點，實現(xiàn)工務設備管理從被動維護到主動檢養(yǎng)修和掌握全局轉變的一套系統(tǒng)平臺。

依托朔黃智能運維大腦平臺，研發(fā)工務設備智能運維系統(tǒng)，系統(tǒng)業(yè)務邏輯架構包括：數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)存儲、智能決策、平臺應用四個層次的功能及服務。其中數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)存儲對應資源層，智能決策對應業(yè)務層，平臺應用對應應用層。系統(tǒng)業(yè)務邏輯架構見圖4。

圖4 系統(tǒng)業(yè)務邏輯架構

1）平臺應用。平臺應用包括工務設備數(shù)字化智能管理、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)一體化管理、工務安全生產管理、狀態(tài)評估與運維決策及環(huán)境監(jiān)測管理5大類應用，共計60多項系統(tǒng)功能及服務。實現(xiàn)了工務設備精細化管理、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合管理和安全共享、設備狀態(tài)評價預測和輔助生產決策，以及工務生產全流程管理。

2）融合分析與智能決策?；诠赵O備生產作業(yè)運維業(yè)務，系統(tǒng)提供多種智能化專業(yè)分析算法和計算模型。設備狀態(tài)評價及維修預測決策包括：道岔狀態(tài)評估與決策、軌道單元維修決策、軌道幾何和動力學狀態(tài)評估、鋼軌廓形輪軌狀態(tài)評估與分析、道床清篩預測與決策、大機搗固預測與決策、鋼軌大修預測與決策、軌道狀態(tài)與地質雷達評估、橋梁損失預警服務與狀態(tài)評估、橋涵劣化狀態(tài)評估與預測、隧道狀態(tài)智能評估、隧道狀態(tài)預測與預警分析。

系統(tǒng)提供統(tǒng)一的算法分析平臺，注冊接入不同專業(yè)的算法和計算模型，適配不同的語言類型，包括但不限于Python、C++、Java、C#、Matlab等，為朔黃重載鐵路工務設備運維的智能化提供相應的算法分析服務，實現(xiàn)朔黃鐵路工務生產作業(yè)輔助的預測預警與運維決策支持。

3）數(shù)據(jù)存儲。采用分布式數(shù)據(jù)庫集群和分布式文件系統(tǒng)，按專業(yè)類型和年份合理規(guī)劃結構和非結構化數(shù)據(jù)的存儲規(guī)范和存儲方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的高效性和高可用性。結構化數(shù)據(jù)包括：基礎設施臺賬、檢測設備臺賬、監(jiān)測設備臺賬、檢修組織機構信息、檢測缺陷/偏差、監(jiān)測預警、現(xiàn)場作業(yè)及巡檢記錄等。非結構化數(shù)據(jù)包括：日報、周報、月報、年報、日志、波形原始文件等。

4）數(shù)據(jù)源。工務設備智能運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源眾多且復雜，采集的多源異構數(shù)據(jù)主要包括：朔黃鐵路既有多套業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)、人工檢查維修巡檢數(shù)據(jù)、檢測監(jiān)測智能設備數(shù)據(jù)等。涉及的數(shù)據(jù)類型有基礎設施臺賬數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產作業(yè)數(shù)據(jù)、結果分析數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)采集方式為API接口、消息中間件、系統(tǒng)日志等。

4 部署架構

工務設備智能運維系統(tǒng)部署分為兩部分：前端應用；后端應用和服務。前端應用包括各類監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)采集和手持終端（移動GIS終端）APP。后端應用和服務包括PC端應用展示和后臺服務。兩者分別部署后通過朔黃鐵路辦公網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和內部辦公網(wǎng)通信連接使用。網(wǎng)絡部署架構見圖5。

圖5 網(wǎng)絡部署架構

為保障重載鐵路系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，同時實現(xiàn)生產作業(yè)數(shù)據(jù)實時傳輸，在網(wǎng)絡建設方案中結合重載鐵路現(xiàn)有信息中心內網(wǎng)運行系統(tǒng)的需求，建立內外網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

本系統(tǒng)內外網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸解決方案由以下三部分構成：

1）采用網(wǎng)閘設備連接內網(wǎng)和外網(wǎng)。該部分可支持多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如Http/Https、UDP等，同時支持多種安全策略并具有一定防火墻的功能，而且具有網(wǎng)閘支持軟/硬網(wǎng)絡控制功能。當網(wǎng)絡受到安全威脅時，可根據(jù)情況通過網(wǎng)閘控制軟件中安全策略和防火墻功能進而控制數(shù)據(jù)傳輸；當受到嚴重安全威脅時可使用網(wǎng)閘物理切斷內外網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，保障內網(wǎng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全不受外網(wǎng)攻擊影響和破壞。

2）在外網(wǎng)設置防火墻作為網(wǎng)絡安全的第一道防線。通過配置可用于阻隔一定的網(wǎng)絡攻擊，過濾外網(wǎng)數(shù)據(jù)交互請求，并驗證請求的有效性。

3）內外網(wǎng)放置交換機。通過使用交換機實現(xiàn)內網(wǎng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交互壓力增加時，可以通過負載均衡進行擴容。同樣當外網(wǎng)用戶請求增大，當前移動應用服務器不足以支撐現(xiàn)有訪問量時，可通過負載均衡使用交換機進行擴容，以此應對用戶或業(yè)務量的增長。

5 功能架構

工務設備智能運維系統(tǒng)功能架構見圖6。系統(tǒng)包括5大子系統(tǒng)模塊：設備全壽命周期管理、檢測監(jiān)測一體化管理、狀態(tài)評估與運維決策、安全生產管理、環(huán)境監(jiān)測管理，實現(xiàn)18個方面的智能管理，產生55個工務運維應用，提供多項檢測監(jiān)測創(chuàng)新技術。通過工務設備智能運維系統(tǒng)實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)共享、海量數(shù)據(jù)分析、全息時空數(shù)據(jù)深度挖掘、設備狀態(tài)評估與決策的一體化管理。

圖6 系統(tǒng)功能架構

1）設備全壽命周期管理

哈哈，自從媽媽生了弟弟之后，我們家又出現(xiàn)了一件大喜事——我家的機器人小白和我一樣，也有了一個小弟弟，他的弟弟叫小谷。

在工務設備臺帳精細化管理的基礎上，完善和記錄一系列的設備信息，如技術參數(shù)、維修歷史、技術資料、圖紙參數(shù)、設備構成、重大缺陷記錄，換件記錄、故障與事故履歷、標準規(guī)范，設備調撥封存記錄，施工大中修、維修作業(yè)、備件組成、設備分解關系、設備狀態(tài)等信息。這些信息作為設備全生命周期管理分析的依據(jù)，在設備下道之后，可以對設備的整體使用經濟性、可靠性及其管理成本作出科學的閉環(huán)管理與評估分析。

2）檢測監(jiān)測一體化管理

實現(xiàn)接入朔黃重載鐵路工務既有系統(tǒng)、人工檢查巡檢、檢測設備、監(jiān)測設備等結構化數(shù)據(jù)和圖紙、視頻、文件等非結構化數(shù)據(jù)的全類型、全量、全專業(yè)數(shù)據(jù)，通過將這些零散的數(shù)據(jù)整合在一起，完成從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲到統(tǒng)一有價值數(shù)據(jù)的一體化資產管理。

3）狀態(tài)評估與智能決策

在全面掌握線路、橋隧等設備結構屬性信息的基礎上，采用大數(shù)據(jù)深度自主學習、神經網(wǎng)絡、灰色預測等技術手段，提出線橋隧設備狀態(tài)智能評估和運維決策模型，構建融合建設期數(shù)據(jù)、動態(tài)檢測和周邊環(huán)境監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)的工務設備評估指標體系并形成數(shù)字化評估算法，建立整治方案知識庫和輔助維修決策系統(tǒng)的全流程管理服務體系，構建以數(shù)據(jù)驅動為核心的可靠的狀態(tài)評估預測以及經濟的維修決策平臺，全力打造朔黃安全、高效、經濟的工務設備維修智能決策系統(tǒng)。

4）安全生產管理

結合設備狀態(tài)評估結果和運維決策分析，建立計劃編制、作業(yè)票下發(fā)、實時作業(yè)監(jiān)控、質量回檢評價的全流程數(shù)字化生產閉環(huán)管理。以數(shù)據(jù)為驅動，提供同一設備、同一天窗、同一隱患集中綜合處理策略，減少多次施工協(xié)調、減少天窗獨占時間，集中一次性排除隱患，實現(xiàn)統(tǒng)一的標準化作業(yè)流程。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)章制度、作業(yè)標準、安全規(guī)范、已形成的歷史和作業(yè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對比分析，實現(xiàn)作業(yè)工時、物料、機具、備品備件的標準化、精細化管理及各作業(yè)數(shù)據(jù)的聯(lián)動管理，達到工務設備檢養(yǎng)修的循環(huán)提升與更佳評定。

5）環(huán)境監(jiān)測管理

主要接入視頻監(jiān)控、氣象、粉塵、防災等監(jiān)測信息，實現(xiàn)朔黃鐵路沿線全時段、全空間的網(wǎng)絡化監(jiān)控，為安全運輸、生產作業(yè)的環(huán)境提供天眼網(wǎng)絡。

6 結論

1）工務設備智能運維系統(tǒng)作為現(xiàn)代化數(shù)字平臺，廣泛應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)存儲、5G通信、人工智能等技術，充分利用數(shù)據(jù)資源，通過結合智能學習、專家系統(tǒng)、神經網(wǎng)絡預測等模型，為重載鐵路工務運維智能化發(fā)展奠定基礎。

2）實施精準的狀態(tài)感知、可靠的狀態(tài)預測以及經濟的維修決策，以數(shù)據(jù)驅動為核心，提高設備的自感知、自診斷、自決策能力，全力打造朔黃安全、高效、經濟的重載鐵路工務運維的智能決策支持系統(tǒng)。

3）融合BIM、GIS等技術實現(xiàn)時空融合的工務設備全壽命周期數(shù)字化管理，推進工務設備由周期修向狀態(tài)修的轉變，打造世界領先的綠色、安全、高效、智慧重載鐵路，提升重載技術裝備智能化水平，為實現(xiàn)智能運輸、智能控制、智能檢測監(jiān)測、智能養(yǎng)護、智能管理提供有利支撐。