鐵路橋隧養(yǎng)護作業(yè)智能終端設計與應用

郭心全，李 林，沈 鹍，吳 霞

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

截至2021年底，我國鐵路營業(yè)里程突破15萬km，其中，高速鐵路超過4萬km[1]。2021年，鐵路工務專業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國鐵路橋梁總數(shù)9萬余座，累計長度超過 3萬km；隧道1.6萬余座，累計長度超過2萬km；涵渠27萬余座，累計長度近7 000 km。隨著我國鐵路網(wǎng)的逐漸成型，運量不斷提升，老舊線路橋隧設備問題多發(fā)，新建線路橋隧設備源頭問題突出，現(xiàn)有的檢測保養(yǎng)維修手段未能精密配合，狀態(tài)修、周期修等理念發(fā)揮的作用不夠充分，尚不能及時掌握橋隧設備狀態(tài)，并做出科學的養(yǎng)修計劃[2-4]。

中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）發(fā)布的《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》指出，要深化修程修制改革，建立健全設施設備養(yǎng)護和評價標準體系，推進全生命周期云端智能健康管理，提高維修檢查專業(yè)化、集約化、精準化、智能化及造修一體化水平[5]。鐵路工務信息化、智能化建設在確保乘客乘車安全出行方面發(fā)揮著重要作用，而橋隧建筑物信息化、智能化建設是其重要組成部分，對保障鐵路車輛運行安全有著不可或缺的作用[6-7]。因此，亟需運用智能化手段提高橋隧養(yǎng)護作業(yè)水平，精準把控設備質量狀態(tài)，制定科學的設備養(yǎng)護維修方式及維修策略，降低鐵路橋隧養(yǎng)護作業(yè)成本，提高工作效率。

1 需求分析

為貫徹落實《普速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則：TG/GW103-2018》[8]和《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則（試行）：TG/GW114-2011》[9]規(guī)定的 “檢養(yǎng)修”分開的管理新體制，適應新體制下的鐵路檢養(yǎng)修改革，需要設計并應用鐵路橋隧養(yǎng)護作業(yè)智能終端App（簡稱：智能終端App），進一步強化鐵路工務橋隧設備養(yǎng)護作業(yè)專業(yè)化管理。

1.1 業(yè)務需求

智能終端App需以工務安全生產管理信息系統(tǒng)橋隧子系統(tǒng)（簡稱：橋隧子系統(tǒng)）的“檢查—分析—計劃—作業(yè)—驗收”閉環(huán)作業(yè)為依托，按照操作流程簡便、數(shù)據(jù)即時傳輸、模塊松散耦合、用戶界面友好的原則進行設計。智能終端App需引入規(guī)范化數(shù)據(jù)標準，固化數(shù)據(jù)采集流程，提升數(shù)據(jù)質量，為工務橋隧設備狀態(tài)的大數(shù)據(jù)智能分析提供支撐，輔助分析病害成因和養(yǎng)修質量評價，為研究橋隧智能養(yǎng)護維修提供數(shù)據(jù)支撐[10]。

橋隧子系統(tǒng)的橋隧養(yǎng)護作業(yè)閉環(huán)管理，如圖1所示。其中，智能終端App主要對應閉環(huán)管理的檢查和驗收模塊。

圖1 橋隧子系統(tǒng)橋隧養(yǎng)護作業(yè)閉環(huán)管理

1.2 功能需求

智能終端App需確保功能完善，能滿足現(xiàn)場應用需求。

（1） 確保數(shù)據(jù)同步

用戶需事先同步云服務器中的字典數(shù)據(jù)，進行病害錄入、保養(yǎng)評定及維修質量驗收等功能操作，上傳至數(shù)據(jù)庫時同步上傳位置信息以保證數(shù)據(jù)的真實性。

（2） 應對網(wǎng)絡建設緩慢

針對特殊地區(qū)網(wǎng)絡信號弱或未覆蓋的問題，智能終端App需有離線登錄功能，保障現(xiàn)場橋隧的養(yǎng)護作業(yè)。

（3） 設備秋檢常態(tài)化

將設備秋檢和日常檢查功能相融合，避免病害數(shù)據(jù)重復采集，減少現(xiàn)場工作量，提高工作效率。

（4） 設備分級驗收評定

維修驗收需要經過橋隧工區(qū)自驗、檢查工區(qū)復驗、車間復驗及站段復驗四級驗收，其中，綜合工區(qū)既可自驗又可復驗；保養(yǎng)評定需要經過工區(qū)自評、車間復評及站段復評三級評定。

2 智能終端App設計及實現(xiàn)

2.1 架構設計

智能終端App架構由展示層、業(yè)務層、服務層及內核層組成，如圖2所示。其中，展示層主要用于功能展示，含橋隧管理、驗收管理和同步及設置；業(yè)務層由橋隧養(yǎng)護作業(yè)業(yè)務組成，含設備管理、檢查標準、病害錄入、病害覆蓋、維修驗收、保養(yǎng)評定等；服務層由基礎服務及組件和功能模塊組成，其中基礎服務含工具集、網(wǎng)絡訪問、日志樹等，組件和功能含UI組件、錄音等；內核層主要為前3層所用到的基礎庫。事件傳遞及頁面路由貫穿業(yè)務層和服務層，事件傳遞主要用于點按、長按等事件的響應及傳遞，頁面路由主要用于頁面之間的跳轉。

圖2 智能終端App架構

2.2 接口程序設計

智能終端App基于鐵路網(wǎng)絡安全平臺，采用微服務技術建立專有接口程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在鐵路內部服務網(wǎng)的鐵路局集團公司數(shù)據(jù)庫服務器與互聯(lián)網(wǎng)的智能終端App間的交互。接口程序設計如圖3所示，可向智能終端App同步用戶信息、單位信息、設備信息、標準信息等，根據(jù)智能終端App修改的維修信息、保養(yǎng)信息和病害信息更新鐵路局集團公司數(shù)據(jù)庫，上傳智能終端App錄入的設備檢查信息、維修驗收信息、媒體數(shù)據(jù)及保養(yǎng)評定信息。智能終端App上傳至各鐵路局集團公司數(shù)據(jù)庫服務器的數(shù)據(jù)可在橋隧子系統(tǒng)進行查看及應用，橋隧子系統(tǒng)錄入及處理的相關數(shù)據(jù)也可同步至智能終端App。

圖3 接口程序設計

2.3 智能終端App功能

智能終端App主要功能包括設備管理、數(shù)據(jù)管理和驗收管理，如圖4所示。其中，設備管理包括設備檢查、病害觀測；驗收管理包含維修驗收、保養(yǎng)評定、評定記錄；數(shù)據(jù)管理包括同步數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)、設置。

圖4 智能終端App功能

2.3.1 設備管理

（1）設備檢查。采用規(guī)范化的橋隧檢查標準進行病害錄入、重復病害關聯(lián)、病害發(fā)展跟蹤，并強制進行照片上傳，規(guī)范了數(shù)據(jù)來源，為后續(xù)橋隧智能養(yǎng)修提供基礎數(shù)據(jù)。其作用對象為當前登錄用戶所在單位轄下的橋隧設備。智能終端App錄入的數(shù)據(jù)可在橋隧子系統(tǒng)橋隧管理—經常檢查模塊進行維護。設備檢查病害數(shù)據(jù)采集標準化如圖5所示，橋隧子系統(tǒng)橋隧管理—經常檢查模塊如圖6所示。

圖5 設備病害數(shù)據(jù)采集標準化

圖6 橋隧子系統(tǒng)橋隧管理—經常檢查

（2）病害觀測。病害觀測功能主要對橋隧工區(qū)、檢查工區(qū)、橋隧車間及工務段4級用戶在橋隧子系統(tǒng)標定的病害進行跟蹤觀測，掌握病害發(fā)展情況，及時把控橋隧設備狀態(tài)。

2.3.2 驗收管理

（1）維修驗收。健全完善橋隧設備評價體系，以修前鑒定、修中控制和修后評估評價機制為導向，持續(xù)精準把控橋隧設備質量。維修驗收功能針對橋隧工區(qū)、檢查工區(qū)、橋隧車間及工務段用戶，實現(xiàn)對當前單位上一個周期到本周期中設備維修計劃作業(yè)情況的驗收，并進行設備修后評定工作。智能終端App工區(qū)維修驗收模塊界面如圖7所示。

圖7 維修驗收模塊界面

（2）保養(yǎng)評定。保養(yǎng)評定功能主要用于橋隧工區(qū)自評，根據(jù)保養(yǎng)標準對當前單位管界內設備的檢查數(shù)量和缺點數(shù)量實現(xiàn)自動扣分和結果自動評定，為后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析積累數(shù)據(jù)，進而為橋隧養(yǎng)修提供智能決策。功能界面如圖8所示。

圖8 保養(yǎng)評定功能界面

（3）評定記錄。評定記錄功能主要用于橋隧車間及工務段對工區(qū)自評結果進行復評。

2.3.3 數(shù)據(jù)管理

（1）同步數(shù)據(jù)。同步數(shù)據(jù)功能幫助用戶實現(xiàn)登錄設備后同步臺賬數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標準及業(yè)務數(shù)據(jù)到智能終端App。

（2）上傳數(shù)據(jù)。上傳數(shù)據(jù)功能將智能終端App錄入的檢查數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)接口，上傳完成的數(shù)據(jù)可在橋隧子系統(tǒng)頁面進行查看維護。

（3）設置。設置功能包含清理緩存、檢查更新和退出3個子功能。

2.4 業(yè)務流程

智能終端App業(yè)務流程如圖9所示，其登錄功能包含登錄和離線登錄2個模塊，且可根據(jù)不同級別的賬號展示不同的功能模塊及內容。其中，離線登錄用于用戶登錄并同步數(shù)據(jù)后的二次登錄，且只能使用不需要實時查詢數(shù)據(jù)的功能。智能終端App業(yè)務流程主要由設備檢查、病害觀測、維修驗收和保養(yǎng)評定組成。（1）設備檢查需要在同步設備臺賬和檢查標準數(shù)據(jù)后，選擇新增病害還是重復病害，并進行數(shù)據(jù)錄入。（2）病害觀測需要登錄后實時查詢數(shù)據(jù)庫中的病害并進行重復病害數(shù)據(jù)錄入。（3）保養(yǎng)評定流程中工區(qū)自評（橋隧工區(qū)、檢查工區(qū)和綜合工區(qū)）需要同步設備臺賬和保養(yǎng)標準數(shù)據(jù)后再進行操作，隨后依次進行車間復評和站段復評。（4）維修驗收流程中需判斷工區(qū)性質后進行工區(qū)自驗，綜合工區(qū)可在自驗后自行復驗，而橋隧工區(qū)在自驗后需檢查工區(qū)進行復驗，然后依次進行車間復驗、站段復驗，并將信息上傳至數(shù)據(jù)庫。

圖9 橋隧養(yǎng)護作業(yè)智能終端App業(yè)務流程

3 關鍵業(yè)務及技術

3.1 關鍵業(yè)務

3.1.1 貫徹專業(yè)修規(guī)

智能終端App的設計與實現(xiàn)依托于橋隧子系統(tǒng)，嚴格貫徹國鐵集團規(guī)定的 “檢養(yǎng)修”分開的管理新體制，充分落實“檢查和養(yǎng)修”分離的管理理念。針對橋隧工區(qū)、檢查工區(qū)、車間、站段4級用戶進行功能設計與實現(xiàn)，提高檢查和維修質量。

3.1.2 規(guī)范檢查標準

智能終端App引入規(guī)范化的檢查標準，并采用設備檢查、維修驗收及保養(yǎng)評定功能對橋隧設備狀態(tài)進行評定及檢查，將標準化后的檢查數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)按照線性資產維度進行整理，為工務安全生產大數(shù)據(jù)分析和橋隧智能化養(yǎng)修決策提供支撐。

3.1.3 設備秋檢常態(tài)化

智能終端App將設備秋檢融入日常檢查，錄入病害數(shù)據(jù)符合秋檢標準，將同步進入秋檢病害庫和日常檢查病害庫。相對于秋檢及日常檢查病害分項采集重復錄入的方式，提高了工作效率，降低了病害錄入的工作量。

3.1.4 生產流程閉環(huán)

智能終端App結合橋隧子系統(tǒng)實現(xiàn)了基于橋隧設備基礎履歷、規(guī)范化檢查標準的“檢查—分析—計劃—作業(yè)—驗收”安全生產閉環(huán)管理。促進橋隧生產作業(yè)在循環(huán)積累中不斷提高效率、保證責任落實、避免工作漏洞。

3.2 關鍵技術

3.2.1 微服務+云平臺接口技術

智能終端App基于鐵路網(wǎng)絡安全平臺采用微服務技術建立專有接口程序，實現(xiàn)了與橋隧子系統(tǒng)的安全通信，切實保障了數(shù)據(jù)的及時性、準確性和可靠性。微服務+云平臺接口技術優(yōu)勢包括：（1）松耦合，有助于分工協(xié)作，提高開發(fā)效率；（2）可擴展性，適應快速迭代開發(fā)；（3）高效運維，實時掌控服務健康狀況。

3.2.2 安全認證與傳輸技術

由于智能終端App用戶所處的網(wǎng)絡環(huán)境比較復雜，時常處于無網(wǎng)絡環(huán)境及斷線的情況，仍需保障終端用戶對數(shù)據(jù)的收集及上傳，同時確保數(shù)據(jù)安全、準確。本文通過證書頒發(fā)機構（CA，Certificate Authority）認證的方式保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，其作用是證明證書中列出的用戶，合法擁有證書中列出的公開密鑰，且CA的數(shù)字簽名使攻擊者不能偽造和篡改證書。

3.2.3 病害智能判識技術

依據(jù)規(guī)范化的橋隧檢查標準，智能終端App可基于錄入的病害數(shù)據(jù)智能判識病害類別、病害部位、病害結構等。同時，智能終端App將日常檢查與秋檢相融合，設備檢查模塊依據(jù)錄入的病害性質及檢查標準進行智能判識，符合秋檢標準的病害自動錄入秋檢病害庫，符合日常檢查標準的病害自動轉入日常檢查病害庫。

4 結束語

我國高速鐵路營業(yè)里程位居世界第一，且占全鐵路線路的比重日益加大[11]，提高橋隧養(yǎng)護的智能化水平對列車在橋隧設備上安全平穩(wěn)運行有著重要作用。智能終端App通過規(guī)范化的橋隧病害檢查標準，提升病害智能判識能力，輔助建立養(yǎng)護閉環(huán)管理流程，方便養(yǎng)護單位及時掌控橋隧設備狀態(tài)，為制定科學的設備養(yǎng)護維修方式及維修策略提供依據(jù)。通過智能終端App的應用實踐，收集了大量的照片及格式化數(shù)據(jù)，后續(xù)將以建立橋隧典型病害及處置專家知識庫為目標，從圖像分析、自然語言處理及大數(shù)據(jù)分析等技術上持續(xù)提升智能終端App的智能化水平。