鐵路工務安全生產管理信息系統的設計與實現

孫 美， 郭年根， 沈 鹍

（鐵道部 信息技術中心，北京 100844）

近年來，隨著我國鐵路高速、重載技術的發展，對工務設備高平順性、高可靠性的技術要求不斷提高，對工務設備的檢測、維修和養護管理提出了更高要求，工務部門需要以科學的檢測、監測設備和現代化的管理手段去適應鐵路運輸的發展需求。

目前，在全路已實施的鐵路工務管理信息系統（PWMIS）更多地側重于靜態設備和圖表數據的管理，檢測和監測信息不能及時儲存分析，生產信息不能及時掌握，對動態信息的管理基本上沒有進入有序的管理狀態。為做好工務設備維修管理工作，需要對綜合檢測車、軌檢車、車載式線路檢查儀、探傷車、軌道檢查儀、軌道幾何狀態測量儀和地面安全監測設備等先進檢測、監測手段所產生的大量數據進行收集、整理、分析，并結合工務設備屬性數據、維修數據、運量數據等，分析線路設備變化規律、及時消除病害、服務于工務安全生產工作。鐵路工務安全生產管理信息系統是在PWMIS功能的基礎上，將應用功能覆蓋至鐵路局、工務段、車間、工區的安全生產領域，對檢測監測和生產信息實現信息化管理，實現對工務設備維修全過程管理，輔助支持實現“檢、養、修分離”體制改革和貫徹“嚴檢、慎修”的理念，使信息化更好地為工務生產實踐服務。

1 系統總體結構

鐵路工務安全生產管理信息系統包含地圖GIS管理、設備管理、生產管理、安全指揮管理、綜合管理及系統管理等業務模塊，系統功能結構圖及系統總體技術架構見圖1和圖2。

系統技術架構分為硬件/網絡層、系統支撐層、應用支持層、應用層和用戶訪問層5個層面。（1）硬件/網絡層由計算機硬件、操作系統和計算機網絡組成，在鐵路局集中部署信息系統設備，通過鐵路信息網絡，構建鐵路局、工務段、車間（工區）等單位的系統應用；（2）系統支撐層是由數據庫系統、軟件工具、開發/運行支撐平臺構成，包括ORACLE數據庫系統，JAVA、.NET為開發和運行平臺；（3）應用支持層是為統一應用系統的基礎構件、核心流程和關鍵技術而設計的項目管理基礎應用平臺，包含GIS（地理信息平臺）、SOA套件(面向服務架構中間件)、校驗機制、統一授權管理、核心業務規則、流程驅動管理器、系統信息審計、報表管理器、信息共享和傳輸同步機制等；（4）應用層是由用戶業務處理的各子系統或功能模塊構成；（5）用戶訪問層包括B/S訪問、C/S訪問、系統接口訪問等。

圖1 系統功能結構圖

圖2 系統技術架構圖

2 系統應用功能

2.1 地圖GIS管理

地圖GIS管理是利用地理位置屬性將工務基礎信息和生產管理概況按照實際發生的地理位置進行追蹤顯示，同時，把工務生產狀態信息、施工內容概況及設備質量分布等業務信息關聯顯示出來，并且支持復雜條件查詢，支持工務安全生產指揮管理功能。

（1）設備專題圖：線路綜合圖、車站配線圖、大橋略圖、線路速度圖及線路視頻查詢。

（2）作業信息：次日施工計劃，施工項目分布、項目內容、進度和作業相關設備信息。

（3）重點病害預警：車載式線路檢查儀、便攜式添乘儀、動檢車和人工添乘三級以上病害的圖形報警。

（4）防災信息：雨量報警、大風報警和異物侵限報警在線查詢。

2.2 工務設備管理

工務設備數據是通過共享鐵路局、工務段的PWMIS中線路、橋隧、路基等工務設備數據，為各級單位提供工務設備基礎臺帳精細化查詢管理。

2.3 生產管理

2.3.1 檢測管理

（1）檢測設備管理

檢測設備管理是管理各種動、靜態檢測設備，動態檢測設備包括綜合檢測車、車載式線路檢查儀、便攜式添乘儀和鋼軌探傷車等；靜態檢測設備包括安伯格小車、天寶小車、小型探傷儀和電子道尺等工具。

（2）檢測計劃及兌現管理

檢測管理包括綜合檢測車、鋼軌探傷車的周期性檢測計劃管理，靜態檢查小車、便攜式添乘儀、人工檢查按需檢測計劃管理和檢測檢查計劃兌現管理。

（3）檢測數據管理

檢測數據管理統一收集動、靜態檢測數據，構建軌道綜合數據庫。動態檢測數據包括動檢車、車載式線路檢查儀、便攜式添乘儀、人工添乘和鋼軌探傷車數據；靜態檢測數據包括安伯格小車、天寶小車、既有線的軌檢儀等數據。

2.3.2 設備狀態分析

軌道狀態分析管理是在綜合檢測車、車載式線路檢查儀、便攜式線路檢查儀、管理人員添乘等各種動、靜態檢測數據基礎上分析軌道各項狀態指標，生成各種超限報告和統計分析圖表，結合設備基礎數據、維修數據等，綜合分析軌道狀態，并篩選出線路重點病害地段，為工務現行制定計劃維修提供數據基礎。

（1）軌道原始波形分析：不同檢測時間的單項目多批次查詢或多項目單批次波形圖分析，同時由于繪制圖層的方式是以矢量圖的方式繪制，所以圖形能夠實現圖層疊加和波形放縮。

（2）軌道狀態圖分析：不同區段長度、不同檢測時間、不同種標準偏差組合的軌道狀態直方圖分析，將兩個或以上不同時期的軌道質量指數（TQI）檢測值（或單項標準偏差）進行對比分析，反映軌道質量好與差情況。

（3）線路病害綜合圖分析：線路縱面（坡度）、平面（道岔、曲線、橋梁、隧道、涵渠）、車站、波形圖、4種動態檢測超限數據及設備歷次維修信息自由組合疊加顯示，直觀地查找病害周圍的設備信息，波形圖信息，并通過快速跳轉功能去軌檢波形圖中查詢歷史波形圖信息，提供綜合分析結果，便于對設備狀態分析。

（4）線路病害區段分析：對軌道質量加權評價值進行計算，并對多時重復病害和多源重復病害搜索分析，根據重復病害分析結果，自動生成建議養護區段，并提供設備病害綜合圖供維修派單依據。

（5）軌道趨勢分析：通過對TQI數據進行數學計算和統計，計算50 m、100 m和標準200 m的軌道質量指數。反映軌道質量變化趨勢，又分為定性分析和定量分析。

TQI頻數分布圖分析：頻數分布圖直觀地顯示出頻數分布的峰值位置和幅值的大小。峰值位置和大小是反映軌道區段狀態好壞的重要特征，峰值位置對應的橫坐標值越小，峰值越大，表示軌道區段的質量狀態越好，反之則較差。一般多次檢測的圖形在同一圖上進行疊加，即可對比分析出軌道質量狀態的變化趨勢。

TQI頻數累計圖分析：頻數累積曲線是條“S”曲線，曲線越陡表示軌道狀態越好，或曲線越靠左軌道狀態越好。一般將多次檢測的圖形在同一圖上進行疊加，即可對比分析出軌道質量狀態的變化趨勢。

2.3.3 計劃管理

系統提供各類計劃（包括年計劃、階段計劃、月計劃、日計劃、軌道車運行計劃、車輛轉場計劃等）的編制、審批與查詢功能；通過提取車載式線路檢查儀超限數據、便攜式線路檢測儀超限數據、管理員添乘超限數據、動檢車超限數據等病害信息，獲得重復病害情況，根據重復病害情況，輔助編制生成日計劃。系統對作業計劃從編制、申報、審批、上傳、下達、簽收等過程進行流程化管理。

2.3.4 天窗修理管理

包括施工管理和維修管理，通過與鐵路局調度4.0系統進行數據接口，對正式下達的計劃進行工作布置，派發工作單，完成生產過程的數據收集，形成生產過程控制。

2.3.5 施工管理

系統功能對施工項目進行全面管理，施工組織管理引入項目管理的理念，將施工作為可以進行獨立成本核算的施工項目臺賬進行管理，包括工程項目臺賬、施工組織設計、施工計劃管理、施工過程管理、竣工驗收管理、施工績效分析、施工管理報表等。

2.3.6 生產調度管理

主要功能是把生產調度日常的工作電子化，包括施工完成情況管理、限速地段、生產任務、應急預案、人員動態管理、調度通知、調度日報和值班管理等功能。

2.3.7 高速鐵路工單管理

根據高速鐵路線路設備不同于普速線路設備的特點，定制高速鐵路工務設備的檢查、維修工單，實現高速鐵路工務日常生產工單管理，實現檢查派單和維修派單的流程管理等功能。

2.4 安全指揮管理

安全指揮管理實現工務各級單位安全生產調度指揮中心的日常工作管理。包括問題庫管理、干部動態管理、重點工作督辦和工電結合部管理4個功能模塊。

2.5 綜合管理

實現標準圖及技術檔案、規范規章及標準管理、維修案例和其他技術文檔管理等功能，形成技術知識管理庫，從而為各級人員提供全面的技術資料。

2.6 系統管理

系統管理實現字典管理、基本人員管理、組織機構管理、權限管理和用戶管理等功能，為系統提供統一的管理平臺。

3 系統關鍵技術及特點

3.1 工務生產綜合數據平臺

通過分析工務生產綜合數據的來源、分類及其關聯關系，建立業務數據標準、編碼標準和數據采集標準，實現對工務多種檢測方式原始檢測數據、通過總重數據、速度數據、修理數據、安全檢查整改數據、工務設備基礎數據、空間地理信息數據等進行統一編碼、分類存儲，各種工務生產綜合數據以線編號（4 bit）、里程（中心里程或者起點里程至終點里程）為紐帶進行存儲、關聯，其中站場數據以線編號（4 bit）、車站編號（5 bit TMIS車站碼）為紐帶進行存儲、關聯，構建工務生產綜合數據平臺。

3.2 基于生產綜合數據平臺的數字化管理

建立工務管理數字化業務流程。利用工務生產綜合數據平臺的數據并結合現行的修理規則、業務管理流程，將工務日常生產管理工作流程數字化，實現日常生產工作的信息共享、過程透明和管理協同。生產管理工作流程如圖3所示。

圖3 生產管理工作流程圖

3.3 基于流程管理器的作業工單管理

基于MatrixFlow工作流平臺構建工務部門日常生產作業的工單流程化管理功能。工單管理是用于執行與工單相關的所有功能，包括工單創建、上報、審批、執行、報告、分析與查詢以及工單的關閉處理等。設備維修作業工單流程化管理是以工單的提交、審批、執行為主線，實現資產預防性維護、跟蹤、生命周期的全過程管理，以提高設備維修效率，逐步構建工務安全生產協同作業平臺。流程實例如圖4所示。

圖4 安全問題庫流程

3.4 軌道原始檢測數據里程校正和TQI計算

系統解決了動檢車、軌檢車、軌檢儀原始檢測數據里程漂移的問題，實現了檢測數據的里程校準，保證了多次檢測數據里程一致性；解決了可計算50 m、100 m、200 m長度軌道質量指數（TQI）計算和任意項軌道檢測單元的TQI計算問題，實現基于TQI指標超限的線路設備問題的分類以及設備問題點的精確定位，并對比分析軌道質量變化趨勢，生成各種超限報告和統計分析圖表，篩選出線路重點病害地段，為制定維修計劃提供科學依據。應用實例如圖5、圖6所示。

圖5 多批次TQI頻數分布圖分析

圖6 多批次TQI頻數累計圖分析

軌道質量指數（TQI）是左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平和三角坑七項幾何尺寸不平順在200 m區段的標準差之和，其計算公式如下：

式中： σi為各項幾何偏差的標準差；

x_ij為各項幾何偏差在200 m單元區段中連續采樣點的幅值為xij的算術平均值；

n為采樣點的個數（200 m單元區段中n=800）。

TQI計算標準區段長度是200 m，根據現場管理需要，系統利用原始檢測數據，還實現了計算區段長度為50 m、100 m的TQI值。

3.5 基于EAM理念的閉環管理

引進EAM理念和方法，設備管理實現“設備運用→病害(故障)→修理→更換→報廢”為主線的設備全生命周期管理的閉環管理，生產管理以“檢測、監測→狀態分析→維修（工單）計劃→修理（工單）→質量評價→檢測、監測”為主線的閉環管理，安全管理以“設備病害(故障)→整改→跟蹤→安全考核→設備病害(故障)”為主線的閉環管理。

應用實例如圖7所示。

圖7 線路病害綜合分析圖

3.6 基于GIS平臺綜合展示

基于MapInfo MapXtreme for Java平臺，建立工務空間數據庫，將曲線、坡度、路基、鋼軌、軌枕、橋、隧、涵等各種工務設備的臺帳與設備所在的空間位置結合起來，并在此基礎上實現對設備履歷簿、專題圖、照片、錄像等信息與地圖的交互查詢，全面、形象、直觀地反映鐵路設備的地理位置、地形地貌等相關信息，并動態顯示Ⅲ、Ⅳ級以上病害點和病害整治信息以及正在施工作業信息，實現工務設備修理信息的可視化管理，搭建數字工務基礎平臺。

3.7 采用B/S+C/S應用模式

系統采用C/S和B/S共存的應用模式，B/S是信息查詢、瀏覽軟件最優的應用模式，系統主要應用于日常數據查詢、設備管理、維護流程和任務調度等方面，C/S是大量數據交互處理最優的應用模式，主要應用于數據收集、地圖維護、數理統計、圖形輸出等方面。在網絡條件較差的作業現場，系統采用平板電腦開發數據采集軟件收集作業數據，在檢測數據專業分析部門，系統開發軌道狀態預測與分析軟件，分析軌道變化趨勢，為作業派單提供數據支持工具。

4 結束語

本系統V1.0版本于2012年6月開始在廣鐵集團上線試用，并根據試用的情況不斷完善應用功能，以更好地適應廣鐵集團的工務安全生產管理要求。正在開發的武漢鐵路局工務安全生產管理信息系統，根據武漢鐵路局工務生產管理的特點，又增加了單元履歷管理、單元維修評價管理等多個功能模塊，以適應武漢鐵路局的工務安全生產管理要求。各鐵路局的工務安全生產管理特點有所不同，需要定制各鐵路局的個性化需求功能模塊，以適應各鐵路局的工務安全生產管理要求。鐵路工務安全生產管理信息系統是今后鐵路工務信息化建設的重點內容，不斷完善系統應用功能，推進系統應用工作，使信息化更好地為工務生產實踐服務。