鐵路電力線路缺陷綜合管理模型設計

伍華國，柴修偉，郭 強

（1.廣鐵集團懷化供電段，湖南 懷化 418000；2.武漢工程大學 興發礦業學院，湖北 武漢 430205；3.上海海科工程咨詢有限公司，上海 200321）

1 引言

近年來，我國鐵路工程迅速發展，取得了舉世矚目的成就，極大地促進了國民經濟的發展，且方便了民眾出行。特別是高速鐵路已經成為中國制造走向世界的一張名片，被國外評為中國“現代四大發明”之首。中國鐵路經過多年的技術和管理沉淀，已逐步發展成熟，形成了一套完整可靠的運營體系。電力供應是鐵路系統不可缺少的重要組成部分，其缺陷巡檢和管理技術水平直接關系到鐵路的正常運營和安全［1］。目前，線路巡檢已成為鐵路電力系統管理的日常工作，主要采用人工檢查、判斷、匯總、上報和安排整改等方式處理缺陷，這種方式工作量大，效率低，而且實際效果不盡如人意。隨著計算機和互聯網技術的發展，不少生產單位、科研院校和個人開始對鐵路電力系統缺陷巡檢和管理技術進行研究，并取得了一定的成果［2-4］。神華準能大準鐵路公司引入了信息鈕扣對電力設備部件進行編碼標識，并采用巡檢儀錄入的方式直接讀取設備信息，并在此基礎上人工輸入巡檢結果。這種方式在一定程度減少了錄入數據工作量，降低了設備定位和識別的出錯率。但運營過程中發現，這種自動識別設備露天易損壞，需要定期更換電池，維護工作量和費用過高［5］。西南交通大學的吳積欽團隊致力于研發高鐵接觸網便攜式巡檢設備，采用安裝在列車上的全景攝像機獲取接觸網視頻數據，并在此基礎上進行缺陷提取和分析［6］。中國電子科技集團公司第33研究所對鐵路巡檢信息數據格式和SQL、Oracle等數據庫系統進行了分析研究，提出了選擇或優化依據［7］。以上針對硬件和軟件的研究工作從不同方面對缺陷巡檢進行了優化改進。但目前針對鐵路電力系統缺陷系統研究的成果很少，目前絕大部分發表成果為供電部門的巡檢系統研究，如基于手持終端信息采集和集控站運行模式的變電站設備巡檢和缺陷管理系統研究，以及對目前供電設備缺陷巡檢中漏洞的分析和對策等研究［8］。

綜上所述，目前專門針對鐵路供電系統缺陷巡檢的硬件設備和軟件有較多的應用和研究，但針對整個系統數字化模型設計的研究很少。文中以當前計算機、數據庫、移動通訊和互聯網技術為背景，研究了該系統開發所需的設備模型、用戶模型、缺陷定位和特征模型以及檢測處理流程模型，通過對基礎理論的深入透徹研究，為該系統的開發提供堅實的基礎。

2 主要缺陷源

經過大量的資料查閱和現場調查，特別是對廣鐵集團懷化供電段所轄線路的深入調研，統計總結了鐵路供電系統中的常規設備及缺陷類型［9-11］，見表1（表中未包含針對特定線路的專用或特殊設備）。

表1 鐵路供電線路通用設備統計表

3 缺陷定位和描述

一般來說，工程行業為了對目標進行準確定位，一般有坐標值和位置描述兩種方式。具體到鐵路電力系統中，所有部件都是鐵路系統的附屬物，而整個鐵路線都有明確的線路、區段、里程桿號，因此傳統鐵路巡檢中采用描述方式進行定位。文中采用鐵路行業慣例，采用描述定位方式，包括線別、站區、行別、股道、隧道和桿號6個指標組合的方式進行描述。如圖1所示，缺陷A定位描述為：區間A-B，上行線，桿號1××；缺陷B定位描述為：A站，股道1，桿號0××。

圖1 鐵路供電線路缺陷定位示意圖

鐵路電力線路在運營過程中產生的缺陷多種多樣，如絕緣子開裂，輸電線斷股，電桿折斷等等。缺陷產生的原因也可能是多方面的，如產品質量不合格，制造技術不達標，人為破壞等等。而隨著產品技術的淘汰、更新、換代，缺陷的來源和表現形式與原來相比也會發生變化。

文中提出采用兩種方式對缺陷進行描述，一種是建立已知常見缺陷記錄集；另一種是臨時性描述，主要是對已建缺陷集的補充，當缺陷內容未包含在集合中或采用集合中的表述內容不準確時，由巡檢人員根據缺陷表現特征和自身從業經驗進行定義和描述。

文中在查閱大量資料，針對我國鐵路系統特點，并結合廣鐵集團懷化供電段多年巡檢記錄，對鐵路供電系統運行過程中的缺陷和成因進行了統計、歸納、精化和提煉，并建立了常見缺陷表（見表2），該表基本包含了鐵路供電系統運營過程中出現概率較大的缺陷及成因。表中內容包含了常見缺陷類型和成因，可以作為開發智能化巡檢系統基礎數據，巡檢人員直接以快速選擇方式對缺陷進行描述。需要指出的是，以上鐵路供電系統缺陷集合并不是一成不變的，而是隨著運營需要一直在變化，因此需要根據實際情況不斷調整以滿足正常運營需要。

此外，當缺陷類型、性狀和成因與表中內容不符合時，巡檢人員根據實際情況進行描述。該部分內容與巡檢人員專業素質、培訓經歷、工作經驗有很大關系，具有一定的隨機性，文中不做具體討論。

表2 鐵路供電系統缺陷及成因統計表

另外，根據鐵路缺陷巡檢要求，文中采用的管理系統中，對缺陷的描述還需要添加輔助信息，缺陷巡檢單位和人員信息是其中最重要且必不可少的，按照我國鐵路供電系統的行政職能分工體系，依次為：車間―工區―人員。以廣鐵集團懷化供電段所管轄的兩條線路為例（見表3），分別為焦柳線和渝懷線，在轄區內經過多個站點和站區。供電段下設多個檢修車間，如表中石門北供電車間、張家界供電車間等，車間下設多個工區，如表3中澧縣接觸網工區、石門北接觸網工區等，負責對轄區站場（或區間）電力線路的巡檢和維護。綜上所述，缺陷描述采用以下方式:缺陷名稱，發現人，所述工區，所屬車間。

4 缺陷綜合管理模型構建

借助計算機、網絡和自動化技術，鐵路供電系統缺陷巡檢手段可以實現人機交互的半自動化和智能化采集，自動上傳服務器，智能化結果分析。同時，由于采集技術的提升和效率的提高，缺陷信息將越來越完整和準確。

文中通過大量資料查詢、實地調研并結合廣鐵集團懷化供電段多年缺陷巡檢資料和記錄翻閱匯總，提出在信息化技術的支撐下，為保證對缺陷信息全面、準確及可持續化管理，應當對其來源、環境、時間、人員、成員等信息進行全面收集和整理，建立缺陷的描述模型。該模型中包含以下子項：缺陷發現途徑、發現日期、發現人、線路等級、線路名稱、車間、班組、站區分類、站區、行別、隧道名稱、桿號、設備類別、零部件名稱、缺陷內容、缺陷照片、缺陷性質、缺陷等級、原因分析、整改措施、整改期限、督辦人、處理日期、處理人、處理措施、處理后照片、跟蹤驗證、備注。這些內容分別以數值、文字和圖像的形式對缺陷進行全方位描述，達到了“流程閉合、性狀明確、信息完整、利于分析”的目標。

表3 懷化供電段巡檢人員信息示例表

根據我國鐵路供電系統巡檢要求和慣例，缺陷管理系統的組織者和參與者（統稱“用戶”）的角色包括班組、車間、技術科、分管領導和平臺管理。文中通過大量資料查詢、實地調研并結合廣鐵集團懷化供電段巡檢部門和人員組織現狀，并在此基礎上進行了優化改進，提出了適合于我國現階段的鐵路供電系統缺陷管理系統用戶及權限分配模型，如圖2所示。該模型中，明確了各方的角色和權限。

圖2 鐵路電力線路缺陷管理系統用戶模型設計圖

我國鐵路電力線路巡檢經過多年的實踐已經形成了一套行之有效的檢測和處理流程，該流程從缺陷的檢測、上報、審核、處理建議到缺陷整改、整改效果上報和銷號形成了一個閉合系統。文中在分析國內多個鐵路供電段缺陷檢測資料的基礎上，以廣鐵懷化供電段現狀為主要參照依據，基于目前計算機自動化、互聯網、移動通訊技術運用的需要，對傳統缺陷檢測流程進行了改進和優化，形成了一套既能滿足檢測需要，又適合新技術改造的標準化要求，具體流程如圖3所示。

圖3 鐵路電力線路缺陷處理流程模型設計圖

5 工程應用

基于以上模型開發了用于廣鐵集團懷化供電段的具備采集、通訊、分析等功能的軟件系統。截止2016年底，該供電段下轄6個車間，每個車間下轄4～6個工區，共31個工區。近年來，隨著鐵路運輸日益繁忙，鐵路設施年年遞增，針對線路的缺陷檢查、管理和維護工作量直線攀升，依靠原有人工處理的手段越來越力不從心。為此，針對其線路檢查工作的流程、特點和需求開發了缺陷采集與管理軟件。該軟件系統包含了智能手機端和PC端采集模塊（信息查看、照相、數據錄入、上傳等，如圖4所示），數據庫管理模塊（數據保存和維護，如圖5所示），分析模塊（數據統計、圖表、報表等分析和展示，如圖6所示）這3大模塊，通過這些子模塊實現了對該供電段管轄線路的自動化安全監測。該軟件完全采用文中所述的工作流程、用戶模型、人員管理模型和數據組織模型，目前已穩定運行13個月，共采集1522條缺陷記錄。

圖4 鐵路電力線路缺陷手機、PC端采集錄入界面圖

同時，在數據庫挖掘和計算機編程技術的支持下，可以實現任意時間段內對任意內容信息的獨立或綜合顯示、分析，結果更加系統、準確和可靠。

圖5 缺陷統計列表圖

在該系統投入之前，缺陷管理采用現場記錄并匯總成Excel表格后定期上報至相關部門分析決策。部分典型結果如圖7所示，這種方法是典型的“記賬”形式，盡管Excel電子表格具備優秀的分析和報表功能，但實際應用中受人員素質和技能水平限制，也僅僅只能發揮其記錄功能。此外，該方法處理缺陷的周期長，缺陷信息采集、傳輸和分析效率嚴重低下，“跟蹤管理和快速處置”只能流于口號或形式。

圖6 缺陷信息分析圖表

為了對新模型及軟件的可靠性、效率進行定量化評價，與原有方法、工具進行了比對，工作對象和工作條件不變，考慮工作效率、經濟性、成果準確性和全面性等多個指標，進行了4個月的跟蹤調查和比對，比對結果見表4。

由以上對比結果可以看出，采用文中模型開發的軟件在人工效率、信息傳輸效率、結果準確性方面均有大幅度提高，能夠更好地滿足我國目前電氣化鐵路跨越式發展的需要。

該系統可以滿足3000～5000個并發線程訪問，對應同時在線訪問人數約300萬人；系統采用Java語言開發，不受操作系統的限制，系統設計采用B/S訪問模式，與瀏覽器無關，能夠滿足各類型用戶的需求。目前全國共有18個鐵路局（集團公司），下轄54個供電段，同時在線使用人數不超過5000人，該系統完全可以滿足全國鐵路電力系統的使用要求。前期對該模型進行了大量的資料查詢和實地調研，基本上涵蓋了目前常見的缺陷類型并根據規范要求對缺陷描述指標進行了統計分析。另外，模型中對新增缺陷類型的描述和管理也提供了相應的處理方法，使得模型具備了一定的自適應能力。

6 成果和結論

圖7 原采集和記錄方法結果圖

表4 新/老缺陷處理方法指標對比表

我國是一個鐵路大國，供電系統缺陷檢修任務十分繁重。文中以當前發展成熟的計算機智能、互聯網和移動通訊技術為背景，對目前巡檢內容、模式和流程進行了深入分析，在此基礎上建立了數字化綜合管理模型。具體成果和結論如下：

（1）分析了國內鐵路電力系統巡檢現狀，以及目前的缺陷管理模式和流程。

（2）在深入分析我國鐵路系統特點的基礎上，建立了基于智能關系型數據庫技術的缺陷采集、處理和分析模型。

（3）主要以廣鐵集團懷化供電段為例，建立了具備智能化、數字化背景的缺陷描述模型、缺陷處理流程模型和人員管理模型，并開發了相應的軟件系統。文中對系統運行結果進行了多方位的展示和分析，表明了模型具有良好的實用性，且具有良好的環境適應能力。

（4）對新模型的可靠性和先進性進行了分析，通過與原有方法的對比可得，基于該模型開發的缺陷管理系統不僅效率得到大幅度提高，且檢測和分析成果更可靠、準確和全面。

綜上所述，文中建立了數字化檢測技術背景下的鐵路電力系統缺陷綜合管理系統模型，包括人員管理、缺陷定義、缺陷預設、缺陷定位和缺陷處理流程等多個模型，這些模型的建立為開展鐵路電力巡檢的數字化綜合管理系統開發奠定了堅實的基礎，具有較大的優越性。文中在模型設計分析的基礎上，開發了相應的管理系統，該系統與操作系統和瀏覽器無關，可以滿足全國54個電力段同時在線操作，依據模型中的缺陷描述方法和新增缺陷處理方法，使得該系統具備了目前鐵路電力線路缺陷管理所要求的采集、分析、統計等能力。