營業線施工作業監控系統設計及應用

鄧桂星，張 銳，王 瑜，李世春，王俊清

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 信息技術所， 蘭州 730000）

隨著中國鐵路的迅猛發展，鐵路線路施工量也在快速增加。營業線施工作業是鐵路線路施工的重要組成部分。進行該施工作業必須把行車安全放在首位，施工作業的安全與否直接影響著鐵路運輸組織的正常開展。營業線施工作業具有結合部多，綜合性強，現場管控難度大等特點，是各種業務交集的突出體現[1]。當前施工作業安全管理存在著諸多問題：（1）施工參與人員多，資質卡控難；（2）管理流程長、涉及專業廣，標準化流程執行不到位；（3）各信息系統之間沒有規范的接口，信息共享難度大；（4）施工現場條件復雜，難以掌控實際情況；（5）盯控干部履職不到位的情況時有發生，缺少監管手段。營業線施工作業監控系統（簡稱：監控系統）是為解決上述問題而設計研發的。

1 設計原則及目標

1.1 設計原則

監控系統的設計原則主要包括以下幾個方面：

（1）突出先進性，敢于應用當前先進的信息科技手段；（2）體現實用性，切實解決現場存在的問題；（3）考慮經濟性，在滿足系統功能和性能的前提下，盡量減少建設成本；

（4）遵循開放性，為其他系統提供標準的數據接口；

（5）確保安全性，做好安全保障措施，確保系統運行穩定，不影響現場作業和行車組織。

1.2 設計目標

監控系統的設計目標是為了提高施工安全管控水平、強化施工作業安全監控、規范施工作業流程管理、明確施工關鍵環節、加強施工作業人員和行為盯控、減輕現場勞動強度。該系統集生產、管理和監控于一體[2]，全面提升鐵路施工作業質量，提高作業安全性。

2 系統概述

2.1 總體架構

系統的總體架構是能否實現業務需求、便于現場操作、節約建設資金和保障系統安全的關鍵所在。

監控系統采用“集中部署、分散應用”的部署方式。數據庫服務器[3]、文件服務器、圖形處理器（GPU）、Web服務器和接口服務器集中部署在蘭州局集團有限公司（簡稱：蘭州局）數據中心。蘭州局各業務處室及各站段用戶通過內部服務網的電腦終端接入監控系統；手持機和鐵路施工管控虛擬門等移動終端通過互聯網傳輸數據，如圖1所示。

圖 1 監控系統總體架構圖

系統數據庫服務器采用Oracle數據庫存儲結構化數據，包括作業人員、施工維修計劃、會議、參會人員和小型工機具等數據；文件服務器主要存儲圖片和會議資料，通過Nginx[4]提供服務，與應用進行無縫銜接；GPU服務器一主一備，負責進行人臉識別算法的集中化處理；Web服務器采用WebLogic控制臺為內網應用提供Http服務；接口服務器為獨立的應用程序接口（API）服務器，以中間庫方式與互聯網應用進行加密數據的信息交互。

2.2 系統功能

監控系統的功能主要包括施工監控平臺、人員資質管理、會議電子化、出入網管理、干部盯控和圖表自動繪制。

2.2.1 施工監控平臺

采用數字驅動文檔（D3）矢量圖形技術[5]和地理信息數據，建立施工作業監控平臺，如圖2所示，實現施工作業流程控制。監控人員可實時掌握正在進行的各項施工狀況和相關信息。做到了入網前教育、施工預備會、施工總結會、人員資質、盯控干部、施工登銷記、調度命令轉交、現場防護和放行前簽認等信息一目了然。使得監控目標更具體，監控手段更多樣，監控效果更突出。

圖2 施工作業監控平臺監控圖

2.2.2 人員資質管理模塊

通過建立施工作業人員資質和面部特征庫，實現人員資質的電子化管理。該模塊能夠對施工協調小組組長、施工（維修）負責人、配合負責人、駐站聯絡員、現場防護員、盯控干部等人員信息進行動態管理，滿足了業務處室、相關站段、車站（工區）人員資質管理要求，實現了集團公司施工作業人員身份識別、職級管理、培訓資格和有效期管理電子化。

2.2.3 會議電子化管理模塊

采用移動APP和人臉識別技術實現施工“三會”，即預備會、班前會和總結會的電子化管理。使用移動APP對參會人員的面部特征、作業地點和作業時間等信息進行采集；再運用AI人臉識別技術與人員資質管理庫中的面部特征進行比對，完成身份識別和資質卡控，確保了讓“正確的人，在正確的時間，干正確的事”[6]。同時，實現了會議資料的電子化管理，滿足了相關單位對會議資料的共享需求。

2.2.4 出入網管理模塊

自主研發鐵路施工管控虛擬門，采用AI人臉識別技術實現了出入網職工的電子化管理；應用RFID技術實現了出入網勞務人員和小型機具的電子化管理。作業開始時，虛擬門對入網人員和小型機具進行電子登記；作業結束時，再次使用虛擬門對出網人員和小型機具進行電子銷記，確保人員和小型機具撤離至安全地點后，駐站聯絡員再進行作業銷記[7]。

2.2.5 干部盯控管理模塊

采用移動APP技術，實現了對現場盯控干部“兩定位、N關鍵、多問題”的標準化流程管控。盯控干部必須全程跟班檢查施工過程，通過到達現場定位、關鍵環節影像資料上傳和撤離現場定位等功能，如圖3所示，約束了盯控干部的履職行為，杜絕了盯控干部遲到早退、中途離場、履職盡責不到位等現象的發生，使施工作業安全控制得到有效提升。

圖3 系統中上傳的干部盯控關鍵影像資料

2.2.6 圖表自動繪制模塊

在施工期間，需由站段每日上報施工日計劃圖、盯控圖和限速圖信息。各單位相關業務處室指定專人，利用Visio或Excel等工具進行繪制，每天的繪圖工作需花費2～3 h。

該系統的圖標自動繪制模塊，應用D3矢量圖形技術，實現施工各類圖表電子化繪制。相關業務處室應用該功能模塊在15 min之內即可完成施工日計劃圖、盯控圖和限速圖的繪制和打印工作，其中施工日計劃圖如圖4所示，并且數據準確無誤，顯著減輕了勞動強度、提高了工作效率，使現場工作人員能將更多的精力放到生產中。每天為相關部門及單位共節省300 h工作量。

圖4 系統自動繪制的施工日計劃圖

3 關鍵技術

3.1 人臉識別技術

人臉識別技術采用百度公司人工智能接口，將接口程序私有化，部署到集團公司數據中心GPU服務器上，實現了人臉識別算法的集中化處理。目前，集團公司施工維修的“三會”電子化簽到日均為2 000人次，單次識別可在150 ms內完成。

3.2 D3矢量圖形技術

用于操作和管理基于數據驅動的文檔的JavaScript 函數庫，利用可縮放矢量圖形（SVG）和層疊樣式表（CSS） 技術把數據直觀地展示在網頁上。系統的監控圖、計劃圖、盯控圖和限速圖均采用D3進行鋪畫，代碼簡便、響應迅速、支持主流瀏覽器。

3.3 前后端分離開發模式

系統的開發遵循前后端分離原則，前端開發以JavaScript[8]為主，綜合應用H5、Ajax、JQuery和D3矢量圖形等技術，后端服務的開發采用基于J2EE框架的MVC模式進行開發，前后端通過JSON為主的RESTful架構風格進行交互通信。同時，采用團隊開發模式，將任務逐層分解到研發人員，項目前后端開發和集成測試由專人完成，提高了開發效率，縮短了開發周期。

4 結束語

營業線施工作業監控系統于2018年2月在蘭州局投產應用。該系統解決了臨時變更施工負責人及防護員導致的關鍵崗位人員無法卡控，施工關鍵環節監控不到位，現場作業人員和小型工機具未全部撤離就盲目銷記，施工會議內容和資料無法共享和施工現場影像資料無法獲取等問題，為營業線施工安全管理提供了強有力的技術保障。隨著系統運用的不斷深入，施工作業人員執行施工標準流程的行為意識逐漸增強，施工作業質量得到顯著提升。自系統投產應用以來，蘭州局尚未發生因施工而導致的行車安全事故。

系統下一步計劃引入大數據分析預警功能，分析當前施工作業存在的突出問題并對施工作業將要面臨的關鍵安全隱患進行預警。