國家能源集團貨車狀態修生產指揮系統構建研究

董 咚

(國家能源投資集團有限責任公司 國能鐵路裝備有限責任公司，北京 100120)

0 引言

國家能源投資集團有限責任公司(以下簡稱“國家能源集團”)擁有2 000余km的自備鐵路線路、5萬余輛鐵路自備貨車，其下屬的國能鐵路裝備有限責任公司(以下簡稱“鐵路裝備公司”)主要承擔國家能源集團機車、貨車的維修保障、設備租賃及鐵路線路的維修養護工作等業務。國家能源集團貨車檢修原先采用傳統的計劃修模式，該檢修模式存在檢修頻次多、檢修成本高、車輛利用率低、運輸能力釋放受限，以及“大拆大卸”帶來過渡檢修等問題，隨著貨車設計制造理念和制造水平的大幅提升，軌邊安全監測設備與貨車檢修工裝設備自動化、智能化水平的不斷進步，以及重載鐵路運輸組織模式的持續優化，計劃修模式已經不能滿足國家能源集團鐵路運輸板塊高質量、智慧化發展的需要[1]。為了更好地貫徹落實鐵路運輸供給側結構性改革，國家能源集團以提高鐵路貨車運輸生產效率和全力保證運輸生產安全為發展目標，開展了貨車狀態修修程修制改革探索與實踐[2]，促進車輛周轉逐步加快，運輸生產能力不斷釋放。

隨著貨車檢修修程修制改革的持續推進，為保證貨車檢修和運用的科學循環，高效能支持鐵路運輸服務，鐵路裝備公司需要按照國家能源集團鐵路貨車狀態檢修新模式研究適用的生產指揮系統，該系統作為鐵路貨車管理的重要支撐，統籌各種資源進行生產組織和應急處置，確保實現對車列修程的整列預報、自動列車調向管理、欠混編預警管理、補軸車源推薦等調度指揮功能。

1 貨車狀態修生產指揮系統需求分析

計劃性預防修向狀態修轉變是我國鐵路貨車檢修體制的發展趨勢[3]。基于狀態修的貨車檢修是依據車列、車輛健康狀態決定進入檢修修程的一種檢修模式，根據檢修內容的不同分為狀態一修(簡稱Z1修)、狀態二修(簡稱Z2修)、狀態三修(簡稱Z3修)、狀態四修(簡稱Z4修) 4個修程。國家能源集團貨車狀態修是依據貨車運行狀態探索實行全新的針對性檢修方式，改變了傳統鐵路貨車“日常維護、定期檢修”的流程驅動模式，依托軌邊監測設備、剩余壽命預測模型、健康狀態診斷模型等輸出的多態數據信息實行貨車狀態修。為應對修程修制改革給生產指揮業務帶來的諸多變化，鐵路裝備公司引入狀態修理論研究成果，研制一套滿足狀態修要求的信息化管理系統，充分發揮信息監測、集成、處理、分析技術優勢，通過對列車扣車、送修、出車、調向、補軸等作業全過程的信息化指揮及貨車檢修、運用進行全過程監控，以滿足貨車狀態修檢修的關鍵需求。

（1）支持不同等級修管理要求，保證施修地點的高效匹配。整合狀態修數據中心提供的以運行里程、多T預警（即由鐵路貨車狀態地面安全監測系統(TPDS)、貨車運行故障動態圖像檢測系統(TFDS)、車輛軸溫智能探測系統(THDS)、車輛滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統(TADS)等采集到的車輛運行過程中的各類故障信息）、檢修信息為一體的“車列—車輛—零部件”三級技術狀態檔案信息及車輛運行軌跡信息，診斷決策綜合判別模型系統提供的車列、車輛診斷決策報告和剩余里程預測信息，依據來車情況和檢修單位檢修能力制定扣車計劃，發布整列扣車調度命令，完成扣車、送修作業及車流管控等。貨車狀態修生產指揮系統信息交互如圖1所示。

圖1 貨車狀態修生產指揮系統信息交互Fig.1 Information exchange of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

（2）支持狀態修管理單元的變化。狀態修不再以“輛”為檢修管理單元，改為按整列固定編組進行管理。固定編組是重載鐵路運輸組織最基礎的管理單元，也是狀態修管理的生命線，固定編組管理的時效性、規范性和準確性直接決定了狀態修實施效果。因此，狀態修生產指揮需要具備保持編組中車輛的健康狀態相近或趨于一致的能力，適應鐵路貨車檢修由以“輛”為檢修單元轉為以“列”為檢修單元的狀態檢修模式。

（3）支持以“列車健康狀態診斷評價”作為等級修的唯一依據。隨著鐵路貨車檢修修程修制的改革，車輛檢修需要根據車輛的健康狀態安排檢修計劃，從而實施檢修。需要基于全新的貨車檢修、運用標準體系、車輛安全監控體系，以車輛基本結構的零部件壽命管理體系為基礎，以先進的軌邊檢測設備的數據預判和車輛零部件壽命預測為手段，以各級修程的零部件裝配數據、質量缺陷及故障采集、試驗測試數據為依據，對列車—車輛健康狀態進行量化綜合分析評價及決策，從而實現對故障的精準施修與壽命管理配件的快速、批量換件修。因此，狀態修生產指揮需要具備以列車健康狀態診斷評價作為等級修唯一依據的綜合調度指揮能力。

（4）支持列檢作業方式的轉變和生產力布局的調整。隨著多種地對車監測系統的建設上線，鐵路裝備公司具備了進一步調整列檢布局的條件，以“抓兩頭放中間”為管理理念，利用列檢對裝前卸后列車進行人工檢查，利用應急處置小組基于多T系統的狀態監測模型[4]對TPDS，TFDS，THDS，TADS等安全監控設備的預報故障進行確認和處置，并采集復核確認結果。因此，狀態修生產指揮系統不僅要對保留的列檢作業進行跟蹤，還要跟蹤應急處置小組的作業過程，實現鐵路貨車檢修閉環管理及保證運用跟蹤全范圍覆蓋。

2 貨車狀態修生產指揮系統構建技術方案

2.1 總體架構

貨車狀態修生產指揮系統是集列車運用狀態監控、檢修作業過程管理、生產調度執行等功能于一體的應用系統。為了保障應用要求，系統按照企業面向服務的體系結構(SOA)架構方法[5]進行總體架構設計，主要包括數據匯集層、解析處理層、業務應用層、用戶訪問層和展示層。

（1）數據匯集層。數據匯集層利用Web Service技術實現接收車輛技術狀態數據中心提供的車輛位置信息、技術狀態檔案信息、走行里程信息、檢修過程監控信息、黃標方向信息，接收狀態修診斷決策綜合判別模型輸出的車列決策診斷報告、車輛技術狀態診斷報告，作為狀態修生產指揮的基礎數據，并通過接口輸出列車扣車、調向、補軸等調度指揮結果到車輛技術狀態數據中心，支撐貨車狀態修業務的有效開展。

（2）解析處理層。解析處理層利用ETL(將數據從來源端經過抽取、轉換、加載至目的端的過程)工具和結構化查詢語言(SQL)相結合的方式對不同來源的數據進行清洗和轉換，形成系統的有效數據資源。

（3）業務應用層。業務應用層根據業務需求，實現“車列－車輛－零部件”三維狀態和車流的實時監控、預警和綜合管控，提高車列固定編組率，通過車列、車輛健康評分及顏色管理實現車列狀態檢修智能排產，對危及運輸安全的紅線車輛及時進行攔停，對健康狀態已接近臨界值的橙色車輛安排扣修計劃，對于暫不影響正常運行的黃色車輛進行重點盯控，保障車輛運行安全。整合運輸管理、車輛運行里程、生產管理數據，實現單車收益率、車輛使用效率及周轉時間的定制化駕駛艙綜合展現，輔助生產指揮執行和決策，提升固定編組率、車輛使用效率、單車收益率，并進而縮短車輛周轉時間，達到三率一時管理目標。

（4）用戶訪問層。在基于角色的訪問控制(Role-Based Access Control)中，權限與角色相關聯，用戶通過成為適當角色的成員而得到這些角色的權限，極大地簡化了權限的管理。

（5）展示層。采用可視化技術對不同運用場景的生產指揮信息進行多維度展示，增強數據可讀性、協同性，提升用戶體驗舒適度。

貨車狀態修生產指揮系統總體架構如圖2所示。

圖2 貨車狀態修生產指揮系統總體架構Fig.2 Overall architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

2.2 物理架構

貨車狀態修生產指揮系統配備數據庫服務器、應用服務器、備份設備、終端PC等，主要服務器采用高可靠冗余設計，實現負載均衡，在內存容量、接口等方面留有發展空間和擴展能力。系統的數據傳輸和應用均通過鐵路裝備公司內網實現，而滄州的備份一體機則通過專網與鐵路裝備公司連接，遇到突發情況時可災備自動切換，保證業務的連續性和數據的安全性。貨車狀態修生產指揮系統物理架構如圖3所示。

圖3 貨車狀態修生產指揮系統物理架構Fig.3 Physical architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

2.3 技術架構

貨車狀態修生產指揮系統采用基于Java EE規范的企業級B/S架構，利用元數據驅動的業務組件開發模式，融合Spring，Hibernate，Activiti等優秀的開源組件，構建以服務為核心的技術架構，具備開發快速、包容變化、靈活擴展、高級復用等特性。數據架構部分參考鐵路大數據平臺架構設計，按照數據獲取、數據處理、數據服務打破數據壁壘形成數據資源全景視圖[6]，可快速構建業務原型，實現配置式的界面設計和權限體系，提供良好的用戶體驗。貨車狀態修生產指揮系統技術架構如圖4所示。

圖4 貨車狀態修生產指揮系統技術架構Fig.4 Technical architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

2.4 應用功能

貨車狀態修生產指揮系統的建設以車輛使用效率、效益最大化為原則，通過強化工種間協同能力，全面適應狀態檢修模式，實現加快車輛周轉，提高運輸效率和經濟效益，更好地釋放鐵路運輸生產能力。系統業務應用功能按照業務內容劃分為10個部分，貨車狀態修生產指揮系統功能架構如圖5所示。

圖5 貨車狀態修生產指揮系統功能架構Fig.5 Function architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

（1）裝備及能力。實現鐵路裝備公司管內車輛技術檔案、監測設備狀態、各檢修基地檢修能力等情況的精準掌握。車輛基本信息總表即車輛基本信息、當前編組、特殊技術狀態、狀態修修程標識等關鍵信息；軌邊監測設備即鐵路線各鐵路公司地面監測設備(TPDSTHDSTADSTFDS)線路分布、設備編碼、設備公里標、設備站點名稱等關鍵信息，同時通過監測設備報文上傳自動預警設備狀態；檢修能力即各維修分公司檢修臺位，智能排產結合檢修能力自動推送調度扣車計劃。

（2）狀態修固定編組。鐵路裝備公司貨車車種單一、車型較少，且新型重載鐵路貨車占主要比例。基于列車運輸組織模式和貨車管理水平大幅度提高，多T等檢測設備應用日趨成熟等有利因素，貨車狀態修生產指揮系統建立了固定編組管理，旨在實現編組資源的最優配置，壓縮車輛集結時間，進而提高編組站作業效率[7]。貨車狀態修生產指揮系統重點關注由于裝卸點作業、突發故障甩車、行車故障等導致的固定編組變更情況，從裝車點重車方向盯控編組，從卸車點空車方向校驗編組，通過分析軌邊探測設備監測固定編組車列情況，實現對固定編組數量、車型、車輛技術狀態等情況的分析，對不符合固定編組的情況及探測到的欠軸車列進行預警，輔助調度人員及時對固定編組車列進行調整或補軸，及時更新裝卸點及突發故障甩車形成的編組變化，實現相近狀態車輛的最大化編組保持，為狀態修的實施效果提供基礎保障。固定編組組織流程如圖6所示。

圖6 固定編組組織流程Fig.6 Organization process of fixed formation

（3）列車運行監控。建立基于地理空間分布的可視化監控大屏，對“一列、一輛、一件”實時狀態重點盯控，實現對紅線、橙色、黃色等存在零部件故障或里程超限車輛的車列技術狀態、調向，以及由于裝卸點變更編組、突發故障甩車、行車故障等導致的車列違編情況的智能預警，通過構建小列編組，實現對重車方向變更、空車方向校驗、甩車情況特殊盯控等編組模式的監管，通過車列評分預警對列車修程進行預報，指導現場及時解除安全問題、科學調配用車、準確完成扣車，保證運輸安全和效率。安全監控預警可視化效果圖如圖7所示。

圖7 安全監控預警可視化效果圖Fig.7 Visual effect of safety monitoring and early warning

（4）檢修計劃。根據車輛健康評分及運行里程數據，結合狀態修診斷報告，預測車列檢修修程分布，為制定檢修月度、年度計劃提供參考。狀態修檢修計劃更多地服務于均衡生產，根據檢修能力、資質等情況合理調控生產節奏。

（5）狀態修智能排產。智能排產主要涵蓋系統綜合車列健康評分、下次修程、剩余里程等因素，實現對車列進行檢修推薦，調度人員從中選取車列，制定扣車計劃；通過檢修分公司、鐵路裝備公司兩級實現對扣車計劃的審批形成狀態修日班計劃，安排車列進行扣修，同時根據生產實際情況生成修竣車日出車計劃，跟蹤月計劃兌現率、日出車兌現率等情況，輔助車輛檢修管理。基于智能排產的狀態修車輛檢修組織模式，實現月旬輪廓計劃與調度日(班)計劃相結合，統一部署組織，做好站調計劃預留。智能排產流程如圖8所示。

圖8 智能排產流程Fig.8 Flow of intelligent scheduling

（6）調度命令管理。檢修公司根據本單位實際情況提報調度命令的申請，鐵路裝備公司綜合問題列車的狀態和各檢修單位的當前能力，發布安全、高效的整列扣車調度命令。系統采取車輛調度為主、車流調度為輔助的調度協同模式，實現合理化、均衡化組織扣修。

（7）狀態修檢修整備全過程。通過對列車扣車、待修、修理、修竣、移交、出車等作業全過程的信息化指揮及貨車檢修運用全過程監控，實現各維修分公司狀態修(Z234修程)檢修全過程重點盯控，實現整備線(Z1修程)檢修入線到移交全過程跟蹤。通過統計狀態修扣修車輛扣車、出線、殘車等信息，為智能排產提供數據支持。

（8）補軸管理。為了保障狀態修扣修單元的穩定，需要對欠軸車列進行補軸管理。補軸主要分為檢修補軸和運用補軸2類，針對檢修補軸車列修竣出車前，對車列編組輛數進行核定，如果欠編則需要補軸滿足條件的修竣車才可交出；車列在運行過程中由于發生臨修故障必須甩軸運行，為了保障運輸效率，需及時安排補軸。建立狀態修零散車管理，根據零散車分布車站、黃標方向、下次修程匹配欠軸車列，形成狀態修待補軸車源庫。在補軸等操作時系統依據車輛當前位置、欠軸情況、車列健康狀態等情況按照位置就近、車型相同、黃標方向一致、健康狀態趨近等原則綜合分析，自動推送合適的補軸車源推薦方案，以將整列扣的檢修效率優勢發揮到最大。車輛補軸流程如圖9所示。

（9）調向管理。為了避免列車長期單向運行造成車輪等零部件偏磨，影響運輸安全，貨車狀態修生產指揮系統提供列車環線調向能力，以大柳塔、黃驊港、點岱溝、南坪4個站點為調向點，依據狀態修數據中心提供的車列東西向運行里程差值，制定合理的狀態修列車定期環線調向計劃，并在生產指揮系統中進行環線調向工作的計劃編制、進度查詢、統計分析。列車調向管理流程如圖10所示。

圖10 列車調向管理流程Fig.10 Process of train direction management

（10）決策分析。決策分析實現對車輛狀態演變、扣車殘車、發運噸、貨物周轉量、周轉時間、單車使用率、收益率等關鍵數據和指標的多維度分析，實現車列健康狀態分布、車流可視化、重點車站存車可視化、檢修全過程等動態靜態車輛實時監控；形成“每車有狀態、每車有動態、每車有指標”的單車指標化管理能力，并通過使用率、收益率、固定編組率等核心動態指標，為狀態修生產組織全面實現、車輛使用精準化分析、提高單車使用率及制定車輛經營決策奠定堅實的管理基礎。

2.5 關鍵技術

（1）消息實時定向推送技術。狀態修模式下車列運行里程、車列、車輛健康診斷報告等動態信息是關鍵，貨車狀態修生產指揮系統需要實時獲取服務器消息并主動推送預警，通過應用Web Socket技術，建立瀏覽器與服務器間的全雙工通訊，實現客戶端和服務器端的長連接。同時，提供高度抽象的編程接口，降低業務開發成本。

（2）信息資源融合互操作技術。貨車狀態修生產指揮系統應用元數據及標準化技術完成相關車輛領域數據的統一描述，利用動態數據庫訪問技術、Web Service技術、通用服務中間件技術等互操作技術實現對數據的協調處理和對信息的交互融合[8]。

（3）應急預案智能匹配技術。任意時間發生并獲得事件信息后，系統自動基于事件發生位置、事件類型等指標，從鐵路調度指揮管理辦法、應急指導書等數據庫中自動為調度員匹配用于處理當前緊急情況的條款及應急處置預案，提高決策效率和處置方案的準確度。

（4）基于Web的可視化技術。貨車狀態修生產指揮系統利用Web GL、HTML5技術及d3.js等圖形庫，形成管內所有車站、檢修基地、調向點等基礎地理信息的可視化地圖。用戶通過刷新頁面即可隨時獲得列車位置、預警提醒等最新的數據，利用用戶終端進行渲染計算，不再需要反復與服務端交換互操作的參數和渲染生成的圖片，降低了帶寬和網絡延遲的限制，大大提高了便利性。

3 結束語

貨車狀態修生產指揮系統從狀態修模式下的生產指揮實際業務出發，搭載以服務為核心的架構組件，以可視化監控的方式實現智能化的生產管理，形成“預警信息有推送、結果數據有共享、智能分析有決策、調度指揮有依托”的系統化應用。自2019年7月國家能源集團啟動鐵路貨車狀態修管理以來，貨車狀態修生產指揮系統輔助生產指揮實行固定編組動態管理，建立固定編組和零散車預警機制，為扣車組織、車流盯控、單車指標化管理及狀態修的實施等工作提供了重要的基礎保障。截至目前，該系統保障日均固定編組850余列的固定編組率達95%，零散車控制在500輛以內，關門車控制在20輛以內，運行過期車壓縮在30輛以內，扣車組織兌現率由原先的30%提高至現在的70%左右，極大地提升了貨車運行品質，有效支撐了國家能源集團鐵路貨車狀態檢修業務開展。貨車狀態修生產指揮系統將以全面狀態修為契機，緊密圍繞“固本強基、轉型發展”的工作主線，以車輛使用效率效益最大化為原則，達到強化日常車輛管理能力的目標。