基于移動GIS的重載鐵路工務設備智能巡檢終端設計與應用

段培勇

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

朔黃鐵路西起山西省朔州站，東至河北省滄州市黃驊港口，是我國西煤東運第二大通道和國家能源集團礦石、鐵路、港口、電力、航運、石油一體化工程的重要組成部分。年運量近4億t，工務設備日常巡檢及養護工作量較大。目前朔黃鐵路工務設備靜態檢查和維修信息主要采用現場手工記錄的方式，再以紙質單據、Excel電子文檔等形式保存，存在作業效率低、數據錄入不規范、監督管理水平不高等問題。在夜間天窗作業時翻閱紙質材料查詢設備臺賬、歷史巡檢信息尤為不便，且存在安全隱患。

隨著空間定位技術和移動通信技術的飛速發展，移動巡檢終端在油氣管道和輸電線路的檢修、倉儲物流管理等行業已有成功應用［1］，但在重載鐵路工務設備的養護維修領域未見成熟應用案例。為提高朔黃重載鐵路工務設備巡檢作業效率，本文研制基于移動GIS（Geographic Information System）的重載鐵路工務設備智能巡檢終端，以作業票為驅動，推動重載鐵路工務設備巡檢作業由傳統模式向智能化方向發展。

1 巡檢終端相關技術與智能運維系統簡介

重載鐵路工務設備智能巡檢終端以移動GIS技術為基礎，具有地理空間對象的查詢、檢索、管理和分析服務功能，其與工務設備智能運維系統互聯互通，可實現以安全生產作業票為驅動的人工巡檢作業電子化。

1.1 移動GIS

移動GIS是伴隨著移動互聯網的發展、智能手機的普及產生，基于移動計算環境和移動終端技術，提供移動的、分布式的地理信息服務［2］。移動GIS是一個集GIS、衛星導航、移動通信三大技術于一體的系統，通過GIS完成空間數據的管理和分析，使用衛星導航系統進行定位和跟蹤，利用移動設備完成數據獲取，借助移動通信技術完成圖形、文字、聲音等數據的傳輸［3］。

1.1.1 GIS

GIS具有支持空間數據的獲取、儲存、運算、分析、建模和顯示的功能，并可解決復雜的規劃管理問題［4-5］。高分辨率衛星遙感技術突飛猛進，使得地理信息的獲取與更新更加及時精準，為工務設備空間信息管理與可視化奠定了基礎。

1.1.2 衛星導航系統

目前全球共有4種全球衛星導航系統，分別為美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo）和中國的北斗衛星導航系統（BDS）。北斗衛星導航系統是我國著眼于國家安全和社會經濟發展需要，自主建設運行的全球衛星導航系統，可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務，并且具備短報文通信能力，已經廣泛融入國民經濟和國防安全的各類核心基礎設施中［6］。

1.1.3 移動通信技術

移動通信是移動體之間或移動體與固定體之間的通信，目前移動通信已進入了第五代。便利性是移動通信技術的典型優勢，對于分布廣泛、地理位置偏遠的工務設備，首選移動通信技術實現巡檢作業數據的有效傳輸。

1.2 工務設備智能運維系統

工務設備智能運維系統以持續提高檢測監測數據管理分析能力為目標，提供工務設備全壽命周期管理、檢測監測數據一體化管理、狀態評估與輔助決策管理、工務生產管理等多方位的服務，滿足數據管理專業化、數據處理自動化、數據分析智能化的數字化發展要求。工務設備智能運維系統從設備臺賬、安全生產、病害庫等多個層面為巡檢終端提供數據支撐，完成全流程的工務設備人工巡檢作業。

2 巡檢終端架構設計

2.1 總體架構

工務設備智能巡檢終端總體架構如圖1所示。工務設備智能巡檢終端總體上可分為移動應用端和平臺應用端。移動應用端基于Android平臺構建，采用美國Esri公司的ArcGIS Mobile作為地圖引擎，部署在專用手持終端。為了適配現場巡檢作業環境，手持終端具備防水、防摔、防塵、攝像、拍照、北斗定位、通信等功能。平臺應用端作為工務設備智能運維系統的一部分，統一部署在國能朔黃鐵路發展有限責任公司信息中心，為移動應用端推送安全生產作業票、設備臺賬等信息。移動應用端和平臺應用端之間通過移動互聯網實現信息交互。數據通信嚴格遵循該公司關于網絡安全的相關規定，實現巡檢數據安全傳輸。

圖1 工務設備智能巡檢終端總體架構

2.2 技術架構

智能巡檢終端技術架構采用前后端分離的RESTful風格微服務架構模式［6-7］。移動應用端采用M/S結構，平臺應用端采用B/S結構。巡檢終端軟件采用分層設計思路進行開發，如圖2所示。分層設計降低了巡檢終端軟件模塊之間的耦合度，提高了終端軟件可維護性和可擴展性［8-9］。

圖2 軟件分層設計

表示層用于信息展示和接收用戶輸入的數據，為用戶提供一種交互式操作界面。移動端本地存儲層為移動GIS底圖信息、矢量數據等空間信息以及巡檢過程中采集的病害信息、檢查信息提供離線緩存，輔助移動應用端在通信網絡不佳的情況下實現巡檢作業的不間斷操作。數據交互層用于處理移動應用端與平臺應用端的數據交互請求。應用服務接口層以標準的RESTful API接口執行巡檢業務邏輯操作，實現工務設備標準化巡檢業務流程。數據存儲層為業務數據提供統一存儲環境，實現巡檢信息持久化。

2.3 作業流程設計

根據朔黃公司線橋隧巡檢作業模式，建立以作業票為驅動的工務設備巡檢作業流程（圖3），實現“作業任務下發→上道巡檢→錄入病害、檢查維修數據→質量回檢”巡檢作業閉環管理［10-11］。

圖3 以作業票為驅動的巡檢作業流程

針對橋隧巡檢作業需求，在巡檢終端中設計了橋隧設備病害整修記錄功能。對于已存在的橋隧設備病害，使用巡檢終端記錄病害發展與整修情況，為工務部門及時掌握病害發展趨勢、科學制定整修計劃提供數據支撐。

3 工務設備智能巡檢終端的應用

3.1 移動應用端

巡檢作業過程中移動應用端通過衛星定位、移動通信等技術與智能運維系統進行數據交互。移動應用端主要提供以下功能。

1）人員與工務設備的實時定位

移動應用端借助衛星導航系統，結合移動GIS引擎，實現巡檢人員、工務設備的地理信息定位和空間信息展示。巡檢人員使用移動應用端可以查看周邊范圍內的工務設備，在GIS圖層上點選操作即可調取工務設備臺賬、設備病害歷史數據等信息，見圖4（a）。巡檢過程中移動應用端定期回傳人員定位信息，作業結束后便可生成完整的巡檢軌跡。

圖4 設備定位與臺賬信息

2）巡檢流程標準化

移動應用端嚴格遵循以作業票為驅動的巡檢作業流程，規范巡檢人員作業標準。安全生產作業票推送到指定工隊、班組和人員的手持終端，作業人員可獲取作業票中規定的作業內容、作業地點，作業人員、工料機具等信息，見圖4（b）。采用拍照、語音或文字錄入等方式清點人員、工料機具后開始上道巡檢，作業完成后再次使用手持終端清點核對作業人員、工料機具，確保所有作業人員攜帶全部工料機具下道。

3）數據的實時交互和離線存儲

朔黃鐵路穿越恒山、太行山脈，15次跨越滹沱河，神池—肅寧段山高谷深，橋隧相連。在復雜山區環境下巡檢作業難免遇到移動通信網絡不佳的情況。為保障巡檢數據錄入的完整性，移動應用端基于本地化設計理念，采用SQLite移動開放式數據庫作為移動應用端存儲環境，實現巡檢數據的本地臨時存儲，作業完成后再提交。通過減少作業時移動應用端與平臺應用端的交互頻率，提升巡檢作業效率。

4）病害級別自動判識

基于線路、橋梁、隧道、路基各專業工務設備病害分級分類標準，移動應用端設置了病害級別自動判識算法。根據巡檢人員錄入的病害信息，自動判識病害級別，見圖5。同時，病害信息錄入盡可能采用點擊選擇方式，結合語音識別技術，進一步提高巡檢終端人機界面友好程度。

圖5 病害級別判識

3.2 平臺應用端

巡檢人員使用手持終端采集工務設備病害和檢查信息，上傳至工務設備智能運維系統，由檢測監測數據一體化管理模塊統一管理。

基于巡檢數據，平臺應用端為用戶提供時空多維度綜合分析，研判病害發展趨勢，輔助工務運維人員精準掌握線橋隧工務設備服役狀態。以隧道巡檢信息為例，平臺應用端提供了巡檢信息展示、病害類型統計、病害數量分布等信息，見圖6。此外，平臺應用端還具有巡檢作業軌跡回放、報表報告自動生成等功能，有利于提高朔黃鐵路工務設備巡檢作業管理水平。

圖6 隧道巡檢數據可視化展示

4 結語

針對重載鐵路工務設備巡檢作業傳統方式存在的不足，設計并研制了基于移動GIS的重載鐵路工務設備智能巡檢終端。采用移動GIS、衛星導航定位、移動通信等新一代通信技術，數字化、標準化工務設備巡檢作業流程，有效提升了巡檢效率和管理水平，為工務設備狀態評估、檢修決策的制定以及工務設備養護維修智能化發展提供了技術支撐。