基于移動(dòng)GIS的重載鐵路工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端設(shè)計(jì)與應(yīng)用

段培勇

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(guó)西煤東運(yùn)第二大通道和國(guó)家能源集團(tuán)礦石、鐵路、港口、電力、航運(yùn)、石油一體化工程的重要組成部分。年運(yùn)量近4億t，工務(wù)設(shè)備日常巡檢及養(yǎng)護(hù)工作量較大。目前朔黃鐵路工務(wù)設(shè)備靜態(tài)檢查和維修信息主要采用現(xiàn)場(chǎng)手工記錄的方式，再以紙質(zhì)單據(jù)、Excel電子文檔等形式保存，存在作業(yè)效率低、數(shù)據(jù)錄入不規(guī)范、監(jiān)督管理水平不高等問題。在夜間天窗作業(yè)時(shí)翻閱紙質(zhì)材料查詢?cè)O(shè)備臺(tái)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(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)巡檢終端在油氣管道和輸電線路的檢修、倉儲(chǔ)物流管理等行業(yè)已有成功應(yīng)用［1］，但在重載鐵路工務(wù)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修領(lǐng)域未見成熟應(yīng)用案例。為提高朔黃重載鐵路工務(wù)設(shè)備巡檢作業(yè)效率，本文研制基于移動(dòng)GIS（Geographic Information System）的重載鐵路工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端，以作業(yè)票為驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)重載鐵路工務(wù)設(shè)備巡檢作業(yè)由傳統(tǒng)模式向智能化方向發(fā)展。

1 巡檢終端相關(guān)技術(shù)與智能運(yùn)維系統(tǒng)簡(jiǎn)介

重載鐵路工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端以移動(dòng)GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，具有地理空間對(duì)象的查詢、檢索、管理和分析服務(wù)功能，其與工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)互聯(lián)互通，可實(shí)現(xiàn)以安全生產(chǎn)作業(yè)票為驅(qū)動(dòng)的人工巡檢作業(yè)電子化。

1.1 移動(dòng)GIS

移動(dòng)GIS是伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、智能手機(jī)的普及產(chǎn)生，基于移動(dòng)計(jì)算環(huán)境和移動(dòng)終端技術(shù)，提供移動(dòng)的、分布式的地理信息服務(wù)［2］。移動(dòng)GIS是一個(gè)集GIS、衛(wèi)星導(dǎo)航、移動(dòng)通信三大技術(shù)于一體的系統(tǒng)，通過GIS完成空間數(shù)據(jù)的管理和分析，使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位和跟蹤，利用移動(dòng)設(shè)備完成數(shù)據(jù)獲取，借助移動(dòng)通信技術(shù)完成圖形、文字、聲音等數(shù)據(jù)的傳輸［3］。

1.1.1 GIS

GIS具有支持空間數(shù)據(jù)的獲取、儲(chǔ)存、運(yùn)算、分析、建模和顯示的功能，并可解決復(fù)雜的規(guī)劃管理問題［4-5］。高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)突飛猛進(jìn)，使得地理信息的獲取與更新更加及時(shí)精準(zhǔn)，為工務(wù)設(shè)備空間信息管理與可視化奠定了基礎(chǔ)。

1.1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

目前全球共有4種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別為美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，并且具備短報(bào)文通信能力，已經(jīng)廣泛融入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全的各類核心基礎(chǔ)設(shè)施中［6］。

1.1.3 移動(dòng)通信技術(shù)

移動(dòng)通信是移動(dòng)體之間或移動(dòng)體與固定體之間的通信，目前移動(dòng)通信已進(jìn)入了第五代。便利性是移動(dòng)通信技術(shù)的典型優(yōu)勢(shì)，對(duì)于分布廣泛、地理位置偏遠(yuǎn)的工務(wù)設(shè)備，首選移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)巡檢作業(yè)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

1.2 工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)

工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)以持續(xù)提高檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理分析能力為目標(biāo)，提供工務(wù)設(shè)備全壽命周期管理、檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一體化管理、狀態(tài)評(píng)估與輔助決策管理、工務(wù)生產(chǎn)管理等多方位的服務(wù)，滿足數(shù)據(jù)管理專業(yè)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析智能化的數(shù)字化發(fā)展要求。工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)從設(shè)備臺(tái)賬、安全生產(chǎn)、病害庫等多個(gè)層面為巡檢終端提供數(shù)據(jù)支撐，完成全流程的工務(wù)設(shè)備人工巡檢作業(yè)。

2 巡檢終端架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端總體架構(gòu)如圖1所示。工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端總體上可分為移動(dòng)應(yīng)用端和平臺(tái)應(yīng)用端。移動(dòng)應(yīng)用端基于Android平臺(tái)構(gòu)建，采用美國(guó)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(xiàn)場(chǎng)巡檢作業(yè)環(huán)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(tái)應(yīng)用端作為工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的一部分，統(tǒng)一部署在國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司信息中心，為移動(dòng)應(yīng)用端推送安全生產(chǎn)作業(yè)票、設(shè)備臺(tái)賬等信息。移動(dòng)應(yīng)用端和平臺(tái)應(yīng)用端之間通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互。數(shù)據(jù)通信嚴(yán)格遵循該公司關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全的相關(guān)規(guī)定，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)安全傳輸。

圖1 工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端總體架構(gòu)

2.2 技術(shù)架構(gòu)

智能巡檢終端技術(shù)架構(gòu)采用前后端分離的RESTful風(fēng)格微服務(wù)架構(gòu)模式［6-7］。移動(dòng)應(yīng)用端采用M/S結(jié)構(gòu)，平臺(tái)應(yīng)用端采用B/S結(jié)構(gòu)。巡檢終端軟件采用分層設(shè)計(jì)思路進(jìn)行開發(fā)，如圖2所示。分層設(shè)計(jì)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(hù)性和可擴(kuò)展性［8-9］。

圖2 軟件分層設(shè)計(jì)

表示層用于信息展示和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供一種交互式操作界面。移動(dòng)端本地存儲(chǔ)層為移動(dòng)GIS底圖信息、矢量數(shù)據(jù)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(dòng)應(yīng)用端在通信網(wǎng)絡(luò)不佳的情況下實(shí)現(xiàn)巡檢作業(yè)的不間斷操作。數(shù)據(jù)交互層用于處理移動(dòng)應(yīng)用端與平臺(tái)應(yīng)用端的數(shù)據(jù)交互請(qǐng)求。應(yīng)用服務(wù)接口層以標(biāo)準(zhǔn)的RESTful API接口執(zhí)行巡檢業(yè)務(wù)邏輯操作，實(shí)現(xiàn)工務(wù)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化巡檢業(yè)務(wù)流程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一存儲(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)巡檢信息持久化。

2.3 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)朔黃公司線橋隧巡檢作業(yè)模式，建立以作業(yè)票為驅(qū)動(dòng)的工務(wù)設(shè)備巡檢作業(yè)流程（圖3），實(shí)現(xiàn)“作業(yè)任務(wù)下發(fā)→上道巡檢→錄入病害、檢查維修數(shù)據(jù)→質(zhì)量回檢”巡檢作業(yè)閉環(huán)管理［10-11］。

圖3 以作業(yè)票為驅(qū)動(dòng)的巡檢作業(yè)流程

針對(duì)橋隧巡檢作業(yè)需求，在巡檢終端中設(shè)計(jì)了橋隧設(shè)備病害整修記錄功能。對(duì)于已存在的橋隧設(shè)備病害，使用巡檢終端記錄病害發(fā)展與整修情況，為工務(wù)部門及時(shí)掌握病害發(fā)展趨勢(shì)、科學(xué)制定整修計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

3 工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端的應(yīng)用

3.1 移動(dòng)應(yīng)用端

巡檢作業(yè)過程中移動(dòng)應(yīng)用端通過衛(wèi)星定位、移動(dòng)通信等技術(shù)與智能運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。移動(dòng)應(yīng)用端主要提供以下功能。

1）人員與工務(wù)設(shè)備的實(shí)時(shí)定位

移動(dòng)應(yīng)用端借助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合移動(dòng)GIS引擎，實(shí)現(xiàn)巡檢人員、工務(wù)設(shè)備的地理信息定位和空間信息展示。巡檢人員使用移動(dòng)應(yīng)用端可以查看周邊范圍內(nèi)的工務(wù)設(shè)備，在GIS圖層上點(diǎn)選操作即可調(diào)取工務(wù)設(shè)備臺(tái)賬、設(shè)備病害歷史數(shù)據(jù)等信息，見圖4（a）。巡檢過程中移動(dòng)應(yīng)用端定期回傳人員定位信息，作業(yè)結(jié)束后便可生成完整的巡檢軌跡。

圖4 設(shè)備定位與臺(tái)賬信息

2）巡檢流程標(biāo)準(zhǔn)化

移動(dòng)應(yīng)用端嚴(yán)格遵循以作業(yè)票為驅(qū)動(dòng)的巡檢作業(yè)流程，規(guī)范巡檢人員作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。安全生產(chǎn)作業(yè)票推送到指定工隊(duì)、班組和人員的手持終端，作業(yè)人員可獲取作業(yè)票中規(guī)定的作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)地點(diǎn)，作業(yè)人員、工料機(jī)具等信息，見圖4（b）。采用拍照、語音或文字錄入等方式清點(diǎn)人員、工料機(jī)具后開始上道巡檢，作業(yè)完成后再次使用手持終端清點(diǎn)核對(duì)作業(yè)人員、工料機(jī)具，確保所有作業(yè)人員攜帶全部工料機(jī)具下道。

3）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互和離線存儲(chǔ)

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(fù)雜山區(qū)環(huán)境下巡檢作業(yè)難免遇到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不佳的情況。為保障巡檢數(shù)據(jù)錄入的完整性，移動(dòng)應(yīng)用端基于本地化設(shè)計(jì)理念，采用SQLite移動(dòng)開放式數(shù)據(jù)庫作為移動(dòng)應(yīng)用端存儲(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)的本地臨時(shí)存儲(chǔ)，作業(yè)完成后再提交。通過減少作業(yè)時(shí)移動(dòng)應(yīng)用端與平臺(tái)應(yīng)用端的交互頻率，提升巡檢作業(yè)效率。

4）病害級(jí)別自動(dòng)判識(shí)

基于線路、橋梁、隧道、路基各專業(yè)工務(wù)設(shè)備病害分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)應(yīng)用端設(shè)置了病害級(jí)別自動(dòng)判識(shí)算法。根據(jù)巡檢人員錄入的病害信息，自動(dòng)判識(shí)病害級(jí)別，見圖5。同時(shí)，病害信息錄入盡可能采用點(diǎn)擊選擇方式，結(jié)合語音識(shí)別技術(shù)，進(jìn)一步提高巡檢終端人機(jī)界面友好程度。

圖5 病害級(jí)別判識(shí)

3.2 平臺(tái)應(yīng)用端

巡檢人員使用手持終端采集工務(wù)設(shè)備病害和檢查信息，上傳至工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)，由檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一體化管理模塊統(tǒng)一管理。

基于巡檢數(shù)據(jù)，平臺(tái)應(yīng)用端為用戶提供時(shí)空多維度綜合分析，研判病害發(fā)展趨勢(shì)，輔助工務(wù)運(yùn)維人員精準(zhǔn)掌握線橋隧工務(wù)設(shè)備服役狀態(tài)。以隧道巡檢信息為例，平臺(tái)應(yīng)用端提供了巡檢信息展示、病害類型統(tǒng)計(jì)、病害數(shù)量分布等信息，見圖6。此外，平臺(tái)應(yīng)用端還具有巡檢作業(yè)軌跡回放、報(bào)表報(bào)告自動(dòng)生成等功能，有利于提高朔黃鐵路工務(wù)設(shè)備巡檢作業(yè)管理水平。

圖6 隧道巡檢數(shù)據(jù)可視化展示

4 結(jié)語

針對(duì)重載鐵路工務(wù)設(shè)備巡檢作業(yè)傳統(tǒng)方式存在的不足，設(shè)計(jì)并研制了基于移動(dòng)GIS的重載鐵路工務(wù)設(shè)備智能巡檢終端。采用移動(dòng)GIS、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、移動(dòng)通信等新一代通信技術(shù)，數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化工務(wù)設(shè)備巡檢作業(yè)流程，有效提升了巡檢效率和管理水平，為工務(wù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、檢修決策的制定以及工務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修智能化發(fā)展提供了技術(shù)支撐。