信息化技術在鋼軌全壽命周期管理中的應用分析

蘆斌，王亮，王鵬揚，劉慧德，張茉顏，何逸飛，肖宏

（1.北京市地鐵運營有限公司線路分公司，北京 100044；2.北京交通大學，北京 100044）

1 引言

近年來我國城市軌道交通建設迅速發展，龐大復雜的線網對于線路的運維管理能力提出了更高的要求，在保證軌道設備高平順性和高可靠性的同時，還要實現降本增效。鋼軌作為行車安全的重要基礎，其全壽命周期涉及鋼軌設計、生產、采購、焊接、鋪設、養護維修到下道各個過程，每個環節都有可能影響鋼軌質量和狀態。此外，眾多條線路在開通時間、運營狀況和線路條件等方面的差異也給鋼軌精細化管理帶來較大困難。

對于鋼軌全壽命周期中各個階段的數據維護，如鋼軌原始信息、鋼軌打磨、鋼軌涂覆、鋼軌磨耗、鋼軌折斷及焊復、鋼軌的鎖定及放散記錄、通過總重等，傳統人工手動錄入及卡片式管理的方法已經難以適應實時精準維護大量數據的需求。同時，隨著國內外信息化、大數據技術的發展，數據的采集、存儲和應用分析技術不斷涌現，全面統計、計算、分析鋼軌全壽命周期各項數據成為可能。目前，結合大數據的信息化管理技術在鐵路行業領域已經得到應用，但對于城市軌道交通鋼軌全壽命周期精細化管理方面尚未開展系統研究及應用。

2 鐵路信息化管理應用綜述

在鐵路物資管理和工務作業方面，馮浩宇[1]通過工機具分庫管理、分區擺放、分類編號，并利用二維碼技術，在工機具存放、取用、進出網、庫存清點、檢定校準方面實現全方位數據化管理。江昶霆[2]應用流程分析法和電路分析法，提煉基于二維碼的鐵路物資主要流動過程，并在仿真檢驗的基礎上，提出公司制改革下鐵路物資管理模式，為各鐵路集團有限公司物資管理創新和模式創新提供決策支持。馬浩[3]從二維碼標識技術入手，通過二維碼標識技術對各項工作和各種數據進行記錄、處理形成高效的信息化管理工作模式。汪德昌[4]針對目前工務作業工機具管理中存在的問題，設計研發了高速鐵路工務作業工機具管理系統，分別從管理流程和界面2 個方面論述系統的設計與實現，并通過現場實際應用，提出了改進優化方案。陸紅生[5]分析了鐵路工務設備管理現狀及存在的問題，探討了二維碼技術在工務設備遠程管理中的應用。

在鐵路設施全壽命信息管理方面，張士東[6]基于二維碼技術和FineReport軟件平臺，運用GPS 核查人員定位的方法，構建了鐵路線路設備痕跡管理系統，實現了設備檢查、發現問題、整改問題全過程的監控和管理。張明[7]結合中國鐵路呼和浩特局集團有限公司研制的道岔軌件全壽命智能管理信息平臺，利用二維碼及SQLite 輕型數據庫技術，設計道岔軌件信息查詢APP，有效推動了線路設備全服役壽命周期的信息化管理。四川遂寧工務段橋路技術科[8]通過手持機掃描現場安裝的RFID 芯片中的二維碼，利用GPS 坐標定位，將數據傳輸至該段橋路技術科橋路設備檢查管理系統，提高了防洪季期間橋隧設備檢查監控力度，促進防洪工作效率的提升。陸紅生[9]提出研究二維碼技術在鐵路軌距尺遠程管理中的應用方案，闡述了信息管理、狀態管理、使用管理、遠程管理4個模塊的功能，總結試用效果，為計量器具檢定、管理探索新模式提供借鑒與參考。馬麗光[10]就二維碼技術在鋼軌原材管理、鋼軌件與原材追蹤管理、鋼軌件工序管理應用上展開討論，并通過二維碼技術與ERP 系統結合，提升了企業生產管理效率。劉建軍[11]經過對自動識別技術的比較，提出采用射頻識別技術（RFID）是提高鐵路集裝箱管理水平的有效手段，并進行投入產出分析。張軍[12]采用RFID 技術研制開發了適應速度350km/h 的客車電子標簽，并通過對既有地面AEI 設備的改造，實現了對高速標簽的動態識別。

綜上可知，在鐵路管理的信息化應用方面，國內大多采用二維碼、GPS、RFID 等技術結合軟件平臺以及數據庫進行綜合管理的工作模式，但在城市軌道交通領域尚未開展。事實上，城市軌道交通與國有鐵路在設備管理、養修方法、依據標準等方面有諸多不同，這使得鋼軌在全壽命周期管理方面也存在較大差異。基于此，本文主要探討基于鋼軌全壽命周期管理，提出RFID 電子標簽、數據采集APP、云端服務器以及PC端應用軟件相結合的綜合管理系統。

3 鋼軌全壽命周期管理系統

3.1 需求分析

鋼軌的全壽命周期管理首先需要綜合全線網，并且采集獲取鋼軌從設計、生產、焊接、鋪設、生產管控、運營維護到下道全過程的各項數據，包括鋼軌原始數據、周期性打磨、涂覆、磨耗、折斷及焊復、鎖定及放散、通過總重等信息。因此需要相應的數據采集系統和存儲系統以接收和容納大量的鋼軌全壽命周期數據。

其次，需要基于系統學、統計學的方法，結合線路運營的實際情況，對鋼軌全壽命周期的評價指標進行分析并得到合理有效的解決方法，從而實現對鋼軌使用壽命、維修計劃和更新改造計劃的優化，提高鋼軌全壽命周期管理水平，科學控制鋼軌生產管控成本，保障線路安全。因此，還需要數據處理系統將采集到的大量鋼軌數據進行整合分析。

3.2 總體設計

基于鋼軌全壽命周期管理的需求，鋼軌全壽命周期管理系統主要分為數據采集模塊和數據管理模塊，如圖1所示。

圖1 鋼軌全壽命周期管理系統

3.2.1 數據采集模塊

數據采集主要通過鋪設電子標簽，對鋼軌進行編碼鋪設電子標簽，建立鋼軌屬性數據，從而加強鋼軌各項數據的標準化和規范化，為后續鋼軌全壽命周期的檢測監測數據、生產數據等數據管控打下基礎。通過數據采集APP，配合鋼軌電子標簽的鋪設，提供將鋪設的電子標簽錄入相應的鋼軌編碼信息，工作人員通過掃描電子標簽，上傳鋼軌檢查維修數據，并在云端實時查詢鋼軌設備全生命周期數據。

3.2.2 數據管理模塊

數據管理模塊需要進行鋼軌全壽命周期指標的提取和閾值的建立，利用鋼軌的全壽命周期各項數據，包括前期制造、建設、安裝等數據以及運營階段設備狀態的磨耗、傷損、維修、通過總重等多項數據，構建鋼軌使用壽命分析模型，分析鋼軌劣化規律，以確定鋼軌全壽命周期的維修更換評價方法。

3.3 數據采集

電子標簽可采用RFID，即射頻識別技術，它集成了射頻技術和嵌入式技術，主要組成部分為應答器、閱讀器和應用軟件系統。閱讀器將檢測到信號后通過天線發射相應頻率的信號，再由應用軟件接收信號，然后進行信息處理。其中應答器即為電子標簽本身，它由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。閱讀器為讀取標簽信息的設備，可以是手持式移動設備，而天線即標簽和閱讀器之間的射頻信號。

對應于鋼軌全壽命周期管理系統，電子標簽貼設于鋼軌軌腰處，如圖2 所示，每段鋼軌貼設一個標簽，以識別唯一鋼軌。此外，通過電子標簽可以獲得鋼軌基本信息，并確定現場位置。

圖2 鋼軌電子標簽的貼設

根據現場鋼軌的實際環境條件，電子標簽的貼設應滿足以下技術要求：

①粘結牢固，不影響鋼軌正常使用；

②易于現場操作識別；

③抗金屬、抗振動、抗電磁環境等；

④抗高低溫環境。

工作人員在現場使用數據采集APP對電子標簽進行讀取，并將信號傳輸到應用軟件，應用軟件通過云端服務器實現鋼軌全壽命周期的數據管理。其中，鋼軌的設計、生產、焊接、鋪設、生產管控、運營維護信息可事先錄入，這些數據維護在服務器，下道工作人員在讀取電子標簽后，將檢測到的鋼軌傷損情況記錄并上傳到云端，從而對服務器的數據進行實時更新和維護。

鋼軌全壽命周期的數據采集模塊如圖3 所示，相比于傳統的鋼軌傷損記錄方式，電子標簽和數據采集APP 的使用，大大減少了下道人員的工作量，并提高了其工作效率，推動了鋼軌全壽命周期管理工作模式的智能化發展。

圖3 鋼軌全壽命周期的數據采集模塊

3.4 數據管理

對于儲存在云端的鋼軌數據，還需要通過應用軟件進一步處理，因此建立相應的鋼軌全壽命周期的數學模型，如圖4 所示。其中指標的建立和閾值的提取，主要根據通過總重、鋼軌磨耗、重傷情況等進行確定。

圖4 鋼軌全壽命周期數學模型

相對于傳統的運維模式，通過數據管理平臺對鋼軌傷損、磨耗、焊縫、打磨等數據進行整合分析，從統計學意義上進行鋼軌維修更換評價和分析，并隨著數學模型的迭代更新，逐步制定全面的、多指標的、精細化的評價方法及指標，促進鋼軌精細化管理，同時降低了運維成本，提高了效益。

4 結論

本文在綜合調研信息化技術在鐵路物資管理和工務作業方面以及鐵路設施全壽命信息管理方面的應用基礎上，闡述了城市軌道交通鋼軌全壽命周期管理系統組成，結合電子標簽技術、數據采集APP、云端服務器以及PC 端應用軟件，對其數據采集和數據管理模塊進行了詳細介紹，明確了信息化技術在城市軌道交通中的應用優勢。

城市軌道交通的快速發展亟待建立信息化的鋼軌全壽命周期管理工作模式，應充分利用各項信息化技術，提升管理的精度和效率，同時降低傳統運營維護工作所帶來的時間成本和人工負荷。本文提出的鋼軌全壽命周期管理系統也可為城市軌道交通其他物資設施管理的智能化發展提供參考。