鐵路橋隧養護作業智能終端設計與應用

郭心全，李 林，沈 鹍，吳 霞

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

截至2021年底，我國鐵路營業里程突破15萬km，其中，高速鐵路超過4萬km[1]。2021年，鐵路工務專業統計數據顯示，我國鐵路橋梁總數9萬余座，累計長度超過 3萬km；隧道1.6萬余座，累計長度超過2萬km；涵渠27萬余座，累計長度近7 000 km。隨著我國鐵路網的逐漸成型，運量不斷提升，老舊線路橋隧設備問題多發，新建線路橋隧設備源頭問題突出，現有的檢測保養維修手段未能精密配合，狀態修、周期修等理念發揮的作用不夠充分，尚不能及時掌握橋隧設備狀態，并做出科學的養修計劃[2-4]。

中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）發布的《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》指出，要深化修程修制改革，建立健全設施設備養護和評價標準體系，推進全生命周期云端智能健康管理，提高維修檢查專業化、集約化、精準化、智能化及造修一體化水平[5]。鐵路工務信息化、智能化建設在確保乘客乘車安全出行方面發揮著重要作用，而橋隧建筑物信息化、智能化建設是其重要組成部分，對保障鐵路車輛運行安全有著不可或缺的作用[6-7]。因此，亟需運用智能化手段提高橋隧養護作業水平，精準把控設備質量狀態，制定科學的設備養護維修方式及維修策略，降低鐵路橋隧養護作業成本，提高工作效率。

1 需求分析

為貫徹落實《普速鐵路橋隧建筑物修理規則：TG/GW103-2018》[8]和《高速鐵路橋隧建筑物修理規則（試行）：TG/GW114-2011》[9]規定的 “檢養修”分開的管理新體制，適應新體制下的鐵路檢養修改革，需要設計并應用鐵路橋隧養護作業智能終端App（簡稱：智能終端App），進一步強化鐵路工務橋隧設備養護作業專業化管理。

1.1 業務需求

智能終端App需以工務安全生產管理信息系統橋隧子系統（簡稱：橋隧子系統）的“檢查—分析—計劃—作業—驗收”閉環作業為依托，按照操作流程簡便、數據即時傳輸、模塊松散耦合、用戶界面友好的原則進行設計。智能終端App需引入規范化數據標準，固化數據采集流程，提升數據質量，為工務橋隧設備狀態的大數據智能分析提供支撐，輔助分析病害成因和養修質量評價，為研究橋隧智能養護維修提供數據支撐[10]。

橋隧子系統的橋隧養護作業閉環管理，如圖1所示。其中，智能終端App主要對應閉環管理的檢查和驗收模塊。

圖1 橋隧子系統橋隧養護作業閉環管理

1.2 功能需求

智能終端App需確保功能完善，能滿足現場應用需求。

（1） 確保數據同步

用戶需事先同步云服務器中的字典數據，進行病害錄入、保養評定及維修質量驗收等功能操作，上傳至數據庫時同步上傳位置信息以保證數據的真實性。

（2） 應對網絡建設緩慢

針對特殊地區網絡信號弱或未覆蓋的問題，智能終端App需有離線登錄功能，保障現場橋隧的養護作業。

（3） 設備秋檢常態化

將設備秋檢和日常檢查功能相融合，避免病害數據重復采集，減少現場工作量，提高工作效率。

（4） 設備分級驗收評定

維修驗收需要經過橋隧工區自驗、檢查工區復驗、車間復驗及站段復驗四級驗收，其中，綜合工區既可自驗又可復驗；保養評定需要經過工區自評、車間復評及站段復評三級評定。

2 智能終端App設計及實現

2.1 架構設計

智能終端App架構由展示層、業務層、服務層及內核層組成，如圖2所示。其中，展示層主要用于功能展示，含橋隧管理、驗收管理和同步及設置；業務層由橋隧養護作業業務組成，含設備管理、檢查標準、病害錄入、病害覆蓋、維修驗收、保養評定等；服務層由基礎服務及組件和功能模塊組成，其中基礎服務含工具集、網絡訪問、日志樹等，組件和功能含UI組件、錄音等；內核層主要為前3層所用到的基礎庫。事件傳遞及頁面路由貫穿業務層和服務層，事件傳遞主要用于點按、長按等事件的響應及傳遞，頁面路由主要用于頁面之間的跳轉。

圖2 智能終端App架構

2.2 接口程序設計

智能終端App基于鐵路網絡安全平臺，采用微服務技術建立專有接口程序，實現數據在鐵路內部服務網的鐵路局集團公司數據庫服務器與互聯網的智能終端App間的交互。接口程序設計如圖3所示，可向智能終端App同步用戶信息、單位信息、設備信息、標準信息等，根據智能終端App修改的維修信息、保養信息和病害信息更新鐵路局集團公司數據庫，上傳智能終端App錄入的設備檢查信息、維修驗收信息、媒體數據及保養評定信息。智能終端App上傳至各鐵路局集團公司數據庫服務器的數據可在橋隧子系統進行查看及應用，橋隧子系統錄入及處理的相關數據也可同步至智能終端App。

圖3 接口程序設計

2.3 智能終端App功能

智能終端App主要功能包括設備管理、數據管理和驗收管理，如圖4所示。其中，設備管理包括設備檢查、病害觀測；驗收管理包含維修驗收、保養評定、評定記錄；數據管理包括同步數據、上傳數據、設置。

圖4 智能終端App功能

2.3.1 設備管理

（1）設備檢查。采用規范化的橋隧檢查標準進行病害錄入、重復病害關聯、病害發展跟蹤，并強制進行照片上傳，規范了數據來源，為后續橋隧智能養修提供基礎數據。其作用對象為當前登錄用戶所在單位轄下的橋隧設備。智能終端App錄入的數據可在橋隧子系統橋隧管理—經常檢查模塊進行維護。設備檢查病害數據采集標準化如圖5所示，橋隧子系統橋隧管理—經常檢查模塊如圖6所示。

圖5 設備病害數據采集標準化

圖6 橋隧子系統橋隧管理—經常檢查

（2）病害觀測。病害觀測功能主要對橋隧工區、檢查工區、橋隧車間及工務段4級用戶在橋隧子系統標定的病害進行跟蹤觀測，掌握病害發展情況，及時把控橋隧設備狀態。

2.3.2 驗收管理

（1）維修驗收。健全完善橋隧設備評價體系，以修前鑒定、修中控制和修后評估評價機制為導向，持續精準把控橋隧設備質量。維修驗收功能針對橋隧工區、檢查工區、橋隧車間及工務段用戶，實現對當前單位上一個周期到本周期中設備維修計劃作業情況的驗收，并進行設備修后評定工作。智能終端App工區維修驗收模塊界面如圖7所示。

圖7 維修驗收模塊界面

（2）保養評定。保養評定功能主要用于橋隧工區自評，根據保養標準對當前單位管界內設備的檢查數量和缺點數量實現自動扣分和結果自動評定，為后續的大數據分析積累數據，進而為橋隧養修提供智能決策。功能界面如圖8所示。

圖8 保養評定功能界面

（3）評定記錄。評定記錄功能主要用于橋隧車間及工務段對工區自評結果進行復評。

2.3.3 數據管理

（1）同步數據。同步數據功能幫助用戶實現登錄設備后同步臺賬數據、數據標準及業務數據到智能終端App。

（2）上傳數據。上傳數據功能將智能終端App錄入的檢查數據上傳至數據接口，上傳完成的數據可在橋隧子系統頁面進行查看維護。

（3）設置。設置功能包含清理緩存、檢查更新和退出3個子功能。

2.4 業務流程

智能終端App業務流程如圖9所示，其登錄功能包含登錄和離線登錄2個模塊，且可根據不同級別的賬號展示不同的功能模塊及內容。其中，離線登錄用于用戶登錄并同步數據后的二次登錄，且只能使用不需要實時查詢數據的功能。智能終端App業務流程主要由設備檢查、病害觀測、維修驗收和保養評定組成。（1）設備檢查需要在同步設備臺賬和檢查標準數據后，選擇新增病害還是重復病害，并進行數據錄入。（2）病害觀測需要登錄后實時查詢數據庫中的病害并進行重復病害數據錄入。（3）保養評定流程中工區自評（橋隧工區、檢查工區和綜合工區）需要同步設備臺賬和保養標準數據后再進行操作，隨后依次進行車間復評和站段復評。（4）維修驗收流程中需判斷工區性質后進行工區自驗，綜合工區可在自驗后自行復驗，而橋隧工區在自驗后需檢查工區進行復驗，然后依次進行車間復驗、站段復驗，并將信息上傳至數據庫。

圖9 橋隧養護作業智能終端App業務流程

3 關鍵業務及技術

3.1 關鍵業務

3.1.1 貫徹專業修規

智能終端App的設計與實現依托于橋隧子系統，嚴格貫徹國鐵集團規定的 “檢養修”分開的管理新體制，充分落實“檢查和養修”分離的管理理念。針對橋隧工區、檢查工區、車間、站段4級用戶進行功能設計與實現，提高檢查和維修質量。

3.1.2 規范檢查標準

智能終端App引入規范化的檢查標準，并采用設備檢查、維修驗收及保養評定功能對橋隧設備狀態進行評定及檢查，將標準化后的檢查數據、作業數據按照線性資產維度進行整理，為工務安全生產大數據分析和橋隧智能化養修決策提供支撐。

3.1.3 設備秋檢常態化

智能終端App將設備秋檢融入日常檢查，錄入病害數據符合秋檢標準，將同步進入秋檢病害庫和日常檢查病害庫。相對于秋檢及日常檢查病害分項采集重復錄入的方式，提高了工作效率，降低了病害錄入的工作量。

3.1.4 生產流程閉環

智能終端App結合橋隧子系統實現了基于橋隧設備基礎履歷、規范化檢查標準的“檢查—分析—計劃—作業—驗收”安全生產閉環管理。促進橋隧生產作業在循環積累中不斷提高效率、保證責任落實、避免工作漏洞。

3.2 關鍵技術

3.2.1 微服務+云平臺接口技術

智能終端App基于鐵路網絡安全平臺采用微服務技術建立專有接口程序，實現了與橋隧子系統的安全通信，切實保障了數據的及時性、準確性和可靠性。微服務+云平臺接口技術優勢包括：（1）松耦合，有助于分工協作，提高開發效率；（2）可擴展性，適應快速迭代開發；（3）高效運維，實時掌控服務健康狀況。

3.2.2 安全認證與傳輸技術

由于智能終端App用戶所處的網絡環境比較復雜，時常處于無網絡環境及斷線的情況，仍需保障終端用戶對數據的收集及上傳，同時確保數據安全、準確。本文通過證書頒發機構（CA，Certificate Authority）認證的方式保障了數據傳輸的安全性，其作用是證明證書中列出的用戶，合法擁有證書中列出的公開密鑰，且CA的數字簽名使攻擊者不能偽造和篡改證書。

3.2.3 病害智能判識技術

依據規范化的橋隧檢查標準，智能終端App可基于錄入的病害數據智能判識病害類別、病害部位、病害結構等。同時，智能終端App將日常檢查與秋檢相融合，設備檢查模塊依據錄入的病害性質及檢查標準進行智能判識，符合秋檢標準的病害自動錄入秋檢病害庫，符合日常檢查標準的病害自動轉入日常檢查病害庫。

4 結束語

我國高速鐵路營業里程位居世界第一，且占全鐵路線路的比重日益加大[11]，提高橋隧養護的智能化水平對列車在橋隧設備上安全平穩運行有著重要作用。智能終端App通過規范化的橋隧病害檢查標準，提升病害智能判識能力，輔助建立養護閉環管理流程，方便養護單位及時掌控橋隧設備狀態，為制定科學的設備養護維修方式及維修策略提供依據。通過智能終端App的應用實踐，收集了大量的照片及格式化數據，后續將以建立橋隧典型病害及處置專家知識庫為目標，從圖像分析、自然語言處理及大數據分析等技術上持續提升智能終端App的智能化水平。