重載鐵路供電智能運維移動應用的設計與實現

張壽康，姜尚炎，陶 凱，白亞偉

（1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司，北京 100080；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081；3.成都唐源電氣股份有限公司，成都 610045）

重載鐵路運輸因其運能大、效率高、成本低等優點，在鐵路運輸中占有重要地位，對推動國民經濟發展發揮了重要作用[1]。數字化、智能化、可持續化已成為全球鐵路未來發展的重要方向，許多國家都在積極推動大數據、人工智能、移動互聯等新技術與鐵路業務的深度融合[2-3]。

智慧重載鐵路系統包括智能運營、智能裝備運用、基礎設施智能運營維護（簡稱：運維）和智能管理等4個方面[1]。供電設備智能運維可實現供電設備的全面智能監控、智能運維和全生命周期管理[4]，是基礎設施智能運維的重要組成部分。

當前，我國重載鐵路各供電工隊在維修作業的生產組織和生產作業過程中，常用的信息系統均需要在PC端進行操作，操作終端類型單一[5]。由于供電工隊大部分作業在施工現場，現場維修人員通常用紙筆在現場記錄作業情況，待維修結束后，再使用信息系統進行現場作業情況的轉錄[6]；同時，在供電設備維修過程中，對人身安全和設備安全的要求越來越高，對安全作業的管理越來越規范，傳統的管理手段難以在安全管理方面做到百無一漏。因此，我國重載鐵路亟需實現供電設施智能化運維，利用移動應用技術提升智能化管理水平。

本文基于智慧重載鐵路體系框架，進行了重載鐵路供電智能運維移動應用的設計，實現維修作業流程標準化管理，提高數據采集效率，確保采集數據的真實性和準確性[7]，同時，對現場作業流程的各環節進行安全卡控，提高供電維修作業的安全系數。

1 移動應用設計

1.1 總體架構

重載鐵路供電智能運維移動應用的架構包括中央認證服務（CAS，Central Authentication Service）統一認證、企業應用層、隔離區（DMZ，Demilitarized Zone）、移動應用層、移動服務層及終端用戶層[8]，如圖1所示。

圖1 重載鐵路供電智能運維移動應用總體架構

（1）CAS統一認證：處于鐵路綜合信息網（簡稱：內網）的移動應用和移動應用層均使用CAS統一認證進行身份認證，移動應用請求的業務系統數據接口需要先驗證請求的數據中是否包含用戶憑證，以及用戶憑證是否有效，驗證成功后方可授權訪問該數據接口。

（2）企業應用層：制定內網應用系統與供電智能運維移動應用統一的標準數據接口，如安全生產管理系統的數據接口，必須遵循標準數據接口進行開發，以實現與供電智能運維移動應用間的數據交互。

（3）DMZ：處于互聯網的移動終端直接與內網應用系統進行數據交互，必須在DMZ部署生產計劃接口轉發、設備接口轉發和統一用戶接口轉發的反向代理接口。移動終端采集的數據先經過DMZ的反向代理接口，再經過安全隔離網閘與內網應用系統進行數據交互，以保障數據交互的安全性。

（4）移動應用層：移動應用層由安全保障、業務功能和統一API（Application Programming Interface）等組件構成，支撐移動終端與企業內網應用系統間數據請求與訪問的業務邏輯、數據解析與UI（User Interface）展示。該層提供UI開發規范、數據安全請求標準、文件上傳存儲、常用開發工具等。

（5）移動服務層：提供企業互聯網配置的各種安全措施，包括防火墻、防病毒網關、安全隔離網閘及移動運營商提供的4G/5G網絡或Wi-Fi[9]。內網終端設備與互聯網終端設備通信時，必須通過安全隔離網閘、防火墻及防病毒等安全設備的隔離和防護，消除連接互聯網帶來的安全風險和隱患。

（6）終端用戶層：為移動終端用戶提供功能展示和操作服務，用戶可通過移動終端完成移動應用提供的各項在線業務。

1.2 網絡架構

重載鐵路供電智能運維移動應用既需要與互聯網連接，又需要與在內網中運行的其他應用系統連接。因此，該移動應用需要通過安全防護設備，進行數據傳輸的安全防護隔離后，再與互聯網進行連接[8]。其網絡架構如圖2所示。

圖2 重載鐵路供電智能運維移動應用網絡架構

后臺服務及應用系統部署在內網區域的應用服務器上，后方辦公用戶和終端用戶通過內網訪問應用系統；移動終端用戶通過互聯網，經過防火墻與處于DMZ的業務代理服務器進行數據交互，業務代理服務器通過安全隔離網閘與應用服務器后臺服務進行數據交互；利用安全隔離網閘的數據文件無協議“擺渡”功能，實現互聯網與內網物理上的隔離，基于DMZ的業務代理服務器只保存少量特定企業數據的特性，保障內網和數據的安全。

1.3 系統功能

重載鐵路供電智能運維移動應用的功能包括由作業指揮、作業過程控制、臺賬填寫和資料查詢。現場作業人員通過移動終端，實現對現場作業點的實時監控、作業全過程跟蹤、作業關鍵環節控制、維修臺賬填寫、各類作業資料快捷查詢等功能。其功能架構如圖3所示。

圖3 重載鐵路供電智能運維移動應用功能架構

1.3.1 作業指揮

作業指揮包括組員即時通信、應急值守搶修、音視頻通信和人員定位信息等功能。

1.3.1.1 組員即時通信

主要實現駐站組、地線組、作業組與工作領導人之間的通信。駐站組在天窗命令、要令及銷令后，將相關單據拍照發送給工作領導人，工作領導人接收后向組員發布下一步作業指令；地線組與工作領導人主要進行的通信有：作業前工具材料清點、抵達掛接地線位置、接收掛接地線指令、地線掛接完畢、接收拆除地線指令、地線拆除完畢、作業后工具材料清點、撤離線路完成等；作業組與工作領導人間的主要通信有：到達作業地點確認、作業前工具材料清點、接收進入封鎖區指令、接收開始作業指令、接收停止作業指令、作業后工具材料清點、撤離線路完成等。

1.3.1.2 應急值守搶修

應急值班員每日上報本值守點當日人員信息，當發生搶修任務時，供電調度發布搶修命令到相應值守點，應急搶修人員可在移動應用中查看搶修任務信息、搶修路徑、作業門分布、搶修工具材料清單、參與人員等信息，到達現場后可與供電調度進行音視頻通話，反饋現場情況、接收作業指令。應急值守搶修功能的應急指揮處理界面如圖4所示。

圖4 應急值守搶修功能的應急指揮處理界面示意

1.3.1.3 音視頻通信

音視頻通信功能支持點對點通信和群組通信。其中，群組通信可把相關作業人員組建成一個群組，實時發布和接收作業指令，群組內的文字、圖片、音視頻保留歷史數據備查。

1.3.1.4 人員定位信息

供電工隊人員登錄移動應用后，將位置信息實時發送至后臺，工作領導人及搶修指揮人員可在后臺查看作業組成員的實時位置信息。

1.3.2 作業過程控制

工作領導人、地線組、作業組、駐站組使用移動終端，分別對線路封鎖和解封時間、地線掛接和拆除時間、作業前后材料清點完成情況、駐站登記及天窗時間依照各作業環節順序進行填報，數據在小組間實時共享，卡控各作業環節順序，進行標準化作業，保障作業現場各作業環節安全有序。作業環節卡控流程如圖5所示。

圖5 作業環節卡控流程

工作領導人通過流程把控駐站組、地線組及作業組的各個作業環節。上個作業環節結束后，工作領導人發布指令給下個作業環節的負責人，令其開始作業，保障整個作業過程的安全有序。同時，記錄每個作業環節的起止時間，以便通過時間順序追溯當天的作業情況。工作領導人作業流程節點及主界面設計如圖6所示。

圖6 工作領導人流程節點及界面設計

1.3.3 臺賬填寫

主要實現全面檢修臺賬、關鍵設備檢修臺賬和作業完成統計表等各類作業臺賬的即時填寫，并提供基礎的數據校驗功能，保障臺賬數據的有效性和準確性。

（1）全面檢修臺賬錄入功能可自動加載當前檢修范圍的支柱號，逐個支柱填寫檢修臺賬內容，也可錄入檢修過程中發現的缺陷信息。填寫界面如圖7（a）所示。

圖7 臺賬填寫界面設計

（2）關鍵設備檢修臺賬可選擇當前檢修范圍內的關鍵設備，填寫其對應的關鍵設備臺賬。關鍵設備臺賬內容默認顯示上一次填寫的臺賬參數，本次任務需要填寫的參數以藍色顯示。填寫界面如圖7（b）所示。

（3）作業完成統計表主要填報檢修作業完成數量和檢修條公里數，并確認作業流程環節中填寫的行調時間、電調時間及作業起止時間。

1.3.4 資料查詢

實現作業人員在移動終端上對作業工作票、分工單、供電示意圖、設備資料庫等資料的查閱，現場作業需要圖紙資料時可及時下載查閱，給予作業人員必要的資料支持。

2 關鍵技術

重載鐵路供電智能運維移動應用基于Android移動終端，融合運用安全隔離網閘、音視頻通信、移動終端定位及移動應用開發等技術，實現重載鐵路供電生產作業的運維智能化。

2.1 安全隔離網閘技術

安全隔離網閘主要使用在不同網絡之間，在進行物理安全隔離的基礎上提供可靠的數據通信。利用其隔離交換單元在內網和互聯網間不同時建立連接的特性，阻斷其移動應用層與內網應用系統的直接物理連接，確保了內網的安全，為移動應用與內網應用系統之間進行數據交互提供了安全保障。

2.2 音視頻通信技術

供電工隊作業人員使用重載鐵路供電智能運維移動應用的移動終端進行維修作業和搶修作業時，作業組成員之間及與調度指揮人員之間，需要進行實時的語音及視頻溝通。由于現場作業存在夜晚、山區、荒野等復雜環境，本文主要使用多媒體通信協議RTSP、圖像和視頻編碼技術H.264，以及音視頻增強技術等，基于移動運營商的4G/5G網絡，實現清晰可靠的移動應用音視頻通信功能，提高維修和搶修作業的安全性和工作效率。

2.3 移動終端定位技術

由于供電工隊作業人員的維修和搶修作業均在戶外進行，本移動應用主要使用全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位技術+基站定位技術互補和協同的方式獲取位置信息，將移動終端使用人員的位置信息發送到后臺服務器，并共享給作業成員和調度指揮人員，實現對現場作業人員位置的實時監控。

2.4 移動應用開發技術

本文基于Android移動應用平臺，采用HTML5+Java前后端開發語言，使用Eclipse集成開發環境和MySQL關系型數據庫[10-11]，開發重載鐵路供電智能運維移動應用，實現作業指揮、作業過程控制、臺賬填寫、資料查詢等移動應用功能。

3 運用效果

重載鐵路供電智能運維移動應用于2022年9月完成研發，隨后在朔黃（朔州—黃燁）重載鐵路進行試運用，運用效果良好，其功能滿足設計要求和用戶期望，安全性達到了國家能源集團信息化安全管理要求。依托重載鐵路供電智能運維移動應用，朔黃重載鐵路供電基礎設施運維實現了維修作業的智能化和維修流程的標準化。

3.1 建立維修作業標準流程

建立統一的維修作業流程，規范各供電工隊維修作業過程中的請點銷點、線路封鎖解封、掛接拆除地線、作業前后材料清點等流程環節，實現朔黃重載鐵路全流程的供電維修作業標準管理。

3.2 完善作業環節安全卡控措施

根據標準化的供電維修作業流程，工作領導人作為流程各環節的管控者和主要推動者，接收地線組、作業組、駐站組各環節的完成信息，確認無誤后向下一環節負責人發布作業指令，確保作業流程的有序執行，避免流程混亂導致安全事件的發生。完善了供電維修作業流程環節的安全卡控手段和措施，提高了維修作業的安全系數。

3.3 實現作業遠程指揮

工作領導人掌握對各作業小組事項的進展及定位信息，通過即時音視頻通信指揮現場作業。應急指揮人員掌握搶修人員位置、搶修工具材料攜帶情況等，通過音視頻通信了解搶修現場進展情況，并作出判斷，指揮現場搶修作業。提高了現場作業效率，實現朔黃重載鐵路可視化供電維修作業管理。

3.4 實現作業臺賬實時填寫

維修作業人員可利用作業過程間隙、作業結束后、乘坐軌道車等碎片化時間，及時填寫作業臺賬，提高維修作業數據的采集時效；對檢修臺賬填寫設計了數據校驗功能，提高臺賬數據的合理性。

4 結束語

本文設計并實現了重載鐵路供電智能運維移動應用，解決了重載鐵路各供電工隊在維修作業過程中數據重復記錄與錄入、現場作業流程不標準、安全管理手段比較落后等問題，實現了維修作業流程的標準化管理，提高了數據采集效率，掌握了維修作業人員的實時位置，并實現了對現場作業關鍵安全環節的卡控，增強了維修作業的安全管理。在朔黃重載鐵路的運用效果表明，該移動應用有效保障了朔黃重載鐵路供電設備運行的安全和穩定。