高速铁路施工调度组织过程管理系统研究

冯小芳

（铁道部信息技术中心 信息工程部，北京 100038）

铁路施工调度组织是铁路运输组织的重要组成部分，随着列车速度、密度的不断提高，行车组织和施工调度组织的科学性、时效性需要不断提高，对高速铁路施工调度组织过程实现信息化、专业化、远程化的需求变得越来越迫切。《 铁路营业线施工安全管理办法 》( 铁运 [ 2012 ]280 号) 对加强施工组织和施工现场管理等方面提出新的要求，对施工及综合维修组织实施现场需要实现更加准确、直观、实时的盯控，利用先进的技术实现施工调度组织过程管理，研究其安全支撑技术，以提高施工作业效率和运输组织管理安全，具有重要的现实意义。

1 系统概述及目标

高速铁路施工调度组织过程管理(简称高铁施工作业管理) 系统主要包括编制施工维修计划、掌握施工调度组织的设备情况和组织实施施工调度组织作业等部分。为此，主要研究高铁施工作业管理系统的施工登销记管理、施工作业现场管理和全程定位监控管理。

施工登销记管理，即在施工维修作业开始前确认施工维修作业计划是否已经完成登记、准备就绪、具备作业开始条件，当确认后，列车调度根据列车运行状态、牵引供电状态、设备工作状态，下达施工维修作业开始与结束命令，将发令结果登记在综合维修登记簿上。

施工作业现场管理，即对作业过程进行监督和管理，对要求停电的施工维修作业，请求供电调度员进行停电控制，对作业现场情况进行监控，对作业进度和其他的异常情况进行预警提醒。

全程定位监控管理，即对施工作业组织进行全程定位监控，主要利用先进的定位技术在铁路地理信息线路网络中实时显示施工维修作业计划、作业分布和主要设备的配备情况，同时显示施工维修作业组织过程中作业人员和现场盯控人员的地理位置分布情况，并且通过施工终端控制平台对高速铁路施工调度组织的全过程进行监督管理。

高铁施工作业管理系统的主要目标为：实现施工登销记管理的电子化、远程化；实现施工登销记过程中各个环节的流程化及安全卡控；实现综合维修组织管理及施工作业现场管理的一体化、信息化；实现定位管理以达到科学的监控和及时的反馈，便于解决施工现场的突发情况；为更好地进行施工现场盯控提供科学、直观、安全、及时的手段；为督促施工计划的兑现和实现施工现场登记提供技术支撑。

2 总体结构及工作流程

高铁施工作业管理系统主要应用于涉及施工登销记管理和施工作业现场管理的各级单位。其中，施工登销记管理涉及的主要单位有：行车调度台、综合维修调度台、供电调度台、各专业维修中心、各施工设备管理单位、施工单位及配合单位；施工登销记管理是在铁路内部网络上，完成计划调整、施工请点登记、施工作业确认、施工承认登记、施工销点登记、施工开通确认等工作。施工作业现场管理涉及的主要人员和单位有：施工盯控的人员(施工领导小组正、副组长，行车组织，设备管理，建设，设计，施工，监理，安监等)、施工单位及配合单位等。施工作业现场管理所涉及的场所分布于铁路沿线，位置分散，可以利用手持设备和无线通信技术共同实现。无线通信网络及其传输的数据通过铁路安全平台接入铁路内部网络，保障运输生产数据的安全可靠。全程定位监控管理运行于施工终端控制平台上，施工终端控制平台是运行于铁路内部网上的用户操作平台，用于对施工作业组织实施进行全程定位监控。高铁施工作业管理系统总体结构如图1 所示。

高铁施工作业管理系统在传统的施工作业管理流程的基础上，融入了施工作业现场管理，使施工的登销记与现场组织实施形成一个闭环，透明可控。按照工作场景不同，其具体工作流程如下。

（1）准备期：施工(维修) 调度员对即将执行的计划进行增加、取消、修改等调整；施工单位及配合单位的现场作业人员授权分配手持设备。施工调度员提前将相关施工作业计划发送到相关的手持设备，手持设备提示持有者“有作业待执行”。

（2）实施期：施工单位、配合单位的现场作业人员通过手持终端向施工终端控制平台发送人员到现场确认、施工请点登记、施工作业请点时间等信息；运输调度指挥人员确认施工作业状态信息，发送施工作业开始命令、停电命令等，同时推送给作业现场的手持终端；施工单位及配合单位的现场作业人员通过手持终端接收作业命令并回执作业开始确认、作业现场的声像资料和临时状态信息；施工盯控人员通过手持终端接收临时调度命令、反馈现场的施工作业组织情况；手持终端提醒现场作业人员施工作业进度及预警信息。

（3）结束期：施工单位及配合单位人员通过手持终端或PC机进行施工销点登记、请求销点时间及作业结束确认信息至调度台；施工盯控人员通过手持设备发送人员已经离场的确认信息至调度台；调度台发送施工开通令，涉及停电的，发送送电命令。施工作业结束，正式开通，高铁施工作业管理流程结束。

图1 高铁施工作业管理系统总体结构

3 核心模块及其支撑技术

3.1 施工登销记管理

施工登销记主要包括施工请点登记、命令登记、确认登记、销点登记、开通登记 5个阶段。

施工登销记管理的施工(配合) 单位操作终端可以使用 PC 机在办公网络上进行集中登记，也可以使用手持设备在施工作业所在地进行远程登记。集中登记时采用 B/S 模式，中心服务器和数据库部署在铁路局，而操作网页可以在任意有铁路内部网络的地方进行。登记的信息通过消息机制通知调度台( 相关的行车调度台和供电调度台)，调度台的终控端收到消息后，自动刷新调度台的登记界面，实时更新调度台上所监控登记计划的状态。

为提高系统的运行效率和安全性，调度台终控端采用 EJB3.0 架构，分为数据库、EJB 服务器和客户端 3 层。业务逻辑和数据的处理都交由 EJB 服务器处理，客户端只处理用户交互和消息刷新。系统的交互性和时效性能够得到很好的解决。

施工登销记管理的安全卡控至关重要。该系统采用单位用户、验证码、密码、电子签名等组合验证方法，并在操作过程中采用视频监控，记录操作员的影像资料。施工登销记的各个阶段采取状态控制，主要通过施工登销记规定的相关流程进行卡控，只有前阶段执行完毕才能进行下一阶段的工作。针对施工内容的相关信息进行卡控，如涉及供电登记请求必须通过供电调度的确认后才能进行下一阶段的作业。

3.2 铁路安全平台

该系统涉及铁路内部网络的关键功能，也涉及在施工现场利用手持终端进行数据采集、传输和状态反馈等功能。无线网络与铁路内部网络的对接和数据的安全问题对于铁路运输生产是重中之重，必须处理好，利用铁路安全平台可以解决无线通信网络与铁路内部网络的安全对接问题。

安全平台主要由内外网数据传输转换统一软件系统(Message Queue Transport United Program，MTUP) 服务器及特定的数据协议组成。MTUP 与内网用户的接口定义在铁路内部网络各应用服务器上的消息队列(Message Queue，MQ) 处，即 MTUP负责接收来自铁路安全平台的数据并放入专门的应用程序队列中。反之，应用程序队列将要通过MTUP 发送的数据放入专门的队列中，由 MTUP 接收和转发至无线通信网络模块。通过 MQ 和 MTUP服务器实现拆合数据包的过程为：①数据拆包过程( 安全平台外)：接收外部无线通信网络传输来的数据，按照协议拆解数据包；②制定应用程序接口( Application Program Interface，API)协议及 MTUP整合数据包策略；③数据整合过程(安全平台内)：由 API 协议部分加上业务数据固定区域一起按照既定的组包策略组装成一个 MTUP 数据包；④测试数据协议可靠性，通过拆包、组包过程的测试，评估数据协议及数据传输的可靠性。安全平台实现策略示意图如图2 所示。

3.3 作业现场手持终端及无线通信技术选择

施工现场作业和盯控人员都配备手持终端，考虑现场作业的实际情况，手持终端需要具备防水、防震、防摔等性能，同时要求操作便捷、电池耐用。为此，需要定制一款合适的机型。手持终端首先应当具备下载功能，能够下载需要监督完成的作业任务信息，对手持终端根据需求进行二次开发，通过手持终端可以浏览施工计划的执行情况，提交模块化的登记、状态、图片信息等，手持终端还应当具有授权和身份认证的功能，方便定位管理，同时能够快捷地拍照、对讲，以便工作中的沟通与交流。

通过对多个无线通信技术进行比较，并且在京沪高速铁路行驶列车中测试手机通信、无线上网等功能后，总结出基于码分多址(Code-Division Multiple Access，CDMA) 技术的某无线通信技术整体性能较好，京沪高速铁路沿线的测试数据如图3所示。

从图3 中可以看出，该无线通信技术的信号覆盖率为 94.48%，语音接通率为 95.44%，平均文件上传速率(含 Drop) 为 285.95 kbps，平均文件下载速率(含 Drop) 为 620.54 kbps，是目前实现现场手持终端通信的最佳选择。

图2 安全平台实现策略示意图

图3 京沪高速铁路沿线的测试数据

3.4 全程定位监控管理

全程定位监控管理包括高速铁路施工调度组织的定位展示和监控管理 2个部分。

定位展示主要完成施工作业位置分布及现场作业人员定位显示、作业组织过程及作业组织实施过程状态监控和系统记录等。可以将预计实施的施工作业计划分布展示在基于地理信息系统(Geographic Information System，GIS) 铁路线路网络图形上，通过图形化界面完整展示所有作业单元的当前位置，通过不同的图形特征显示各种类型作业单元的活动范围，对违反作业活动区域的施工单元给予调度人员警告和提示。GPSone 是美国高通公司推出的是一种基于 CDMA 的全球定位技术，利用 GPS 卫星和基站等进行综合定位，是目前手机平台最领先的定位技术。无线二进制运行环境(Binary Runtime Environment for Wireless，BREW) 是一种专门为无线设备设计的应用程序执行环境。定位展示选用GPSone + BREW 技术，将 CDMA 和 BREW 结合进行终端定位管理，手持设备持有者的具体定位信息也同时显示在现有的基于 GIS 的铁路线路网络图形上。

监控管理包括进度管理、预警提示及综合信息展示等。施工作业进度管理主要通过图形化界面完整展示所有工单作业进度，对关键施工步骤、关键施工单元给予音频提示。预警提示主要针对工单要求时间与施工单元实际作业不符、人员位置状态不合理、现场设备紧张等情况给予专门的预警提示。综合信息展示主要指通过在完整的施工流程中采集和嵌入图片、音频等信息，并且将其按照施工作业计划号进行分条汇总的功能。通过详细列表功能完成对整个作业组织实施过程的记载(包括所有施工状态、过程照片、预警信息、通信沟通过程)，整个过程可回溯，并且通过图片上传、采集不可量化的现场信息，对整个施工作业过程形成闭环管理。同时，按照日、周、月、季度、年度生成数据报表，以反映一定时间范围内的施工作业过程管理信息，便于更加科学地安排施工作业。

全程监控定位管理的所有信息展示在施工终端控制平台上，施工终端控制平台的用户界面如图4所示。

图4 施工终端控制平台用户界面

4 结束语

高铁施工作业管理系统利用无线网络、手持终端，结合铁路内部网络，构建了一个从计划、施工登销记到施工作业现场管理的施工调度作业全过程闭环管理信息平台。通过施工登销记管理、施工作业现场管理、全程定位监控管理等一系列的过程，既能够保证高速铁路的施工维修安全性，又能够提高高速铁路的天窗兑现率、施工维修计划给点兑现率和设备应用效率，同时还为应急铁路调度指挥提供了技术支撑。该系统利用基于 GIS 的铁路线路网络图进行定位管理，实时准确地显示施工计划位置，为调度指挥提供依据；通过明确提醒施工作业进度，严格监控施工作业活动范围和作业过程，避免调度人员反复询问、核实情况，节省精力和时间，提高工作效率，减少施工事故。