铁路基础设施综合维修生产管理信息系统构建重点及关键技术

李俊波

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.北京经纬信息技术公司，北京 100081）

0 引言

截至2018年底，我国高铁营业里程达到2.9万km以上[1]。随着我国高速铁路的快速发展，运营管理及养护维修单位不仅要保证列车运行高效、基础设施质量状态稳定，更要保证旅客的舒适和安全。在建设世界一流高速铁路的同时，还要同步建立与之配套的科学基础设施维修管理模式和管理手段。信息化管理工具已经在铁路工务、电务、供电、房建等专业领域开展应用多年，部分应用系统已在国铁推广应用。例如，2006年推广应用的工务管理信息系统（PWMIS1.0），一直作为铁路工务基础设备、专题图管理的重要工具，为中国铁路总公司（简称总公司）、各铁路局集团公司年度线路、桥隧、路基秋检及汇总工作提供技术支撑；2017年推广应用的工务安全生产管理信息系统则在设备检测检查、状态分析、生产组织、病害处理、质量评价等方面形成闭环管理流程[2]，从各专业业务应用系统建设情况看，均具有独特的专业特色和管理模式。至2019年底，已开通高铁将全部实现综合维修生产一体化[3]，在物联网、移动应用飞速发展的今天，建设铁路基础设施综合维修生产管理信息系统，必须全面结合铁路信息化总体规划，加强顶层设计，推动资源整合，以信息化为手段带动专业管理深化，有效推动综合维修一体化改革走向深入。

1 信息化建设现状

日本、德国、法国等都十分重视信息技术在固定设备维修管理方面的运用，经过多年研究，相继开发了适用本国高速及普速铁路固定设备维修管理需要的信息系统。例如，法国的GEV轨道养护计划决策支持系统；德国的SYSTEM DYNAMICS轨道养护及轨道更新计划决策支持信息系统；日本东海道新干线养护管理系统（TOSMA）、东日本公司设备管理系统（EWS）。日本新干线COSMOS系统中与维修作业相互配合的子系统包括养护作业管理、设备管理及环境状态集中监控子系统和电力监控管理子系统。系统功能建设与其管理模式有很大的相关性，国外多数采用了专业化的维修信息系统，功能涵盖基础设备、养护维修、设备监控、决策支持等方面。

早在2008年，北京、武汉、上海、广州相继启动客运专线基础设施综合维修基地工程建设工作，信息系统建设也同步进行，基础设施综合维修基地管理信息系统采取分专业管理工务、电务、供电和综合业务数据，实现高速铁路基础设施维修基地的工务、电务、供电、养路机械设备管理及综合检测、监测、检修、机械化、安全作业管理，扩展了物资、财务、办公、人力资源等信息化管理[4]。2011年维修基地布局调整为以工务施工作业为主的大型养路机械运用检修段[5]，信息系统软件功能也作出了相应调整。期间，西南交通大学余泽西博士曾提出基于RCM（Reliability Centered Maintenance）的铁路基础设施维修管理信息系统设计，从可靠性、经济性、检测性、维修性因素定量评价设备重要程度，确定关键设备和维修重要程度[6]。2010 年起，原上海铁路局在沪宁城际、沪杭高速铁路进行了工务、电务、供电“三位一体”综合维修管理模式的探索和实践[7]，配套的信息系统以铁路基础设施、维修资源信息为基础，基于检测与监测数据、维修历史数据、维修知识库、维修模型库，对设备状态进行维修分析决策，制定合理的维修计划。

2 系统建设目标

综合维修生产管理信息系统是在高速铁路综合维修一体化管理的驱动下，采用物联网、大数据、移动应用、卫星导航、地理信息等现代技术手段，通过建立统一生产平台的方式，实现高铁综合维修统一组织管理、天窗安排、生产计划、作业组织、应急处置、安全防护及联合调度管理。采取对动静态检测数据的量化分析，综合判断设备缺陷，合理制定综合维修生产计划，进一步实现现场作业安全管控、远程调度指挥，科学高效管理生产作业过程。系统构建重点围绕以下5个方面展开：

（1）在铁路信息化总体规划的六大企业级业务应用系统框架下，作为资源管理系统中运力资源子系统的构成之一，坚持“统一规划、统一标准、统一平台”的总体原则。

（2）与既有检测监测信息系统、专业化分析系统、施工调度系统、运输集成平台等建立数据接口，复用既有检测监测设备，共享检测监测数据，实现信息资源高度共享与集成。

（3）利用动态检测、静态检查、设备监测等数据，实现设备专业化分析、预测与评估，研究设备质量状态变化规律，结合维修过程逐步建立基础设施维修知识库。

（4）融合资产管理理念，围绕基础设备、生产力资源，以安全生产过程管理为主线，在统一天窗下编排与平衡生产计划、作业机具、维修方案、安全防护等。实现“检测检查—状态分析—生产计划—现场作业—质量评价”信息的闭环管理。

（5）结合铁路地理信息平台，集成基础设备、超限预警、生产计划、现场作业、安全防护等信息，建立综合维修大数据应用，面向生产调度部门建立联合调度指挥管理模块。

3 系统总体架构

3.1 系统架构

在总公司、铁路局集团公司配置数据库服务器和应用服务器，部署综合维修生产管理信息系统相应功能模块，实现综合维修一体化管理。与生产过程相关的检测监测数据、施工调度信息等采取通过铁路局集团公司数据服务平台统一进行数据接入。系统总体架构见图1。

（1）总公司。总公司配置数据库服务器、应用服务器、存储设备、备份系统及相关网络设备，硬件环境满足应用管理需求，实时汇总各铁路局集团公司综合维修生产系统中的应用数据。

（2）铁路局集团公司。铁路局集团公司配置数据库服务器、应用服务器、存储设备、备份系统及相关网络设备，硬件环境满足工务、电务、供电、房建专业综合维修生产管理应用需求，对铁路局集团公司所管辖的维修信息进行集中管理，通过应用信息系统，实现对维修过程的管理。

（3）综合维修段。综合维修段通过铁路内部服务网络访问部署在铁路局集团公司的综合维修生产管理信息系统基层段功能，实现综合维修段对工务、电务、供电、房建专业设备维修管理。

图1 系统总体架构

（4）综合维修车间、工区以及室外移动作业点。综合维修车间、工区通过铁路内部服务网络访问部署在铁路局集团公司的综合维修生产管理信息系统车间、工区用户功能，实现对设备的维修管理。移动车间、工区作业信息通过移动网络接入总公司移动数据统一传输平台（MTUP）汇聚后再分发至各铁路局集团公司数据库服务器。

3.2 网络架构

综合维修生产管理信息系统网络涉及总公司、铁路局集团公司、综合维修段、综合车间、综合工区5级部门。

目前，铁路已经建成一个由总公司、铁路局集团公司、基层段等3级网络互联构成的铁路综合信息网络，划分为外部服务网、内部服务网和安全生产网。总公司和各铁路局集团公司已经建设了网络安全平台，为网络与信息安全提供保障，内部服务网已经延伸至车间、工区。综合维修生产管理信息系统主要采用铁路内部服务网进行信息交互，移动终端用户应用采取在总公司MTUP平台授权、认证后进行数据接入的方式。系统网络架构见图2。

图2 系统网络架构

4 系统主要功能

综合维护生产管理信息系统主要包括综合展示、设备管理、检测检查、状态分析、生产计划、应急管理、基础数据及系统管理八大功能模块（见图3）。

（1）综合展示。基于系统内的基础设备、超限预警、病害销号、月周日计划编制与审批、天窗计划利用、生产计划完成等汇总信息建立系统综合展示首页面，涵盖用户常用功能导航链接及待处理事项提示信息。结合移动终端应用，以基础设备监测、现场作业安全管控为主建立安全监控模块，结合地理信息数据，集成展示作业点分布、设备状态、现场人员活动轨迹。综合展示界面见图4。

（2）设备管理。设备管理包含工务（轨道、桥涵、隧道、路基）、供电（牵引供电、电力牵引）、电务（通信、信号）、房建等专业设备的电子化管理。工务包括无砟轨道、车站、股道、道岔、钢轨、坡度、曲线、正线道床、正线轨枕、道口设备、立交设备等；供电包括接触网支柱、接触悬挂、补偿装置、分段绝缘器、分相绝缘器、交叉线岔、断路器、隔离开关、负荷开关等设备；通信专业包括通信基站、通信铁塔、中继站；信号专业包括信号机、转辙机、无线闭塞等设备；房建专业包括房产、构筑物等。

图4 综合展示界面

（3）检测检查。检测检查管理主要是接入基础设施检测监测数据，建立检测监测数据实时接入、存储、预警管理模块。以数据标准化接入处理为核心，集中、高效地管理综合检测监测数据。系统提供动态检测计划制定（包括动检车、综合检测车、接触网检测车等）、检测数据加载、检测计划兑现查询功能；提供对线路、桥隧、路基、防护设备、通信及信号设备等进行周期性和日常检查数据管理功能，支持人工录入、数据文件整体导入、移动终端设备等采集方式。

（4）状态分析。利用工务、电务、供电检测检查数据分别对线路区段（包括桥隧、道岔）、通信及信号设备、接触网等基础设施质量状态进行评价，开展工务、电务、供电设备单元量化分析，综合单元分析界面见图5。工务、供电设备动静态检测数据综合分析，电务及供电设备结构化病害超限分析，以道岔为主的工务与电务结合部分析，其分析方式按照工务、电务、供电进行专业化管理，结合评价指标、量化分值对工务、电务、供电设备质量进行专项评价。通过状态分析功能，辅助专业分析人员判识设备质量状态、设备缺陷，筛选出重点病害地段、缺陷设备，为编制维修生产计划提供依据。

图3 系统功能结构

图5 综合单元分析界面

（5）生产计划。结合设备修程修制、状态分析结果，建立分专业的指令性与状态修年计划、月计划编制模块；在周计划层面结合天窗计划、车辆运行计划，由月计划引入进行多专业周生产计划平衡，建立与维修设备及缺陷信息的关联关系；日计划编制时可直接引入周计划内容，也可进行临时计划编制，日计划主要编排人员（维修人员、防护人员等）、机具、物料、风险、安全控制等生产要素，由计划编排信息直接生成作业工单。

系统内包含月、周、日计划的上报、审批、授令、下达和执行处理流程，提供计划综合统计及兑现查询功能，形成以工单为驱动的生产力要素配置、上道安全控制、设备缺陷整治、设备更换信息的联动管理，在统一天窗安排下实现生产计划编制、作业组织、安全防护管理。

（6）应急管理。以铁路局集团公司内资源、社会资源、应急处置流程为主建立应急管理模块，主要包括应急机构、人员、救援队伍、救援车辆、消防设施、周边单位、应急通道等信息，实现应急处置信息的集中统一管理。

（7）基础数据。包括管界配置、作业项目、单元划分、数据标准等系统运行基础数据管理功能。按工务、电务、供电分专业维护，包括各专业设备检查与维修作业项目标准、动态检测及静态检查超限数据标准，涵盖工务线路动态检测、静态检查，电务设备检测，供电1C检测，以及各专业设备结构化病害超限标准、针对具体设备（如路基、桥梁、隧道、通信基站、信号机、接触网等）的监测预警阈值控制标准等。

（8）系统管理。包括界面管理（含系统模块、应用界面）、用户管理（含部门用户、角色成员）、权限管理（权限注册、功能授权、分级授权）、系统监控等功能，通过建立统一的组织架构，面向一、二级系统管理员，对综合维修段、综合车间、综合工区进行界面功能配置、授权及权限分发操作。

5 系统关键技术

5.1 多源异构数据传输与处理技术

大数据浪潮席卷全球各行各业，正在成为引领新一轮科技创新的核心技术引擎[8]。铁路基础设施运营维护过程中时刻都在产生大量的检测、监测等数据，例如，综合检测列车集成了轨道、弓网、动力学、通信、信号等动态检测数据[9]；高铁SCADA系统产生的故障、报警数据；轨道结构、路基沉降变形、复杂结构桥梁、特长隧道等安全监测数据。综合维修生产管理信息系统对不同专业不同设备检测监测数据采取分类管理，通过建立统一的数据接口规范，接入与生产过程紧密相关的设备缺陷、报警信息，基于特定设备的专业化数据分析仍由各专业分析软件进行处理。

综合维修生产管理信息系统采取总公司大数据中心云化数据存储环境，基于数据服务平台架构，采取平台+应用的模式，重点解决应用数据传输、清洗与汇集问题。抽取铁路局集团公司级系统中工务、电务、供电专业的基础设备、生产维修、检测监测等多源异构数据，建立传输手段，在进入数据中心前进行数据清洗与规范化处理，采取有效的数据治理方式确保数据内容的准确、一致、及时，形成数据资产。

5.2 基于MTUP平台的数据接收与处理技术

由于移动终端用户所处的网络环境比较复杂，4G（或3G）无线传输网络的不稳定性造成用户断线时常发生。为保证对生产一线用户利用移动终端进行数据实时收集和传输处理，综合维修生产管理信息系统以总公司信息中心建立的MTUP平台为基础，在标准数据传输协议的基础上封装数据断点续传、双向认证、校验处理、多级分发处理功能。在既有传输量限制的前提下，建立多数据包拆解、接收、认证及分发处理技术，用以保证现场照片等大文件传输的时效性和准确性，同时采用可配置用户线程方式，最大程度上节省网络资源，提高传输速度。MTUP传输处理结构见图6。

5.3 多专业综合图自动绘制技术

利用综合维修生产管理信息系统中基础设备、检测检查、生产计划、单元评价等数据，在统一的线路里程标尺下，在一张图中实现设备与生产信息的动态绘制（见图7）。包括工务（车站、桥梁、隧道、涵渠、坡度、曲线、钢轨、轨枕、道床等）、电务（通信基站、中继站）、供电（变电所、接触网分相）等基础设备信息，以及动态检测TQI与超限信息、车载式线路检查仪大值超限信息、供电1C超限信息、设备单元量化评价与生产维修作业信息，综合反映线路基础设备状况、设备质量状况、施工维修作业情况。

图6 MTUP传输处理结构

图7 设备状态综合图

6 结束语

综合维修生产管理信息系统的建立，是以工务、电务、供电、房建等基础设施资源为基础，建立周期性动态检测、现场检查观测和固定设备在线监测数据集中汇聚存储、智能化分析及综合维修生产过程管理模块，系统通过建立统一的组织结构，实现天窗作业编排、现场应急处置和作业安全防护，是高速铁路集约利用维修资源、统筹协调作业组织的重要支撑手段，且对普速铁路综合维修段信息化管理具有良好的借鉴意义。截至2018年底，已在全路各铁路局集团公司完成系统的集中部署和1期软件实施工作，初见成效。后续将持续深化与相关专业信息系统的资源整合与共享，不断完善优化系统功能，为高速铁路综合维修一体化管理提供技术保障。