营业线施工作业监控系统设计及应用

邓桂星，张 锐，王 瑜，李世春，王俊清

（中国铁路兰州局集团有限公司 信息技术所， 兰州 730000）

随着中国铁路的迅猛发展，铁路线路施工量也在快速增加。营业线施工作业是铁路线路施工的重要组成部分。进行该施工作业必须把行车安全放在首位，施工作业的安全与否直接影响着铁路运输组织的正常开展。营业线施工作业具有结合部多，综合性强，现场管控难度大等特点，是各种业务交集的突出体现[1]。当前施工作业安全管理存在着诸多问题：（1）施工参与人员多，资质卡控难；（2）管理流程长、涉及专业广，标准化流程执行不到位；（3）各信息系统之间没有规范的接口，信息共享难度大；（4）施工现场条件复杂，难以掌控实际情况；（5）盯控干部履职不到位的情况时有发生，缺少监管手段。营业线施工作业监控系统（简称：监控系统）是为解决上述问题而设计研发的。

1 设计原则及目标

1.1 设计原则

监控系统的设计原则主要包括以下几个方面：

（1）突出先进性，敢于应用当前先进的信息科技手段；（2）体现实用性，切实解决现场存在的问题；（3）考虑经济性，在满足系统功能和性能的前提下，尽量减少建设成本；

（4）遵循开放性，为其他系统提供标准的数据接口；

（5）确保安全性，做好安全保障措施，确保系统运行稳定，不影响现场作业和行车组织。

1.2 设计目标

监控系统的设计目标是为了提高施工安全管控水平、强化施工作业安全监控、规范施工作业流程管理、明确施工关键环节、加强施工作业人员和行为盯控、减轻现场劳动强度。该系统集生产、管理和监控于一体[2]，全面提升铁路施工作业质量，提高作业安全性。

2 系统概述

2.1 总体架构

系统的总体架构是能否实现业务需求、便于现场操作、节约建设资金和保障系统安全的关键所在。

监控系统采用“集中部署、分散应用”的部署方式。数据库服务器[3]、文件服务器、图形处理器（GPU）、Web服务器和接口服务器集中部署在兰州局集团有限公司（简称：兰州局）数据中心。兰州局各业务处室及各站段用户通过内部服务网的电脑终端接入监控系统；手持机和铁路施工管控虚拟门等移动终端通过互联网传输数据，如图1所示。

图 1 监控系统总体架构图

系统数据库服务器采用Oracle数据库存储结构化数据，包括作业人员、施工维修计划、会议、参会人员和小型工机具等数据；文件服务器主要存储图片和会议资料，通过Nginx[4]提供服务，与应用进行无缝衔接；GPU服务器一主一备，负责进行人脸识别算法的集中化处理；Web服务器采用WebLogic控制台为内网应用提供Http服务；接口服务器为独立的应用程序接口（API）服务器，以中间库方式与互联网应用进行加密数据的信息交互。

2.2 系统功能

监控系统的功能主要包括施工监控平台、人员资质管理、会议电子化、出入网管理、干部盯控和图表自动绘制。

2.2.1 施工监控平台

采用数字驱动文档（D3）矢量图形技术[5]和地理信息数据，建立施工作业监控平台，如图2所示，实现施工作业流程控制。监控人员可实时掌握正在进行的各项施工状况和相关信息。做到了入网前教育、施工预备会、施工总结会、人员资质、盯控干部、施工登销记、调度命令转交、现场防护和放行前签认等信息一目了然。使得监控目标更具体，监控手段更多样，监控效果更突出。

图2 施工作业监控平台监控图

2.2.2 人员资质管理模块

通过建立施工作业人员资质和面部特征库，实现人员资质的电子化管理。该模块能够对施工协调小组组长、施工（维修）负责人、配合负责人、驻站联络员、现场防护员、盯控干部等人员信息进行动态管理，满足了业务处室、相关站段、车站（工区）人员资质管理要求，实现了集团公司施工作业人员身份识别、职级管理、培训资格和有效期管理电子化。

2.2.3 会议电子化管理模块

采用移动APP和人脸识别技术实现施工“三会”，即预备会、班前会和总结会的电子化管理。使用移动APP对参会人员的面部特征、作业地点和作业时间等信息进行采集；再运用AI人脸识别技术与人员资质管理库中的面部特征进行比对，完成身份识别和资质卡控，确保了让“正确的人，在正确的时间，干正确的事”[6]。同时，实现了会议资料的电子化管理，满足了相关单位对会议资料的共享需求。

2.2.4 出入网管理模块

自主研发铁路施工管控虚拟门，采用AI人脸识别技术实现了出入网职工的电子化管理；应用RFID技术实现了出入网劳务人员和小型机具的电子化管理。作业开始时，虚拟门对入网人员和小型机具进行电子登记；作业结束时，再次使用虚拟门对出网人员和小型机具进行电子销记，确保人员和小型机具撤离至安全地点后，驻站联络员再进行作业销记[7]。

2.2.5 干部盯控管理模块

采用移动APP技术，实现了对现场盯控干部“两定位、N关键、多问题”的标准化流程管控。盯控干部必须全程跟班检查施工过程，通过到达现场定位、关键环节影像资料上传和撤离现场定位等功能，如图3所示，约束了盯控干部的履职行为，杜绝了盯控干部迟到早退、中途离场、履职尽责不到位等现象的发生，使施工作业安全控制得到有效提升。

图3 系统中上传的干部盯控关键影像资料

2.2.6 图表自动绘制模块

在施工期间，需由站段每日上报施工日计划图、盯控图和限速图信息。各单位相关业务处室指定专人，利用Visio或Excel等工具进行绘制，每天的绘图工作需花费2～3 h。

该系统的图标自动绘制模块，应用D3矢量图形技术，实现施工各类图表电子化绘制。相关业务处室应用该功能模块在15 min之内即可完成施工日计划图、盯控图和限速图的绘制和打印工作，其中施工日计划图如图4所示，并且数据准确无误，显著减轻了劳动强度、提高了工作效率，使现场工作人员能将更多的精力放到生产中。每天为相关部门及单位共节省300 h工作量。

图4 系统自动绘制的施工日计划图

3 关键技术

3.1 人脸识别技术

人脸识别技术采用百度公司人工智能接口，将接口程序私有化，部署到集团公司数据中心GPU服务器上，实现了人脸识别算法的集中化处理。目前，集团公司施工维修的“三会”电子化签到日均为2 000人次，单次识别可在150 ms内完成。

3.2 D3矢量图形技术

用于操作和管理基于数据驱动的文档的JavaScript 函数库，利用可缩放矢量图形（SVG）和层叠样式表（CSS） 技术把数据直观地展示在网页上。系统的监控图、计划图、盯控图和限速图均采用D3进行铺画，代码简便、响应迅速、支持主流浏览器。

3.3 前后端分离开发模式

系统的开发遵循前后端分离原则，前端开发以JavaScript[8]为主，综合应用H5、Ajax、JQuery和D3矢量图形等技术，后端服务的开发采用基于J2EE框架的MVC模式进行开发，前后端通过JSON为主的RESTful架构风格进行交互通信。同时，采用团队开发模式，将任务逐层分解到研发人员，项目前后端开发和集成测试由专人完成，提高了开发效率，缩短了开发周期。

4 结束语

营业线施工作业监控系统于2018年2月在兰州局投产应用。该系统解决了临时变更施工负责人及防护员导致的关键岗位人员无法卡控，施工关键环节监控不到位，现场作业人员和小型工机具未全部撤离就盲目销记，施工会议内容和资料无法共享和施工现场影像资料无法获取等问题，为营业线施工安全管理提供了强有力的技术保障。随着系统运用的不断深入，施工作业人员执行施工标准流程的行为意识逐渐增强，施工作业质量得到显著提升。自系统投产应用以来，兰州局尚未发生因施工而导致的行车安全事故。

系统下一步计划引入大数据分析预警功能，分析当前施工作业存在的突出问题并对施工作业将要面临的关键安全隐患进行预警。