基于时空网格的铁路检查与 维修计划可视化建模研究

李 擎，刘 岭，彭其渊，白 磊

（1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031；2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 信号研究设计院，北京 100073；3.北京九州铁物轨道科技服务有限公司 信息中心，北京 100070)

0 引言

铁路基础设施是一种典型的线性资产，在空间分布上具有线性、连续、带状布局等特征，其检查、维修活动具有以下特点：①检查、维修活动在水平方向上具有连续性，如轨检车检查作业、线路捣固作业在空间上是连续进展的；②检查、维修活动一般从线路区段的一端延伸到另外一端，如线路捣固作业消耗时间的同时在里程位置上也不断地向前进展；③检查、维修活动主要由具有重复特征的活动组成，如线路捣固作业一般是在多个区段内连续、重复进行；④检查、维修活动易受时间因素、空间因素的影响，如在小半径曲线、瞭望条件不良等地段需要降低线路捣固作业的活动速率。

针对铁路运输生产数据可视化，国内外专家学者多研究铁路客流数据可视化模型[1-2]、设备状态数据可视化模型[3-4]。铁路现场常用甘特图、网络计划图可视化展现铁路基础设施检查、维修计划。由于铁路检查、维修活动的上述特点，应用上述方法时存在着诸多不足[5-7]，只能体现铁路基础设施检查、维修活动的时间信息，难以表达出检查、维修活动的空间位置等信息；无法展现出不同检查、维修活动在空间维度上的各种约束。因此，甘特图和网络计划图很难直观展现出检查计划存在漏检、维修计划存在时空冲突的状况。如何充分可视化展现检查与维修活动数据、深入挖掘释放数据中的潜在价值，是铁路管理者面临的一个重要课题。

目前，学术界对“数据可视化”尚未有统一的定义[8]。虽然数据可视化概念各有不同，但其基本思想可归纳为借助计算机图形学以及图像处理技术，不再局限于关系数据表，对数据进行整合、融合，从不同的维度观察数据，对数据进行更深入的分析，实现对新知识的获取。

研究将基于铁路基础设施网格化管理方法，提出一种新的铁路基础设施检查与维修计划可视化模型，简洁、清晰、直观展示铁路基础设施检查与维修活动的时间与空间信息、不同活动在时间与空间维度上的各种约束或逻辑关系、不同时空位置活动速率的变化等信息。

1 常用的铁路检查与维修计划可视化方法分析

1.1 基于甘特图的铁路检查与维修计划可视化方法

基于甘特图的铁路检查与维修计划可视化方法，以线条图的表现形式，利用检查与维修活动列表与时间刻度，直观展示检查与维修活动的序列及其持续时间。该方法用于铁路检查、维修计划可视化时存在以下不足[5,7]。

（1）主要关注时间进程管理，难以体现铁路基础设施检查与维修活动的空间位置信息，无法准确地反映现场的活动进展情形，无法体现铁路基础设施检查与维修活动的重复性特征。铁路基础设施是一种典型的线性资产，空间位置信息对其检查与维修管理十分重要。

（2）无法体现不同检查与维修活动在空间维度上的各种约束，而这些约束对铁路基础设施检查与维修活动的高效管理很关键。例如，为保障铁路现场作业的安全与效率，活动之间需要保持一定的空间间隔，但甘特图不能提供此类信息。

（3）无法体现各类时间、空间因素对检查与维修活动速率的影响，无法展示同一个检查、维修活动速率在不同时空位置中的变化。

1.2 基于网络计划图的铁路检查与维修计划可视化方法

基于网络计划图的铁路检查与维修计划可视化方法，以有向、有序网状图形的表现形式，利用节点与箭线描述检查与维修计划的工作流程，其中节点及其编号表示检查与维修活动，箭线表示活动之间的逻辑关系。该方法用于铁路检查、维修计划的可视化时存在以下不足[6]。

（1）铁路基础设施检查与维修活动大多为连续、重复活动，如果用网络计划图对其进行计划编制与展示，为保证活动之间的约束关系，需要将连续的活动离散化，这将使网络计划图复杂难懂、可读性较差，可能会使连续的铁路基础设施检查与维修活动在现场组织安排时，出现中断，造成资源的不合理配置。

（2）与甘特图类似，网络计划图只能体现时间一个维度信息，不能表达出铁路基础设施检查与维修活动的空间位置信息、空间维度上的各种约束与活动速率的变化等。

2 基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化建模

为克服上述甘特图、网络计划图存在的不足，研究提出一种新的基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化模型(Time-location Grid-based Visualization Model for Railway Inspection and Maintenance， TGVMRIM)，该模型基于铁路基础设施网格化管理方法，将铁路基础设施检查与维修活动在时间、空间维度上进行细分，借助计算机技术等，图形化展示铁路基础设施检查与维修活动的时间与空间信息、不同活动在时间与空间维度上的各种约束等信息。

2.1 铁路时空网格的定义

依据铁路基础设施网格化管理方法[9]，铁路网格是指将线性、连续、带状布局的铁路线路按一定规则，划分成的若干相邻等长的“小区段”。铁路网格由其相应里程范围内的不同专业铁路基础设施构成，是这些铁路基础设施的综合体。在此基础上进一步提出铁路时空网格，它是指基于时间、空间2个维度按照一定规则将铁路基础设施全生命周期过程进行分割，形成的若干个小单元。铁路时空网格示意图如图1所示。图1中横坐标表示里程，纵坐标表示时间，每个时空网格用Gij表示，i表示第i个铁路网格，j表示网格所处时间段。

图1 铁路时空网格示意图Fig.1 Sketch map of railway time-location grid

铁路时空网格是一个基于时间-空间的基本单元，其划分方法如下。

（1）时间网格划分：根据铁路基础设施管理的实际工作要求，在时间维度上可以按照分、时、天、周、月、年对铁路基础设施全生命周期过程进行划分。在不同的应用场景中，管理者可以根据实际场景需求，选择时间网格单元的大小。

（2）空间网格划分：作为在空间维度上对线性、连续铁路线路进行分割的最小单位，空间网格的划分应充分考虑检查与维修活动的业务特点和铁路现场的管理需求，将铁路网格的长度定为200 m，相邻网格选择铁路百米标作为分界点。

基于铁路时空网格，将铁路基础设施检查与维修活动按照较小的时间单位、空间单位划分，能更细致地定义检查与维修活动在时间、空间上的各种约束，更准确地描述各类时间因素、空间因素对检查与维修活动的影响，使管理者能在较高的时间、空间分辨率下管理铁路基础设施检查与维修活动，基于2种不同可视化思路的检查与维修计划对比如图2所示。图2中横坐标表示线路里程，纵坐标表示活动执行的时间，蓝色线条代表检查与维修活动，其与横坐标的夹角大小表示活动执行速率的快慢，夹角越小表示相应活动的执行速率越快。图2中红色阴影部分表示相邻2个活动之间的时空约束，直观展现相邻两个活动执行全过程中任一时刻、任一里程点之间存在的时空约束。

2.2 TGVM-RIM模型的建立

TGVM-RIM模型主要包括3部分，基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化模型如图3所示，基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化示意图如图4所示。

（1）建立一个二维直角坐标系，描述铁路基础设施检查与维修活动的各类时空关系，其中纵轴代表检查、维修计划的执行时间，横轴代表铁路线路里程。基于横坐标、纵坐标的刻度，在直角坐标系中可以划分出铁路时空网格。

（2）获取检查与维修活动Ak(k= 1，2，…，K，其中K为检查、维修活动总数)在途经的所有时空网格中的开始里程坐标、开始时间坐标与结束里程坐标、结束时间坐标。不同类型、状态的检查与维修活动，采用不同的线型、颜色描述。

（3）应用计算机技术，基于检查、维修活动Ak的时空位置、线型、颜色等信息，实现铁路时空网格检查、维修活动专题图的自动绘制，并输出相应的专题图。图4可以直观展现不同活动间的时空约束，同一活动在不同时空网格中速率的变化等。

图2 基于2种不同可视化思路的检查与维修计划对比图Fig.2 Comparison of inspection and maintenance schedules based on two different visualization thoughts

图3 基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化模型Fig.3 Time-location grids based visualization model for railway inspection and maintenance

图4 基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化示意图Fig.4 Time-location grids based visualization of railway inspection and maintenance

3 实例验证

3.1 背景提出

实例采用国内某线路某年4月18日—4月23日重车方向 K528+000 ～ K533+ 000范围内集中修6个综合天窗(180 min)的计划数据对TGVM-RIM的有效性进行验证。分别采用甘特图、网络计划图与模型TGVM-RIM对上述集中修计划数据进行可视化展示，国内某线路集中修甘特图如图5所示，国内某线路集中修网络计划图如图6所示，国内某线路集中修时空网格可视化图如图7所示。

3.2 模型结果分析

分析图5可知，甘特图过于简单，只能展示活动的时间信息，较难体现出活动之间的时间约束关系等。分析图6可知，换轨大修1 (简称A1)、大机清筛1 (简称A2)、大机线路维修捣固1 (简称A3)、大机打磨钢轨1 (简称A4)为重车方向K528+000 ～ K533+000范围内的连续活动，其施工平均速率分别为2.5 km/h，1.5 km/h，4 km/h，5km/h。为了保证各个活动之间的安全距离，网络计划图需要将4个维修活动离散化处理，分为5段，以换轨大修1为例则有：A1 = A1-1+A1-2+A1-3+A1-4+A1-5。以此类推，4个维修活动被离散成为了20个小活动。由此可见，网络计划图比较复杂，可读性较差。

图5 国内某线路集中修甘特图Fig.5 Gantt chart of the concentrative maintenance schedule for a domestic railway

图6 国内某线路集中修网络计划图Fig.6 Network diagram of the concentrative maintenance schedule for a domestic railway

图7 国内某线路集中修时空网格可视化图Fig.7 Time-location grids based visualization of the concentrative maintenance schedule for a domestic railway

综合对比图5、图6和图7可知，TGVMRIM具有以下优势：①不仅能够清晰展示铁路基础设施维修活动的时间信息，而且能展现其里程位置信息，体现铁路基础设施维修活动的重复性特征；②能够清晰简洁地体现铁路基础设施维修活动在时间、空间维度上的各种约束，为保障铁路现场作业的安全与效率提供支持；③能够直观体现各类时间、空间因素对铁路基础设施维修活动速率的影响，展现同一个维修活动的速率在不同时空位置中的变化，为对铁路基础设施维修活动进行精细化、个性化管理奠定基础；④画面美观易懂，具有非常强的可视性，有助于管理者理解、共享数据中的重要信息。

4 结束语

基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化模型的研究，是依据铁路基础设施网格化管理方法，考虑铁路基础设施检查与维修活动线性、连续进展、重复进行等特点，在二维直角坐标系中直观、精细化地描述不同活动在时间、空间维度上的各类约束。研究结果表明，基于时空网格的铁路检查与维修计划可视化模型相比于传统的甘特图与网络计划图，在铁路基础设施检查与维修计划可视化方面更具有优势，能够更合理地分配维修资源及控制维修成本，有助于提高管理者对检查与维修活动的管理效率和决策水平。基于铁路时空网格的铁路基础设施维修进度计划的优化编制及动态调整，铁路维修活动安全风险准确评估等还有待进一步深入研究。