高速铁路建维一体化数据管理与运用方法研究

李俊波，王万齐，沈鹍，王东妍

（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）

0 引言

伴随我国高速铁路综合维修生产一体化改革的推进、基础设施段的逐步成立，预示着高铁基础设施正由“建设为主”向“建维并重”加以转变，卢春房［1］院士曾指出中国高速铁路建设项目一体化管理的总体思路，统筹建设和运营两大领域，探索创新项目管理、技术管理一体化措施，强化系统内外的协调运作，整体推进中国高速铁路快速发展，实现《中长期铁路网规划》目标。国内学者朱合华等［2］较早就提出基础设施建养一体化理念，指综合采用工程、经济和管理等手段，以最优化的方式达到工程所需的服役性能。铁路工程建设在我国现代化进程中发挥着重要作用，信息化在铁路工程建设现代化发展中担当愈来愈重要的角色，存在巨大的发展需求，具备成长潜力，大力发展信息化是实现铁路工程建设现代化的一个重要途径［3］。目前，在铁路工程建设与运维管理两大领域已经建设了较为完备的信息系统，在支撑工程建设及运维方面发挥了重要作用，但由于两者在管理模式、应用方式、专业体系等方面存在差异，导致两者难以有效衔接。

工程全生命周期理念已逐渐被研究学者及管理者所认知并应用到项目管理当中，包含工程从产生构思、建设完成到投入使用，再到报废终结的全部时间跨度［4］，全生命周期管理需要先进技术来完成对工程项目管理的数字化表达，以支撑建设过程中产生的海量数据的存储、传输、共享以及集成管理［5］。因此，围绕固定设施，结合铁路信息化建设与发展规划，运用现代信息技术赋能于传统应用，采用“数据驱动”形成建维一体，探索建立有效的数据衔接与运用方法，构建价值链条，对工程全生命周期价值形成，追溯建设过程，建成后的健康状态、价值变化和功能衰退的规律研究具有重要意义。

1 高速铁路工程建设与运维管理信息化现状

1.1 工程建设管理信息化现状

建设管理系统是《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》［6］中的六大业务应用系统之一，包含建设管理、项目管理、监督管理等子项，铁路工程管理平台是其典型代表，是实现铁路工程建设信息化平台战略、营造工程建设生态圈的支柱和核心［7］，形成了覆盖《工程量清单计价指南》与《铁路工程施工质量验收系列标准》的工程实体分解结构（Engineering Break⁃down Structure，EBS）［8］，该平台自2014年开展推广应用，建立了安全、质量、进度、设计、环保、投资、监督、综合管理8个功能体系，可对高铁建设全专业业务进行管理［9］。

2013—2017年，随着铁路BIM标准体系框架的建立及相关标准的发布［10-11］，基于BIM的铁路工程管理平台采取继承与创新发展模式，将BIM应用到设计协同、计划协调、调度指挥、施工管理等众多层面。BIM应用驱动了智能建造理念的形成，“BIM+”技术与工程建造技术相融合，进行设计及仿真、数字化工厂、精密测控、自动化安装等工程化应用［12］，BIM应用得到纵深发展，将覆盖工程勘察、设计、施工、运维全过程［13］。

1.2 基础设施运维信息化现状

我国铁路基础设施主要由工务、电务、供电、房建专业构成，信息化管理工具已在各专业开展应用多年，重点围绕设备履历、检（监）测数据、维修生产及修理辅助决策方面。工务专业建设了工务管理信息系统（Permanent Way Management Information System，PWMIS）、工务安全生产系统，并在全路推广应用［14］；电务专业建设了信号设备履历、电务生产系统；供电专业依托一杆一档、一台一档系统技术要求［15-16］建设了供电设备履历、供电生产系统；房建专业建设了房建管理信息系统［17］。各专业生产系统接入了以设备缺陷、报警数据为主的检（监）测数据，并纳入生产过程进行销缺，如工务专业的动态检测车超限、电务专业的信号集中监测告警、供电专业的6C检测缺陷、房建专业的钢结构状态监测报警数据等。

随着我国高铁建设的发展，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）及各铁路局集团公司一直在探索实践与生产力发展相适应的养护维修模式，早在2010年原上海铁路局在沪宁城际、沪杭高铁进行了“三位一体”综合维修管理模式的探索和实践［18］，并建立了配套信息系统。自2017年始，原中国铁路总公司明确了以“高速铁路综合维修生产一体化”为目标的创新运维管理模式，逐步发布了由综合工区、综合车间到一体化站段的政策性指导文件［19-23］，明确将“综合维修生产管理信息系统”作为信息化支撑手段。沈阳、西安、兰州、郑州、乌鲁木齐、上海、南昌局集团公司已相继成立共计9个高铁基础设施段，信息系统已同步部署应用。

铁路大数据平台架构的建设及智能运维概念的提出，进一步推动了基础设施运维技术手段向资源聚合、平台化、智能化方向发展。2017年，原中国铁路总公司发布了《铁路大数据应用实施方案》［24］，开展了安全管控、电务运维、调度指挥等方面的应用实践［25］。随着智能高铁技术的发展，智能运维理念也逐步成形，通过感知设备状态、运输过程及自然环境等信息，实现设备故障的预测预警，突出超前防范，整体提升铁路运行安全保障能力。

2 高速铁路基础设施建设与运维管理差异

2.1 工程建设与运维管理差异分析

2.1.1 组织分解结构差异

高铁工程建设期以国铁集团、铁路局集团公司、合资铁路公司及客运专线公司为组织实施建设管理，采取常设+临时建设单位模式，围绕投资、进度、质量、安全等目标，组织设计、施工、监理、第三方检测等多个参建单位共同协作完成。运营期以国铁集团、18个铁路局集团公司等常设机构为主，承担运输生产组织工作，综合维修组织管理模式主要有专业段和综合段2种模式［26］。

工程建设与运维阶段采取相对独立的组织架构模式及规章，决定其在工程设计、施工、竣工、运维阶段的目标导向不同。原中国铁路总公司发布了一系列关于铁路局集团公司“提前介入”客运专线管理的指导文件，但在实施过程中仍存在介入时机、机构配备、人员技能、评判标准等规范化问题［27］。

2.1.2 工程结构分解差异

在工程结构分解方面，工程建设期按项目、标段、单位工程层次进行分解，综合考虑省界内工程协调、项目验收及区间与站场布设相对独立、技术复杂大型结构便于施工组织等因素，主要以《铁路工程施工质量验收系列标准》中规定的单位工程及《铁路工程实体结构分解指南》［28］工点结构划分原则为主，单位工程向下再扩展细化形成EBS。运维期管理以铁路局集团公司管界划分职能，主要考虑设备功能、技术要素及与生产力布局相适应的维修能力等因素，按单体设备及区段进行管理，与建设期在工程结构划分上差异较大。运维期摒弃了建设期的一些基础和临时性工程，更加注重设备本身，虽然区段里程划分不同，但在实体设备类型或某一层次结构上可保持较为一致的对应关系。

在专业划分方面，《铁路工程施工质量验收系列标准》对工程建设专业进行了明确，按照站前、站后或线下、线上工程进行分类，主要包含路基、桥涵、隧道、轨道、通信、信号、电力、电力牵引供电、站场工程。运维期主要以工务（线路、桥涵、隧道、路基）、电务（通信、信号）、供电（接触网、变电、电力）、房建专业为主，线路专业管理融合了建设期轨道专业、线路的平纵断面及断链、允许速度等信息，接触网及变电专业对应建设期的电力牵引供电。可以看出，工程建设与运营管理的专业划分体系基本保持较为一致的对应关系。

2.1.3 工作分解结构差异

在工作分解结构方面，工程建设期工作重点是以实现设计的结构安全和使用功能为目标，侧重于整体结构安全，工作对象面向工程全结构+全过程管理，工作模式具有较强针对性和目标性。伴随BIM技术的应用，工程管理的工作面可精细化至某一建筑物的单体组成构件，如桥梁下部结构的桩基、承台、墩身等。运维期的管理相对建设期较为粗放，工作重心侧重于运营安全和设备长期服役状态下的持久、耐久、可靠，工作对象以设备表观+内部结构的动静态检（监）测、日常养护维修和突发事件的应急处置为主，工作模式具有重复性（如线路、桥隧、接触网等设备的周期性检查）和专业系统性特点，将建设期的实体按专业进行集成管理并将目标转移至设备整体及功能发挥上，裁剪了建设期的部分技术参数，加入了运维管理要素。

2.1.4 工程结构编码体系差异

铁路工程管理平台按照《铁路基本建设工程设计概（预）算编制办法》［29］《铁路工程工程量清单规范》［30］《铁路工程施工质量验收系列标准》《铁路工程实体结构分解指南》规范建立了投资、质量、工程实体结构编码，并应用到平台建设当中，形成了以项目、标段、单位工程+实体结构为主的工程编码体系。在运维阶段，工务专业总结形成了以运维机构（如工务段、综合段）、线路、行别、设备类型及特定技术参数为主的组合编码（如桥梁以段编号、线编号、辅助线编号、行别、桥号作为唯一编码）；电务专业发布了《铁路通信设备设施单元划分及编码规范（暂行）》［31］《铁路信号设备单元划分、编码及表征规范（暂行）》［32］；供电专业发布了《铁路牵引供电设备设施单元划分、编码暂行规范》［33］《电气化铁路牵引变电设备编号规则》［34］。各专业设备编码规范为配套信息化手段的建立提供了参照依据。但从目前来看，在两阶段建立无缝数据衔接暂无可参照的统一编码规则。

2.1.5 线路设备里程体系差异

在铁路勘测设计阶段，定测工作会确定线位的中桩位置和整里程标高，进行中线测量并在直线段里程50 m或曲线段20 m处实地标定，标记为DK**+050 m［35］。后续工程标段划分及各专业施工图均沿用DK里程体系，遇设计变更会产生DIK、DIIK里程标记。工程联调联试工作开始前建立统一里程体系，以K里程表示运营里程，期间会形成“统一里程与施工里程对照表”“断链表”。铁路工程建设与运营维护两阶段采用不同的里程体系，二者可以通过“统一里程与施工里程对照表”“断链表”建立数据双向推导计算关系。

工程建设与运维管理差异分析汇总见表1。

表1 工程建设与运维管理差异分析汇总

2.2 工程建设与运维管理数据对比

铁路工程管理平台对工程设计、投资、质量、进度、安全等数据进行管理，综合维修生产管理信息系统的数据管理内容涵盖数据字典、基础数据、设备台账、检测监测、维修生产5类。相关数据以结构化、文件、图像、声音、视频等方式进行存储，工程建设与运维管理数据对比见图1。

图1 工程建设与运维管理数据对比

3 高速铁路基础设施建维一体化数据驱动策略

3.1 建维一体化实践技术路线

在已推广应用的铁路工程管理平台及综合维修生产管理信息系统基础上，以运维需求为导向，围绕建设期工程实体结构，采用固定设备承载数据，重构建维两阶段分类编码体系，建立数据汇聚及映射转换方法，驱动建维衔接，形成以实体工程为纽带的数据平滑过渡方式。技术路线示意见图2。

图2 建维一体化实践技术路线示意图

3.1.1 建立以运维需求为导向的工程管理结构

结合运维期设备管理粒度，如路基按段落、桥梁按孔跨、接触网按单体设备+区段及处所、信号按单体设备及处所管理方式，基于工程建设期建立的构筑物对象结构，按照运维管理规则分专业进行对象抽取，形成符合运维管理需求的实体工程结构，使其可直接运用于运维阶段，支撑设备养维管理。

3.1.2 重构建维两阶段数据编码体系

在厘清由建设向运维过渡时的设备管理对象及数据承载关系基础上，参考建维两阶段已经建立的编码规范，围绕工程实体，重构两阶段编码体系，融合实体设备所在位置等固定属性要素，做到能够快速甄别实体对象，进行数据交互，支撑数据承载，贯通建维数据。

3.1.3 建立完善的数据转换映射关系

数据转换映射关系的建立是建维一体化的核心，按照“统一里程与施工里程对照表”“断链表”建立里程体系转换映射方法，将线路曲线、坡度、水准基点及实体工程设计里程转换形成运营里程，转换后数据可遵照《列车运行监控装置（LKJ）数据文件编制规范》［36］，快速形成LKJ初始数据及运维设备台账，以支撑运维生产组织。

3.1.4 补强设备运维管理技术参数

在建设期需综合考虑运维需求补强设备技术参数，该项工作可伴随工程进程同步进行，将建设期工程实体结构主要技术参数按照工程设计几何（如直径、长度）、材料质地（如钢筋、混凝土强度等级）、结构构造（如道岔尖轨类型、辙叉构造）及施工组织（如施工、监理单位项目部、第三方检测机构）信息进行归类整理，可大幅减轻后期数据加工工作量。在工程交付阶段对数据进行拆组后，按照里程映射转换方法、运维管理规则，快速生成符合运维需求的数据，转入运维系统。

3.1.5 采用服务实现建维数据双向联动

以运维管理实体工程结构、实物编码为索引，分别建立基于功能服务的数据检索及调用方法，在单一工程实体上驱动耦合建设（如施工图、进度、质量、检测监测、影像数据）与运维（如设备履历、缺陷、维修数据）数据，实现数据双向联动及可视化。

3.1.6 以BIM为载体形成全生命周期数据

以工程建设期BIM为载体，利用组成构件附加实物编码与建设期数据联动，BIM交付运维后，进一步融合地理空间信息，与运营、养护、维修数据集成，结合物联网、北斗技术通过接口搭载的检（监）测数据，形成基于“BIM+”技术的基础设施全生命周期数据。

3.2 建维一体化数据运用方法

建维一体化数据的形成将对工程运维管理产生深远影响，通过工程专业技术创新、数据集成，反映项目全生命周期要求，尤其是项目运营阶段，对工程全生命周期管理、追溯施工过程、辅助维修决策与应急处置、驱动优化工程设计具有重要意义。

3.2.1 采用数据驱动进行工程全生命周期管理

通过数据驱动强化了工程的连续性和系统性，衔接了工程设计、建设和运营主要阶段的管理目标，改善工作界面，将工程管理的各阶段要素在一体化的维度上整合集成，推动优化管理体系，有效地组织建设和生产活动，用数字化手段来提升管理效率，在传递工程价值的同时，最终向实现全生命周期的整体效益最优目标迈进。

3.2.2 追溯施工过程

建设期数据记录了工程设计、施工到竣工的过程，形成的文件、图纸、声像等资料记载了工程实施的动态过程，具备证明力和追溯力，可作为运营期工程质量、安全问题事件追踪的直接材料，如工程施工日志、检验批、平行试验、监理旁站、隧道超前地质预报、工程影像等数据。可重现工程进度、质量、安全管理等施工过程，其数据对隐蔽工程的施工过程追溯更加具有重要意义。

3.2.3 辅助维修决策与应急处置

建维数据的耦合与集成有利于运维单位制定更为有效的维修策略，对设备缺陷及发展做出科学判断，在突发事件情况下，辅助做出应急处置决策。如针对隧道衬砌裂损问题，可根据日常检查、历史病害与整治情况，结合建设期记录的隧道所处水文地质环境、围岩等级、超前地质预报、掌子面素描等信息对病害成因与发展做出判定，制定合理的整治方案。

3.2.4 驱动优化工程设计

高铁基础设施在运营服役过程中，由于轮轨作用、弓网接触、外部环境等因素会产生一定的设备缺陷，其中不乏设计缺陷，问题直指设计源头。如桥梁桩基缺陷可能引起桥墩发生沉降或倾斜，此时需结合建设期地质勘验、桩基检测、承载力检算及运维期稳定性监测数据进行综合研判，在无法满足安全运营时，需设计工程补强措施。设备缺陷及整治方案数据的积累会逐步形成专家知识库，对驱动优化工程结构设计、改进施工工艺具有良好的促进作用。

3.3 建维一体化实施保障措施

3.3.1 完善数据标准体系建设

综合高铁运维管理需要深化建设期数据分类组织，结合既有成果形成覆盖建设与运维管理技术参数的数据采集规范。研究建维一体化数据统一编码体系、数据映射转换方法，并与LKJ数据相衔接，将基础设备履历由建设期快速转化至运维阶段，建立数据核查与校验方法，加强数据质量控制。

3.3.2 强化工程数据资源整合

以铁路工程管理平台为牵引，进一步加强建设期数据资源整合，以EBS为主线聚合建设期数据，提升平台数据服务能力，由EBS抽取形成符合运维需求的工程管理结构，使其具备建设期数据承载能力。结合运维管理系统，统一设备履历管理软件版本，避免系统间各自独立、功能差异带来的数据衔接问题。

3.3.3 深化BIM技术研发应用

与国际铁路联盟（UIC）、开放地理信息联盟（OGC）等国际组织合作，主导铁路BIM标准制定。研究自主化铁路行业BIM建模软件，以成渝等铁路项目建设为契机，深化BIM在设计、施工阶段的运用，研究以BIM为承载的工程数据交付技术，实践BIM在运维期的典型场景应用创新。

3.3.4 改进建维结合部工作机制

从建设项目竣工交付、提前介入等建维结合部入手，完善工作机制。严格竣工文件编制周期与质量，建立具有实用价值的竣工图编制标准，提高建设项目档案质量［37］，在运营铁路局集团公司成立专门的提前介入机构基础上，定岗定责配备专业技术人员，全程参与项目可研、初步设计、施工图等阶段的审核，充分表达运营的合理需求和建议。

3.3.5 加强人才队伍建设

锻炼与培养一批既熟悉业务应用，又精通信息技术的骨干团队，充分发挥领军骨干团队在建维一体化推进过程中的尖兵作用。创新人才管理理念，建立多渠道引进人才机制，加强技术合作与交流，提升专业队伍素质与能力。

4 结束语

信息技术在高速铁路保安全、降本增效中发挥着重要作用，从当前基础设施建设与运维管理信息化建设分析，铁路工程管理平台及综合维修生产管理信息系统将是未来一段时期内高铁工程建设与运维管理的主要技术手段，基于二者管理的数据内容，以服务运维生产为导向，统筹工程全生命周期管理需求，重构数据编码体系，采取“数据驱动”，运用工程实体结构、BIM承载数据，建立建维数据汇聚、映射、传递、运用技术手段，围绕竣工交付、提前介入等建维结合部建立配套保障措施，实现工程价值递延，将是支撑形成基础设施建维一体化的有效途径。