信息化技术在钢轨全寿命周期管理中的应用分析

芦斌，王亮，王鹏扬，刘慧德，张茉颜，何逸飞，肖宏

（1.北京市地铁运营有限公司线路分公司，北京 100044；2.北京交通大学，北京 100044）

1 引言

近年来我国城市轨道交通建设迅速发展，庞大复杂的线网对于线路的运维管理能力提出了更高的要求，在保证轨道设备高平顺性和高可靠性的同时，还要实现降本增效。钢轨作为行车安全的重要基础，其全寿命周期涉及钢轨设计、生产、采购、焊接、铺设、养护维修到下道各个过程，每个环节都有可能影响钢轨质量和状态。此外，众多条线路在开通时间、运营状况和线路条件等方面的差异也给钢轨精细化管理带来较大困难。

对于钢轨全寿命周期中各个阶段的数据维护，如钢轨原始信息、钢轨打磨、钢轨涂覆、钢轨磨耗、钢轨折断及焊复、钢轨的锁定及放散记录、通过总重等，传统人工手动录入及卡片式管理的方法已经难以适应实时精准维护大量数据的需求。同时，随着国内外信息化、大数据技术的发展，数据的采集、存储和应用分析技术不断涌现，全面统计、计算、分析钢轨全寿命周期各项数据成为可能。目前，结合大数据的信息化管理技术在铁路行业领域已经得到应用，但对于城市轨道交通钢轨全寿命周期精细化管理方面尚未开展系统研究及应用。

2 铁路信息化管理应用综述

在铁路物资管理和工务作业方面，冯浩宇[1]通过工机具分库管理、分区摆放、分类编号，并利用二维码技术，在工机具存放、取用、进出网、库存清点、检定校准方面实现全方位数据化管理。江昶霆[2]应用流程分析法和电路分析法，提炼基于二维码的铁路物资主要流动过程，并在仿真检验的基础上，提出公司制改革下铁路物资管理模式，为各铁路集团有限公司物资管理创新和模式创新提供决策支持。马浩[3]从二维码标识技术入手，通过二维码标识技术对各项工作和各种数据进行记录、处理形成高效的信息化管理工作模式。汪德昌[4]针对目前工务作业工机具管理中存在的问题，设计研发了高速铁路工务作业工机具管理系统，分别从管理流程和界面2 个方面论述系统的设计与实现，并通过现场实际应用，提出了改进优化方案。陆红生[5]分析了铁路工务设备管理现状及存在的问题，探讨了二维码技术在工务设备远程管理中的应用。

在铁路设施全寿命信息管理方面，张士东[6]基于二维码技术和FineReport软件平台，运用GPS 核查人员定位的方法，构建了铁路线路设备痕迹管理系统，实现了设备检查、发现问题、整改问题全过程的监控和管理。张明[7]结合中国铁路呼和浩特局集团有限公司研制的道岔轨件全寿命智能管理信息平台，利用二维码及SQLite 轻型数据库技术，设计道岔轨件信息查询APP，有效推动了线路设备全服役寿命周期的信息化管理。四川遂宁工务段桥路技术科[8]通过手持机扫描现场安装的RFID 芯片中的二维码，利用GPS 坐标定位，将数据传输至该段桥路技术科桥路设备检查管理系统，提高了防洪季期间桥隧设备检查监控力度，促进防洪工作效率的提升。陆红生[9]提出研究二维码技术在铁路轨距尺远程管理中的应用方案，阐述了信息管理、状态管理、使用管理、远程管理4个模块的功能，总结试用效果，为计量器具检定、管理探索新模式提供借鉴与参考。马丽光[10]就二维码技术在钢轨原材管理、钢轨件与原材追踪管理、钢轨件工序管理应用上展开讨论，并通过二维码技术与ERP 系统结合，提升了企业生产管理效率。刘建军[11]经过对自动识别技术的比较，提出采用射频识别技术（RFID）是提高铁路集装箱管理水平的有效手段，并进行投入产出分析。张军[12]采用RFID 技术研制开发了适应速度350km/h 的客车电子标签，并通过对既有地面AEI 设备的改造，实现了对高速标签的动态识别。

综上可知，在铁路管理的信息化应用方面，国内大多采用二维码、GPS、RFID 等技术结合软件平台以及数据库进行综合管理的工作模式，但在城市轨道交通领域尚未开展。事实上，城市轨道交通与国有铁路在设备管理、养修方法、依据标准等方面有诸多不同，这使得钢轨在全寿命周期管理方面也存在较大差异。基于此，本文主要探讨基于钢轨全寿命周期管理，提出RFID 电子标签、数据采集APP、云端服务器以及PC端应用软件相结合的综合管理系统。

3 钢轨全寿命周期管理系统

3.1 需求分析

钢轨的全寿命周期管理首先需要综合全线网，并且采集获取钢轨从设计、生产、焊接、铺设、生产管控、运营维护到下道全过程的各项数据，包括钢轨原始数据、周期性打磨、涂覆、磨耗、折断及焊复、锁定及放散、通过总重等信息。因此需要相应的数据采集系统和存储系统以接收和容纳大量的钢轨全寿命周期数据。

其次，需要基于系统学、统计学的方法，结合线路运营的实际情况，对钢轨全寿命周期的评价指标进行分析并得到合理有效的解决方法，从而实现对钢轨使用寿命、维修计划和更新改造计划的优化，提高钢轨全寿命周期管理水平，科学控制钢轨生产管控成本，保障线路安全。因此，还需要数据处理系统将采集到的大量钢轨数据进行整合分析。

3.2 总体设计

基于钢轨全寿命周期管理的需求，钢轨全寿命周期管理系统主要分为数据采集模块和数据管理模块，如图1所示。

图1 钢轨全寿命周期管理系统

3.2.1 数据采集模块

数据采集主要通过铺设电子标签，对钢轨进行编码铺设电子标签，建立钢轨属性数据，从而加强钢轨各项数据的标准化和规范化，为后续钢轨全寿命周期的检测监测数据、生产数据等数据管控打下基础。通过数据采集APP，配合钢轨电子标签的铺设，提供将铺设的电子标签录入相应的钢轨编码信息，工作人员通过扫描电子标签，上传钢轨检查维修数据，并在云端实时查询钢轨设备全生命周期数据。

3.2.2 数据管理模块

数据管理模块需要进行钢轨全寿命周期指标的提取和阈值的建立，利用钢轨的全寿命周期各项数据，包括前期制造、建设、安装等数据以及运营阶段设备状态的磨耗、伤损、维修、通过总重等多项数据，构建钢轨使用寿命分析模型，分析钢轨劣化规律，以确定钢轨全寿命周期的维修更换评价方法。

3.3 数据采集

电子标签可采用RFID，即射频识别技术，它集成了射频技术和嵌入式技术，主要组成部分为应答器、阅读器和应用软件系统。阅读器将检测到信号后通过天线发射相应频率的信号，再由应用软件接收信号，然后进行信息处理。其中应答器即为电子标签本身，它由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器为读取标签信息的设备，可以是手持式移动设备，而天线即标签和阅读器之间的射频信号。

对应于钢轨全寿命周期管理系统，电子标签贴设于钢轨轨腰处，如图2 所示，每段钢轨贴设一个标签，以识别唯一钢轨。此外，通过电子标签可以获得钢轨基本信息，并确定现场位置。

图2 钢轨电子标签的贴设

根据现场钢轨的实际环境条件，电子标签的贴设应满足以下技术要求：

①粘结牢固，不影响钢轨正常使用；

②易于现场操作识别；

③抗金属、抗振动、抗电磁环境等；

④抗高低温环境。

工作人员在现场使用数据采集APP对电子标签进行读取，并将信号传输到应用软件，应用软件通过云端服务器实现钢轨全寿命周期的数据管理。其中，钢轨的设计、生产、焊接、铺设、生产管控、运营维护信息可事先录入，这些数据维护在服务器，下道工作人员在读取电子标签后，将检测到的钢轨伤损情况记录并上传到云端，从而对服务器的数据进行实时更新和维护。

钢轨全寿命周期的数据采集模块如图3 所示，相比于传统的钢轨伤损记录方式，电子标签和数据采集APP 的使用，大大减少了下道人员的工作量，并提高了其工作效率，推动了钢轨全寿命周期管理工作模式的智能化发展。

图3 钢轨全寿命周期的数据采集模块

3.4 数据管理

对于储存在云端的钢轨数据，还需要通过应用软件进一步处理，因此建立相应的钢轨全寿命周期的数学模型，如图4 所示。其中指标的建立和阈值的提取，主要根据通过总重、钢轨磨耗、重伤情况等进行确定。

图4 钢轨全寿命周期数学模型

相对于传统的运维模式，通过数据管理平台对钢轨伤损、磨耗、焊缝、打磨等数据进行整合分析，从统计学意义上进行钢轨维修更换评价和分析，并随着数学模型的迭代更新，逐步制定全面的、多指标的、精细化的评价方法及指标，促进钢轨精细化管理，同时降低了运维成本，提高了效益。

4 结论

本文在综合调研信息化技术在铁路物资管理和工务作业方面以及铁路设施全寿命信息管理方面的应用基础上，阐述了城市轨道交通钢轨全寿命周期管理系统组成，结合电子标签技术、数据采集APP、云端服务器以及PC 端应用软件，对其数据采集和数据管理模块进行了详细介绍，明确了信息化技术在城市轨道交通中的应用优势。

城市轨道交通的快速发展亟待建立信息化的钢轨全寿命周期管理工作模式，应充分利用各项信息化技术，提升管理的精度和效率，同时降低传统运营维护工作所带来的时间成本和人工负荷。本文提出的钢轨全寿命周期管理系统也可为城市轨道交通其他物资设施管理的智能化发展提供参考。