高速铁路技术改造与大修整治项目精细化管理与辅助决策关键技术研究

程智博，杨怀志，吴艳华，李 景，高 峰，江晓振

（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；2.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038）

0 引言

在数字化转型时代背景下，以数字化思维、数字化技术推动高速铁路数字化智能化升级是必然的发展趋势和要求。技术改造与大修整治(以下简称“技改大修”)是高速铁路公司对管辖范围内的铁路运输设施设备进行的综合性技术改造和采取的重大技术措施，是提高铁路运输设施设备技术水平，保证铁路设备持续稳定的重要手段。某高速铁路公司目前已研发了高速铁路技术改造与大修整治项目计划系统(以下简称“系统”)，改变原有邮件立项审批流程及纸质文档流转模式，实现技改大修项目的科学化管理与运营[1]。然而，随着系统实际投入使用，既有管理模式已无法满足智能运维[2-3]、快速响应的业务要求，存在审批流程按需服务、设备及整改方式众多、信息提取不完备不及时等状况，利用数字化技术优化技改大修立项与审批流程，开展项目精细化管理与辅助决策势在必行。审批工作流程优化在各领域广泛研究运用，包括政务行政审批[4-5]、工程建设项目审批[6-7]、商业信贷审批[8-9]等，在技改大修项目管控方面，相关学者利用大数据、建筑信息模型(BIM)等技术，研究全过程［10］、集约化[11]、精益化[12]等管理模式，积极探索构建立项辅助决策模型[13]并开展经济效益的后评价[14]，对于高速铁路技改大修优化具有较高的指导意义，但在具体应用方面，仍需要结合高速铁路技改大修本身特点及高速铁路公司实际需求开展精细化管理研究。

为建立高效精细的高速铁路技改大修服务体系，需要进一步优化现行技改大修管理模式，通过构建技改大修知识库、自定义配置优化审批流程、基于时空关联构建设备数据链条等措施，利用信息新技术开展智能化辅助决策，对项目的立项是否符合高速铁路公司技改大修计划管理实施办法和用途管制要求进行合规性检测，实现项目管理各环节协同、高效、持续运行，确保项目满足高速铁路技改大修精细化管理需求并快速响应，服务于高速铁路公司、铁路局集团公司的技改大修项目的规划审批工作，提升高速铁路技改大修项目审批的服务水平、服务质量及服务效率。

1 需求分析

以某高速铁路公司项目计划管理业务需求为依据，提出系统总体框架，该系统包括工作桌面、项目管理、月报管理、统计报表、数据管理等功能模块，利用工作流模型设计项目立项审批流程，在高速铁路公司及铁路局集团公司应用中实现项目录入、接转与维护，并初步开展项目数量及金额方面的统计[1]。

现阶段高速铁路技改大修管理过程中，立项及维护过程仅以项目为单位进行审批与管理，然而项目中存在跨专业、涉及设备类型众多、金额归属不明确等问题。为了支撑高速铁路线路智能化提升，需要由粗放型管理模式逐步向数字化、精细化管理模式转变，高速铁路技改大修精细化管理模式转变如表1所示。

表1 高速铁路技改大修精细化管理模式转变Tab.1 Transformation of refined management mode for technical renovation and overhaul of high speed railway

精细化管理具体需求如下。

（1）由于技改大修项目中各专业设备类型繁多，某些项目包括设备整体及其细化的部件/组件信息，需要从原有项目级转变为设备级管理粒度，为现场设备设施维护提供全面、精准的数据支持。

（2）历年项目内容中设备名称及整改方式尚未标准化，需要制定统一的规范性描述，利用规范化管理，实现新立项项目上报的标准化，方便快速开展技改大修各维度的统计分析。

（3）审批往复频率较高，在立项、可研及实施阶段均存在某类设备或细化的部件/组件进行取消、修改后重新上报等多个环节，需要对现有业务流程优化实现一站式无缝对接，满足不同层级用户使用需求；既有系统利用工作流模型，从铁路局集团公司提交立项计划开始，经过逐层审批完成审批流程，但目前以单线程为主，且项目维护仅至拨款阶段，且项目批复金额无法与设备一一对应，需要补全工程实施、竣工验收结算等资料，为开展项目费用预估及造价分析等提供管理基础。

（4）立项阶段依靠人工经验进行决策，手工翻阅设备历史维修、大修情况，需要构建历史技改大修知识库，实现历史技改大修数据关联分析与建模，开展立项冲突检测及费用预测等辅助决策应用。

2 精细化管理关键技术研究

为了真正落实技改大修全过程、精细化管理，实现面向设备级的管理环节系统、高效、持续运行，针对以上需求开展高速铁路技改大修精细化管理关键技术研究，在既有系统基础上，优化立项管理流程，新增知识库、统计分析、设备状态综合分析、立项冲突检测及费用预算预估等内容。高速铁路技改大修项目精细化管理总体框架如图1所示。

图1 高速铁路技改大修项目精细化管理总体框架Fig.1 Overall framework of refined management of high speed railway technical renovation and overhaul project

2.1 技改大修知识库构建

利用前期构建的技改大修项目关键信息数据库，助以工务安全生产管理系统为核心的设备数据，采用知识图谱构建基于图数据库的设备台账、维修、技改大修等关联关系，实现纵向贯通管理系统、横向连接不同层级信息系统的信息交互。高速铁路技改大修知识图谱构建框架如图2所示。

图2 高速铁路技改大修知识图谱构建框架Fig.2 Framework of knowledge map for technical renovation and overhaul of high speed railway

（1）数据源。数据源既包括工务安全生产管理系统、资产管理信息系统等业务系统接入的数据，也包括技改大修项目关键信息数据库，同步开展数据预处理及清洗等工作。

（2）知识构建。采用资源描述框架(Resource Description Framework，RDF)三元组形象化表达技改大修设备本体，包括名称、台账信息、检测信息、病害信息、审批管理类信息等，在本体表达阶段规范设备名称及整改方式，语义关系定义2 个概念间存在的关联关系，通过抽取与融合技改大修设备全生命周期知识，利用有向图将技改大修各设备、各阶段等信息进行组织关联表达，采用图数据库进行组织存储与管理。

（3）知识应用。知识应用技术是基于技改大修知识图谱，对知识单元进行计算和推理，建立对应的审批规则库，构建辅助审批意见自动生成模型，按照既定审批规则进行智能化审查，结合机器学习算法不断提高意见的准确率；基于设备全要素数据，构建多因素引发的设备故障预测模型，为开展预防性维修、长久未维修提醒提供知识推理。

研究使用图数据库进行技改大修知识库存储，以轨道板及钢轨技改大修项目为例构建知识图谱，技改大修知识图谱如图3所示。

图3 技改大修知识图谱Fig.3 Example of knowledge map for technical renovation and overhaul

2.2 基于流程优化的立项管理设计

科学的业务流程设置可以保证技改大修项目在各级部门、各专业之间工作流转合理、便捷[15]。通过开展基于流程优化的立项管理设计，以流程优化为方法，以业务需求为导向，对既有工作业务流程自发地、持续地进行改造、调整，实现项目从录入、审查、流转到进度查看，维护全过程高效管理。

在立项审批阶段，梳理原有工作流程不足，将冗余的业务流程简化，新增并整合业务新流程，现阶段项目立项审批业务流程图如图4 所示。铁路局集团公司计统部、高速铁路公司专业处室、高速铁路公司计财部、高速铁路公司领导层，每个角色执行的业务不同，如铁路局集团公司计统部涉及上报/重报项目或可研文件。根据各立项审批环节，系统能够自动更新当前状态，包括待审核、已通过审核、审核未通过、审核后需要重新上报等。为了实现高效规范化的流程管理，系统需要支持多级审批人员逐层审核和审批流程回转，根据审批状态不同实现全流程消息通知，为了适应多场景下的立项审批模式，需要采用自定义配置方式，满足在不同阶段、不同场景下的重组、集成业务流程需求。

图4 现阶段项目立项审批业务流程图Fig.4 Flow chart of project approval business

在维护管理阶段，开展面向设备级的项目维护，包括月报管理、施工进展情况、未完成原因、接转信息、计价拨款、验收信息等，实现项目进展信息透明公开、高效贯通，为开展项目跟踪及后评估提供可靠支持。

2.3 技改大修设备时空关联

利用技改大修知识库，利用多表主键和外键实现设备级数据表关联，利用统一时间维度开展其时间范围内的设备关联，使用线性参考技术将铁路一维里程坐标与二维经纬度坐标转换，反映设备空间关系，基于以上3 种方式构建设备不同业务各环节的关联关系，开展面向设备的出厂安装、检测监测、日常维修、技改大修等全过程信息关联与演绎，保障信息在空间和时间上的完整性和延续性，支持设备各环节状态和属性的实时记录及跟踪管理。

2.4 立项辅助决策

基于知识图谱快速检索历史项目中设备技改大修历史知识信息，构建冲突检测模型对项目中同类整治措施的设备信息、里程信息、项目年份进行相似度分析，对比铁路局集团公司上报的立项设备具体信息，发现重复立项、违规立项等问题；综合历史项目批复概算、验收计价、实施单位、实施年度等构建项目费用估算模型，根据上报设备关键特征信息，预测项目费用，避免主观估算，为项目管理人员提供辅助决策支持。

3 应用实例

3.1 立项管理优化实例

面向技改大修设备级立项进行流程优化，利用知识库反向应用于立项上报环节，结合已建立的规范化描述规则上报，面向设备名称、整改方式、里程点等基本信息，实现多专业、多设备技改大修内容上报，从源头有效地提升数据粒度及标准化程度。利用自定义配置方式，支持多用户分级审批流程，实现设备各部门数据整合共享和业务协同服务，提高立项审批流程的可移植性和智能化程度。面向设备级的项目立项上报界面如图5 所示。

图5 面向设备级的项目立项上报界面Fig.5 Interface of device-level project initiation and reporting

3.2 技改大修设备时空关联实例

开展技改大修设备时空关联分析，结合铁路地理信息专业地图，实现设备地图定位。基于设备全数据链条，支持统一数据查询语言，同时检索设备台账、检测维修、技改大修等多个数据源数据，包括数据表及文本内容，大幅提升检索准确度及效率。技改大修设备时空关联图如图6所示。

图6 技改大修设备时空关联图Fig.6 Spatiotemporal correlation diagram of technical reform and overhaul equipment (taking a certain equipment as an example)

3.3 立项冲突检测实例

结合设备技术改造和大修历史立项数据，上传拟立项项目设备名称及整改方式，利用冲突检测模型挖掘该设备历史技改大修情况，结合里程信息以图形化方式直观展示，如果存在重复立项情况以不同颜色色块进行展示，支持提醒长期未开展技改大修的设备及时开展整治工作，同时列出技改大修项目详情及文件内容，该分析应用代替原有手动查阅资料对比工作，大大提高决策精度。立项冲突检测如图7所示。

图7 立项冲突检测Fig.7 Project initiation conflict detection

4 结束语

在既有系统架构基础上，通过开展高速铁路技改大修精细化管理需求分析，深化精细化管理总体框架，开展技改大修知识库构建、基于流程优化的立项管理设计、技改大修设备时空关联、立项辅助决策等关键技术研究，结果表明，应用实例形成了一套业务实践与数据、知识体系之间的“闭环反馈”的体系，提升了技改大修管理精细化程度，充分挖掘数据潜在价值并开展辅助决策。下一步拟开展技改大修造价分析及后评价分析，不断拓展技改大修辅助决策应用。