CRTSⅢ型板式无砟轨道建造一体化管理系统设计与应用

韦合导

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，湖北 武汉 430063)

无砟轨道是高速铁路核心技术之一，其建造的质量直接影响高速动车运营的安全性、舒适性。随着我国高速铁路无砟轨道技术的深入研究、不断实践和理论体系的逐渐完善，目前已形成真正具有我国完全自主知识产权的新型无砟轨道——CRTSⅢ型板式无砟轨道。中国铁路总公司先后颁布了多份技术性文件对CRTSⅢ型无砟轨道的原材料特性、生产工艺、加工运输、施工工艺、测量方法等过程提出了标准和要求。为了满足不断提升的高速铁路无砟轨道建造要求，有必要研发高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道建造一体化管理系统。利用互联网和大数据分析技术，结合自动化、数字化的技术手段[1]，以“互联网+”模式将建造过程中各阶段数据纳入统一信息化平台，实现建造数据实时管控，为现场质量控制提供信息化支撑，进一步提高施工及管理效率和无砟轨道铺设质量。

1 系统研究目标

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道建造一体化管理系统面向建设单位、施工单位、监理单位，提供质量参数、技术资料和检验资料的管理，基于互联网和标准数据库接口技术，为无砟轨道建造过程质量监控和追溯提供一种全新的管理模式[2]，提高工程建设的信息化水平。以满足先进性、实用性、可拓展性、可管理性和安全性为前提，以安全可靠、经济规范为原则，融合高精度先进测量方式、技术手段和无线互联网、物联网相关技术，完成结构化数据与非结构化数据的统一存储，建立各阶段信息之间的有效流转机制，消除信息碎片式管理带来的孤岛效应。完成建造工序的统一管理和流程有序管控，提供辅助决策手段，实时追踪质量信息和跟踪工期进度，实现CRTSⅢ型板式无砟轨道的“互联网+”信息化建设和管理。同时，系统应具备可视化、人性化的人机交互界面，从而提高操作效率和舒适性。系统实现的具体功能应包括以下方面：

1)实现建造过程中各道工序信息数据的自动化采集和实时传输，确保建造信息的准确性，促进建造工艺改进，提高无砟轨道的建造质量。

2)系统根据实测数据完成自动化分析和处理，并按照设计的格式自动生成进度报表、精度质量报表、质量整治报表等，实现报表管理。方便施工现场及时发现质量和进度问题，同时便于建设单位统一标准化管理。

3)通过限差管理、预警值设置、短信预警提醒实现预警功能。

4)建立以RFID(射频识别)芯片[3]编号为索引的数据库系统，基于轨道板中的RFID芯片将无砟轨道的制造、仓储、铺设信息相关联，实现生产制造、施工铺设等信息的快速检索和追溯。

5)能够实现无砟轨道建造原材料、工艺、接口工序的检验批审批，能够自动化生成审批报表，改变传统的手工作业流程。

2 系统架构设计

高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道建造一体化管理系统逻辑架构采用SOA(Service-Oriented Architecture)架构理念[4]，如图1所示。

图1 系统逻辑架构

系统实时获取建造过程数据，构建标准统一的数据仓库，集成无砟轨道建造管理所需的业务和数据服务，实现面向多用户角色的建造管理信息化平台。该架构的服务总线和统一的数据模型实现了建造阶段的底座施工、轨道板施工、钢轨精调、施工检验批质量管理等系统数据共享和协同工作，形成了感知层、处理层、展示层的数据流转机制[5]。

感知层中利用工装、电子设备、信息化配套软件高效率、高精度地完成测量作业并通过网络将数据实时传输至后台数据服务器。

处理层、展示层基于B/S架构实现，针对现场实时上传的数据信息进行分析、处理、统计，提供施工过程的工程进度及质量精度信息，掌握工程建设进度，把控工程质量。根据无砟轨道建造管理要求，实现组织机构及人员信息管理以及无砟轨道建造原材料、工艺、接口工序的检验批的在线填报、复核及审批，具备相关文档上传及下载功能，实现建设过程归档文件的上传及整理，完成电子归档。

3 系统功能设计及应用

图2 系统结构及功能设计

CRTS Ⅲ 型板式无砟轨道建造一体化管理系统在应用之初，首先由设计单位根据线路、桥梁、隧道等相关设计资料，由系统生成包含轨道板制造、铺设相关的数字化文件。如图2所示，无砟轨道设计数据作为数据流的起始数据提供给轨道板厂及施工单位进行生产和铺设。在轨道板制造过程中，根据设计数据提供的原始资料，能够实现轨道板关键性指标检验和几何尺寸偏差记录。各项偏差及测量记录以数据流形式，通过既定的数据接口，进入信息业务处理平台。在无砟轨道施工阶段，各道工序进行时对施工测量、成品验收、质量抽检等环节的相关数据同样以数据流形式传输至平台服务器。平台具有通用业务层与应用层，通用业务层针对数据流中的相关信息进行解析、再封装、匹配等相关操作，将数据以规定结构格式传输至应用层。应用层可实现具体的管控功能，对通用业务层的数据进行对比分析，提供数据的检索、超限数据自动分析等功能，为每一道工序提供管理，针对出现异常的数据进行预警处理。现场针对异常问题处理完毕后，再次利用数据流形式将最新数据上传。平台根据分析结果解除异常预警，同时将问题纳入问题库，对相似工序进行提前警醒，以防类似问题再次出现。

根据以上系统结构设计，系统的业务功能主要包括组织机构管理、工程进度管理、施工质量及预警管理、检验批管理等。具体实现的功能如下：

1)组织机构管理

用户根据不同的单位、部门、职责等分为建设单位、设计单位、监理单位、施工单位等[6]，每个单位机构中账号分为多级，基于角色访问控制技术实现权限管理，不同级别用户对应不同的功能级和数据级权限，只能访问已被授权的资源。

2)工程进度管理

图3 工程进度管理流程

在无砟轨道施工之前，对即将开展的工序制订工程计划[7]，如底座放样计划、轨道板粗铺计划、轨道板精调计划、轨道板复测计划等。如图3所示，计划制订包括生产信息导入，分段计划配置和工序计划配置。工程计划包括日计划、周计划和月计划。各分部的工程计划应包括编制说明、工程形象进度计划、材料使用计划、安全控制计划等。每个标段管理员查看和修改本标段的工程计划。同时系统根据实际工程情况生成进度报表，详细展现各工序的进度信息，有助于掌握现场的实时施工动态，把握整体的工程进度，确保工程计划按部就班完成。

3)施工质量及预警管理

无砟轨道施工过程中，通过数据感知层的测量设备及工装设备采集施工过程的数据，如轨道板精调后的水平和高程偏差、底座板的厚度偏差等。如图4所示，数据采集后能够自动上传至管理系统，结合各种质量验收标准和技术指南，系统分析无砟轨道各道工序施工质量状况，自动统计出各项指标参数的合格率和超限值所占百分比，超限过大的数据将通过预警手段[8](如短信、邮件等)发送至建设单位、施工单位和监理单位。各单位的管理员根据超限情况，判断现场是否需要整改。施工单位根据整改要求，采取现场修补、调整、返工等措施以修复施工缺陷，满足验收要求。最终进行一次复测，平台根据复测结果解除该项工序的预警状态。

图4 系统一体化管理流程

4)RFID信息管理

轨道板内置的2块RFID芯片中含有唯一的标识编码[9]。在轨道板制造阶段采用RFID扫描设备将各道工序的制造数据与RFID编码一一关联，并将关联后的数据通过网络传输至服务器。在轨道板铺设阶段，采用RFID扫描设备进行二次扫描，将铺设过程的数据与RFID编码关联。至此，通过RFID芯片的唯一编码便实现了轨道板加工制造与施工过程的数据关联。能够在轨道板铺设前后实时动态追溯轨道板场生产信息，及时发现并反馈制造的质量问题。通过施工过程的有效管控约束关键工序，按照控制指标有效规范施工流程，对前后工序的接口数据进行信息化管理，使其前道工序满足下道工序的质量要求，提前发现施工偏差以便及时整改，避免因误差累积造成的资源和人力浪费。

5)检验批管理

检验批数据主要包含所属标段、单位工程、分部工程、分项工程，施工单位信息、验收标准，主控项目和一般项目检查验收信息、验收结论、验收日期等信息。在质量检验批管控过程中，依据施工验收标准对每一项施工任务的质量进行验收。检验批是工程质量验收的基本单元，能够反映工程的施工质量状况[10]。检验批涵盖了规范要求的主要施工检验记录表，主要包括线下接口工程、模板工序、钢筋工序、混凝土工序、伸缩缝填缝、隔离层、弹性垫层等。如图5所示本系统集成了检验批的管理和审批功能。系统用户(测量员或同等权限用户)登录后，首先提交本次检验批的记录表格，填写完毕后提交质检员、监理等，对应的用户完成系统中的电子审核后，该检验批才能完成最终归档。

图5 无砟轨道检验批管理流程

本系统目前正在昌吉赣客运专线等项目中应用，提高了现场施工和工程建设管理工作效率，其信息化技术为工程质量的管控和验收提供了有力保障。

4 结语

针对高速铁路铺设的高精度、高标准要求，利用高精密的测量手段，结合物联网在数据采集、无线发送、组网能力等方面的技术，研发高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道建造一体化管理系统，实现建造过程数据的实时采集，对无砟轨道建造过程关键工序进行了质量与进度管控。该系统管理了建造过程检验批的相关信息，通过内置的RFID芯片构建了一种新的信息管理模式，不仅关联了轨道板的设计、制造、施工信息，也能够为运营维护阶段提供信息接口，为轨道的全生命周期管控提供了基础。一体化管理系统的应用降低了人力成本，提高了施工精度，保证了建造的质量。CRTSⅢ型板式无砟轨道建造一体化管理系统为高速铁路建设提供了有力的信息化支撑和系统保障，进一步提升了高速铁路轨道建设现代化管理水平。