国家能源集团货车状态修生产指挥系统构建研究

董 咚

(国家能源投资集团有限责任公司 国能铁路装备有限责任公司，北京 100120)

0 引言

国家能源投资集团有限责任公司(以下简称“国家能源集团”)拥有2 000余km的自备铁路线路、5万余辆铁路自备货车，其下属的国能铁路装备有限责任公司(以下简称“铁路装备公司”)主要承担国家能源集团机车、货车的维修保障、设备租赁及铁路线路的维修养护工作等业务。国家能源集团货车检修原先采用传统的计划修模式，该检修模式存在检修频次多、检修成本高、车辆利用率低、运输能力释放受限，以及“大拆大卸”带来过渡检修等问题，随着货车设计制造理念和制造水平的大幅提升，轨边安全监测设备与货车检修工装设备自动化、智能化水平的不断进步，以及重载铁路运输组织模式的持续优化，计划修模式已经不能满足国家能源集团铁路运输板块高质量、智慧化发展的需要[1]。为了更好地贯彻落实铁路运输供给侧结构性改革，国家能源集团以提高铁路货车运输生产效率和全力保证运输生产安全为发展目标，开展了货车状态修修程修制改革探索与实践[2]，促进车辆周转逐步加快，运输生产能力不断释放。

随着货车检修修程修制改革的持续推进，为保证货车检修和运用的科学循环，高效能支持铁路运输服务，铁路装备公司需要按照国家能源集团铁路货车状态检修新模式研究适用的生产指挥系统，该系统作为铁路货车管理的重要支撑，统筹各种资源进行生产组织和应急处置，确保实现对车列修程的整列预报、自动列车调向管理、欠混编预警管理、补轴车源推荐等调度指挥功能。

1 货车状态修生产指挥系统需求分析

计划性预防修向状态修转变是我国铁路货车检修体制的发展趋势[3]。基于状态修的货车检修是依据车列、车辆健康状态决定进入检修修程的一种检修模式，根据检修内容的不同分为状态一修(简称Z1修)、状态二修(简称Z2修)、状态三修(简称Z3修)、状态四修(简称Z4修) 4个修程。国家能源集团货车状态修是依据货车运行状态探索实行全新的针对性检修方式，改变了传统铁路货车“日常维护、定期检修”的流程驱动模式，依托轨边监测设备、剩余寿命预测模型、健康状态诊断模型等输出的多态数据信息实行货车状态修。为应对修程修制改革给生产指挥业务带来的诸多变化，铁路装备公司引入状态修理论研究成果，研制一套满足状态修要求的信息化管理系统，充分发挥信息监测、集成、处理、分析技术优势，通过对列车扣车、送修、出车、调向、补轴等作业全过程的信息化指挥及货车检修、运用进行全过程监控，以满足货车状态修检修的关键需求。

（1）支持不同等级修管理要求，保证施修地点的高效匹配。整合状态修数据中心提供的以运行里程、多T预警（即由铁路货车状态地面安全监测系统(TPDS)、货车运行故障动态图像检测系统(TFDS)、车辆轴温智能探测系统(THDS)、车辆滚动轴承故障轨边声学诊断系统(TADS)等采集到的车辆运行过程中的各类故障信息）、检修信息为一体的“车列—车辆—零部件”三级技术状态档案信息及车辆运行轨迹信息，诊断决策综合判别模型系统提供的车列、车辆诊断决策报告和剩余里程预测信息，依据来车情况和检修单位检修能力制定扣车计划，发布整列扣车调度命令，完成扣车、送修作业及车流管控等。货车状态修生产指挥系统信息交互如图1所示。

图1 货车状态修生产指挥系统信息交互Fig.1 Information exchange of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

（2）支持状态修管理单元的变化。状态修不再以“辆”为检修管理单元，改为按整列固定编组进行管理。固定编组是重载铁路运输组织最基础的管理单元，也是状态修管理的生命线，固定编组管理的时效性、规范性和准确性直接决定了状态修实施效果。因此，状态修生产指挥需要具备保持编组中车辆的健康状态相近或趋于一致的能力，适应铁路货车检修由以“辆”为检修单元转为以“列”为检修单元的状态检修模式。

（3）支持以“列车健康状态诊断评价”作为等级修的唯一依据。随着铁路货车检修修程修制的改革，车辆检修需要根据车辆的健康状态安排检修计划，从而实施检修。需要基于全新的货车检修、运用标准体系、车辆安全监控体系，以车辆基本结构的零部件寿命管理体系为基础，以先进的轨边检测设备的数据预判和车辆零部件寿命预测为手段，以各级修程的零部件装配数据、质量缺陷及故障采集、试验测试数据为依据，对列车—车辆健康状态进行量化综合分析评价及决策，从而实现对故障的精准施修与寿命管理配件的快速、批量换件修。因此，状态修生产指挥需要具备以列车健康状态诊断评价作为等级修唯一依据的综合调度指挥能力。

（4）支持列检作业方式的转变和生产力布局的调整。随着多种地对车监测系统的建设上线，铁路装备公司具备了进一步调整列检布局的条件，以“抓两头放中间”为管理理念，利用列检对装前卸后列车进行人工检查，利用应急处置小组基于多T系统的状态监测模型[4]对TPDS，TFDS，THDS，TADS等安全监控设备的预报故障进行确认和处置，并采集复核确认结果。因此，状态修生产指挥系统不仅要对保留的列检作业进行跟踪，还要跟踪应急处置小组的作业过程，实现铁路货车检修闭环管理及保证运用跟踪全范围覆盖。

2 货车状态修生产指挥系统构建技术方案

2.1 总体架构

货车状态修生产指挥系统是集列车运用状态监控、检修作业过程管理、生产调度执行等功能于一体的应用系统。为了保障应用要求，系统按照企业面向服务的体系结构(SOA)架构方法[5]进行总体架构设计，主要包括数据汇集层、解析处理层、业务应用层、用户访问层和展示层。

（1）数据汇集层。数据汇集层利用Web Service技术实现接收车辆技术状态数据中心提供的车辆位置信息、技术状态档案信息、走行里程信息、检修过程监控信息、黄标方向信息，接收状态修诊断决策综合判别模型输出的车列决策诊断报告、车辆技术状态诊断报告，作为状态修生产指挥的基础数据，并通过接口输出列车扣车、调向、补轴等调度指挥结果到车辆技术状态数据中心，支撑货车状态修业务的有效开展。

（2）解析处理层。解析处理层利用ETL(将数据从来源端经过抽取、转换、加载至目的端的过程)工具和结构化查询语言(SQL)相结合的方式对不同来源的数据进行清洗和转换，形成系统的有效数据资源。

（3）业务应用层。业务应用层根据业务需求，实现“车列－车辆－零部件”三维状态和车流的实时监控、预警和综合管控，提高车列固定编组率，通过车列、车辆健康评分及颜色管理实现车列状态检修智能排产，对危及运输安全的红线车辆及时进行拦停，对健康状态已接近临界值的橙色车辆安排扣修计划，对于暂不影响正常运行的黄色车辆进行重点盯控，保障车辆运行安全。整合运输管理、车辆运行里程、生产管理数据，实现单车收益率、车辆使用效率及周转时间的定制化驾驶舱综合展现，辅助生产指挥执行和决策，提升固定编组率、车辆使用效率、单车收益率，并进而缩短车辆周转时间，达到三率一时管理目标。

（4）用户访问层。在基于角色的访问控制(Role-Based Access Control)中，权限与角色相关联，用户通过成为适当角色的成员而得到这些角色的权限，极大地简化了权限的管理。

（5）展示层。采用可视化技术对不同运用场景的生产指挥信息进行多维度展示，增强数据可读性、协同性，提升用户体验舒适度。

货车状态修生产指挥系统总体架构如图2所示。

图2 货车状态修生产指挥系统总体架构Fig.2 Overall architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

2.2 物理架构

货车状态修生产指挥系统配备数据库服务器、应用服务器、备份设备、终端PC等，主要服务器采用高可靠冗余设计，实现负载均衡，在内存容量、接口等方面留有发展空间和扩展能力。系统的数据传输和应用均通过铁路装备公司内网实现，而沧州的备份一体机则通过专网与铁路装备公司连接，遇到突发情况时可灾备自动切换，保证业务的连续性和数据的安全性。货车状态修生产指挥系统物理架构如图3所示。

图3 货车状态修生产指挥系统物理架构Fig.3 Physical architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

2.3 技术架构

货车状态修生产指挥系统采用基于Java EE规范的企业级B/S架构，利用元数据驱动的业务组件开发模式，融合Spring，Hibernate，Activiti等优秀的开源组件，构建以服务为核心的技术架构，具备开发快速、包容变化、灵活扩展、高级复用等特性。数据架构部分参考铁路大数据平台架构设计，按照数据获取、数据处理、数据服务打破数据壁垒形成数据资源全景视图[6]，可快速构建业务原型，实现配置式的界面设计和权限体系，提供良好的用户体验。货车状态修生产指挥系统技术架构如图4所示。

图4 货车状态修生产指挥系统技术架构Fig.4 Technical architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

2.4 应用功能

货车状态修生产指挥系统的建设以车辆使用效率、效益最大化为原则，通过强化工种间协同能力，全面适应状态检修模式，实现加快车辆周转，提高运输效率和经济效益，更好地释放铁路运输生产能力。系统业务应用功能按照业务内容划分为10个部分，货车状态修生产指挥系统功能架构如图5所示。

图5 货车状态修生产指挥系统功能架构Fig.5 Function architecture of production command system for condition-based maintenance of railway freight cars

（1）装备及能力。实现铁路装备公司管内车辆技术档案、监测设备状态、各检修基地检修能力等情况的精准掌握。车辆基本信息总表即车辆基本信息、当前编组、特殊技术状态、状态修修程标识等关键信息；轨边监测设备即铁路线各铁路公司地面监测设备(TPDSTHDSTADSTFDS)线路分布、设备编码、设备公里标、设备站点名称等关键信息，同时通过监测设备报文上传自动预警设备状态；检修能力即各维修分公司检修台位，智能排产结合检修能力自动推送调度扣车计划。

（2）状态修固定编组。铁路装备公司货车车种单一、车型较少，且新型重载铁路货车占主要比例。基于列车运输组织模式和货车管理水平大幅度提高，多T等检测设备应用日趋成熟等有利因素，货车状态修生产指挥系统建立了固定编组管理，旨在实现编组资源的最优配置，压缩车辆集结时间，进而提高编组站作业效率[7]。货车状态修生产指挥系统重点关注由于装卸点作业、突发故障甩车、行车故障等导致的固定编组变更情况，从装车点重车方向盯控编组，从卸车点空车方向校验编组，通过分析轨边探测设备监测固定编组车列情况，实现对固定编组数量、车型、车辆技术状态等情况的分析，对不符合固定编组的情况及探测到的欠轴车列进行预警，辅助调度人员及时对固定编组车列进行调整或补轴，及时更新装卸点及突发故障甩车形成的编组变化，实现相近状态车辆的最大化编组保持，为状态修的实施效果提供基础保障。固定编组组织流程如图6所示。

图6 固定编组组织流程Fig.6 Organization process of fixed formation

（3）列车运行监控。建立基于地理空间分布的可视化监控大屏，对“一列、一辆、一件”实时状态重点盯控，实现对红线、橙色、黄色等存在零部件故障或里程超限车辆的车列技术状态、调向，以及由于装卸点变更编组、突发故障甩车、行车故障等导致的车列违编情况的智能预警，通过构建小列编组，实现对重车方向变更、空车方向校验、甩车情况特殊盯控等编组模式的监管，通过车列评分预警对列车修程进行预报，指导现场及时解除安全问题、科学调配用车、准确完成扣车，保证运输安全和效率。安全监控预警可视化效果图如图7所示。

图7 安全监控预警可视化效果图Fig.7 Visual effect of safety monitoring and early warning

（4）检修计划。根据车辆健康评分及运行里程数据，结合状态修诊断报告，预测车列检修修程分布，为制定检修月度、年度计划提供参考。状态修检修计划更多地服务于均衡生产，根据检修能力、资质等情况合理调控生产节奏。

（5）状态修智能排产。智能排产主要涵盖系统综合车列健康评分、下次修程、剩余里程等因素，实现对车列进行检修推荐，调度人员从中选取车列，制定扣车计划；通过检修分公司、铁路装备公司两级实现对扣车计划的审批形成状态修日班计划，安排车列进行扣修，同时根据生产实际情况生成修竣车日出车计划，跟踪月计划兑现率、日出车兑现率等情况，辅助车辆检修管理。基于智能排产的状态修车辆检修组织模式，实现月旬轮廓计划与调度日(班)计划相结合，统一部署组织，做好站调计划预留。智能排产流程如图8所示。

图8 智能排产流程Fig.8 Flow of intelligent scheduling

（6）调度命令管理。检修公司根据本单位实际情况提报调度命令的申请，铁路装备公司综合问题列车的状态和各检修单位的当前能力，发布安全、高效的整列扣车调度命令。系统采取车辆调度为主、车流调度为辅助的调度协同模式，实现合理化、均衡化组织扣修。

（7）状态修检修整备全过程。通过对列车扣车、待修、修理、修竣、移交、出车等作业全过程的信息化指挥及货车检修运用全过程监控，实现各维修分公司状态修(Z234修程)检修全过程重点盯控，实现整备线(Z1修程)检修入线到移交全过程跟踪。通过统计状态修扣修车辆扣车、出线、残车等信息，为智能排产提供数据支持。

（8）补轴管理。为了保障状态修扣修单元的稳定，需要对欠轴车列进行补轴管理。补轴主要分为检修补轴和运用补轴2类，针对检修补轴车列修竣出车前，对车列编组辆数进行核定，如果欠编则需要补轴满足条件的修竣车才可交出；车列在运行过程中由于发生临修故障必须甩轴运行，为了保障运输效率，需及时安排补轴。建立状态修零散车管理，根据零散车分布车站、黄标方向、下次修程匹配欠轴车列，形成状态修待补轴车源库。在补轴等操作时系统依据车辆当前位置、欠轴情况、车列健康状态等情况按照位置就近、车型相同、黄标方向一致、健康状态趋近等原则综合分析，自动推送合适的补轴车源推荐方案，以将整列扣的检修效率优势发挥到最大。车辆补轴流程如图9所示。

（9）调向管理。为了避免列车长期单向运行造成车轮等零部件偏磨，影响运输安全，货车状态修生产指挥系统提供列车环线调向能力，以大柳塔、黄骅港、点岱沟、南坪4个站点为调向点，依据状态修数据中心提供的车列东西向运行里程差值，制定合理的状态修列车定期环线调向计划，并在生产指挥系统中进行环线调向工作的计划编制、进度查询、统计分析。列车调向管理流程如图10所示。

图10 列车调向管理流程Fig.10 Process of train direction management

（10）决策分析。决策分析实现对车辆状态演变、扣车残车、发运吨、货物周转量、周转时间、单车使用率、收益率等关键数据和指标的多维度分析，实现车列健康状态分布、车流可视化、重点车站存车可视化、检修全过程等动态静态车辆实时监控；形成“每车有状态、每车有动态、每车有指标”的单车指标化管理能力，并通过使用率、收益率、固定编组率等核心动态指标，为状态修生产组织全面实现、车辆使用精准化分析、提高单车使用率及制定车辆经营决策奠定坚实的管理基础。

2.5 关键技术

（1）消息实时定向推送技术。状态修模式下车列运行里程、车列、车辆健康诊断报告等动态信息是关键，货车状态修生产指挥系统需要实时获取服务器消息并主动推送预警，通过应用Web Socket技术，建立浏览器与服务器间的全双工通讯，实现客户端和服务器端的长连接。同时，提供高度抽象的编程接口，降低业务开发成本。

（2）信息资源融合互操作技术。货车状态修生产指挥系统应用元数据及标准化技术完成相关车辆领域数据的统一描述，利用动态数据库访问技术、Web Service技术、通用服务中间件技术等互操作技术实现对数据的协调处理和对信息的交互融合[8]。

（3）应急预案智能匹配技术。任意时间发生并获得事件信息后，系统自动基于事件发生位置、事件类型等指标，从铁路调度指挥管理办法、应急指导书等数据库中自动为调度员匹配用于处理当前紧急情况的条款及应急处置预案，提高决策效率和处置方案的准确度。

（4）基于Web的可视化技术。货车状态修生产指挥系统利用Web GL、HTML5技术及d3.js等图形库，形成管内所有车站、检修基地、调向点等基础地理信息的可视化地图。用户通过刷新页面即可随时获得列车位置、预警提醒等最新的数据，利用用户终端进行渲染计算，不再需要反复与服务端交换互操作的参数和渲染生成的图片，降低了带宽和网络延迟的限制，大大提高了便利性。

3 结束语

货车状态修生产指挥系统从状态修模式下的生产指挥实际业务出发，搭载以服务为核心的架构组件，以可视化监控的方式实现智能化的生产管理，形成“预警信息有推送、结果数据有共享、智能分析有决策、调度指挥有依托”的系统化应用。自2019年7月国家能源集团启动铁路货车状态修管理以来，货车状态修生产指挥系统辅助生产指挥实行固定编组动态管理，建立固定编组和零散车预警机制，为扣车组织、车流盯控、单车指标化管理及状态修的实施等工作提供了重要的基础保障。截至目前，该系统保障日均固定编组850余列的固定编组率达95%，零散车控制在500辆以内，关门车控制在20辆以内，运行过期车压缩在30辆以内，扣车组织兑现率由原先的30%提高至现在的70%左右，极大地提升了货车运行品质，有效支撑了国家能源集团铁路货车状态检修业务开展。货车状态修生产指挥系统将以全面状态修为契机，紧密围绕“固本强基、转型发展”的工作主线，以车辆使用效率效益最大化为原则，达到强化日常车辆管理能力的目标。