道岔大轨件全生命周期管理信息系统的设计与实现

任京楠，陈金泽，王东妍，吴 霞，姜 帅

（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. 中国铁路上海局集团有限公司 宁波工务段，宁波 315012；3. 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081）

铁路线路设备作为列车运行的基础，保持其状态良好一直是铁路维修单位的工作重点。道岔是铁路线路的薄弱环节之一，其结构复杂，包含多种道岔大轨件（简称：大轨件），如基本轨、尖轨、辙叉、护轨、导曲等[1]。列车通过道岔时，会因为自身存在的结构不平顺性，引起车轮和轨道发生多点接触，使道岔承受较大的冲击力，导致行车的安全性与舒适性下降，因此，大轨件的服役寿命远小于区间线路的钢轨寿命[2]。2022 年，各铁路局集团公司的道岔统计数据表明，我国道岔铺设约20.8 万组，铺设里程约0.72 万km，为铁路线路总里程的5.2%，道岔部分的养护维修任务更是占据了工务专业工作量的50%左右[3]。由此可见，大轨件作为轨道的关键部位，直接关系到铁路行车的安全性与平顺性。

在铁路传统的被动式养护维修方式下，大轨件运营维护（简称：运维）管理的信息化和智能化程度较低。目前，铁路部分单位对大轨件与备件的养护情况实行纸面人工记录，易产生数据更新不及时、错记漏记、记录查阅困难等问题。亟需使用信息化手段，以保障大轨件养护数据的可靠性与实时性。

李晓东[4]从简化统一道岔型号与标准、跨铁路局集团公司区域联储、强化大轨件寿命周期分析、预测库存需求、建立库存评价体系等方面，提出了大轨件备品库的优化策略；马德礼[5]从建立网格化库存管理体系、全寿命跟踪机制、统一道岔标准、标准化评价体系等4 个方面，提出了优化铁路工务线上料库存的实施路径；王司东[6]设计了基于BeX5 平台的工务线路维修管理系统，登记道岔病害，并进行动态化的病害出入库管理；张明[7]结合中国铁路呼和浩特局集团有限公司研制的大轨件全寿命智能管理信息平台，设计了基于Android 的大轨件信息查询App，协助维修人员在作业现场通过扫描二维码，快速获取轨件的相关信息。

上述研究均存在侧重方向较单一、没有建设与管理理念相配套的信息化系统等问题，无法满足大轨件运维管理需求。因此，本文设计一套大轨件全生命周期管理信息系统，实现对大轨件全生命周期履历数据的自动记录，研发配套手持终端App，协助维修人员进行现场作业、更新设备信息，提升大轨件服役状态和重复利用程度，增强大轨件管理效率，降低维护人员劳动强度。

1 系统设计

1.1 系统架构

大轨件全生命周期管理信息系统采用B/S 架构，其应用服务器、数据库服务器在铁路综合信息网内网运行，可实现中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）、铁路局集团公司、站段、车间、工区的联网应用。该系统架构如图1 所示。

图1 大轨件全生命周期管理信息系统架构

1.1.1 感知层

感知层是获取大轨件数据和实现大轨件状态分析的基础。数据获取手段包括动态检测和静态检查。其中，动态检测数据来源于轨检车、探伤车等；静态检查数据来源于轨检仪、轨距尺、弦绳等[8]。

1.1.2 传输层

传输层将从互联网、无线传输网中获取的检测、监测数据，实时、安全地传输至铁路综合信息网。

1.1.3 系统支撑层

系统支撑层由数据库系统、操作系统和中间件构成。基于具有网格计算功能的数据库，利用地理信息系统（GIS，Geographic Information System）中间件配置地图管理引擎，支持地理信息的采集和发布，并采用报表中间件完成各类报表的制作。

1.1.4 服务层

服务层包含通信服务、接口服务、地理信息服务、空间服务和平台服务，具有统一的开发框架，留有二次开发接口，可根据各铁路局集团公司的特殊业务需求，进行服务的二次开发。

1.1.5 应用与访问层

应用与访问层由台账管理、检测检查数据管理、大轨件状态分析、生产计划管理、作业管控等5 个模块构成。用户可通过浏览器或手持终端App 访问本系统，并进行数据交互。

1.2 数据结构

本系统数据主要包括检测监测数据和设备基础数据，可分为结构化数据和非结构化数据。其中，结构化数据主要包括：主数据（包括单位里程管界、静态检查病害标准、作业项目等公用基础数据）、业务数据（包括设备资产、移动检测、现场检查、状态分析、生产调度、现场作业等所有生产过程数据）、外部数据（包括天窗计划、环境天气、物资目录等外部系统共享数据）；非结构化数据主要包括：文本文件（包括规章制度、通知公告等文字叙述数据）和多媒体文件（包括质量问题图片、现场作业录像、现场语音记录等声像数据）。

2 功能设计

大轨件全生命周期管理信息系统以大轨件台账为核心，对多种检测监测手段获取的报警数据进行标准化采集，对大轨件服役状态进行量化分析，辅助大轨件维修生产计划的编制，以网页和手持终端相结合的形式，对大轨件维修作业全程发生的行为与数据进行实时把控，从而完成大轨件全生命周期的闭环管理。该系统功能如图2 所示。

图2 大轨件全生命周期管理信息系统功能

2.1 台账管理

本系统依据大轨件服役情况，建立大轨件台账与备件台账。将服役中的大轨件，录入大轨件台账；将下道与新采购的大轨件，录入备件台账。为使作业人员可快速定位病害，录入时要梳理大轨件部位字典，并尽量细化。

设备管理人员可在网页端录入大轨件信息并查询历史信息（大轨件位置、病害、作业记录等），还可为每个大轨件生成对应的二维码。通过将二维码固定在现场对应的大轨件上，作业人员即可在现场使用手持终端扫码，实时查询其当前信息与历史更换记录，快速判断大轨件状态及是否具备再次上道使用的条件。若经维修后能满足上道要求，则将该大轨件录入备件台账；若已无法修复，则废弃。

2.2 检测检查数据管理

该功能先建立大轨件设备缺陷标准字典，将设备问题描述词条化、录入问题选择化、问题等级自动化、问题提醒智能化，实现不同阶段、不同来源的多种检测监测报警数据信息的标准化采集和录入，为大轨件状态分析提供数据基础。将大轨件的病害数据全部纳入系统病害库，统一分类，实现闭环管理。

2.3 大轨件状态分析

该功能结合大轨件的投产时间，使用可调权重算法对大轨件状态进行量化评分，综合分析其劣化趋势，找出病害成因，筛选重点病害单元，辅助专业分析人员智能判识大轨件质量状态与缺陷，筛选重点病害地段和大轨件缺陷。同时，建立针对病害发生地点的历史超限数据和生产计划的追踪功能，实现单点病害的数据追踪与分析。

2.4 生产计划管理

该功能以大轨件状态分析数据为基础，设置大轨件的检查维修项目周期，依据设置的周期规则，根据病害紧急程度和车间生产能力，自动生成工区管内年/月计划，最后由日计划引入兑现。实现了年/月计划的自动生成、计划日期变更、审批、汇总、兑现统计等功能。

2.5 作业管控

2.5.1 网页端

本系统网页端可实时显示现场作业人员的运行轨迹，并进行作业监控，对超出作业范围的情况进行报警，事后可追踪查看作业人员的运行轨迹，实现从选定起始点到终止点的回溯。管理人员对作业全过程的录音、照片、录像等多媒体资料进行分析后，将作业详细指标信息、安全措施落实情况和分析结果等录入系统，并统计汇总。

2.5.2 移动端

作业人员可通过手持终端App 全程跟踪作业过程，对方案审批、作业前准备、人员到岗、工机具上下道、关键工序控制和进出工作门等施工维修各环节进行实时记录，将现场情况以录音、照片、录像的形式进行详细记录。若当前作业包含更换大轨件的项目，作业人员可通过扫码，对服役中/备用的大轨件进行信息状态更新，包含下道时间、病害类型、下道原因等。

3 关键技术

3.1 大轨件全生命周期管理流程

本文运用资产管理理念，结合运行维护期间专业设备的修程修制，实现了大轨件从生产至报废的全生命周期管理和从临时修、计划修到状态修的转变。通过对大轨件全生命信息的自动记录，节省人力，减少了传统人工记录可能产生的少记、漏记、字迹辨识困难等情况，提升数据的时效性和确定性，实现大轨件历史数据的追溯及全生命周期各阶段数据的关联分析，从而使积累的数据充分发挥其价值，有效提升大轨件全生命周期管理水平。

3.2 大轨件部位精细化管理

有别于以往的整组道岔评价，本文将管理细化至大轨件的各部位，提升数据的可靠性、实用性，能够准确、快速定位并处置大轨件缺陷，使大轨件与病害数据的关联更紧密，有利于全面感知大轨件状态，分析劣化规律，科学指导维修计划的编制与实际生产作业。根据大轨件的累计通过总重，判断各线路运营压力，更换设备时优先将新购入的大轨件置于繁忙线路，对于维修后的备用大轨件，依据其自身状态，匹配至繁忙程度适宜的线路。实现高质量的精准维修，避免多余劳动与换轨的投入。

3.3 手持终端App 现场信息交互

借助手持终端App，现场作业人员可快速查询大轨件的详细信息，掌握其具体状态。在现场，工作人员通过扫描大轨件上的二维码，进行设备上下道操作，并完善相应信息，使大轨件信息得到及时、规范更新，节约人工填报时间。数据的实时交互提升了作业效率与工作人员的作业体验。

3.4 大文件数据采集与传输技术

本系统支持基于手持终端App 的录音、照片、录像等大文件的实时传输，以国铁集团信息中心建立的CA（Certificate Authority）证书为基础，利用DES（Data Encryption Standard）算法加密传输数据，记录数据属性，服务端解析数据包并加密数据内容。读写文件时，基于HTTP 协议，采用对称加密、用户密钥验证的方式进行数据传输，确保信息传输的保密性、数据交换的完整性、发送信息的不可否认性和交互者身份的确定性，提高传输有效性和安全性，显著提升传输速度。

4 系统应用

本系统于2023 年6 月在中国铁路呼和浩特局集团有限公司某工务段试点应用，取得良好的试用效果。该工务段管界范围内共600 余组道岔，细分成6 000余个大轨件，系统通过台账管理功能对大轨件当前状态与历史信息等进行精细化记录，如图3 所示。在此基础上，设备的劣化趋势分析可更具有针对性，为设备的精准修、状态修提供决策支持。基于大轨件的服役时长、通过总重、该线路列车运行速度等数据，分析线路运营强度，当需要进行大轨件更换作业时，对该位置相邻大轨件的型号匹配、线路运营强度、备用大轨件状态进行综合考虑，选择最适合该位置的备用大轨件。有效保障了大轨件的良好服役状态，延长大轨件服役周期，减少了人力与大轨件采购成本。

图3 大轨件台账管理界面

5 结束语

本文设计并实现了大轨件全生命周期管理信息系统，细化大轨件部位，实现了台账管理、检测检查、状态分析等功能，从而满足大轨件全生命周期的闭环管理需求。试用结果证明，该系统可有效保障大轨件的服役状态，延长服役周期，减少人力与采购成本。

下一步，将根据长期应用积累的数据，对线路的外部环境、通过总重、设备病害等因素进行关联分析，优化大轨件的维修、更换周期，在维修管理单位进行试点，并深入调研各单位的个性化需求，进一步完善本系统，以便充分、高效地发挥大轨件的剩余价值。