基于三维GIS技术的工务线路质量闭环管理模式应用研究

■ 罗志权 郭琦 梁栋 罗永亮

基于三维GIS技术的工务线路质量闭环管理模式应用研究

■ 罗志权 郭琦 梁栋 罗永亮

以三维GIS作为技术支持，依托海南东环线线路设备以及检测数据，基于三维GIS铁路固定设施生产管理系统，探索研究工务线路质量闭环管理模式在系统中的应用。通过对工务线路质量闭环管理的广泛调研，提出工务线路质量闭环管理在三维GIS铁路固定设施生产管理系统中的功能应用并总结其特点，研究线路质量分析应用于系统功能的逻辑算法。实践表明，工务线路质量闭环管理模式通过结合三维地图展示使线路缺陷查询管理更为直观；闭环管理模式应用于系统功能能够良好覆盖铁路养护维修的各个过程体系，符合中国铁路总公司维修体制改革的各项规范，进一步提高业务效率与数据精准度，以期为铁路工务系统安全生产工作作出贡献。

三维；GIS技术；固定设施；生产管理；融合算法；闭环管理；养护维修

铁路运营安全已成为我国政府和广大群众最为关注的内容之一，但传统的生产维修管理手段已难以应对里程、运量与安全级别不断增加的需求。对于铁路设备管理部门亟需寻求新的、更加有效的管理手段，及时掌握设备状态及其周边环境，合理制定维修计划，有效处理设备的渐进性缺陷与突发性故障，降低铁路沿线的地形、地质、自然环境等条件对生产维修的影响，减少设备维修维护对本专业其他设备设施、外专业关联设备设施的影响［1］。

工务线路质量闭环管理模式是铁路工务系统近年来根据中国铁路总公司维修体制改革要求逐渐推广的新型管理模式［2-3］，它将过往铁路养护维修相对独立的各个工作阶段彻底关联起来，建立流转机制，实现数据统一管理与履历追溯，进一步提高养护维修工作效率以及作业精准度［4］。基于三维GIS铁路固定设施生产管理系统，提出了一整套工务线路质量闭环管理模式在系统中应用的解决方案，并结合海南东环线设备数据以及线路检测数据进行实践验证。

1 工务线路质量闭环管理模式

1.1 基本内容

工务线路质量闭环管理是铁路养护维修中一种重要的管理模式，同时也是一个完整的过程体系（见图1），通过以下步骤完成铁路养护维修的闭环管理，从而确保线路质量安全工作的顺利开展。（1）按照线路设备的检测周期采用各种检测仪器及检测手段对线路几何尺寸以及其他安全参数进行检测；（2）通过线路质量分析，将得到的检测结果数据按照一定的分析逻辑加以分析利用，得到针对性的分析结果数据；（3）将这些分析结果汇总、筛选，形成对应的铁路线路整治办法，并最终派工到日常维修作业中去；（4）通过下一次的检测结果来验证上一次维修作业的有效性，指导接下来的维修作业；（5）将线路设备的检测结果以及维修反馈登记在案，形成线路设备履历可供追溯。

图1 闭环管理模式示意图

1.2 功能概述

根据中国铁路总公司维修体制改革办法［5］对工务线路质量安全管理要求的阐述，总结出适用于工务线路质量安全管理办法的线路质量闭环管理功能［6］，其中包括：线路设备管理、检测数据管理、线路质量分析、维修计划管理、设备单元履历等几大功能，且功能间实现数据互通与流程卡控，具体功能操作流程见图2。

图2 闭环管理操作流程示意图

1.2.1 线路设备管理

工务线路设备主要包括钢轨、曲线、道岔、轨枕等。线路设备管理主要是针对铁路养护维修作业中的相关设备的定位信息以及设备基本参数进行管理，为之后的线路质量分析提供基础数据支持与分析依据。

1.2.2 检测数据管理

线路设备检测是闭环管理的起始阶段，主要是按照线路设备的检测周期采用各种检测仪器及检测手段对线路几何尺寸以及其他安全参数进行检测并登记。采用的检测仪器主要包括轨检仪、车载式添乘仪、轨检车等。将这些检测数据按照动态和静态进行分类管理，并建立审核发布机制，从而为线路质量综合分析提供真实有效的数据来源。

1.2.3 线路质量分析

线路质量分析是工务线路质量闭环管理中承上启下的重要阶段。采用不同的分析方法对检测数据进行不同算法逻辑的数据计算，得到针对性的分析结果，再将这些分析结果汇总、筛选，形成相应的铁路线路整治办法。线路质量分析主要有3种方法：线路不平顺度分析、集中修大机捣固分析、设备单元化分析，3种分析方法都会产生对应的线路问题缺陷区段以及整治建议，为维修计划的制订提供依据。

（1）线路不平顺度分析（动静态分析）。线路不平顺度分析是通过设定动态的单元长度去查找单元长度内各种检测结果中的问题缺陷点，通过设定不同的问题等级扣分来计算单元长度内总扣分值，并与分析人员设定的动态扣分阈值相比较，如果超过阈值则将此单元区域判定为问题区段并输出。如果相邻的问题区段距离长度小于分析人员设定的间距长度阈值，则将相邻的问题区段合并，最终将线路里程范围内所有的问题区段输出流转到维修计划管理处，为计划制订提供数据支持。

（2）集中修大机捣固分析。集中修大机捣固分析是采用轨检车TQI以及轨检车超限检测数据通过区分不同线路速度等级的因素设定几何尺寸的峰值阈值，当检测结果的几何尺寸峰值超过设定阈值，则将轨检车TQI 200 m单元输出为缺陷区段，并根据超过阈值的数据大小来判定线路捣固的遍数，最后将首尾相连的有缺陷的200 m区段进行融合，得到最终捣固建议输出，作为线路集中修捣固作业的数据支持。

（3）线路设备单元化分析。线路设备单元化分析是按照线路设备特征以及线路速度等级将线路划分为连续的线路设备单元，并建立相应的设备单元履历。每月月初采用轨检车、轨检仪、机车报警等检测结果数据按照设定的权值系数相乘得到总的单元评分，根据评分范围判定当月的单元质量评价，并把最终的评价得分和评价等级加入线路设备单元履历供追溯查询，通过线路设备单元履历可以直观查询该单元一段时间内的质量变化。

（4）维修计划管理。通过线路质量分析得到的分析结果最终将流转到计划的制订中，并与分析结果相关联，当计划流转执行完成后，分析结果状态也会相对应地变化。铁路维修作业人员根据计划内容进行实际现场作业，并将实际作业情况反馈到计划中保存以供追溯。

2 线路质量分析算法研究

通过线路质量分析最终得到的线路问题区段往往呈现不均匀性分布，部分里程段问题缺陷密集，且具有相同的线路特征以及问题诱因，按照铁路维修规范应该视为一个问题统一处理［7］。因此，线路质量分析缺陷区段融合算法以及算法参数的验证也成为课题研究的内容。通过反复调整融合算法逻辑以及融合算法参数得到测试结果数据与现场实际情况相比对，最终确定了融合算法的逻辑与算法参数如下：

以初始缺陷里程点作为起点，按里程从小到大排序查找下一个里程点，若2个里程点间距小于融合里程参数值，则2个里程点之间形成缺陷里程区段，之后以第2个里程点作为起点继续按照顺序查找，直到与下一个里程点间距大于融合里程参数值时，取最后一个里程点作为当前缺陷区段终点，然后再次以下一个缺陷里程点作为下一段缺陷里程区段起点。

图3 融合算法参数验证步骤示意图

如图3所示，根据动静态分析的业务需求，以及融合算法的基本思路，结合海南东环线实际融合里程参数单一变量验证结果的数据分析（见图4），可以得出以下结论：在4组数据中前2组百分比取较低值，后2组百分比取较高值。当参数值取30 m时，融合算法得出的一系列缺陷区段数据能够更全面覆盖线路上的缺陷数据，更好反应线路上的包括添乘仪晃车、轨检仪临时补修、机车报警等缺陷情况，更有效地指导维修派工工作。

3 基于三维GIS铁路固定设施生产管理系统功能的应用

3.1 设备管理

设备管理模块支持在三维场景中加载铁路设施设备精细三维模型，并将设施设备模型与相关对象信息关联，进行直观可视化管理与查询，提高管理工作效率和质量（见图5）。主要包括线上设备车站、区间、道岔、曲线、桥梁、隧道、道床、变动所等，支持相关设备查询、定位、标识、信息及相关专题图显示。

3.2 检测数据管理

根据检测原始数据，使用数据仓库和数据挖掘技术，完成综合设施关键数据分析模型的建立，以提高线路质量和检修效率。支持在三维场景沿线动态标识相关线路检控结果地理位置，添加相关标注，关联相关信息，从而进行可视化管理与查询，提高管理工作效率和质量（见图6）。

3.3 线路质量分析

图4 参数验证百分比线形图

图5 设备管理案例

图6 检测数据管理案例

线路质量分析分3大功能，数据来源于添乘仪、轨检仪、轨检车等检测数据，综合考虑失效连接零件等因素，能够自动计算出重点病害与病害集中区域，并给予评价，给出整治建议。同时支持相关分析结果信息查询、定位、标识、严重级别筛选、以及相关专题图如统计图、趋势图、线路技术图、车站配线图等专题图的查询显示。线路质量分析功能案例见图7。

图7 线路质量分析案例

3.4 维修计划管理查询

通过线路质量分析得到的分析结果最终将流转到计划的制订中，最后与分析结果相关联。作业管理模块支持在三维场景沿线动态标识相关作业地理位置、添加相关标注、关联作业信息，从而进行可视化管理与查询，同时支持相关作业位置定位、标识、信息及相关专题图的查询（见图8）。

4 结束语

依托于海南东环线线路设备以及检测数据，基于三维GIS铁路固定设施生产管理系统，探索了工务线路质量闭环管理在系统中应用的解决方案，取得以下成果：

（1）将铁路设施设备三维建模后，通过在三维GIS平台中集成，并建立与后台设备台账的关联，实现了铁路设施设备所见即所得的查询方式。

图8 维修计划管理查询

（2）整合线路综合图、站场配线图等多种专题图，实现图纸数字化，并与三维GIS集成，实现专题图内容的速查及其与安全生产数据的综合查询。

（3）采用多种检测手段为系统算法提供各种检测数据，最大程度地消除信息孤岛现象；采用多种峰值管理、扣分管理以及创新建立质量分析缺陷区段里程融合等逻辑算法实现全面的线路质量分析功能，最大程度地提供线路质量安全保障。

（4）系统分析数据结合三维地图展示使线路缺陷查询管理更为直观，并提供诱因分析、维修建议等功能实现了缺陷分析维修与计划的关联，完成工务线路质量的闭环管理，符合铁路局维修体制改革的各项规范。

［1］ 廖林勇. 浅议铁路工务安全管理存在的问题及对策［J］. 安全生产与监督，2004（5）：37-38.

［2］ 铁总运［2013］60号 中国铁路总公司关于加强和改进工务普速线路维修管理工作的通知［S］.

［3］ 徐贵红，陶凯，刘金朝，等. 铁路工务安全生产管理分析系统［J］. 铁路技术创新，2015（2）：27-30.

［4］ 庄小静. 铁路线路检养修体制改革的实践［J］. 环球市场信息导报，2015（19）：62.

［5］ 中国铁路总公司. 铁路技术管理规程［M］. 北京：中国铁道出版社，2014.

［6］ 叶茂瑞，莫善军，黄凯，等. 铁路工务安全信息集成方法研究［J］. 铁道运输与经济，2007，29（7）：39-42.

［7］ 胡传亮，刘振东. 事件数分析法在铁路工务施工安全管理中的运用［J］. 赤子，2013（2）：129-130.

罗志权：海南高速铁路有限公司，高级工程师，海南 海口，570125
郭 琦：海南高速铁路有限公司，工程师，海南海口，570125
梁 栋：中国中铁二院工程集团有限责任公司，助理工程师，四川 成都，610031
罗永亮：中国中铁二院工程集团有限责任公司，助理工程师，四川 成都，610031

责任编辑 李葳

U216.2；TP29

A

1672-061X（2016）03-0046-06

中国中铁二院工程集团有限责任公司课题项目（14126211（14-15））。