铁路桥隧养护作业智能终端设计与应用

郭心全，李 林，沈 鹍，吴 霞

（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）

截至2021年底，我国铁路营业里程突破15万km，其中，高速铁路超过4万km[1]。2021年，铁路工务专业统计数据显示，我国铁路桥梁总数9万余座，累计长度超过 3万km；隧道1.6万余座，累计长度超过2万km；涵渠27万余座，累计长度近7 000 km。随着我国铁路网的逐渐成型，运量不断提升，老旧线路桥隧设备问题多发，新建线路桥隧设备源头问题突出，现有的检测保养维修手段未能精密配合，状态修、周期修等理念发挥的作用不够充分，尚不能及时掌握桥隧设备状态，并做出科学的养修计划[2-4]。

中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）发布的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》指出，要深化修程修制改革，建立健全设施设备养护和评价标准体系，推进全生命周期云端智能健康管理，提高维修检查专业化、集约化、精准化、智能化及造修一体化水平[5]。铁路工务信息化、智能化建设在确保乘客乘车安全出行方面发挥着重要作用，而桥隧建筑物信息化、智能化建设是其重要组成部分，对保障铁路车辆运行安全有着不可或缺的作用[6-7]。因此，亟需运用智能化手段提高桥隧养护作业水平，精准把控设备质量状态，制定科学的设备养护维修方式及维修策略，降低铁路桥隧养护作业成本，提高工作效率。

1 需求分析

为贯彻落实《普速铁路桥隧建筑物修理规则：TG/GW103-2018》[8]和《高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）：TG/GW114-2011》[9]规定的 “检养修”分开的管理新体制，适应新体制下的铁路检养修改革，需要设计并应用铁路桥隧养护作业智能终端App（简称：智能终端App），进一步强化铁路工务桥隧设备养护作业专业化管理。

1.1 业务需求

智能终端App需以工务安全生产管理信息系统桥隧子系统（简称：桥隧子系统）的“检查—分析—计划—作业—验收”闭环作业为依托，按照操作流程简便、数据即时传输、模块松散耦合、用户界面友好的原则进行设计。智能终端App需引入规范化数据标准，固化数据采集流程，提升数据质量，为工务桥隧设备状态的大数据智能分析提供支撑，辅助分析病害成因和养修质量评价，为研究桥隧智能养护维修提供数据支撑[10]。

桥隧子系统的桥隧养护作业闭环管理，如图1所示。其中，智能终端App主要对应闭环管理的检查和验收模块。

图1 桥隧子系统桥隧养护作业闭环管理

1.2 功能需求

智能终端App需确保功能完善，能满足现场应用需求。

（1） 确保数据同步

用户需事先同步云服务器中的字典数据，进行病害录入、保养评定及维修质量验收等功能操作，上传至数据库时同步上传位置信息以保证数据的真实性。

（2） 应对网络建设缓慢

针对特殊地区网络信号弱或未覆盖的问题，智能终端App需有离线登录功能，保障现场桥隧的养护作业。

（3） 设备秋检常态化

将设备秋检和日常检查功能相融合，避免病害数据重复采集，减少现场工作量，提高工作效率。

（4） 设备分级验收评定

维修验收需要经过桥隧工区自验、检查工区复验、车间复验及站段复验四级验收，其中，综合工区既可自验又可复验；保养评定需要经过工区自评、车间复评及站段复评三级评定。

2 智能终端App设计及实现

2.1 架构设计

智能终端App架构由展示层、业务层、服务层及内核层组成，如图2所示。其中，展示层主要用于功能展示，含桥隧管理、验收管理和同步及设置；业务层由桥隧养护作业业务组成，含设备管理、检查标准、病害录入、病害覆盖、维修验收、保养评定等；服务层由基础服务及组件和功能模块组成，其中基础服务含工具集、网络访问、日志树等，组件和功能含UI组件、录音等；内核层主要为前3层所用到的基础库。事件传递及页面路由贯穿业务层和服务层，事件传递主要用于点按、长按等事件的响应及传递，页面路由主要用于页面之间的跳转。

图2 智能终端App架构

2.2 接口程序设计

智能终端App基于铁路网络安全平台，采用微服务技术建立专有接口程序，实现数据在铁路内部服务网的铁路局集团公司数据库服务器与互联网的智能终端App间的交互。接口程序设计如图3所示，可向智能终端App同步用户信息、单位信息、设备信息、标准信息等，根据智能终端App修改的维修信息、保养信息和病害信息更新铁路局集团公司数据库，上传智能终端App录入的设备检查信息、维修验收信息、媒体数据及保养评定信息。智能终端App上传至各铁路局集团公司数据库服务器的数据可在桥隧子系统进行查看及应用，桥隧子系统录入及处理的相关数据也可同步至智能终端App。

图3 接口程序设计

2.3 智能终端App功能

智能终端App主要功能包括设备管理、数据管理和验收管理，如图4所示。其中，设备管理包括设备检查、病害观测；验收管理包含维修验收、保养评定、评定记录；数据管理包括同步数据、上传数据、设置。

图4 智能终端App功能

2.3.1 设备管理

（1）设备检查。采用规范化的桥隧检查标准进行病害录入、重复病害关联、病害发展跟踪，并强制进行照片上传，规范了数据来源，为后续桥隧智能养修提供基础数据。其作用对象为当前登录用户所在单位辖下的桥隧设备。智能终端App录入的数据可在桥隧子系统桥隧管理—经常检查模块进行维护。设备检查病害数据采集标准化如图5所示，桥隧子系统桥隧管理—经常检查模块如图6所示。

图5 设备病害数据采集标准化

图6 桥隧子系统桥隧管理—经常检查

（2）病害观测。病害观测功能主要对桥隧工区、检查工区、桥隧车间及工务段4级用户在桥隧子系统标定的病害进行跟踪观测，掌握病害发展情况，及时把控桥隧设备状态。

2.3.2 验收管理

（1）维修验收。健全完善桥隧设备评价体系，以修前鉴定、修中控制和修后评估评价机制为导向，持续精准把控桥隧设备质量。维修验收功能针对桥隧工区、检查工区、桥隧车间及工务段用户，实现对当前单位上一个周期到本周期中设备维修计划作业情况的验收，并进行设备修后评定工作。智能终端App工区维修验收模块界面如图7所示。

图7 维修验收模块界面

（2）保养评定。保养评定功能主要用于桥隧工区自评，根据保养标准对当前单位管界内设备的检查数量和缺点数量实现自动扣分和结果自动评定，为后续的大数据分析积累数据，进而为桥隧养修提供智能决策。功能界面如图8所示。

图8 保养评定功能界面

（3）评定记录。评定记录功能主要用于桥隧车间及工务段对工区自评结果进行复评。

2.3.3 数据管理

（1）同步数据。同步数据功能帮助用户实现登录设备后同步台账数据、数据标准及业务数据到智能终端App。

（2）上传数据。上传数据功能将智能终端App录入的检查数据上传至数据接口，上传完成的数据可在桥隧子系统页面进行查看维护。

（3）设置。设置功能包含清理缓存、检查更新和退出3个子功能。

2.4 业务流程

智能终端App业务流程如图9所示，其登录功能包含登录和离线登录2个模块，且可根据不同级别的账号展示不同的功能模块及内容。其中，离线登录用于用户登录并同步数据后的二次登录，且只能使用不需要实时查询数据的功能。智能终端App业务流程主要由设备检查、病害观测、维修验收和保养评定组成。（1）设备检查需要在同步设备台账和检查标准数据后，选择新增病害还是重复病害，并进行数据录入。（2）病害观测需要登录后实时查询数据库中的病害并进行重复病害数据录入。（3）保养评定流程中工区自评（桥隧工区、检查工区和综合工区）需要同步设备台账和保养标准数据后再进行操作，随后依次进行车间复评和站段复评。（4）维修验收流程中需判断工区性质后进行工区自验，综合工区可在自验后自行复验，而桥隧工区在自验后需检查工区进行复验，然后依次进行车间复验、站段复验，并将信息上传至数据库。

图9 桥隧养护作业智能终端App业务流程

3 关键业务及技术

3.1 关键业务

3.1.1 贯彻专业修规

智能终端App的设计与实现依托于桥隧子系统，严格贯彻国铁集团规定的 “检养修”分开的管理新体制，充分落实“检查和养修”分离的管理理念。针对桥隧工区、检查工区、车间、站段4级用户进行功能设计与实现，提高检查和维修质量。

3.1.2 规范检查标准

智能终端App引入规范化的检查标准，并采用设备检查、维修验收及保养评定功能对桥隧设备状态进行评定及检查，将标准化后的检查数据、作业数据按照线性资产维度进行整理，为工务安全生产大数据分析和桥隧智能化养修决策提供支撑。

3.1.3 设备秋检常态化

智能终端App将设备秋检融入日常检查，录入病害数据符合秋检标准，将同步进入秋检病害库和日常检查病害库。相对于秋检及日常检查病害分项采集重复录入的方式，提高了工作效率，降低了病害录入的工作量。

3.1.4 生产流程闭环

智能终端App结合桥隧子系统实现了基于桥隧设备基础履历、规范化检查标准的“检查—分析—计划—作业—验收”安全生产闭环管理。促进桥隧生产作业在循环积累中不断提高效率、保证责任落实、避免工作漏洞。

3.2 关键技术

3.2.1 微服务+云平台接口技术

智能终端App基于铁路网络安全平台采用微服务技术建立专有接口程序，实现了与桥隧子系统的安全通信，切实保障了数据的及时性、准确性和可靠性。微服务+云平台接口技术优势包括：（1）松耦合，有助于分工协作，提高开发效率；（2）可扩展性，适应快速迭代开发；（3）高效运维，实时掌控服务健康状况。

3.2.2 安全认证与传输技术

由于智能终端App用户所处的网络环境比较复杂，时常处于无网络环境及断线的情况，仍需保障终端用户对数据的收集及上传，同时确保数据安全、准确。本文通过证书颁发机构（CA，Certificate Authority）认证的方式保障了数据传输的安全性，其作用是证明证书中列出的用户，合法拥有证书中列出的公开密钥，且CA的数字签名使攻击者不能伪造和篡改证书。

3.2.3 病害智能判识技术

依据规范化的桥隧检查标准，智能终端App可基于录入的病害数据智能判识病害类别、病害部位、病害结构等。同时，智能终端App将日常检查与秋检相融合，设备检查模块依据录入的病害性质及检查标准进行智能判识，符合秋检标准的病害自动录入秋检病害库，符合日常检查标准的病害自动转入日常检查病害库。

4 结束语

我国高速铁路营业里程位居世界第一，且占全铁路线路的比重日益加大[11]，提高桥隧养护的智能化水平对列车在桥隧设备上安全平稳运行有着重要作用。智能终端App通过规范化的桥隧病害检查标准，提升病害智能判识能力，辅助建立养护闭环管理流程，方便养护单位及时掌控桥隧设备状态，为制定科学的设备养护维修方式及维修策略提供依据。通过智能终端App的应用实践，收集了大量的照片及格式化数据，后续将以建立桥隧典型病害及处置专家知识库为目标，从图像分析、自然语言处理及大数据分析等技术上持续提升智能终端App的智能化水平。