铁路线路单元质量管理信息系统框架探讨

铁路线路单元质量管理信息系统框架探讨铁路线路单元质量管理信息系统框架探讨铁路线路单元质量管理信息系统框架探讨陶竑宇1,2，郭靖1,2，李远富1,2 (1.西南交通大学土木工程学院，成都610031; 2.高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都610031) 摘要：铁路行业的高速发展向铁路线路管理提出了更高要求，亟需信息系统辅助管理。

通过研究分析国内外铁路线路信息管理系统现状，明确线路单元优化划分和养护维修计划优化制定是系统的发展方向。

依据公路单元划分的方法，探讨铁路轨道单元划分的原则和方式，研究“秩和检验法”划分线路单元的具体步骤，总结轨道单元划分管理的实际应用效果。

参考国外铁路线路信息管理系统的框架搭建形式，结合单元管理思想探讨系统各模块功能，搭建线路检测、单元划分、计划制定、实施效果反馈的连续性管理框架，并在计划管理模块中采用案例推理技术(CBR)，设计两次推理过程，建立检测数据与对策源案例的联系，优化养护维修计划制定方法，为铁路线路的管理提供决策支持。

关键词：铁路线路；信息系统；单元划分；养护维修；秩和检验法；案例推理技术随着我国铁路网快速建设，铁路向高速化、重载化方向发展，铁路线路管理愈发重要，养护维修作业时间更短，需完成的维修任务更重，各工务段需要管理更长的线路区段，合理指导大中型机具高效快速作业，将有限的资源用到最需要养护维修的线路区段上[1]。

同时，铁路线路管理部门具备的轨道检测设备(如轨道检查车、机车动态检测仪、添乘仪、钢轨探伤车、轨检仪等)已经能实现轨道的各种动态、静态检测功能。

综合分析，构建更加合理的铁路线路管理信息系统是铁路高速发展的必然趋势[2]。

1 国内外铁路线路信息管理系统现状研究目前国内外已有很多铁路线路管理信息系统，但各国系统开发的侧重点不尽相同，通过分析总结的方式，掌握当前国内外铁路线路管理信息系统的优劣。

首先分析国内整体情况，我国大多铁路局采用的管理系统都是基于铁路工务管理信息系统(PWMIS)研发的，PWMIS系统涵盖了铁路工务部门的主要业务，应用了工务线路综合图的自动生成及工务大桥略图的自动生成技术，对检测监测和生产信息实现了信息化管理，实现了对工务设备养护维修全过程管理[3]。

但该系统大都是台账管理模式，普遍缺乏分析决策功能，缺乏对维修计划的分析和总结，不能指导高效的养护维修作业。

在总结过程中发现，多数铁路局均在研究铁路线路轨道区段的单元管理方式，以上海铁路局为例，上海铁路局工务处在铁路管理信息系统的基础上，将1 km正线、整条曲线或股道、整组道岔及前后50～100 m线路划分为一个轨道设备单元，实现单元录入、自动统计分析，便于针对不同区段单元的管理[4]。

但该划分方法缺乏灵活性，不能确保划分到一个单元的轨道设备具有相同性能。

接着分析国外发达国家的整体情况，国外铁路线路管理系统普遍结合了信息技术、GIS 技术及铁路计划、检测、维护工作的最新技术，对轨道管理的每个过程都建立了相应的管理模块，各模块能分析各自管理过程的相关数据，并将结论传递给下一个模块，实现了数据的流动性，确保了数据的准确性，并运用了大量的数值处理方法，提升了分析决策能力，实现了自动生成优化维修计划方案，甚至能够完成操作仿真。

2 铁路线路管理信息系统发展方向分析近几年大数据技术迅猛发展，这是计算机技术发展的又一个新阶段，将大数据应用于铁路线路管理信息系统也是时代的需求。

本系统结合国内的现实情况和管理目标，吸取国外信息系统的先进思想，探讨基于单元质量均衡的铁路线路管理信息系统，旨在实现轨道的长距离区段管理和优化养护维修计划的制定方式[5]。

(1)单元划分的优化：基于大数据平台，且以实践应用为导向，从而研究出合理的单元划分方式，并通过单元管理综合评价效果，根据现场验证反馈情况，逐步完善单元划分方案。

(2)养护维修计划的优化：通过总结归纳大量养护维修成功案例，挖掘其中检测数据、病害情况以及养护维修策略之间的联系，利用大数据分析新生数据与已有数据之间的相似性，选用相似度最大的成功案例进行实际生产工作，并在生产过程中不断优化和完善养护维修策略。

3 铁路线路单元划分探讨目前，国内线路轨道管理工作大都停留在200 m的管理单元上，该管理方式不利于指导长距离的养护维修作业，极大的影响了线路轨道管理效率。

因此，依据何种方式整合这200 m的管理单元，并建立对应的管理信息系统分析研究整合后的单元信息，是当前铁路线路管理研究的一个重要课题。

同济大学邵敏华、孙立军研究了按道路属性一致性原则划分公路单元的方法，提出依据不同的管理目的，将整个公路路网进行3个层次的划分，上两层次主要是通过宏观角度，按区域、等级或路名划分，该划分方法已经在实际生活中普遍运用，而第3层次则是按照路面使用性能的相关数据是否具有相同的随机分布特征进行划分，实现对路面使用性能分布情况相似的道路单元统一管理[6]。

通过分析铁路线路单元划分的必要性，并总结该公路划分管理相关思想，将铁路线路的单元划分原则总结如下：一是便于后期的养护维修生产组织；二是不合并主体结构维修需求不同的线路单元；三是合并后的单元内设备状态变化规律基本一致。

结合铁路线路的划分原则，探讨“秩和检验法”在铁路线路划分的应用。

两个独立的轨道管理单元产生的样本大多为非正态的，在检验两样本之间差异是否显著时，常用的T检验要求样本为正态的，而“秩和检验法”不要求样本服从正态分布，所以该方法更能反映轨道的实际技术状况，且其实质是保证可以合并的相邻管理单元不会存在显著差异，对于铁路轨道管理单元的合并来说较为合理[6]。

系统主要服务对象是各铁路局，所以第一层次按照铁路局内各工务段的管辖范围划分，主要是便于后期的养护和生产组织；第二层次按照桥梁段、隧道段、站场段、非以上包含区段四种形式划分，主要是满足不同的维修需求，制定不同的维修计划；第三层次是针对铁路线路微观角度划分，通过分析，铁路线路的养护维修工作主要对象是轨道，因此以轨道为研究对象，最能符合铁路线路的管理需求，而当前轨道几何不平顺状态是反映线路轨道质量状态的最好方式，因此第三层次划分主要采用轨道几何不平顺的7项指标进行分析，具体分析如下。

当前轨检车反馈的数据都是各200 m 轨道区段的几何不平顺检测结果，该数据能反映轨道区段的整体不平顺状态，所以以200 m的检测区间为线路轨道划分的初始管理单元，采用秩和检验法分析各管理单元的7项几何不平顺测量值，以决定相邻两单元之间是否能合并。

具体步骤如下。

①设(X1，X2，…，X7)是轨道管理单元X的7项几何不平顺测量值，同样取X的相邻单元Y的7项几何不平顺测量值(Y1，Y2，…，Y7)，检验X，Y样本之间的显著性，具体检验方法参考文献[7]。

②如无显著差异，则将该相邻轨道单元合并，同时取7项几何不平顺测量值的均值作为新管理单元的样本数据(X1+Y1/2，X2+Y2/2，…，X7+Y7/2)，对新的管理单元与之后的管理单元用前述方法进行合并分析。

③如有显著差异，则轨道管理单元合并结束，从①开始进行下一管理单元的合并分析。

通过这样的划分方法，可以实现轨道质量状态相似200 m单元的统一管理，是实现长距离区段管理的基础[6]。

系统可根据单元整体状态特征，制定有针对性的养护维修计划，组织高效的长距离机具维修作业，提高人工流水作业效率，降低工区轨道设备的维护成本，实现铁路线路设备安全、高效、经济的管理。

4 铁路线路管理信息系统模块探讨铁路线路信息管理系统要提高管理效率，就需实现线路单元质量检测监控、单元状态分析决策、病害单元生产计划、单元质量均衡控制等功能。

因此，信息系统设计需要具备以下条件：一是GIS显示模块的监控功能；二是动静态检测数据结合分析功能；三是合理的单元综合评价；四是自动制定生产计划[3]。

结合铁路线路的单元管理思想和系统设计需具备的条件，将系统分为包括GIS显示模块、检测数据模块、单元划分模块、单元管理模块、计划管理模块、综合管理模块、系统管理模块等系统业务应用模块，功能结构如图1所示，并对各模块的功能进行探讨分析[8]。

图1 系统功能结构(1)GIS显示模块GIS显示模块包括设备信息管理、设备超限管理、生产计划监控及灾害信息监控。

GIS显示模块主要是利用地理位置属性动态监控各个线路单元状态，实时显示设备信息、单元超限信息、生产计划信息、灾害信息，有效安全地指挥生产[9]。

(2)检测管理模块检测管理模块的功能是为对全线检测所获得的原始数据汇总、存储、归纳、管理和数据预处理，供全局工作人员快捷获取处理完的数据，提升管理效益。

原始数据管理主要用于对各工区综合检测车、轨检车、车载式线路检查仪、探伤车、轨道检查仪、轨道几何状态测量仪和地面安全监测设备等动静态检测原始数据的管理[10]。

数据预处理主要用于对原始数据及时储存整理并对检测和监测数据进行剔除干扰值、缺值部分插值处理、里程校正及各种检测数据同步等预处理工作。

(3)单元划分模块单元划分模块是该信息系统设计的重要部分，主要是实现铁路线路的划分方案管理、划分设备管理及划分评价和调整。

划分方案主要是按照前文所述的划分方法分析铁路线路，合并显著性满足要求的线路单元。

划分设备管理主要结合划分后单元，将检测管理模块中存储的数据进行划分。

划分评价与调整是评判现有划分单元的合理性，并结合实际情况局部调整，主要方法是对比分析此次的划分方案与下一次的划分方案，结合历史数据探讨两次划分情况不同的争议区段，选择更加合理的划分方案。

(4)单元管理模块线路管理单元是一切管理工作的基本单位，是决策分析的对象。

单元管理模块主要包括单元信息管理、评价信息管理、单元病害管理。

单元信息管理主要是在单元划分确定后，对每个单元建立详细的设备大修、通过总重、速度等级、实际维修作业能力台账信息。

评价信息管理主要是按照优良单元周期检查，合格单元加强监控、失格单元全面检查的原则，实施三级监控制度。

对不同质量状态的单元采取不同的检测措施，全面监控单元质量，实现均衡管理。

单元病害管理主要为后续计划管理模块提供病害信息，以便制定科学合理的养护维修计划。

(5)计划管理模块计划管理模块主要是实现线路单元生产计划的科学管理，以便指导各层级作业，主要包括计划制定管理、计划实施管理、实施效果评价。

该模块主要运用案例推理技术(CBR)的基本思想，优化养护维修计划。

CBR的基本思想是用先前求解问题的经验和方法来解决新的问题，是源案例到目标新案例的一种类比推理，能克服传统推理方式在获取知识和推理方面的不足[11]。

该思想在医学和机械诊断领域得到了广泛的推广，但在铁路养护维修行业鲜有研究，如果合理运用到铁路行业中，利用已有成功的养护维修案例，制定养护维修计划，避免因盲目制定养护维修计划而造成的资源浪费和线路养护维修不足等情况。