高速鐵路接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)研究

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作為機(jī)車的能量來源，接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定是保障高速鐵路安全正點運行的關(guān)鍵。為保證高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，鐵路供電部門需投入大量人力物力進(jìn)行維護(hù)，隨著接觸網(wǎng)規(guī)模的增加和運行時間的積累，接觸網(wǎng)運營維護(hù)的壓力日漸增大，急需采用更先進(jìn)的管理手段以提高接觸網(wǎng)生產(chǎn)組織效率。為充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)提高接觸網(wǎng)生產(chǎn)的管理水平，原中國鐵路總公司于2015年8月下發(fā)《高速鐵路接觸網(wǎng)一桿一檔系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見》，隨后多家公司開展了接觸網(wǎng)管理系統(tǒng)的研究和開發(fā)，但現(xiàn)有系統(tǒng)較多集中在管理流程的電子化，如工作票審批、權(quán)限管理、檢修任務(wù)匯總累加等方面，多以數(shù)據(jù)報表的形式展示接觸網(wǎng)設(shè)備的履歷和檢修情況，數(shù)據(jù)展示不夠形象直觀，難以對接觸網(wǎng)的精細(xì)化管理提供有益指導(dǎo)［1-5］。在接觸網(wǎng)的實際生產(chǎn)管理中，目前系統(tǒng)多存在以下問題：（1）接觸網(wǎng)設(shè)備管理比較粗放。由于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨越范圍廣、涉及設(shè)備多，一般的管理系統(tǒng)難以實現(xiàn)對接觸網(wǎng)沿線所有設(shè)備的統(tǒng)一綜合管理；（2）接觸網(wǎng)設(shè)備的生產(chǎn)組織管理不夠直觀。由于接觸網(wǎng)管理涉及多級生產(chǎn)管理部門，在地理位置上又比較分散，目前的管理系統(tǒng)大多以數(shù)據(jù)報表的形式記錄和展示生產(chǎn)任務(wù)的進(jìn)度，不利于對接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)的全盤把握和統(tǒng)籌規(guī)劃；（3）管理系統(tǒng)的自動化水平不高，大多數(shù)任務(wù)需要技術(shù)人員手工完成，增加了現(xiàn)場工作人員的工作負(fù)擔(dān)，難以發(fā)揮計算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢。傳統(tǒng)以人工為主、辦公軟件為輔的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理方式，已不能滿足高鐵“高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求”管理需求，難以對接觸網(wǎng)的精準(zhǔn)維修提供有力支撐［6-9］。在此，以接觸網(wǎng)的精細(xì)化、可視化管理為目標(biāo)，研究接觸網(wǎng)設(shè)備的單元化、關(guān)系型管理模型，接觸網(wǎng)生產(chǎn)過程的可視化管理模型以及接觸網(wǎng)檢修任務(wù)的0-1整數(shù)規(guī)劃模型，在此基礎(chǔ)上開發(fā)接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)可視化管理系統(tǒng)，并在實際線路中開展應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，能完成接觸網(wǎng)檢修計劃的自動編制，并可實現(xiàn)接觸網(wǎng)檢修作業(yè)進(jìn)度的可視化管理，可為接觸網(wǎng)的精益化智能化檢修提供支撐。

1構(gòu)建接觸網(wǎng)設(shè)備管理模型

接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備較多且分散較廣，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)所有設(shè)備的精細(xì)化管理是接觸網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的核心需求，也是系統(tǒng)實現(xiàn)的難點，合理的接觸網(wǎng)設(shè)備管理模型是實現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一管理的前提。1.1接觸網(wǎng)設(shè)備管理模型。依據(jù)一桿一檔管理文件和高速鐵路接觸網(wǎng)維修規(guī)程規(guī)定，將接觸網(wǎng)設(shè)備劃分為線條設(shè)備和點狀設(shè)備兩大類。線條設(shè)備主要包括接觸網(wǎng)線索、電纜等，點狀設(shè)備以單項設(shè)備為主，包括分段、線岔、隔離開關(guān)、補償、硬橫梁、軟橫跨等。以一桿一檔為基礎(chǔ)，建立設(shè)備之間的關(guān)系，設(shè)備之間關(guān)系主要包含以下類別：（1）1臺設(shè)備位于1個桿子上，一對一關(guān)系：如避雷器、隔離開關(guān)；（2）1臺設(shè)備位于2個桿子之間，一對多：如分段絕緣器、絕緣子；（3）1組設(shè)備由同一個股道多個桿子組成，一對多：如關(guān)節(jié)式分相、絕緣/非絕緣錨段關(guān)節(jié)；（4）1組設(shè)備包含多個股道多個桿子組成，一對多：如線岔、軟橫跨、硬橫梁。以一桿一檔為核心，從行政關(guān)系（站段、車間、工區(qū)）和地理關(guān)系（線別、區(qū)間、股道、桿號）2類主要關(guān)系建立單元化、關(guān)系型設(shè)備數(shù)據(jù)庫。以該數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)建立設(shè)備數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實現(xiàn)系統(tǒng)功能開發(fā)關(guān)鍵基礎(chǔ)。1.2接觸網(wǎng)生產(chǎn)管理可視化模型。由于管理的接觸網(wǎng)設(shè)備眾多、關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫信息記錄方式無法展現(xiàn)有用信息，對接觸網(wǎng)的生產(chǎn)管理起不到實際指導(dǎo)作用，利用信息技術(shù)實現(xiàn)接觸網(wǎng)生產(chǎn)過程的可視化展示，有利于對接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)的統(tǒng)一籌劃和生產(chǎn)進(jìn)度的實時掌控。為減少接觸網(wǎng)設(shè)備基礎(chǔ)信息的采集工作量，在線路已有設(shè)計資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行接觸網(wǎng)檢修作業(yè)管理可視化功能的開發(fā)。作為接觸網(wǎng)設(shè)計、施工、運營維護(hù)的指導(dǎo)文件，設(shè)計圖是接觸網(wǎng)的核心技術(shù)文件，包含了接觸網(wǎng)所有設(shè)備完整的基礎(chǔ)信息。以接觸網(wǎng)設(shè)計圖為基礎(chǔ)，在設(shè)計圖中增加生產(chǎn)管理可視化圖層，根據(jù)后臺生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成的檢修時間信息，對處于不同階段的待檢設(shè)備進(jìn)行分色顯示；根據(jù)檢修作業(yè)手持終端上傳的作業(yè)信息，對已檢修的接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行變色顯示。在接觸網(wǎng)檢修作業(yè)管理模型上，分別用“綠、黃、紅”表示接觸網(wǎng)設(shè)備“已檢修、即將超周期、已超周期”3個狀態(tài)，為方便管理，模型圖分3個層次顯示檢修作業(yè)情況：（1）總體圖形可以看到站場、區(qū)間的檢修概況；（2）放大1級后可查看線路股道、行別的檢修情況；（3）放大2級后可查看具體的接觸網(wǎng)支柱檢修情況。區(qū)別于一般圖紙以站場或區(qū)間為單位割裂保存，檢修沙盤模型以線別為單位連續(xù)顯示。基于已有的接觸網(wǎng)平面布置圖、供電分段示意圖、供電線布置圖等圖紙，以及6C數(shù)據(jù)資料和一桿一檔資料等，開發(fā)與現(xiàn)場設(shè)備對應(yīng)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)管理模型，在開發(fā)的檢修沙盤中包含線別、區(qū)間、股道、桿號、工區(qū)、所亭等完整信息。為便于分項統(tǒng)計和顯示，檢修管理模型中以檢修項目為單位，將文字說明、全面檢查、避雷器、遠(yuǎn)動隔離開關(guān)等檢修項目分別以獨立的圖層進(jìn)行管理。檢修沙盤模型主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）檢修模型中包含區(qū)間桿號、股道線路走向等基本信息，無其他無關(guān)內(nèi)容。（2）檢修模型中的桿號檔距按1∶1000制作，消除設(shè)備經(jīng)緯度等敏感地理信息。（3）文字和設(shè)備分布在不同圖層之上，設(shè)備圖層以檢修項目為單元獨立管理，圖層之間無關(guān)聯(lián)，支持圖層獨立顯示和合并顯示。檢修沙盤模型的開發(fā)，使設(shè)備的檢修情況顯示更加形象直觀，用戶可以在沙盤中直觀看到線路上設(shè)備的檢修情況，清晰掌握生產(chǎn)檢修作業(yè)的進(jìn)度，并根據(jù)未檢修或超周期設(shè)備的分布情況，合理安排下一步計劃，實現(xiàn)精準(zhǔn)維修。1.3接觸網(wǎng)檢修計劃智能編制模型。在眾多接觸網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)上，利用智能技術(shù)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備檢修計劃的智能編制，以克服傳統(tǒng)人工編制難度大、效率低、經(jīng)濟(jì)性差等缺點。由于接觸網(wǎng)設(shè)備種類多、檢修周期不同、地理位置分散，導(dǎo)致接觸網(wǎng)設(shè)備檢修計劃的編制較為困難。以檢修周期為指導(dǎo)，拓展接觸網(wǎng)設(shè)備的檢修窗口，以檢修作業(yè)成本最小為目標(biāo)，對接觸網(wǎng)設(shè)備的檢修作業(yè)計劃進(jìn)行優(yōu)化。利用組合優(yōu)化方法實現(xiàn)接觸網(wǎng)檢修計劃科學(xué)合理地自動編制［10］，實現(xiàn)以工區(qū)為單位的接觸網(wǎng)檢修計劃自動生成，可以根據(jù)設(shè)備的檢修記錄、檢修周期自動搜索并統(tǒng)計需檢修設(shè)備的數(shù)量。將算法應(yīng)用于檢修管理系統(tǒng)，起到提高鐵路接觸網(wǎng)的供電可靠性和降低檢修成本的目的。為使接觸網(wǎng)設(shè)備的檢修更加靈活，在固定檢修周期標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定下，拓展接觸網(wǎng)檢修時機(jī)約束如下：ift>telws+0.8×Celws，Xelt=1，（1）ift<telws+1.2×Celws，Xelt=1，（2）式中：t代表接觸網(wǎng)當(dāng)前的運行時間；telws表示接觸網(wǎng)設(shè)備的上一次檢修時間；Celws表示規(guī)程規(guī)定的該設(shè)備檢修周期；Xelt∈{0，1}，Xelt=1代表該設(shè)備被檢修。式（1）、式（2）表示在［0.8，1.2］檢修周期內(nèi)，設(shè)備都處于檢修窗口內(nèi)，可以被檢修。接觸網(wǎng)檢修作業(yè)工作量約束為：∑l∈TClws∑e∈DClws∑t∈TSlwsXelt<NT，（3）式中：Xelt=1代表該設(shè)備可以被檢修；NT為考慮環(huán)境影響以及天窗變化等外部條件而造成的單位時間內(nèi)作業(yè)單位作業(yè)能力的上限。在編制檢修計劃時，處于不同狀態(tài)的設(shè)備緊急程度不同，安排時的優(yōu)先級也有所不同。根據(jù)檢修作業(yè)規(guī)程規(guī)定，漏修失修設(shè)備要先于正常設(shè)備，單項設(shè)備檢修要優(yōu)于全面檢查項目。因此，設(shè)備檢修作業(yè)的優(yōu)先級約束為：ifPe1lws>Pe2lws，Xe1lt1>Xe2lt2，t1<t2，（4）式中：Pelws代表設(shè)備檢修作業(yè)的優(yōu)先級。對檢修計劃編制而言，需在完成盡可能多檢修任務(wù)的情況下檢修成本最低，即：maxwl=∑l∈TCl∑e∈DClws∑t∈TSlXelt，（5）minct=∑l∈TCl∑e∈DClws∑t∈TSlh*Xelt，（6）式中：wl表示檢修作業(yè)的任務(wù)量；ct表示檢修作業(yè)的成本；h表示不同處設(shè)備檢修作業(yè)的代價。對于供電車間而言，檢修成本主要考慮檢修作業(yè)出動的路徑消耗。式（5）使天窗內(nèi)檢修工作量最大，確保了天窗利用率的最大化；式（6）確保了檢修成本最低，使得接觸網(wǎng)檢修作業(yè)計劃更合理，作業(yè)組織的成本更低。基于上述思想的接觸網(wǎng)檢修計劃生成流程見圖1。

2系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)可視化管理系統(tǒng)旨在建立鐵路線路接觸網(wǎng)生產(chǎn)管理作戰(zhàn)指揮“沙盤”，通過生產(chǎn)組織過程的全方位展示，實現(xiàn)接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)從宏觀到微觀、從抽象到具體的多層面精細(xì)化管理，為接觸網(wǎng)生產(chǎn)活動的組織管理提供支撐。以接觸網(wǎng)設(shè)備細(xì)化管理為核心，通過對線路接觸網(wǎng)設(shè)備基礎(chǔ)信息的綜合分析，利用多種可視化工具，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)設(shè)備管理的直觀把握；以接觸網(wǎng)維修規(guī)程為指導(dǎo)，通過對檢修作業(yè)記錄的自動分析，制定相應(yīng)的接觸網(wǎng)檢修計劃，實現(xiàn)接觸網(wǎng)線路的分級管理和設(shè)備的差異化維修；以移動互聯(lián)技術(shù)為支撐，對接觸網(wǎng)檢修作業(yè)的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)接觸網(wǎng)檢修作業(yè)進(jìn)度的實時追蹤，全面準(zhǔn)確掌握現(xiàn)狀，科學(xué)組織生產(chǎn)。2.1總體方案。基于前述分析，為實現(xiàn)對所轄線路接觸網(wǎng)設(shè)備的精細(xì)管理，系統(tǒng)主要包含以下3方面內(nèi)容：（1）接觸網(wǎng)基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)。包含接觸網(wǎng)設(shè)備的基本信息，如站場、區(qū)間、線別、股道、設(shè)備類型、所屬桿號、車間歸屬等基本信息，其中大部分信息可從接觸網(wǎng)設(shè)計圖中直接獲取，部分信息需結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行錄入。該部分可完成對所轄接觸網(wǎng)設(shè)備的定制化查詢和圖形化顯示。（2）接觸網(wǎng)生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)。主要由對應(yīng)于現(xiàn)場接觸網(wǎng)實際情況開發(fā)的檢修生產(chǎn)沙盤組成，可以實現(xiàn)接觸網(wǎng)全面檢查和單項設(shè)備檢修情況的管理，包含檢修計劃的到期提醒、檢修作業(yè)記錄的錄入以及與之配套的現(xiàn)場作業(yè)終端等。該部分能實現(xiàn)接觸網(wǎng)生產(chǎn)作業(yè)過程及完成進(jìn)度的可視化顯示。（3）接觸網(wǎng)檢修計劃自動編制系統(tǒng)。主要由接觸網(wǎng)設(shè)備檢修計劃管理系統(tǒng)組成，可以實現(xiàn)接觸網(wǎng)不同設(shè)備檢修周期的管理以及不同時間接觸網(wǎng)檢修作業(yè)任務(wù)的自動分配，可根據(jù)需要對不同時間段的檢修作業(yè)上限工作量進(jìn)行分別限定，可完成年度檢修計劃以及月度檢修計劃的自動編制及調(diào)整。2.2組成結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、本地數(shù)據(jù)庫備份、網(wǎng)頁子系統(tǒng)、檢修沙盤模型子系統(tǒng)與手持終端子系統(tǒng)等部分組成。其中手持終端系統(tǒng)主要用于工區(qū)現(xiàn)場檢修使用，按檢修作業(yè)組配置。網(wǎng)頁子系統(tǒng)、檢修沙盤模型子系統(tǒng)用于PC客戶端登錄，支持鐵路局集團(tuán)公司、站段、車間和工區(qū)4級用戶。各子系統(tǒng)之間相對獨立，且均與云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實時通信，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。任何一個子系統(tǒng)更新數(shù)據(jù)庫之后，其他子系統(tǒng)實時獲取到數(shù)據(jù)庫的修改，并產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)據(jù)報表或圖形更新。系統(tǒng)設(shè)置了角色管理與賬戶管理，由超級用戶分配權(quán)限。其中同一層級的用戶權(quán)限一致，用戶之間數(shù)據(jù)獨立。按照“下管一級”管理需要，用戶可以查看用戶自身的數(shù)據(jù)和下級用戶的檢修完成情況對比數(shù)據(jù)，以確認(rèn)同一項生產(chǎn)任務(wù)不同下級完成情況及其比例。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D2。2.3系統(tǒng)主要特點與應(yīng)用成效。2.3.1主要特點。在前述基礎(chǔ)上開發(fā)接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)可視化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以接觸網(wǎng)生產(chǎn)過程的可視化管理為核心，界面簡潔、輸出圖形簡單明了，可通過圖表直觀掌握接觸網(wǎng)生產(chǎn)的全局情況。系統(tǒng)主要特點如下：（1）利用Echarts實現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備的直觀生動展示。針對接觸網(wǎng)設(shè)備的精細(xì)化管理，提供了多層級數(shù)據(jù)的可視化展示，既有站段層面接觸網(wǎng)設(shè)備的宏觀統(tǒng)計，又有區(qū)間和股道層級接觸網(wǎng)支柱的細(xì)微展示。（2）檢修沙盤模型以線別為單位，可連續(xù)顯示線別、區(qū)間、股道、桿號以及工區(qū)、所亭等信息，支持無極縮放，既可顯示區(qū)間、站場等宏觀信息，也可放大顯示股道、桿號等微觀信息，系統(tǒng)的可視化效果好。（3）檢修記錄的錄入包含維修規(guī)程規(guī)定的所有細(xì)目，錄入數(shù)據(jù)不全時該條記錄自動提示為紅色標(biāo)記，完善后恢復(fù)正常。全面檢查支持批量錄入，單項檢查支持記錄的智能復(fù)制。（4）檢修計劃生成模塊可按照檢修項目最長周期，依次生成全面檢查和單項設(shè)備的檢修計劃。檢修計劃以工區(qū)為基本組織單位，可生成工區(qū)的檢修設(shè)備明細(xì)表和匯總表。可結(jié)合季節(jié)特性，對不同時間段的檢修作業(yè)任務(wù)量進(jìn)行設(shè)定，以生成科學(xué)、操作性強的檢修計劃。（5）數(shù)據(jù)庫基于TCP/IP協(xié)議構(gòu)建，可滿足1000個以上用戶同時訪問計算，運用并行數(shù)據(jù)計算，計算結(jié)果推算延時不超過10s。（6）檢修數(shù)據(jù)錄入后實時刷新對應(yīng)檢修沙盤模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，工區(qū)、車間、段3級視圖刷新延時不超過3min。（7）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器具備實現(xiàn)實時備份和全備份功能，保證數(shù)據(jù)的安全性。2.3.2應(yīng)用成效。該系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)封裝、功能測試、兼容性測試、安全測試后，在漢宜鐵路上線試運行1年多，效果顯著，在以下幾個方面發(fā)揮了積極作用：（1）數(shù)據(jù)管理可視化，表達(dá)效果直觀明了。利用可視化工具，將各類統(tǒng)計結(jié)果圖形化展示，結(jié)果清晰直觀，所轄接觸網(wǎng)設(shè)備的情況一清二楚，接觸網(wǎng)生產(chǎn)過程的管理一目了然。不同層級的接觸網(wǎng)管理結(jié)果的可視化效果見圖3，通過可視化展示，可對所轄線路接觸網(wǎng)的狀態(tài)從宏觀到微觀都有較為全面和直觀的了解。（2）設(shè)備履歷清晰，消除了過度維修和失修并存的情況。系統(tǒng)上線運行后，檢修狀況在數(shù)量和區(qū)域分布上清晰明了，消除了因臺賬記錄不清等因素導(dǎo)致的過度維修，消除了因人為因素導(dǎo)致站場側(cè)線、渡線等位置的年久失修，消除了單項設(shè)備檢修超周期等情況。（3）整合電子版臺賬，數(shù)據(jù)共享，減輕了基層管理負(fù)擔(dān)。接觸網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)信息大部分來自設(shè)計資料，部分信息只需錄入1次。支持各類查詢與導(dǎo)出，方便工區(qū)、車間及供電段查閱及管理設(shè)備臺賬。系統(tǒng)的使用極大地提高了生產(chǎn)組織效率，消除了接觸網(wǎng)設(shè)備信息不準(zhǔn)確、不一致等問題，為接觸網(wǎng)設(shè)備的超前防范與精準(zhǔn)維修提供了技術(shù)支持。

3結(jié)束語

高速鐵路接觸網(wǎng)生產(chǎn)任務(wù)可視化系統(tǒng)以設(shè)備數(shù)據(jù)的可視化為核心開發(fā)功能模塊，實現(xiàn)了對接觸網(wǎng)設(shè)備的精細(xì)化管理和圖形化展示，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了接觸網(wǎng)檢修作業(yè)任務(wù)的自動分配，可提高現(xiàn)場檢修作業(yè)效率、降低現(xiàn)場作業(yè)工作量。在系統(tǒng)后續(xù)運行中，還需持續(xù)收集用戶需求、使用情況以及反饋意見等，從而進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，提升計算效率等。

作者:徐學(xué)平 高睿 程宏波 張偉 單位:1.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 2.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 3.華東交通大學(xué)