蘆斌，王亮，王鵬揚，劉慧德，張茉顏，何逸飛，肖宏

（1.北京市地鐵運營有限公司線路分公司，北京 100044；2.北京交通大學，北京 100044）

1 引言

近年來我國城市軌道交通建設迅速發(fā)展，龐大復雜的線網(wǎng)對于線路的運維管理能力提出了更高的要求，在保證軌道設備高平順性和高可靠性的同時，還要實現(xiàn)降本增效。鋼軌作為行車安全的重要基礎，其全壽命周期涉及鋼軌設計、生產(chǎn)、采購、焊接、鋪設、養(yǎng)護維修到下道各個過程，每個環(huán)節(jié)都有可能影響鋼軌質(zhì)量和狀態(tài)。此外，眾多條線路在開通時間、運營狀況和線路條件等方面的差異也給鋼軌精細化管理帶來較大困難。

對于鋼軌全壽命周期中各個階段的數(shù)據(jù)維護，如鋼軌原始信息、鋼軌打磨、鋼軌涂覆、鋼軌磨耗、鋼軌折斷及焊復、鋼軌的鎖定及放散記錄、通過總重等，傳統(tǒng)人工手動錄入及卡片式管理的方法已經(jīng)難以適應實時精準維護大量數(shù)據(jù)的需求。同時，隨著國內(nèi)外信息化、大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集、存儲和應用分析技術不斷涌現(xiàn)，全面統(tǒng)計、計算、分析鋼軌全壽命周期各項數(shù)據(jù)成為可能。目前，結(jié)合大數(shù)據(jù)的信息化管理技術在鐵路行業(yè)領域已經(jīng)得到應用，但對于城市軌道交通鋼軌全壽命周期精細化管理方面尚未開展系統(tǒng)研究及應用。

2 鐵路信息化管理應用綜述

在鐵路物資管理和工務作業(yè)方面，馮浩宇[1]通過工機具分庫管理、分區(qū)擺放、分類編號，并利用二維碼技術，在工機具存放、取用、進出網(wǎng)、庫存清點、檢定校準方面實現(xiàn)全方位數(shù)據(jù)化管理。江昶霆[2]應用流程分析法和電路分析法，提煉基于二維碼的鐵路物資主要流動過程，并在仿真檢驗的基礎上，提出公司制改革下鐵路物資管理模式，為各鐵路集團有限公司物資管理創(chuàng)新和模式創(chuàng)新提供決策支持。馬浩[3]從二維碼標識技術入手，通過二維碼標識技術對各項工作和各種數(shù)據(jù)進行記錄、處理形成高效的信息化管理工作模式。汪德昌[4]針對目前工務作業(yè)工機具管理中存在的問題，設計研發(fā)了高速鐵路工務作業(yè)工機具管理系統(tǒng)，分別從管理流程和界面2 個方面論述系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，并通過現(xiàn)場實際應用，提出了改進優(yōu)化方案。陸紅生[5]分析了鐵路工務設備管理現(xiàn)狀及存在的問題，探討了二維碼技術在工務設備遠程管理中的應用。

在鐵路設施全壽命信息管理方面，張士東[6]基于二維碼技術和FineReport軟件平臺，運用GPS 核查人員定位的方法，構(gòu)建了鐵路線路設備痕跡管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了設備檢查、發(fā)現(xiàn)問題、整改問題全過程的監(jiān)控和管理。張明[7]結(jié)合中國鐵路呼和浩特局集團有限公司研制的道岔軌件全壽命智能管理信息平臺，利用二維碼及SQLite 輕型數(shù)據(jù)庫技術，設計道岔軌件信息查詢APP，有效推動了線路設備全服役壽命周期的信息化管理。四川遂寧工務段橋路技術科[8]通過手持機掃描現(xiàn)場安裝的RFID 芯片中的二維碼，利用GPS 坐標定位，將數(shù)據(jù)傳輸至該段橋路技術科橋路設備檢查管理系統(tǒng)，提高了防洪季期間橋隧設備檢查監(jiān)控力度，促進防洪工作效率的提升。陸紅生[9]提出研究二維碼技術在鐵路軌距尺遠程管理中的應用方案，闡述了信息管理、狀態(tài)管理、使用管理、遠程管理4個模塊的功能，總結(jié)試用效果，為計量器具檢定、管理探索新模式提供借鑒與參考。馬麗光[10]就二維碼技術在鋼軌原材管理、鋼軌件與原材追蹤管理、鋼軌件工序管理應用上展開討論，并通過二維碼技術與ERP 系統(tǒng)結(jié)合，提升了企業(yè)生產(chǎn)管理效率。劉建軍[11]經(jīng)過對自動識別技術的比較，提出采用射頻識別技術（RFID）是提高鐵路集裝箱管理水平的有效手段，并進行投入產(chǎn)出分析。張軍[12]采用RFID 技術研制開發(fā)了適應速度350km/h 的客車電子標簽，并通過對既有地面AEI 設備的改造，實現(xiàn)了對高速標簽的動態(tài)識別。

綜上可知，在鐵路管理的信息化應用方面，國內(nèi)大多采用二維碼、GPS、RFID 等技術結(jié)合軟件平臺以及數(shù)據(jù)庫進行綜合管理的工作模式，但在城市軌道交通領域尚未開展。事實上，城市軌道交通與國有鐵路在設備管理、養(yǎng)修方法、依據(jù)標準等方面有諸多不同，這使得鋼軌在全壽命周期管理方面也存在較大差異。基于此，本文主要探討基于鋼軌全壽命周期管理，提出RFID 電子標簽、數(shù)據(jù)采集APP、云端服務器以及PC端應用軟件相結(jié)合的綜合管理系統(tǒng)。

3 鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)

3.1 需求分析

鋼軌的全壽命周期管理首先需要綜合全線網(wǎng)，并且采集獲取鋼軌從設計、生產(chǎn)、焊接、鋪設、生產(chǎn)管控、運營維護到下道全過程的各項數(shù)據(jù)，包括鋼軌原始數(shù)據(jù)、周期性打磨、涂覆、磨耗、折斷及焊復、鎖定及放散、通過總重等信息。因此需要相應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)以接收和容納大量的鋼軌全壽命周期數(shù)據(jù)。

其次，需要基于系統(tǒng)學、統(tǒng)計學的方法，結(jié)合線路運營的實際情況，對鋼軌全壽命周期的評價指標進行分析并得到合理有效的解決方法，從而實現(xiàn)對鋼軌使用壽命、維修計劃和更新改造計劃的優(yōu)化，提高鋼軌全壽命周期管理水平，科學控制鋼軌生產(chǎn)管控成本，保障線路安全。因此，還需要數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將采集到的大量鋼軌數(shù)據(jù)進行整合分析。

3.2 總體設計

基于鋼軌全壽命周期管理的需求，鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，如圖1所示。

圖1 鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集主要通過鋪設電子標簽，對鋼軌進行編碼鋪設電子標簽，建立鋼軌屬性數(shù)據(jù)，從而加強鋼軌各項數(shù)據(jù)的標準化和規(guī)范化，為后續(xù)鋼軌全壽命周期的檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)管控打下基礎。通過數(shù)據(jù)采集APP，配合鋼軌電子標簽的鋪設，提供將鋪設的電子標簽錄入相應的鋼軌編碼信息，工作人員通過掃描電子標簽，上傳鋼軌檢查維修數(shù)據(jù)，并在云端實時查詢鋼軌設備全生命周期數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊需要進行鋼軌全壽命周期指標的提取和閾值的建立，利用鋼軌的全壽命周期各項數(shù)據(jù)，包括前期制造、建設、安裝等數(shù)據(jù)以及運營階段設備狀態(tài)的磨耗、傷損、維修、通過總重等多項數(shù)據(jù)，構(gòu)建鋼軌使用壽命分析模型，分析鋼軌劣化規(guī)律，以確定鋼軌全壽命周期的維修更換評價方法。

3.3 數(shù)據(jù)采集

電子標簽可采用RFID，即射頻識別技術，它集成了射頻技術和嵌入式技術，主要組成部分為應答器、閱讀器和應用軟件系統(tǒng)。閱讀器將檢測到信號后通過天線發(fā)射相應頻率的信號，再由應用軟件接收信號，然后進行信息處理。其中應答器即為電子標簽本身，它由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。閱讀器為讀取標簽信息的設備，可以是手持式移動設備，而天線即標簽和閱讀器之間的射頻信號。

對應于鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)，電子標簽貼設于鋼軌軌腰處，如圖2 所示，每段鋼軌貼設一個標簽，以識別唯一鋼軌。此外，通過電子標簽可以獲得鋼軌基本信息，并確定現(xiàn)場位置。

圖2 鋼軌電子標簽的貼設

根據(jù)現(xiàn)場鋼軌的實際環(huán)境條件，電子標簽的貼設應滿足以下技術要求：

①粘結(jié)牢固，不影響鋼軌正常使用；

②易于現(xiàn)場操作識別；

③抗金屬、抗振動、抗電磁環(huán)境等；

④抗高低溫環(huán)境。

工作人員在現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)采集APP對電子標簽進行讀取，并將信號傳輸?shù)綉密浖?，應用軟件通過云端服務器實現(xiàn)鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)管理。其中，鋼軌的設計、生產(chǎn)、焊接、鋪設、生產(chǎn)管控、運營維護信息可事先錄入，這些數(shù)據(jù)維護在服務器，下道工作人員在讀取電子標簽后，將檢測到的鋼軌傷損情況記錄并上傳到云端，從而對服務器的數(shù)據(jù)進行實時更新和維護。

鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)采集模塊如圖3 所示，相比于傳統(tǒng)的鋼軌傷損記錄方式，電子標簽和數(shù)據(jù)采集APP 的使用，大大減少了下道人員的工作量，并提高了其工作效率，推動了鋼軌全壽命周期管理工作模式的智能化發(fā)展。

圖3 鋼軌全壽命周期的數(shù)據(jù)采集模塊

3.4 數(shù)據(jù)管理

對于儲存在云端的鋼軌數(shù)據(jù)，還需要通過應用軟件進一步處理，因此建立相應的鋼軌全壽命周期的數(shù)學模型，如圖4 所示。其中指標的建立和閾值的提取，主要根據(jù)通過總重、鋼軌磨耗、重傷情況等進行確定。

圖4 鋼軌全壽命周期數(shù)學模型

相對于傳統(tǒng)的運維模式，通過數(shù)據(jù)管理平臺對鋼軌傷損、磨耗、焊縫、打磨等數(shù)據(jù)進行整合分析，從統(tǒng)計學意義上進行鋼軌維修更換評價和分析，并隨著數(shù)學模型的迭代更新，逐步制定全面的、多指標的、精細化的評價方法及指標，促進鋼軌精細化管理，同時降低了運維成本，提高了效益。

4 結(jié)論

本文在綜合調(diào)研信息化技術在鐵路物資管理和工務作業(yè)方面以及鐵路設施全壽命信息管理方面的應用基礎上，闡述了城市軌道交通鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)組成，結(jié)合電子標簽技術、數(shù)據(jù)采集APP、云端服務器以及PC 端應用軟件，對其數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理模塊進行了詳細介紹，明確了信息化技術在城市軌道交通中的應用優(yōu)勢。

城市軌道交通的快速發(fā)展亟待建立信息化的鋼軌全壽命周期管理工作模式，應充分利用各項信息化技術，提升管理的精度和效率，同時降低傳統(tǒng)運營維護工作所帶來的時間成本和人工負荷。本文提出的鋼軌全壽命周期管理系統(tǒng)也可為城市軌道交通其他物資設施管理的智能化發(fā)展提供參考。