高速鐵路接觸網生產任務研究

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作為機車的能量來源，接觸網的安全穩定是保障高速鐵路安全正點運行的關鍵。為保證高鐵接觸網設備的安全穩定運行，鐵路供電部門需投入大量人力物力進行維護，隨著接觸網規模的增加和運行時間的積累，接觸網運營維護的壓力日漸增大，急需采用更先進的管理手段以提高接觸網生產組織效率。為充分利用現代信息技術提高接觸網生產的管理水平，原中國鐵路總公司于2015年8月下發《高速鐵路接觸網一桿一檔系統建設指導意見》，隨后多家公司開展了接觸網管理系統的研究和開發，但現有系統較多集中在管理流程的電子化，如工作票審批、權限管理、檢修任務匯總累加等方面，多以數據報表的形式展示接觸網設備的履歷和檢修情況，數據展示不夠形象直觀，難以對接觸網的精細化管理提供有益指導［1-5］。在接觸網的實際生產管理中，目前系統多存在以下問題：（1）接觸網設備管理比較粗放。由于接觸網結構復雜、跨越范圍廣、涉及設備多，一般的管理系統難以實現對接觸網沿線所有設備的統一綜合管理；（2）接觸網設備的生產組織管理不夠直觀。由于接觸網管理涉及多級生產管理部門，在地理位置上又比較分散，目前的管理系統大多以數據報表的形式記錄和展示生產任務的進度，不利于對接觸網生產任務的全盤把握和統籌規劃；（3）管理系統的自動化水平不高，大多數任務需要技術人員手工完成，增加了現場工作人員的工作負擔，難以發揮計算機系統的優勢。傳統以人工為主、辦公軟件為輔的生產數據管理方式，已不能滿足高鐵“高標準、嚴要求”管理需求，難以對接觸網的精準維修提供有力支撐［6-9］。在此，以接觸網的精細化、可視化管理為目標，研究接觸網設備的單元化、關系型管理模型，接觸網生產過程的可視化管理模型以及接觸網檢修任務的0-1整數規劃模型，在此基礎上開發接觸網生產任務可視化管理系統，并在實際線路中開展應用。應用結果表明：該系統可實現接觸網設備基礎數據的統一管理，能完成接觸網檢修計劃的自動編制，并可實現接觸網檢修作業進度的可視化管理，可為接觸網的精益化智能化檢修提供支撐。

1構建接觸網設備管理模型

接觸網結構復雜、設備較多且分散較廣，實現對接觸網所有設備的精細化管理是接觸網生產管理系統的核心需求，也是系統實現的難點，合理的接觸網設備管理模型是實現接觸網設備統一管理的前提。1.1接觸網設備管理模型。依據一桿一檔管理文件和高速鐵路接觸網維修規程規定，將接觸網設備劃分為線條設備和點狀設備兩大類。線條設備主要包括接觸網線索、電纜等，點狀設備以單項設備為主，包括分段、線岔、隔離開關、補償、硬橫梁、軟橫跨等。以一桿一檔為基礎，建立設備之間的關系，設備之間關系主要包含以下類別：（1）1臺設備位于1個桿子上，一對一關系：如避雷器、隔離開關；（2）1臺設備位于2個桿子之間，一對多：如分段絕緣器、絕緣子；（3）1組設備由同一個股道多個桿子組成，一對多：如關節式分相、絕緣/非絕緣錨段關節；（4）1組設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，從行政關系（站段、車間、工區）和地理關系（線別、區間、股道、桿號）2類主要關系建立單元化、關系型設備數據庫。以該數據庫為基礎建立設備數據庫服務器，實現系統功能開發關鍵基礎。1.2接觸網生產管理可視化模型。由于管理的接觸網設備眾多、關系復雜，傳統的數據庫信息記錄方式無法展現有用信息，對接觸網的生產管理起不到實際指導作用，利用信息技術實現接觸網生產過程的可視化展示，有利于對接觸網生產任務的統一籌劃和生產進度的實時掌控。為減少接觸網設備基礎信息的采集工作量，在線路已有設計資料的基礎上進行接觸網檢修作業管理可視化功能的開發。作為接觸網設計、施工、運營維護的指導文件，設計圖是接觸網的核心技術文件，包含了接觸網所有設備完整的基礎信息。以接觸網設計圖為基礎，在設計圖中增加生產管理可視化圖層，根據后臺生產管理系統生成的檢修時間信息，對處于不同階段的待檢設備進行分色顯示；根據檢修作業手持終端上傳的作業信息，對已檢修的接觸網設備進行變色顯示。在接觸網檢修作業管理模型上，分別用“綠、黃、紅”表示接觸網設備“已檢修、即將超周期、已超周期”3個狀態，為方便管理，模型圖分3個層次顯示檢修作業情況：（1）總體圖形可以看到站場、區間的檢修概況；（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支柱檢修情況。區別于一般圖紙以站場或區間為單位割裂保存，檢修沙盤模型以線別為單位連續顯示?；谝延械慕佑|網平面布置圖、供電分段示意圖、供電線布置圖等圖紙，以及6C數據資料和一桿一檔資料等，開發與現場設備對應的接觸網檢修作業管理模型，在開發的檢修沙盤中包含線別、區間、股道、桿號、工區、所亭等完整信息。為便于分項統計和顯示，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、遠動隔離開關等檢修項目分別以獨立的圖層進行管理。檢修沙盤模型主要技術標準如下：（1）檢修模型中包含區間桿號、股道線路走向等基本信息，無其他無關內容。（2）檢修模型中的桿號檔距按1∶1000制作，消除設備經緯度等敏感地理信息。（3）文字和設備分布在不同圖層之上，設備圖層以檢修項目為單元獨立管理，圖層之間無關聯，支持圖層獨立顯示和合并顯示。檢修沙盤模型的開發，使設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備的檢修情況，清晰掌握生產檢修作業的進度，并根據未檢修或超周期設備的分布情況，合理安排下一步計劃，實現精準維修。1.3接觸網檢修計劃智能編制模型。在眾多接觸網設備統一管理的基礎上，利用智能技術，實現接觸網設備檢修計劃的智能編制，以克服傳統人工編制難度大、效率低、經濟性差等缺點。由于接觸網設備種類多、檢修周期不同、地理位置分散，導致接觸網設備檢修計劃的編制較為困難。以檢修周期為指導，拓展接觸網設備的檢修窗口，以檢修作業成本最小為目標，對接觸網設備的檢修作業計劃進行優化。利用組合優化方法實現接觸網檢修計劃科學合理地自動編制［10］，實現以工區為單位的接觸網檢修計劃自動生成，可以根據設備的檢修記錄、檢修周期自動搜索并統計需檢修設備的數量。將算法應用于檢修管理系統，起到提高鐵路接觸網的供電可靠性和降低檢修成本的目的。為使接觸網設備的檢修更加靈活，在固定檢修周期標準的規定下，拓展接觸網檢修時機約束如下：ift>telws+0.8×Celws，Xelt=1，（1）ift<telws+1.2×Celws，Xelt=1，（2）式中：t代表接觸網當前的運行時間；telws表示接觸網設備的上一次檢修時間；Celws表示規程規定的該設備檢修周期；Xelt∈{0，1}，Xelt=1代表該設備被檢修。式（1）、式（2）表示在［0.8，1.2］檢修周期內，設備都處于檢修窗口內，可以被檢修。接觸網檢修作業工作量約束為：∑l∈TClws∑e∈DClws∑t∈TSlwsXelt<NT，（3）式中：Xelt=1代表該設備可以被檢修；NT為考慮環境影響以及天窗變化等外部條件而造成的單位時間內作業單位作業能力的上限。在編制檢修計劃時，處于不同狀態的設備緊急程度不同，安排時的優先級也有所不同。根據檢修作業規程規定，漏修失修設備要先于正常設備，單項設備檢修要優于全面檢查項目。因此，設備檢修作業的優先級約束為：ifPe1lws>Pe2lws，Xe1lt1>Xe2lt2，t1<t2，（4）式中：Pelws代表設備檢修作業的優先級。對檢修計劃編制而言，需在完成盡可能多檢修任務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表示檢修作業的任務量；ct表示檢修作業的成本；h表示不同處設備檢修作業的代價。對于供電車間而言，檢修成本主要考慮檢修作業出動的路徑消耗。式（5）使天窗內檢修工作量最大，確保了天窗利用率的最大化；式（6）確保了檢修成本最低，使得接觸網檢修作業計劃更合理，作業組織的成本更低?；谏鲜鏊枷氲慕佑|網檢修計劃生成流程見圖1。

2系統開發及應用

接觸網生產任務可視化管理系統旨在建立鐵路線路接觸網生產管理作戰指揮“沙盤”，通過生產組織過程的全方位展示，實現接觸網生產任務從宏觀到微觀、從抽象到具體的多層面精細化管理，為接觸網生產活動的組織管理提供支撐。以接觸網設備細化管理為核心，通過對線路接觸網設備基礎信息的綜合分析，利用多種可視化工具，實現對接觸網設備管理的直觀把握；以接觸網維修規程為指導，通過對檢修作業記錄的自動分析，制定相應的接觸網檢修計劃，實現接觸網線路的分級管理和設備的差異化維修；以移動互聯技術為支撐，對接觸網檢修作業的生產過程進行監控，實現接觸網檢修作業進度的實時追蹤，全面準確掌握現狀，科學組織生產。2.1總體方案?；谇笆龇治?，為實現對所轄線路接觸網設備的精細管理，系統主要包含以下3方面內容：（1）接觸網基礎信息管理系統。包含接觸網設備的基本信息，如站場、區間、線別、股道、設備類型、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設計圖中直接獲取，部分信息需結合現場實際進行錄入。該部分可完成對所轄接觸網設備的定制化查詢和圖形化顯示。（2）接觸網生產過程管理系統。主要由對應于現場接觸網實際情況開發的檢修生產沙盤組成，可以實現接觸網全面檢查和單項設備檢修情況的管理，包含檢修計劃的到期提醒、檢修作業記錄的錄入以及與之配套的現場作業終端等。該部分能實現接觸網生產作業過程及完成進度的可視化顯示。（3）接觸網檢修計劃自動編制系統。主要由接觸網設備檢修計劃管理系統組成，可以實現接觸網不同設備檢修周期的管理以及不同時間接觸網檢修作業任務的自動分配，可根據需要對不同時間段的檢修作業上限工作量進行分別限定，可完成年度檢修計劃以及月度檢修計劃的自動編制及調整。2.2組成結構。系統主要由云數據庫服務器、本地數據庫備份、網頁子系統、檢修沙盤模型子系統與手持終端子系統等部分組成。其中手持終端系統主要用于工區現場檢修使用，按檢修作業組配置。網頁子系統、檢修沙盤模型子系統用于PC客戶端登錄，支持鐵路局集團公司、站段、車間和工區4級用戶。各子系統之間相對獨立，且均與云數據庫服務器實時通信，實現對數據庫的訪問。任何一個子系統更新數據庫之后，其他子系統實時獲取到數據庫的修改，并產生對應的數據報表或圖形更新。系統設置了角色管理與賬戶管理，由超級用戶分配權限。其中同一層級的用戶權限一致，用戶之間數據獨立。按照“下管一級”管理需要，用戶可以查看用戶自身的數據和下級用戶的檢修完成情況對比數據，以確認同一項生產任務不同下級完成情況及其比例。系統網絡拓撲見圖2。2.3系統主要特點與應用成效。2.3.1主要特點。在前述基礎上開發接觸網生產任務可視化管理系統，系統以接觸網生產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生產的全局情況。系統主要特點如下：（1）利用Echarts實現接觸網設備的直觀生動展示。針對接觸網設備的精細化管理，提供了多層級數據的可視化展示，既有站段層面接觸網設備的宏觀統計，又有區間和股道層級接觸網支柱的細微展示。（2）檢修沙盤模型以線別為單位，可連續顯示線別、區間、股道、桿號以及工區、所亭等信息，支持無極縮放，既可顯示區間、站場等宏觀信息，也可放大顯示股道、桿號等微觀信息，系統的可視化效果好。（3）檢修記錄的錄入包含維修規程規定的所有細目，錄入數據不全時該條記錄自動提示為紅色標記，完善后恢復正常。全面檢查支持批量錄入，單項檢查支持記錄的智能復制。（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備的檢修計劃。檢修計劃以工區為基本組織單位，可生成工區的檢修設備明細表和匯總表?？山Y合季節特性，對不同時間段的檢修作業任務量進行設定，以生成科學、操作性強的檢修計劃。（5）數據庫基于TCP/IP協議構建，可滿足1000個以上用戶同時訪問計算，運用并行數據計算，計算結果推算延時不超過10s。（6）檢修數據錄入后實時刷新對應檢修沙盤模型和數據統計報表，工區、車間、段3級視圖刷新延時不超過3min。（7）數據庫服務器具備實現實時備份和全備份功能，保證數據的安全性。2.3.2應用成效。該系統經過系統封裝、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，在以下幾個方面發揮了積極作用：（1）數據管理可視化，表達效果直觀明了。利用可視化工具，將各類統計結果圖形化展示，結果清晰直觀，所轄接觸網設備的情況一清二楚，接觸網生產過程的管理一目了然。不同層級的接觸網管理結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的狀態從宏觀到微觀都有較為全面和直觀的了解。（2）設備履歷清晰，消除了過度維修和失修并存的情況。系統上線運行后，檢修狀況在數量和區域分布上清晰明了，消除了因臺賬記錄不清等因素導致的過度維修，消除了因人為因素導致站場側線、渡線等位置的年久失修，消除了單項設備檢修超周期等情況。（3）整合電子版臺賬，數據共享，減輕了基層管理負擔。接觸網設備的基礎信息大部分來自設計資料，部分信息只需錄入1次。支持各類查詢與導出，方便工區、車間及供電段查閱及管理設備臺賬。系統的使用極大地提高了生產組織效率，消除了接觸網設備信息不準確、不一致等問題，為接觸網設備的超前防范與精準維修提供了技術支持。

3結束語

高速鐵路接觸網生產任務可視化系統以設備數據的可視化為核心開發功能模塊，實現了對接觸網設備的精細化管理和圖形化展示，并在此基礎上實現了接觸網檢修作業任務的自動分配，可提高現場檢修作業效率、降低現場作業工作量。在系統后續運行中，還需持續收集用戶需求、使用情況以及反饋意見等，從而進一步完善系統功能，提升計算效率等。

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