高速铁路接触网生产任务研究

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作为机车的能量来源，接触网的安全稳定是保障高速铁路安全正点运行的关键。为保证高铁接触网设备的安全稳定运行，铁路供电部门需投入大量人力物力进行维护，随着接触网规模的增加和运行时间的积累，接触网运营维护的压力日渐增大，急需采用更先进的管理手段以提高接触网生产组织效率。为充分利用现代信息技术提高接触网生产的管理水平，原中国铁路总公司于2015年8月下发《高速铁路接触网一杆一档系统建设指导意见》，随后多家公司开展了接触网管理系统的研究和开发，但现有系统较多集中在管理流程的电子化，如工作票审批、权限管理、检修任务汇总累加等方面，多以数据报表的形式展示接触网设备的履历和检修情况，数据展示不够形象直观，难以对接触网的精细化管理提供有益指导［1-5］。在接触网的实际生产管理中，目前系统多存在以下问题：（1）接触网设备管理比较粗放。由于接触网结构复杂、跨越范围广、涉及设备多，一般的管理系统难以实现对接触网沿线所有设备的统一综合管理；（2）接触网设备的生产组织管理不够直观。由于接触网管理涉及多级生产管理部门，在地理位置上又比较分散，目前的管理系统大多以数据报表的形式记录和展示生产任务的进度，不利于对接触网生产任务的全盘把握和统筹规划；（3）管理系统的自动化水平不高，大多数任务需要技术人员手工完成，增加了现场工作人员的工作负担，难以发挥计算机系统的优势。传统以人工为主、办公软件为辅的生产数据管理方式，已不能满足高铁“高标准、严要求”管理需求，难以对接触网的精准维修提供有力支撑［6-9］。在此，以接触网的精细化、可视化管理为目标，研究接触网设备的单元化、关系型管理模型，接触网生产过程的可视化管理模型以及接触网检修任务的0-1整数规划模型，在此基础上开发接触网生产任务可视化管理系统，并在实际线路中开展应用。应用结果表明：该系统可实现接触网设备基础数据的统一管理，能完成接触网检修计划的自动编制，并可实现接触网检修作业进度的可视化管理，可为接触网的精益化智能化检修提供支撑。

1构建接触网设备管理模型

接触网结构复杂、设备较多且分散较广，实现对接触网所有设备的精细化管理是接触网生产管理系统的核心需求，也是系统实现的难点，合理的接触网设备管理模型是实现接触网设备统一管理的前提。1.1接触网设备管理模型。依据一杆一档管理文件和高速铁路接触网维修规程规定，将接触网设备划分为线条设备和点状设备两大类。线条设备主要包括接触网线索、电缆等，点状设备以单项设备为主，包括分段、线岔、隔离开关、补偿、硬横梁、软横跨等。以一杆一档为基础，建立设备之间的关系，设备之间关系主要包含以下类别：（1）1台设备位于1个杆子上，一对一关系：如避雷器、隔离开关；（2）1台设备位于2个杆子之间，一对多：如分段绝缘器、绝缘子；（3）1组设备由同一个股道多个杆子组成，一对多：如关节式分相、绝缘/非绝缘锚段关节；（4）1组设备包含多个股道多个杆子组成，一对多：如线岔、软横跨、硬横梁。以一杆一档为核心，从行政关系（站段、车间、工区）和地理关系（线别、区间、股道、杆号）2类主要关系建立单元化、关系型设备数据库。以该数据库为基础建立设备数据库服务器，实现系统功能开发关键基础。1.2接触网生产管理可视化模型。由于管理的接触网设备众多、关系复杂，传统的数据库信息记录方式无法展现有用信息，对接触网的生产管理起不到实际指导作用，利用信息技术实现接触网生产过程的可视化展示，有利于对接触网生产任务的统一筹划和生产进度的实时掌控。为减少接触网设备基础信息的采集工作量，在线路已有设计资料的基础上进行接触网检修作业管理可视化功能的开发。作为接触网设计、施工、运营维护的指导文件，设计图是接触网的核心技术文件，包含了接触网所有设备完整的基础信息。以接触网设计图为基础，在设计图中增加生产管理可视化图层，根据后台生产管理系统生成的检修时间信息，对处于不同阶段的待检设备进行分色显示；根据检修作业手持终端上传的作业信息，对已检修的接触网设备进行变色显示。在接触网检修作业管理模型上，分别用“绿、黄、红”表示接触网设备“已检修、即将超周期、已超周期”3个状态，为方便管理，模型图分3个层次显示检修作业情况：（1）总体图形可以看到站场、区间的检修概况；（2）放大1级后可查看线路股道、行别的检修情况；（3）放大2级后可查看具体的接触网支柱检修情况。区别于一般图纸以站场或区间为单位割裂保存，检修沙盘模型以线别为单位连续显示。基于已有的接触网平面布置图、供电分段示意图、供电线布置图等图纸，以及6C数据资料和一杆一档资料等，开发与现场设备对应的接触网检修作业管理模型，在开发的检修沙盘中包含线别、区间、股道、杆号、工区、所亭等完整信息。为便于分项统计和显示，检修管理模型中以检修项目为单位，将文字说明、全面检查、避雷器、远动隔离开关等检修项目分别以独立的图层进行管理。检修沙盘模型主要技术标准如下：（1）检修模型中包含区间杆号、股道线路走向等基本信息，无其他无关内容。（2）检修模型中的杆号档距按1∶1000制作，消除设备经纬度等敏感地理信息。（3）文字和设备分布在不同图层之上，设备图层以检修项目为单元独立管理，图层之间无关联，支持图层独立显示和合并显示。检修沙盘模型的开发，使设备的检修情况显示更加形象直观，用户可以在沙盘中直观看到线路上设备的检修情况，清晰掌握生产检修作业的进度，并根据未检修或超周期设备的分布情况，合理安排下一步计划，实现精准维修。1.3接触网检修计划智能编制模型。在众多接触网设备统一管理的基础上，利用智能技术，实现接触网设备检修计划的智能编制，以克服传统人工编制难度大、效率低、经济性差等缺点。由于接触网设备种类多、检修周期不同、地理位置分散，导致接触网设备检修计划的编制较为困难。以检修周期为指导，拓展接触网设备的检修窗口，以检修作业成本最小为目标，对接触网设备的检修作业计划进行优化。利用组合优化方法实现接触网检修计划科学合理地自动编制［10］，实现以工区为单位的接触网检修计划自动生成，可以根据设备的检修记录、检修周期自动搜索并统计需检修设备的数量。将算法应用于检修管理系统，起到提高铁路接触网的供电可靠性和降低检修成本的目的。为使接触网设备的检修更加灵活，在固定检修周期标准的规定下，拓展接触网检修时机约束如下：ift>telws+0.8×Celws，Xelt=1，（1）ift<telws+1.2×Celws，Xelt=1，（2）式中：t代表接触网当前的运行时间；telws表示接触网设备的上一次检修时间；Celws表示规程规定的该设备检修周期；Xelt∈{0，1}，Xelt=1代表该设备被检修。式（1）、式（2）表示在［0.8，1.2］检修周期内，设备都处于检修窗口内，可以被检修。接触网检修作业工作量约束为：∑l∈TClws∑e∈DClws∑t∈TSlwsXelt<NT，（3）式中：Xelt=1代表该设备可以被检修；NT为考虑环境影响以及天窗变化等外部条件而造成的单位时间内作业单位作业能力的上限。在编制检修计划时，处于不同状态的设备紧急程度不同，安排时的优先级也有所不同。根据检修作业规程规定，漏修失修设备要先于正常设备，单项设备检修要优于全面检查项目。因此，设备检修作业的优先级约束为：ifPe1lws>Pe2lws，Xe1lt1>Xe2lt2，t1<t2，（4）式中：Pelws代表设备检修作业的优先级。对检修计划编制而言，需在完成尽可能多检修任务的情况下检修成本最低，即：maxwl=∑l∈TCl∑e∈DClws∑t∈TSlXelt，（5）minct=∑l∈TCl∑e∈DClws∑t∈TSlh*Xelt，（6）式中：wl表示检修作业的任务量；ct表示检修作业的成本；h表示不同处设备检修作业的代价。对于供电车间而言，检修成本主要考虑检修作业出动的路径消耗。式（5）使天窗内检修工作量最大，确保了天窗利用率的最大化；式（6）确保了检修成本最低，使得接触网检修作业计划更合理，作业组织的成本更低。基于上述思想的接触网检修计划生成流程见图1。

2系统开发及应用

接触网生产任务可视化管理系统旨在建立铁路线路接触网生产管理作战指挥“沙盘”，通过生产组织过程的全方位展示，实现接触网生产任务从宏观到微观、从抽象到具体的多层面精细化管理，为接触网生产活动的组织管理提供支撑。以接触网设备细化管理为核心，通过对线路接触网设备基础信息的综合分析，利用多种可视化工具，实现对接触网设备管理的直观把握；以接触网维修规程为指导，通过对检修作业记录的自动分析，制定相应的接触网检修计划，实现接触网线路的分级管理和设备的差异化维修；以移动互联技术为支撑，对接触网检修作业的生产过程进行监控，实现接触网检修作业进度的实时追踪，全面准确掌握现状，科学组织生产。2.1总体方案。基于前述分析，为实现对所辖线路接触网设备的精细管理，系统主要包含以下3方面内容：（1）接触网基础信息管理系统。包含接触网设备的基本信息，如站场、区间、线别、股道、设备类型、所属杆号、车间归属等基本信息，其中大部分信息可从接触网设计图中直接获取，部分信息需结合现场实际进行录入。该部分可完成对所辖接触网设备的定制化查询和图形化显示。（2）接触网生产过程管理系统。主要由对应于现场接触网实际情况开发的检修生产沙盘组成，可以实现接触网全面检查和单项设备检修情况的管理，包含检修计划的到期提醒、检修作业记录的录入以及与之配套的现场作业终端等。该部分能实现接触网生产作业过程及完成进度的可视化显示。（3）接触网检修计划自动编制系统。主要由接触网设备检修计划管理系统组成，可以实现接触网不同设备检修周期的管理以及不同时间接触网检修作业任务的自动分配，可根据需要对不同时间段的检修作业上限工作量进行分别限定，可完成年度检修计划以及月度检修计划的自动编制及调整。2.2组成结构。系统主要由云数据库服务器、本地数据库备份、网页子系统、检修沙盘模型子系统与手持终端子系统等部分组成。其中手持终端系统主要用于工区现场检修使用，按检修作业组配置。网页子系统、检修沙盘模型子系统用于PC客户端登录，支持铁路局集团公司、站段、车间和工区4级用户。各子系统之间相对独立，且均与云数据库服务器实时通信，实现对数据库的访问。任何一个子系统更新数据库之后，其他子系统实时获取到数据库的修改，并产生对应的数据报表或图形更新。系统设置了角色管理与账户管理，由超级用户分配权限。其中同一层级的用户权限一致，用户之间数据独立。按照“下管一级”管理需要，用户可以查看用户自身的数据和下级用户的检修完成情况对比数据，以确认同一项生产任务不同下级完成情况及其比例。系统网络拓扑见图2。2.3系统主要特点与应用成效。2.3.1主要特点。在前述基础上开发接触网生产任务可视化管理系统，系统以接触网生产过程的可视化管理为核心，界面简洁、输出图形简单明了，可通过图表直观掌握接触网生产的全局情况。系统主要特点如下：（1）利用Echarts实现接触网设备的直观生动展示。针对接触网设备的精细化管理，提供了多层级数据的可视化展示，既有站段层面接触网设备的宏观统计，又有区间和股道层级接触网支柱的细微展示。（2）检修沙盘模型以线别为单位，可连续显示线别、区间、股道、杆号以及工区、所亭等信息，支持无极缩放，既可显示区间、站场等宏观信息，也可放大显示股道、杆号等微观信息，系统的可视化效果好。（3）检修记录的录入包含维修规程规定的所有细目，录入数据不全时该条记录自动提示为红色标记，完善后恢复正常。全面检查支持批量录入，单项检查支持记录的智能复制。（4）检修计划生成模块可按照检修项目最长周期，依次生成全面检查和单项设备的检修计划。检修计划以工区为基本组织单位，可生成工区的检修设备明细表和汇总表。可结合季节特性，对不同时间段的检修作业任务量进行设定，以生成科学、操作性强的检修计划。（5）数据库基于TCP/IP协议构建，可满足1000个以上用户同时访问计算，运用并行数据计算，计算结果推算延时不超过10s。（6）检修数据录入后实时刷新对应检修沙盘模型和数据统计报表，工区、车间、段3级视图刷新延时不超过3min。（7）数据库服务器具备实现实时备份和全备份功能，保证数据的安全性。2.3.2应用成效。该系统经过系统封装、功能测试、兼容性测试、安全测试后，在汉宜铁路上线试运行1年多，效果显著，在以下几个方面发挥了积极作用：（1）数据管理可视化，表达效果直观明了。利用可视化工具，将各类统计结果图形化展示，结果清晰直观，所辖接触网设备的情况一清二楚，接触网生产过程的管理一目了然。不同层级的接触网管理结果的可视化效果见图3，通过可视化展示，可对所辖线路接触网的状态从宏观到微观都有较为全面和直观的了解。（2）设备履历清晰，消除了过度维修和失修并存的情况。系统上线运行后，检修状况在数量和区域分布上清晰明了，消除了因台账记录不清等因素导致的过度维修，消除了因人为因素导致站场侧线、渡线等位置的年久失修，消除了单项设备检修超周期等情况。（3）整合电子版台账，数据共享，减轻了基层管理负担。接触网设备的基础信息大部分来自设计资料，部分信息只需录入1次。支持各类查询与导出，方便工区、车间及供电段查阅及管理设备台账。系统的使用极大地提高了生产组织效率，消除了接触网设备信息不准确、不一致等问题，为接触网设备的超前防范与精准维修提供了技术支持。

3结束语

高速铁路接触网生产任务可视化系统以设备数据的可视化为核心开发功能模块，实现了对接触网设备的精细化管理和图形化展示，并在此基础上实现了接触网检修作业任务的自动分配，可提高现场检修作业效率、降低现场作业工作量。在系统后续运行中，还需持续收集用户需求、使用情况以及反馈意见等，从而进一步完善系统功能，提升计算效率等。

作者:徐学平 高睿 程宏波 张伟 单位:1.中国铁路武汉局集团有限公司 2.中国铁路武汉局集团有限公司 3.华东交通大学