摘" 要：为解决当前重载铁路基础设施及周界环境巡检作业过程中存在的巡检效率低、质量差、巡线工的人身安全保障不及时等问题，设计开发了一种基于智能巡检终端的作业方式，通过管理服务端与移动APP端的信息交互实现对重载铁路巡检作业的闭环管理。智能巡检终端通过规范化的巡检作业流程设计，提高了重载铁路基础设施的日常养护维修的信息化管理水平，实现了重载铁路巡检作业方式的转变，保障了巡检效率和质量，为重载铁路正常安全运维奠定坚实基础。
关键词：重载铁路；基础设施；周界环境；智能巡检终端；巡检作业方式
中图分类号：TP311；TP391" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）22-0141-05
Design and Application of Inspection Terminal for Heavy Duty Railway Infrastructure and Perimeter Environment
Abstract： In order to solve the problems of low inspection efficiency， poor quality and delayed personal safety protection of line inspectors in the inspection operation process of infrastructure and perimeter environment of heavy duty railway， an operation mode based on intelligent inspection terminal is designed and developed. Through information interaction between management server terminal and mobile APP terminal， closed-loop management of inspection operation of heavy duty railway is realized. Through the design of a standardized inspection operation process， the intelligent inspection terminal improves the information management level of the daily maintenance of heavy duty railway infrastructure. It realizes the transformation of the inspection operation mode for heavy duty railway， guarantees the inspection efficiency and quality， and lays a solid foundation for the normal and safe operation and maintenance of heavy duty railway.
Keywords： heavy duty railway; infrastructure; perimeter environment; intelligent inspection terminal; inspection operation mode
0" 引" 言
伴随铁路行业的快速发展，铁路线路的加长，铁路运输安全及日常巡检维护工作就显得尤为重要[1-3]。由于重载铁路沿线跨度大、线路长、点位多、地点分散、现场环境复杂，不仅巡检工作人员工作量大，而且铁路管理部门往往无法实时查看监督当前巡线工的现场作业情况及巡检进度，发生危险时不能及时做出响应[4]。且目前重载铁路的巡检方式多以手工填写记录为主，巡线工将巡检结果记录在工作簿上，在巡检工作结束后，对工作簿上的内容进行整理并上交，通过这种方式获取的巡检数据真实性无法得到保证，而且容易出现漏记漏统的情况，导致巡检工作效率低下、巡检质量不高，无法彻底排除重载铁路运输过程中存在的安全隐患。
随着计算机技术的不断发展，重载铁路巡检工作也向着信息化的方向迈进，实现重载铁路基础设施巡检方式的智能化是当前智慧铁路建设中必不可少的环节[5-7]。本文设计研究一套铁路智能巡检终端系统，通过科学有效的方法，实现巡检人员、巡检任务以及巡检数据的一体化管理，帮助重载铁路安全运维管理部门对铁路巡检过程中发现的病害信息做出及时精准的决策，提高重载铁路基础设施日常养护维修工作管理智能化水平，为保障铁路系统安全运维奠定基础。
铁路智能巡检终端是基于当前巡检工作流程设计的一套铁路基础设施及周界环境巡检作业闭环管理的智能化、规范化信息管理系统，包括管理服务端、移动APP端两部分，系统基于GIS技术、北斗卫星导航定位技术以及移动通信技术，实现了巡检计划下发、巡检任务进度跟踪、巡线工实时位置监控、电子围栏及告警、巡检问题记录、巡检数据实时回传、巡检结果可视化展示与分析等主要功能，对铁路现场作业安全、铁路基础设施巡检、维修作业进行了有效管控，规范了铁路巡检作业行为，并能够帮助相关部门快速及时地开展维修工作，有效提高了巡检的可靠性、高效性和准确性，为铁路安全增加一份有力保障。
1" 铁路智能巡检终端关键技术
1.1" GIS技术
地理信息系统（Geographic Information Systems， GIS）已经从传统的计算机制图发展为以云计算和大数据为基础的地理信息服务[8]。它具有空间数据的获取、储存、计算、分析与展示的功能，帮助用户更好地解决与其相关的问题。跨平台GIS技术支持各种终端尤其是移动终端，本文基于Android平台开发，采用B/S架构通过联网模式访问服务器上强大的GIS功能，实现铁路智能巡检终端的GIS服务。然而，由于部分铁路地段地处空旷、偏僻，经常出现信号弱甚至没有信号的情况，系统可通过跨平台GIS技术的微内核和松耦合设计，实现GIS功能的离线访问。
1.2" 北斗卫星导航定位技术
北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System， BDS）由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务[9]。铁路智能巡检终端内置北斗高精度板卡，同时接收北斗、GPS、GLONASS信号，能实现铁路巡检过程中巡线工和病害位置快速精准定位，为铁路巡线工的人身安全提供有力保障，为铁路病害精准管理奠定基础。
1.3" 移动通信技术
移动通信是指通信双方或其中一方在移动状态下的信息交互，包括移动体之间的、移动体与固定体的通信，具有信道动态选择特性、用户动态选择特性以及业务动态选择特性，满足用户使用需求[10]。铁路智能巡检终端通过移动通信技术实现巡线工对重载铁路巡检过程中突发事件的及时上报、巡检数据的实时回传，保障重载铁路巡检作业安全及信息传递效率，为重载铁路巡检作业的时效性提供技术支撑。
2" 铁路智能巡检终端设计
2.1" 总体架构
铁路智能巡检终端的设计需对工作环境进行充分的考虑，同时，充分结合重载铁路数字化资产的数据优势，遵循实时数据传输、操作简单便捷、可扩展、多开放、高安全的设计理念，规范重载铁路基础设施巡检作业的一体化管理流程，实现了重载铁路基础设施日常管理维护的信息化，有效提高了巡检作业的可靠性、高效性和准确性。
铁路智能巡检终端总体架构如图1所示。基于系统的设计原则及需求分析，可以将其体系结构分成管理服务端、移动APP端两部分。移动APP基于Android平台构建，采用Cesium作为WebGIS三维引擎，部署在符合人体工学设计、方便携带的专用手持定位终端，具备防尘、防水、防摔、摄像、通信、定位等功能，实现巡检过程数据的采集与传输以及巡检人员的实时定位。管理服务端主要是对巡检计划与巡检任务的管理、线下巡检作业人员的巡检信息管理以及巡检人员安全管控，一般部署在铁路安全运维管理部门，为移动APP端提供巡检作业计划、设备台账信息等，并实时接收巡检作业人员当前巡检任务信息，查看巡检人员的实时位置。铁路智能巡检终端的管理服务端与移动APP端通过互联网技术完成信息交互，巡检过程中的数据传输严格按照相关网络安全规定，保障信息安全。
2.2" 技术架构
智能巡检终端采用三层架构模型，将应用系统划分为UI（User Interface）用户界面表示层、BLL（Business Logic Layer）业务逻辑层、DAL（Data Access Layer）数据访问层，以及Entity Class实体类和Common类库，各层的关系如图2所示。用户界面表示层负责与用户进行交互，用于显示、接收数据，简单逻辑处理，通常与业务逻辑层、Entity Class实体类发生关联。业务逻辑层是整个系统的核心，它承担了所有的逻辑判断，实现了程序的功能。BLL层既是调用者，又是被调用者，因此，要适当地进行设计达到解耦的效果。通常BLL层只关联DAL层和Entity Class实体类。数据访问层提供数据访问的接口，没有任何逻辑，在接口中对数据库操作语句进行组合装配。DAL层关联Entity Class实体类和Common类库中的最底层。Common类库用于存放公用的类，直接与数据库进行机械式的交换，无任何逻辑。Entity Class实体类相当于加强的数据结构，实现了对数据的封装。
2.3" 巡检作业流程
根据当前重载铁路基础设施及周界环境巡检作业流程，建立一种基于智能巡检终端的作业方式，实现重载铁路基础设施及周界环境巡检作业流程的标准化、规范化。图3为基于智能巡检终端的作业流程，系统实现了重载铁路基础设施巡检作业的一体化管理，包括巡检计划制定、巡检任务下发、巡检任务执行、巡检结果记录、病害检查与统计等功能。
3" 铁路智能巡检终端的应用
3.1" 移动APP端
铁路智能巡检终端的移动APP端通过卫星定位和移动通信技术与管理服务端完成数据传输与数据共享。铁路巡检作业人员通过移动APP端接收巡检任务并执行，完成上级部门下发的巡检计划并上传巡检结果，实现重载铁路基础设施的病害信息采集，为相关设施检查维修工作提供数据基础，从而能够对突发事件进行及时应对。
3.1.1" 人员实时定位
目前关于铁路巡线工日常安全巡检最大的问题莫过于人员安全，保证巡线工的人身安全是铁路巡检作业的基础和关键。铁路智能巡检终端的移动APP借助北斗卫星导航系统，将定位精度由传统的5米提高到亚米级别，通过移动GIS引擎实现巡检作业人员的实时位置展示，如图4（a）所示，以便管理服务端及时跟踪人员位置，有效减少意外事故的发生。此外，巡线工在完成当前巡检任务后，系统可根据行进路线生成当前的巡检轨迹，其结果如图4（b）所示。
3.1.2" 电子围栏和告警
此外，为进一步确保巡线工作业实施过程中的人员安全，管理员可在巡检APP中通过电子地图以自定义形状标注电子围栏，规定巡线工的作业范围，标注地点主要涵盖轨道围栏、敏感点围栏以及障碍围栏等。通过管理服务端对移动端远程定位监控，利用移动端与云计算服务双向实时计算，保障线路工位置与安全限界区域的安全阈值关系。巡线工进入障碍围栏以及敏感点之后会将敏感点告警触发，进而实现禁行管理以及敏感点报警等功能。若巡线工超出围栏范围，系统会按照预设停留时间并展开判断形成违规告警，同时向管理系统传输警告通知，进而提高巡检管理规范化程度。图5是巡检APP中安全限界超限信息警示界面。
3.1.3" 巡检任务管理
巡线工通过移动APP端获取管理服务端下发的巡检任务，从任务列表中选择当前尚未完成的任务计划，根据任务内容、地点及时间完成巡检工作。图6（a）为管理服务端下发的巡检任务列表及状态。在完成当前巡检任务之后，巡线工根据巡检结果对巡检问题进行记录，若未发现问题，其结果详情记录如图6（b）所示，若当前巡检任务存在巡检问题，其结果界面如图6（c）所示。
3.1.4" 缺陷事件管理
铁路缺陷事件管理可以帮助铁路管理部门及时处理巡线工在巡检过程中发现的缺陷事件，提高铁路安全性。巡线工通过移动APP端选择巡检过程中发现的具有缺陷的设施/病害位置，如图7（a）所示，填报缺陷地点、缺陷信息、应对缺陷所需采取的措施以及缺陷现场的照片或视频等信息并上传至管理服务端（图7（b）），以便相关部门及时采取措施对缺陷问题进行分析与处理，避免铁路事故的发生。
3.2" 管理服务端
巡线工通过手持定位终端采集巡线过程中发现的巡检问题，通过移动APP端上传至管理服务端，由后台管理人员统一管理设备缺陷/病害位置的信息及相关整治计划，保障铁路系统安全运维。基于巡线工上传的病害信息，管理服务端将缺陷问题及事件高发路段进行统计分析，并为用户提供可视化结果展示，如图8所示，预测病害发展趋势，辅助相关部门及时掌握铁路基础设施及周界环境的状态信息，以便及时遏制可能存在的安全隐患，并对突发状况迅速做出准确有效的应对方案。此外，管理服务端还可以实时监控当前巡检作业人员的作业状态及位置信息，实现对巡线工的作业管理及安全管控。
4" 结" 论
针对当前重载铁路巡检方式存在的作业效率低、人员安全风险高以及巡检结果记录管理不完善等问题，本文设计实现了一种基于智能巡检终端的重载铁路基础设施及周界环境巡检方式，并在实际巡检工作中进行测试，验证了其具有的实用性及便利性。铁路智能巡检终端采用GIS技术、北斗卫星导航定位技术以及移动通信技术，实现重载铁路巡检作业流程的智能化、规范化管理。通过对巡检结果的科学管理，相关部门能够快速及时地掌握病害信息并开展维修工作，实现重载铁路基础设施日常维护工作管理的信息化。基于智能巡检终端的作业模式有效提高了巡检工作的可靠性、高效性和准确性，为重载铁路基础设施的养护维修提供技术支撑，保障了重载铁路的安全运维。
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