高速鐵路技術改造與大修整治項目精細化管理與輔助決策關鍵技術研究

程智博，楊懷志，吳艷華，李 景，高 峰，江曉振

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038）

0 引言

在數字化轉型時代背景下，以數字化思維、數字化技術推動高速鐵路數字化智能化升級是必然的發展趨勢和要求。技術改造與大修整治(以下簡稱“技改大修”)是高速鐵路公司對管轄范圍內的鐵路運輸設施設備進行的綜合性技術改造和采取的重大技術措施，是提高鐵路運輸設施設備技術水平，保證鐵路設備持續穩定的重要手段。某高速鐵路公司目前已研發了高速鐵路技術改造與大修整治項目計劃系統(以下簡稱“系統”)，改變原有郵件立項審批流程及紙質文檔流轉模式，實現技改大修項目的科學化管理與運營[1]。然而，隨著系統實際投入使用，既有管理模式已無法滿足智能運維[2-3]、快速響應的業務要求，存在審批流程按需服務、設備及整改方式眾多、信息提取不完備不及時等狀況，利用數字化技術優化技改大修立項與審批流程，開展項目精細化管理與輔助決策勢在必行。審批工作流程優化在各領域廣泛研究運用，包括政務行政審批[4-5]、工程建設項目審批[6-7]、商業信貸審批[8-9]等，在技改大修項目管控方面，相關學者利用大數據、建筑信息模型(BIM)等技術，研究全過程［10］、集約化[11]、精益化[12]等管理模式，積極探索構建立項輔助決策模型[13]并開展經濟效益的后評價[14]，對于高速鐵路技改大修優化具有較高的指導意義，但在具體應用方面，仍需要結合高速鐵路技改大修本身特點及高速鐵路公司實際需求開展精細化管理研究。

為建立高效精細的高速鐵路技改大修服務體系，需要進一步優化現行技改大修管理模式，通過構建技改大修知識庫、自定義配置優化審批流程、基于時空關聯構建設備數據鏈條等措施，利用信息新技術開展智能化輔助決策，對項目的立項是否符合高速鐵路公司技改大修計劃管理實施辦法和用途管制要求進行合規性檢測，實現項目管理各環節協同、高效、持續運行，確保項目滿足高速鐵路技改大修精細化管理需求并快速響應，服務于高速鐵路公司、鐵路局集團公司的技改大修項目的規劃審批工作，提升高速鐵路技改大修項目審批的服務水平、服務質量及服務效率。

1 需求分析

以某高速鐵路公司項目計劃管理業務需求為依據，提出系統總體框架，該系統包括工作桌面、項目管理、月報管理、統計報表、數據管理等功能模塊，利用工作流模型設計項目立項審批流程，在高速鐵路公司及鐵路局集團公司應用中實現項目錄入、接轉與維護，并初步開展項目數量及金額方面的統計[1]。

現階段高速鐵路技改大修管理過程中，立項及維護過程僅以項目為單位進行審批與管理，然而項目中存在跨專業、涉及設備類型眾多、金額歸屬不明確等問題。為了支撐高速鐵路線路智能化提升，需要由粗放型管理模式逐步向數字化、精細化管理模式轉變，高速鐵路技改大修精細化管理模式轉變如表1所示。

表1 高速鐵路技改大修精細化管理模式轉變Tab.1 Transformation of refined management mode for technical renovation and overhaul of high speed railway

精細化管理具體需求如下。

（1）由于技改大修項目中各專業設備類型繁多，某些項目包括設備整體及其細化的部件/組件信息，需要從原有項目級轉變為設備級管理粒度，為現場設備設施維護提供全面、精準的數據支持。

（2）歷年項目內容中設備名稱及整改方式尚未標準化，需要制定統一的規范性描述，利用規范化管理，實現新立項項目上報的標準化，方便快速開展技改大修各維度的統計分析。

（3）審批往復頻率較高，在立項、可研及實施階段均存在某類設備或細化的部件/組件進行取消、修改后重新上報等多個環節，需要對現有業務流程優化實現一站式無縫對接，滿足不同層級用戶使用需求；既有系統利用工作流模型，從鐵路局集團公司提交立項計劃開始，經過逐層審批完成審批流程，但目前以單線程為主，且項目維護僅至撥款階段，且項目批復金額無法與設備一一對應，需要補全工程實施、竣工驗收結算等資料，為開展項目費用預估及造價分析等提供管理基礎。

（4）立項階段依靠人工經驗進行決策，手工翻閱設備歷史維修、大修情況，需要構建歷史技改大修知識庫，實現歷史技改大修數據關聯分析與建模，開展立項沖突檢測及費用預測等輔助決策應用。

2 精細化管理關鍵技術研究

為了真正落實技改大修全過程、精細化管理，實現面向設備級的管理環節系統、高效、持續運行，針對以上需求開展高速鐵路技改大修精細化管理關鍵技術研究，在既有系統基礎上，優化立項管理流程，新增知識庫、統計分析、設備狀態綜合分析、立項沖突檢測及費用預算預估等內容。高速鐵路技改大修項目精細化管理總體框架如圖1所示。

圖1 高速鐵路技改大修項目精細化管理總體框架Fig.1 Overall framework of refined management of high speed railway technical renovation and overhaul project

2.1 技改大修知識庫構建

利用前期構建的技改大修項目關鍵信息數據庫，助以工務安全生產管理系統為核心的設備數據，采用知識圖譜構建基于圖數據庫的設備臺賬、維修、技改大修等關聯關系，實現縱向貫通管理系統、橫向連接不同層級信息系統的信息交互。高速鐵路技改大修知識圖譜構建框架如圖2所示。

圖2 高速鐵路技改大修知識圖譜構建框架Fig.2 Framework of knowledge map for technical renovation and overhaul of high speed railway

（1）數據源。數據源既包括工務安全生產管理系統、資產管理信息系統等業務系統接入的數據，也包括技改大修項目關鍵信息數據庫，同步開展數據預處理及清洗等工作。

（2）知識構建。采用資源描述框架(Resource Description Framework，RDF)三元組形象化表達技改大修設備本體，包括名稱、臺賬信息、檢測信息、病害信息、審批管理類信息等，在本體表達階段規范設備名稱及整改方式，語義關系定義2 個概念間存在的關聯關系，通過抽取與融合技改大修設備全生命周期知識，利用有向圖將技改大修各設備、各階段等信息進行組織關聯表達，采用圖數據庫進行組織存儲與管理。

（3）知識應用。知識應用技術是基于技改大修知識圖譜，對知識單元進行計算和推理，建立對應的審批規則庫，構建輔助審批意見自動生成模型，按照既定審批規則進行智能化審查，結合機器學習算法不斷提高意見的準確率；基于設備全要素數據，構建多因素引發的設備故障預測模型，為開展預防性維修、長久未維修提醒提供知識推理。

研究使用圖數據庫進行技改大修知識庫存儲，以軌道板及鋼軌技改大修項目為例構建知識圖譜，技改大修知識圖譜如圖3所示。

圖3 技改大修知識圖譜Fig.3 Example of knowledge map for technical renovation and overhaul

2.2 基于流程優化的立項管理設計

科學的業務流程設置可以保證技改大修項目在各級部門、各專業之間工作流轉合理、便捷[15]。通過開展基于流程優化的立項管理設計，以流程優化為方法，以業務需求為導向，對既有工作業務流程自發地、持續地進行改造、調整，實現項目從錄入、審查、流轉到進度查看，維護全過程高效管理。

在立項審批階段，梳理原有工作流程不足，將冗余的業務流程簡化，新增并整合業務新流程，現階段項目立項審批業務流程圖如圖4 所示。鐵路局集團公司計統部、高速鐵路公司專業處室、高速鐵路公司計財部、高速鐵路公司領導層，每個角色執行的業務不同，如鐵路局集團公司計統部涉及上報/重報項目或可研文件。根據各立項審批環節，系統能夠自動更新當前狀態，包括待審核、已通過審核、審核未通過、審核后需要重新上報等。為了實現高效規范化的流程管理，系統需要支持多級審批人員逐層審核和審批流程回轉，根據審批狀態不同實現全流程消息通知，為了適應多場景下的立項審批模式，需要采用自定義配置方式，滿足在不同階段、不同場景下的重組、集成業務流程需求。

圖4 現階段項目立項審批業務流程圖Fig.4 Flow chart of project approval business

在維護管理階段，開展面向設備級的項目維護，包括月報管理、施工進展情況、未完成原因、接轉信息、計價撥款、驗收信息等，實現項目進展信息透明公開、高效貫通，為開展項目跟蹤及后評估提供可靠支持。

2.3 技改大修設備時空關聯

利用技改大修知識庫，利用多表主鍵和外鍵實現設備級數據表關聯，利用統一時間維度開展其時間范圍內的設備關聯，使用線性參考技術將鐵路一維里程坐標與二維經緯度坐標轉換，反映設備空間關系，基于以上3 種方式構建設備不同業務各環節的關聯關系，開展面向設備的出廠安裝、檢測監測、日常維修、技改大修等全過程信息關聯與演繹，保障信息在空間和時間上的完整性和延續性，支持設備各環節狀態和屬性的實時記錄及跟蹤管理。

2.4 立項輔助決策

基于知識圖譜快速檢索歷史項目中設備技改大修歷史知識信息，構建沖突檢測模型對項目中同類整治措施的設備信息、里程信息、項目年份進行相似度分析，對比鐵路局集團公司上報的立項設備具體信息，發現重復立項、違規立項等問題；綜合歷史項目批復概算、驗收計價、實施單位、實施年度等構建項目費用估算模型，根據上報設備關鍵特征信息，預測項目費用，避免主觀估算，為項目管理人員提供輔助決策支持。

3 應用實例

3.1 立項管理優化實例

面向技改大修設備級立項進行流程優化，利用知識庫反向應用于立項上報環節，結合已建立的規范化描述規則上報，面向設備名稱、整改方式、里程點等基本信息，實現多專業、多設備技改大修內容上報，從源頭有效地提升數據粒度及標準化程度。利用自定義配置方式，支持多用戶分級審批流程，實現設備各部門數據整合共享和業務協同服務，提高立項審批流程的可移植性和智能化程度。面向設備級的項目立項上報界面如圖5 所示。

圖5 面向設備級的項目立項上報界面Fig.5 Interface of device-level project initiation and reporting

3.2 技改大修設備時空關聯實例

開展技改大修設備時空關聯分析，結合鐵路地理信息專業地圖，實現設備地圖定位?；谠O備全數據鏈條，支持統一數據查詢語言，同時檢索設備臺賬、檢測維修、技改大修等多個數據源數據，包括數據表及文本內容，大幅提升檢索準確度及效率。技改大修設備時空關聯圖如圖6所示。

圖6 技改大修設備時空關聯圖Fig.6 Spatiotemporal correlation diagram of technical reform and overhaul equipment (taking a certain equipment as an example)

3.3 立項沖突檢測實例

結合設備技術改造和大修歷史立項數據，上傳擬立項項目設備名稱及整改方式，利用沖突檢測模型挖掘該設備歷史技改大修情況，結合里程信息以圖形化方式直觀展示，如果存在重復立項情況以不同顏色色塊進行展示，支持提醒長期未開展技改大修的設備及時開展整治工作，同時列出技改大修項目詳情及文件內容，該分析應用代替原有手動查閱資料對比工作，大大提高決策精度。立項沖突檢測如圖7所示。

圖7 立項沖突檢測Fig.7 Project initiation conflict detection

4 結束語

在既有系統架構基礎上，通過開展高速鐵路技改大修精細化管理需求分析，深化精細化管理總體框架，開展技改大修知識庫構建、基于流程優化的立項管理設計、技改大修設備時空關聯、立項輔助決策等關鍵技術研究，結果表明，應用實例形成了一套業務實踐與數據、知識體系之間的“閉環反饋”的體系，提升了技改大修管理精細化程度，充分挖掘數據潛在價值并開展輔助決策。下一步擬開展技改大修造價分析及后評價分析，不斷拓展技改大修輔助決策應用。