孟 勇，白 磊，卢 丹，王福田

(1.中国神华神朔铁路分公司，陕西 榆林 719316；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044)



神朔铁路工务生产数据可视化系统研究与实现

孟 勇1，白 磊2，卢 丹2，王福田2

(1.中国神华神朔铁路分公司，陕西 榆林 719316；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044)

如何利用工务生产数据的空间特征提高数据可视化水平是铁路工务信息化建设中的一个重要难题。为此，对数据可视化技术在铁路工务设备管理领域的应用进行了探讨，在分析神朔铁路工务生产数据可视化需求的基础上，创新性地提出了具有广泛适用性的铁路工务生产数据可视化框架模型，并成功应用到神朔铁路工务生产数据可视化系统中，并对该可视化系统的架构设计、数据库设计、功能设计及实际应用情况进行了解释。

神朔铁路；工务设备；数据可视化；管理信息系统

工务设备是铁路运输生产的基础，其状态好坏直接影响铁路运输能力利用及行车安全。工务设备管理数据具有数量庞大、多源异构、种类繁多、空间属性强等特点[1]。海量、复杂的相关报表数据让铁路管理者难以快速、准确理解，图形化的信息更吸引铁路管理者的目光，有助于管理者准确掌握传递的信息。这些海量数据的可视化表达，可为工务设备管理提供科学的决策支持，确保工务设备完整和质量均衡，对神朔铁路运行安全、不间断行车具有重要意义。

西方国家对数据可视化研究比较早，在20世纪50年代，出现了计算机图形学，并利用计算机技术创建出了首批图形图表[2]。布洛斯·麦卡米克于1987年发表的美国国家科学基金会报告《科学计算中的可视化》中，可视化(visualization)一词作为专业术语出现，由此拉开了国外可视化研究的序幕[3]。

随着铁路工务信息化建设的逐步发展，对数据的不断整合利用，对数据可视化表达已经成为铁路工务信息化建设的关键内容。加拿大研发了Maintenance of Way Information System系统，日本研发了新干线轨道管理信息系统TOSMA系统，欧洲铁道研究所研发了Economical Track系统，挪威国家铁路研发了GIS Based Railway Network Information System系统，原中国铁道部信息技术中心研发了PWMIS系统(permanent way management information system)等[4-8]。上述管理系统都含有数据可视化模块，如线路设备综合图、车站配线图、管界图、速度图、大桥略图、反映相关报表内容的折线图和柱状图等。但上述系统中的数据可视化模块在动态专题图生成、多种类数据整合、数据集成可视化等方面仍存在不足，难以满足铁路现场用户需求。

数据可视化技术的最大价值就是可直观、清晰地帮助铁路管理者解析海量数据中的信息。笔者将利用可视化技术构建铁路工务生产数据可视化框架模型，将工务生产过程中的各类数据整合、融合，对数据进行有效的展示与分析，让管理者能以更直观、清晰、高效的方式理解数据中传递的信息，从而提高管理者的决策水平。在此基础上，研究构建神朔铁路工务生产数据可视化系统，作为神朔铁路既有生产管理系统——行车固定设备生产管理信息系统[9]的补充，有效提升神朔铁路工务设备安全管理水平。

1 神朔铁路工务生产数据构成及可视化需求

基于数据可视化的定义[10-11]，笔者提出铁路工务生产数据可视化是指利用计算机图形学和图像处理技术，将铁路工务生产过程中的数据进行组织、整合及融合，以图形的形式显示出来，同时用交互模型进行交互处理的理论、方法和技术。

神朔铁路工务生产数据由工务设备的台账数据、检查数据、病害数据、维修数据等构成。其中，工务设备台账数据包括车站台账数据、股道台账数据、道岔台账数据、曲线台账数据、钢轨台账数据、桥梁台账数据、隧道台账数据等；工务设备检查数据包括人工线路检查数据、便携式添乘仪检测数据、机载式添乘仪检测数据、轨道检查车检测数据、钢轨探伤车检测数据、线路春秋检数据、人工巡道数据等。

神朔铁路工务生产数据可视化需求可细分为工务设备检查可视化需求、工务设备状态评定可视化需求、工务设备维修管理可视化需求等。在对工务设备进行检查管理、状态质量管理和维修管理前，神朔铁路管理者首先需要快速、准确掌握工务设备的空间布局情况。线路设备综合图是满足以上需求的重要管理工具，它是一个二维平面图，主要显示不同设备的分布并标注其简要特征。其中，横轴表示线路里程，纵轴表示不同种类设备在垂直空间的位置关系。线路设备综合图信息内容丰富，不仅能够反映线路设备的空间位置，而且同时反映线路设备之间的空间关系。

(1)工务设备检查可视化需求。工务设备检查是工务设备养护维修管理的基础。工务设备检查包括线路静态检查、线路动态检查、钢轨探伤检查、巡道检查、春秋季检查。车间按照相关的规章、制度编制检查计划，工区按照检查计划进行设备的检查，在完成检查计划后，填写相关的计划完成情况，提交检查数据，完成计划兑现。

为了将设备检查计划编制和兑现情况直观形象地展示出来，通过与神朔铁路管理者沟通，笔者提出将设备检查计划编制和兑现情况在二维平面直角坐标系中展示，横轴表示里程，纵轴表示时间，使管理者能直观看出某个时间某个里程处的设备检查计划编制及兑现情况，并能直观分析检查计划的冲突、漏检和超周期等现象。此外，检查计划及兑现信息应与线路设备综合图联动显示。

(2)工务设备状态评定可视化需求。工务设备状态评定是维修计划科学编制的基础。工务设备状态评定包括线路设备状态评定、桥隧设备状态评定和路基设备状态评定。线路设备状态又包括轨道状态、钢轨状态、轨枕状态、联结零件状态、轨道加强设备状态、道床状态、曲线状态、道岔状态等。为了辅助铁路管理者深入感知每类设备的状态，笔者提出将线路设备、桥梁设备、路基设备等病害信息标注在二维坐标系(横坐标表示里程，纵坐标表示时间)或管界图中，使管理者能直观掌握线路中的薄弱地段，为日常养护维修管理重点等提供切实可靠的依据。此外，若能将病害信息与线路设备综合图通过里程关联，还可以查看对应病害位置处所有工务设备的分布情况。

(3)工务设备维修管理可视化需求。工务设备维修管理对工务设备健康状态保持、使用寿命延长具有重要作用。工务设备维修管理可以从维修计划管理、维修兑现管理、维修质量3个方面对各环节进行监管。维修计划管理是指对大修、综合维修、经常保养、临修和抢修计划等的编制、审核、批准管理。维修兑现管理是根据维修计划，组织各项维修活动，并通过收集维修活动的相关数据，实现对维修活动的进度管理。维修质量管理是在维修活动完成之后，对维修质量进行回检验收和质量评定。通过与管理者沟通，笔者提出将维修计划编制及兑现情况在二维平面直角坐标系中展示，横坐标表示里程，纵坐标表示时间，使管理者能直观地分析维修计划是否存在冲突、对维修进度进行跟踪管理、了解维修质量评定结果。此外，维修计划及兑现信息应与线路设备综合图联动显示。

2 铁路工务生产数据可视化框架模型

为实现上述多种数据可视化需求，笔者创新性地提出能够统一处理铁路工务生产数据可视化的框架模型。该框架模型能适用不同的工务生产数据可视化需求，利用工务生产数据的空间属性，借助图形化手段从不同维度对数据进行更深入的展示和分析，运用计算机技术自动生成相应的专题图，从而提高铁路管理者的管理效率和决策水平。

图1 铁路工务生产数据可视化框架模型

铁路工务生产数据可视化框架模型由坐标系的选取、里程坐标的获取与转换、工务设备图标设计、可视化自动生成、专题图输出5部分组成，如图1所示。具体步骤为：①建立合适的坐标系，即根据工务生产数据可视化需求选择一维坐标系、二维坐标系或三维坐标系；②从工务生产过程中的各类数据中提取空间位置信息，将空间位置信息转换为可视化所需的坐标；③按照《铁路工程制图图形符号标准》[12]和铁路现场管理经验绘制铁路工务设备及状态信息图标；④根据工务生产数据可视化需求，构建相应的空间布局模型,并在此基础上利用各类数据中的空间关系属性信息，基于自动绘图(automatic mapping，AM)技术，实现相关专题图的自动绘制；⑤专题图输出，包括专题图、图例、标注和标题等；⑥判断输出的专题图是否符合管理者需求。若满足，则结束；否则，跳转到步骤①、步骤②、步骤③或步骤④进行调整优化。

以神朔铁路的线路设备综合图为例对该数据可视化框架模型进行说明：①根据上述线路设备综合图需求，选择二维平面直角坐标系，其中横坐标为线路设备的里程，纵坐标为不同种类的线路设备在垂直空间的相对位置；②线路设备台账数据中含有里程信息，横坐标不需要转化，纵坐标需要根据不同种类线路设备的空间位置关系进行转化；③利用线路设备台账数据中的几何尺寸信息，依据《铁路工程制图图形符号标准》和铁路现场管理经验，选择或设计线路设备的绘制图标；④根据线路设备台账数据中的空间关系信息，构建线路综合图空间布局模型，利用GIS平台及GIS二次开发技术编写相应程序，基于线路设备台账信息自动绘制线路设备综合图，如图2所示；⑤线路设备综合图输出；⑥判断生成的线路设备综合图是否满足管理者需求，若不满足，则需调整优化步骤③或步骤④。

3 系统设计与实现

3.1 系统概述

神朔铁路工务生产数据可视化系统以现行的各项管理标准、制度和规程为依据，全面整合共享、可视化工务生产中的相关数据，提升管理者对工务设备状态监控、工务设备质量分析、生产过程控制的水平，使铁路安全生产管理更具有“智慧”。经过近1年的建设和完善，该可视化系统主要取得了以下显著效果：①对工务生产数据中描述空间关系的属性信息进行了规范化；②铁路管理者能更直观、清晰地了解现场情况，提升了其工作和管理效率等。

图2 神朔铁路线路设备综合图(局部)

3.2 系统总体技术架构设计

系统技术架构包括硬件/网络层、系统支撑层、应用层和用户访问层，如图3所示。硬件/网络层由计算机硬件、网络和基础软件平台组成。根据神朔铁路分公司的组织机构和管理模式，在公司总部集中部署信息系统服务器，通过铁路内部网络，在公司、段级单位、车间(工队)、工区(班组)等单位多级进行信息系统应用服务。系统支撑层是由数据库系统、软件工具、开发/运行支撑平台构成，采用ORACLE数据库系统，以JAVA为开发和运行平台，配置地图管理引擎，支持地理信息的采集和发布。应用层是由用户业务处理的功能模块构成。应用层包括设备检查计划及兑现可视化、设备质量状态可视化、重点病害分布可视化、风险隐患点可视化等。用户访问层是系统接入界面。

图3 系统总体技术架构图

3.3 系统软件架构设计

神朔铁路工务生产数据可视化系统采用Spring IOC、AOP管理系统所需的实例，由Spring完成实例的产生和装配；通过MyBatis进行数据库的访问，完成对象关系映射；采用Spring MVC进行业务逻辑和展示层的分离；采用R高性能计算环境进行数据分析和模型构建，通过Java语言调用R进行模型库更新；采用Ext JS作为Web前端的主要框架，OpenLayers作为WebGIS客户端。系统的软件架构如图4所示。

图4 系统软件架构图

3.4 数据仓库设计

构建的数据仓库维度分为病害维、设备维、里程(组织机构)维、检查方式维、维修方式维、时间维等。如病害维的级别为TOTAL(合计)、DEFECT _CLASS(病害大类)、DEFECT _TYPE(病害类型)；病害维的属性为VALUE(病害峰值)、DEGREE(病害等级)、WEIGHT(病害权重)。设备维的级别为TOTAL(合计)、DEV_TYPE(设备类型)、DEV(设备)；设备维的属性为LINE(线名)、DIRECTION(行别)、START_MILE(起点里程)、END_MILE(终点里程)、STATION(车站)。

构建的数据仓库立方体分为设备检查立方、设备可靠度立方、设备维修立方等。如设备可靠度立方由设备维、里程(组织机构)维、病害维、时间维构成；设备可靠度立方的度量包括DEFECT _COUNT(病害数)、DEFECT _RATE(病害率)、REPETITION_COUNT(重复数)、WARNING_COUNT(预警数)、CONCENTRATION_RATE(集中度)、DENSIGN_LIFE(设计寿命)、LIFE_BEGIN_TIME(使用寿命开始计算时间)、LIFE_PARAM(寿命模型参数)等。

3.5 系统功能设计与实现

神朔铁路工务生产数据可视化系统由5个功能模块构成，分别是工务设备检查计划及兑现可视化功能模块、工务重点病害分布可视化功能模块、工务设备质量状态可视化功能模块、工务风险隐患点可视化功能模块和工务维修活动计划可视化功能模块。笔者对该可视化系统中的部分功能进行举例说明。

(1)工务设备检查计划及兑现可视化功能模块。工务设备检查计划及兑现可视化功能模块用于清晰显示多种检查方式计划的起终止时间、起终点里程，各检查方式的占用区间先后顺序、占用区间的时间长度及兑现情况，如图5所示。其中横轴表示里程，纵轴表示日期，实线表示设备检查计划已经兑现，虚线表示设备检查计划未兑现。设备检查方式包括钢轨探伤车检测、人工检查方式检测、轨检仪检测、手工检查等。图的下半部分为线路设备综合图，工务设备检查数据可视化与线路设备综合图是依据里程实现联动的。

图5 工务设备检查计划及兑现可视化功能模块

(2)工务重点病害分布可视化功能模块。工务重点病害分布可视化功能模块用于清晰显示工务设备A、B、C类病害在线路中的分布情况，同时提供用户查看各病害详细信息等功能，如图6所示。其中横轴表示里程，纵轴表示日期，不同形状的图标代表不同的设备病害状态，○表示病害已经被确认，⊗表示病害已消除；不同的颜色的图标代表不同的设备病害数据来源。病害数据来源包括静态检查、便携式添乘仪检测、车载仪检测等。图的下半部分为线路设备综合图，重点病害数据可视化与线路设备综合图是通过里程实现联动。

图6 工务重点病害分布可视化功能模块

(3)工务设备质量状态可视化功能模块。工务设备质量状态可视化功能模块可清晰显示工务设备历史病害的变化情况、历史健康状态变化情况，同时用户可查看各病害详细信息，如图7所示。其中横轴表示里程，纵轴表示日期，不同形状的图标代表不同的事件类型，三角形表示维修事件，圆点表示病害事件,不同颜色表示不同的病害等级；轨道单元区段内不同的颜色代表不同的轨道单元区段健康状况。轨道单元区段健康状态等级分为IV级、III级、II级、I级，IV级表示线路健康状况最好，I级表示最差。图的下半部分为线路设备综合图，设备质量状态可视化与线路设备综合图以“里程”为纽带相互联动。

图7 工务设备质量状态可视化功能模块

(4)工务风险隐患点可视化功能模块。工务风险隐患点可视化功能模块将风险隐患点的位置在管界图中标注，如图8所示，用三角形图标表示风险，不同等级的风险用不同颜色表示。根据可能性划分等级的规定，工务安全风险可能性划分为5个等级:I(经常)、II(可能)、III(偶尔)、IV(很少)和V(不可能)，其中等级I和等级II为风险预警区。

图8 工务风险隐患点可视化功能模块

4 结论

数据可视化技术可极大提高管理者对数据的分析挖掘能力。笔者分析了神朔铁路工务生产数据可视化需求，提出了具有广泛适用性的铁路工务生产数据可视化框架模型，并结合可视化框架模型设计开发了神朔铁路工务生产数据可视化系统，并对该系统的技术架构、数据库结构、模块功能及实际应用效果进行了说明。应用效果验证了可视化框架模型的有效性，表明了神朔铁路工务生产数据可视化系统可显著提升工务安全生产管理水平。

[1] LIU R, BAI L, WANG F, et al. Grid: a new theory for high-speed railway infrastructure management[C]∥Transportation Research Board 94th Annual Meeting. Washington DC：[s.n.], 2015:1129-1147.

[2] 陈明.大数据概论[M].北京:科学出版社,2014:20-22.

[3] EPPLER M, BURKHARD R A. Knowledge visualization: towards a new discipline and its fields of applications[J]. ICA Working Paper, 2004(2):3-21.

[4] 许玉德,李浩然,李海峰.铁路轨道养护维修计算机辅助决策系统中几个技术问题的研究[J].上海铁道大学学报(理工辑), 2000,21(10):26-31.

[5] APTA. APTA manual of standards and recommended practices for rail transit systems[S].Washington DC: American Public Transportation Association, 2004:15-19.

[6] 村山一雄,邹振民.JR东日本公司的新干线综合运输管理系统(COSMOS)[J].中国铁路,2000(11):42-45.

[7] 中华人民共和国铁道部.铁信息[2005]4号铁路信息化总体规划[S].北京:北京铁道出版社,2005:4-6.

[8] 周廷美,张廷雷,莫易敏,等.基于SOBA的铁路机务段检修管理系统的研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2014,36(6):777-781.

[9] 孟勇,徐鹏.神朔铁路分公司行车固定设备生产管理信息系统的设计与实现[J].铁路计算机应用, 2012,21(4):36-39.

[10] STEELE J, ILIINSKY N. Beautiful visualization: looking at data through the eyes of experts[M].[S.L.]: O’Reilly Media, 2010:19-20.

[11] FRANKEL F. Data visualization: drawing out the meaning[J]. Nature, 2013,497(7448):186.

[12] 中华人民共和国铁道部.TB/T10059-98 铁路工程制图图形符号标准[S].北京:中国铁道出版社，1998:126-154.

MENG Yong:Engineer; Shenshuo Railway Branch Company of Shenhua Group, Yulin 719316, China.

Research and Implementation of Visualization System of Shenshuo Railway Public Works Production Data

MENG Yong, BAI Lei, LU Dan, WANG Futian

How to improve the visualization level of data by using the spatial characteristics of public works production data is an important problem in railway construction information construction. In this paper, it was discussed that the application of data visualization technologies in the field of railway permanent-way facilities management. Permanent-way production data visualization requirements of Shenshuo railway are analyzed. On this basis, the data visualization model for permanent-way production was proposed innovatively, and it was successfully applied in the permanent-way production data visualization management information system of Shenshuo railway. The framework design, the database design, the functional design and the actual application of the management information was covered in the paper.

Shenshuo railway; permanent-way facilities; data visualization; management information system

2095-3852(2017)03-0317-07

A

2016-12-04.

孟勇(1978-)，男，山西大同人，中国神华神朔铁路分公司工程师，主要研究方向为信息理论与信息系统.

国家自然科学基金项目(51578057).

U216.4

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.03.015