基于自主创新的高速铁路智能化精调管理
上海铁路局
上海铁路局管辖范围跨苏、浙、皖、沪三省一市，现有职工15.6万人，运输站段73个。随着沪蓉、杭深、沪宁、沪杭、京沪、杭长、合福等12条高速铁路相继通车运营，已逐步构成长三角高速铁路网。上海铁路局是全国高速铁路运营里程最长、旅客发送量最大的客运大局，截至2015年底，管内高速铁路运营里程3250公里，2015年管内高速铁路发送旅客2.83亿人，在全国18个铁路局中位居第一。
一、基于自主创新的高速铁路智能化精调管理背景
高速铁路轨道精调是高速铁路建设后期的重要环节，也是高速铁路提高运营平顺性的关键工序。高速铁路在建设过程中，由于施工误差、铺设偏差等因素的影响，其平顺性不能满足运营需求，必须通过轨道精调才能使高速铁路达到设计标准和验收要求。
（一）保障高速铁路项目快速投入运营的需要
2013年以来，中国高速铁路建设进入了又一个快速发展时期。上海铁路局管内先后建设了宁杭、杭甬、杭长、宁安、合福、郑徐等高速铁路，建设里程达1400公里，平均每年投入运营350公里。由于各个项目建设工期紧，又受制于开通运营节点要求，施工单位留给铁路局的精调时间一般只有2～3个月，且精调期间施工单位还要安排其他交叉施工，精调作业时间紧、任务重。
无砟轨道由于其整体性好，已成为高速铁路的主要轨道结构形式，我国开通运营的高速70％采用无砟轨道结构。高速铁路无砟轨道精调就是通过精确调整两根钢轨在空间上的绝对和相对位置，实现轨道的高平顺性，主要包括轨道测量、方案制定、扣件调整等环节。原有的精调技术自国外引进，方法落后、管理粗放，尚未形成科学、完善的精调体系。鉴于以上不足，上海铁路局积极贯彻创新、开放、共享的发展理念，实施高速铁路智能化精调管理，提升高速铁路精调作业质量和效率，确保高速铁路快速投入运营。
（二）提升高速铁路列车运行平顺性的需要
2013年，上海铁路局对前期开通运营的沪宁、沪杭和京沪高速铁路运营平顺性进行了对比，发现运营线路在列车荷载、外部环境等破坏作用和养护维修作业改善作用的共同作用下，线路质量状态在开通时质量基线附近一定范围内小幅度波动，即开通时的线路质量状态很大程度上决定了线路运营后的质量状态，因此，提升高速铁路开通初始的质量状态尤为重要。对于原有的高速铁路精调工作，上海铁路局发现主要有以下不足，一是对于两根钢轨的相对位置检查仍局限于人工手段，没有充分利用新产品、新技术。二是各类检测及应用数据没能集中管理，衔接不密合，有产生系统错误的风险。三是轨道精调方案的制定主要依靠人工配以辅助软件，劳动强度大且标准难以统一。上述因素导致高速铁路精调后线路平顺性的提升受到限制。通过以上分析，上海铁路局开始研究高速铁路智能化精调管理，进一步提高高速铁路线路平顺性，减少运营期维修工作量，满足旅客对高速铁路高舒适度的要求。
（三）实现高速铁路精调技术自主创新的需要
近年来，中国铁路技术创新取得了重大进步，在高速铁路建设、车辆制造、通信技术等领域达到了世界先进水平，但在运营维护阶段的自主创新能力及技术管理能力却相对薄弱。以高速铁路精调工作为例，开通前需要进行全线调整，开通后需要根据检测情况重点调整。但目前中国高速铁路应用的轨道测量设备主要来自于国外，缺乏自主知识产权。为此，上海铁路局依靠自身力量，发挥自身科技队伍作用，寻找国内高校和制造商等合作伙伴，采用自主设计、自主制造，研发成套高速铁路精调科技管理体系，形成适应我国高速铁路建设和运营实际需要的智能化精调管理体系，满足调高速铁路发展的需要，为高速铁路走出去奠定基础。
二、基于自主创新的高速铁路智能化精调管理内涵和主要做法
上海铁路局以安全优质、集约高效、精益卓越、创新实干的基本理念，创新设计、精益制造，自主研发高速铁路智能化精调测量仪器；以集中数据管理为基础、大数据处理为手段，建立高速铁路智能化精调大数据处理中心，实现高速铁路精调数据智能化传输、高速铁路精调方案智能化定制和高速铁路全寿命精调数据管理；创建高速铁路智能化精调组织体系，优化精调作业流程，实施步步校准闭环管理；创建高速铁路智能化精调后评价及改进机制；打造高速铁路智能化精调专业人才队伍；实现高速铁路智能化精调管理自主创新，全面提升高速铁路建设与运营品质。主要做法如下：
（一）构建高速铁路智能化精调管理总体架构
1.确定基本原则
上海铁路局本着安全优质、集约高效、精益卓越、创新实干的基本理念，构建高速铁路智能化精调管理体系。明确以下几项原则。
一是系统管理的原则：高速铁路精调是一项系统工程，涉及精调测量、方案设计、作业流程等各个环节，应利用系统管理的思想，补强短板、优化流程，并加强体系建设、机制控制，提升高速铁路精调质量。
二是自主研发的原则：摒弃技术模仿思路，通过创新实现技术突破，开发具有我国自主知识产权的测量设备和精调方案自动化生成软件系统。
三是大数据处理的原则：精调测量、方案设计、作业流程等环节均产生海量的数据，具有大数据特征，需要创新模式才能更好地处理精调数据。
四是“互联网+”的原则：充分发挥互联网在精调资源配置中的优化和集成作用，让互联网的创新成果深度融合于高速铁路建设和运营管理中，实现高速铁路智能化精调。
2.构建体系架构
高速铁路智能化精调管理体系包括智能化精调测量仪器、大数据精调方案处理中心、智能化精组织体系、精调后评价及改进机制、智能化精调队伍建设五大部分，并从技术功能和时间节点两方面保证了智能化精调管理体系的建设。
技术功能保障。一是在确保测量精度不低于进口同类设备的前提下提高测量速度。二是利用大数据集成分析、管理、应用，研制轨道线形平顺性分析软件，通过计算机自动生成满足各项技术指标的精调作业方案。二是建立智能化作业模式，进一步提高作业效率。
时间节点保障。一是精调测量仪器，首先于2013年6月完成仪器的开发与试用。二是精调方案软件系统，鉴于软件处理的独立性，可与仪器开发同步进行，于2013年6月完成。三是精调作业流程再造与优化，结合仪器研制与软件开发，已于2013年年底前选择试验段进行试验，2014年正式投入使用。四是精调作业后评价及改进机制，已在2014年高速铁路精调实践中形成初步的精调管理体系，并于2015年推广应用，逐步优化、完善智能化精调管理体系。
（二）自主研发高速铁路智能化精调测量仪器
2012年，上海铁路局组织局属工务处、科研所、上海经济开发公司等部门和单位，成立了智能化轨道测量设备研发团队，自主研发了一款智能轨道检测仪，命名为SIWEI（四维）智能轨道检查仪。SIWEI（四维）智能轨道检查仪是基于轨道控制网（CPⅢ）、轨道维护基准网（GRN）或任意工程控制网的三维坐标为基准，精密测量线路轨道内外几何状态，并采用严密的数据模型计算出轨道的全几何参数，输出平顺性评价报告及轨道精调方案，用以指导铺轨定位、轨道精调及轨道养护维修作业。系统组成包括多功能车、智能轨道检查仪、测控手簿、全站仪、现场数据采集与数据处理软件、数据分析处理软件等。
1.创新测量设计
在测量效率方面，研发团队通过试制，将测量仪器的三个主要部分（全站仪、轨道检查小车和数据处理系统）中的轨道检查小车和数据处理系统进行了优化，其中轨道检查小车采用动态跟踪模式，通过优化数据接收装置进行大密度数据采集（20点/米），变“暂停测量”为“持续测量”，提高了测量速度，可达0.7公里/小时，是国外同类仪器的7倍以上。
在测量精度方面，全站仪是测量的基础工具，目前高精度的全站仪均是国外进口，而在传统测量模式下，进口设备不可能实现测量精度及效率上的突破。为提高精度，研发团队创新设计智能化测量系统，SIWEI智能轨道检查仪采用全站仪绝对坐标测量与惯导系统测量结合、动态与静态测量模式结合技术，大幅提升测量精度及作业效率；创新设计轨道内几何尺寸测量精度补偿参数自标定系统，每次作业前通过位移传感器测量组装间隙和采用专用标定杆测得轨距测量轮径变化，消除组装产生的间隙差、测量轮磨耗产生的系统差，保证测量数据的高重复性、一致性和准确性；创新设计高密度轨道线形数据扫描及处理系统，使轨道内几何数据采集达30P/S，不同于其他测量设备的问答式数据采集，SIWEI智能轨道检查仪各测量部件均采用主动式数据采集，小波降噪结合平差计算及独特的测段搭接技术进一步提高了测量精度和效率。
2.实施精益制造
采用便携式设计，为减轻测量人员劳动强度，研发团队多次征求使用人员的建议和意见，最终选用进口预拉伸航空铝材料，不仅减轻机身重量，也有变形小、结构稳定的优点；通过试制优化，设计了多功能全站仪车，作业时，可方便携带所有箱包及作业工具，减轻作业人员劳动强度。在其他方面，在吸取国内外仪器优点基础上，开发团队指导路外厂商根据设计图纸，在仪器防水、防电磁干扰、避震、耐久性方面进行了精细加工。2013年2月，上海铁路局完成了第一台产品试制，2013年3月进行了上线实践，经过多次优化完善后，于2013年6月开始进行批量生产。截至2015年，已生产30台，销售28台。
3.建立操作标准
SIWEI智能轨道检查仪由四人协同作业，一人负责全站仪操作，一人负责轨道检查小车操作，另外两人分别负责CPⅢ棱镜插拔。作业前，完成全站仪的综合检校和测量小车的标定，根据测量任务在测量起点线路上架设好全站仪。作业中，首先，利用全站仪测量轨道两侧的CPⅢ棱镜坐标计算得到全站仪三维坐标。其次，轨道检查小车放置在钢轨上距全站仪约70米的位置面向全站仪以3～4公里/小时速度推行，轨道检查小车的实时三维坐标通过小车测点与全站仪之间的距离与角度换算得到，进而转换成所测线路中心及左右钢轨实时三维坐标。待轨道检查小车运行至全站仪约10米处暂停固定，之后，移动全站仪远离轨道检查小车约70米，重复以上程序，完成规定区段的测量任务。作业后，按规定收齐测量设备，及时上传测量数据。
（三）建立高速铁路智能化精调大数据处理中心
1.构建智能化精调数据处理中心
2014年，上海铁路局建立了高速铁路智能化精调大数据处理中心。通过数据处理中心把传输收集的数据及设计的数据转换成人工识别的数据，根据线路平顺性的指标要求设置好边界条件。采用最小二乘法进行精调方案设计，使两根钢轨在空间中的位置不仅满足绝对位置要求（即轨道实际线形与设计线形偏差），而且要满足相对位置要求（即两根钢轨间的相对位置偏差）。
2.建立智能化精调数据传输流程
利用“互联网+”，上海铁路局对测量数据和方案下载利用3G/4G/Wi-Fi等方式进行无线传输。另外，为了提高传输数据的准确性，在服务器接收端加装了文件完整性筛选软件，对测量误差超限的文件进行警示，实现对作业数据的有效性检核，并对测站的测量结果进行精度分析。检验合格的计算成果上传至系统服务器直接入库管理，同步上传保存的还有原始作业文件，对检验不合格的作业文件，程序提示详细的出错信息并拒绝接收。例如2014年，在杭长高速铁路精调测量中，由于一台全站仪状态不良，导致当天作业地段测量数据均出现60米左右的周期性波动，服务器通过无线传输接收数据后及时进行了评定检核，做出重测提示，这样第一时间发现了问题，避免了后续无效作业。通过建立基础数据表，设立专人集中式统一维护和管理，保证基础数据的统一性，有效避免了系统误差、实现了搭接数据的准确性。
3.定制智能化精调现场操作方案上海铁路局在高速铁路精调中，首先选用任意一股钢轨作为基准股，将其实测数据与设计线形对比得到横向、垂向偏差，选用超大半径曲线利用最小二乘法进行拟合，得到基本符合调整量最小原则的初始方案。其次根据平顺性指标及扣配件调整量限差对初始方案进行优化，形成该股钢轨的调整方案。另一股钢轨的调整方案则通过内几何参数推算得出。
精调方案自动生成软件可提供每个承轨台的现场里程、设计贯通里程和测点单元号与承轨台号标识，以便现场精确查找；并提供左、右股承轨台的扣配件安装型号，用醒目颜色突出标识需要更换的扣配件。为作业后校核使用，方案还提供实测轨距、水平（超高）数据和设计超高数据。利用上述手段，实现了全过程动态智能化管理。
4.实现全寿命智能精调数据管理
高速铁路精调大数据一方面是为运营管理阶段提供准确的基础资料；另一方面从设备状态“记忆性”的角度出发，对外部环境重点地段、与设计线形偏差较大地段、扣件调整极限地点等信息的提前记录和管理为高速铁路线路全寿命周期管理提供了可能。
（四）优化高速铁路智能化精调组织管理模式
1.调整智能化精调组织体系
为实现精调作业的有序开展、优质高效地完成精调任务，上海铁路局适应性建立三级组织机构，第一级为现场精调指挥部，由业务处室工务处负责。第二级为外几何参数测量组、精调组和材料供应组，其中测量组由路局测量公司负责，精调组由工务段负责，材料供应组主要是提供现场精调所需要的精调扣件，由参与施工的施工单位组成。在各精调组下面设第三级机构，即技术班组、内几何参数测量班组和作业班组。
2.优化智能化精调作业流程
上海铁路局于2014年4月组织五个工务段在杭长高速铁路（上海铁路局管段）进行了流程试验，通过理念提出、现场试验、理念修改、现场再试验的过程，创造性地提出了“先基准股后非基准股”“先整体后局部”的轨道精调流程，即先把基准股调整到位，再进行非基准股的调整；对于同一股钢轨先调整高低、轨向，再调整轨距、水平，实现精调作业的流程规范化。
3.实施步步校核的闭环管理
为了避免反复调整，费时费力的调整方法，上海铁路局利用SIWEI智能轨道检查仪的相对测量系统，并充分发挥其优于道尺、弦线的技术优势，建立步步校核的闭环管理。先利用SIWEI轨道检查仪绝对测量方案进行基准股调整后，再利用其相对测量方案对基准股进行修正，SIWEI智能轨道检查仪的相对检测数据既是对基准股作业质量的回检，同时也为制定非基准股作业方案提供了依据。通过以上作业，最大限度地把基准股调到设计线形或模拟线形，然后利用基准股作为参照系进行非基准股的调整，而不是依靠绝对测量方案作为调整依据，最大限度地降低了内几何尺寸误差。
（五）创建高速铁路智能化精调评价及改进机制
1.建立轨道精调质量评价指标体系
轨道精调评价体系采用质量评价与经济评价相结合的形式。质量评价方面，传统上，对于轨道平顺性的主要评价指数是轨道质量指数（TQI），上海铁路局在沿用传统轨道质量指数的同时引入工程能力指数，不仅丰富了质量评价指标，而且可对轨道精调前后的轨道几何状态进行评价。经济评价方面，通过计算成本投入与线路质量改善量之间的关系，进行经济评价。
2.开展基于工程能力指数评价的质量优化
上海铁路局在高速铁路精调中引入了以六西格玛管理为指导思想的工程能力指数评价方法，该方法能够反映轨道精调过程中的不足并据此进行优化。引入工程能力指数后，将样本的均值、标准差、上规格极限、下规格极限以及计算统计量考虑在一个计算指标中，通过Minitab软件高效快速地计算精调作业前数据的工程能力指数，对于工程能力指数高的单项指标，参考后续经济性评价分析结果，在确保质量的前提下降低成本；对于工程能力指数低的单项指标，努力提高作业队的精调作业水平。
杭长（2014年精调）、宁安（2015年精调）、合福（2015年精调）高速铁路的精调作业实践表明，使用工程能力指数评价轨道精调质量，能够发现现有评价标准难以发现的问题，找出影响轨道质量状态的薄弱环节，并在精调作业过程中给予关注和完善。因此，基于工程能力指数的质量分析，是对现有评价标准的有效补充。
3.实施基于波士顿矩阵评价的成本改进
为完善轨道精调作业评价体系，引入相应经济评价指标。通过投入产出比评价精调作业效果，将精调作业每公里的人工费和材料费之和视为精调作业投入。其中，每公里人工费由工人工资、人工数量计算得到；每公里精调作业的材料费投入由每公里内各轨枕所需更换的扣配件数量及其单价计算得到。将精调作业后轨道质量指数改善量视为产出。利用每公里精调作业经济投入与精调后轨道质量指数改善量计算精调作业的投入产出比，投入产出比值越高，精调效果越差，投入产出比值越低，精调效果越高。
建立波士顿矩阵评价模型，将波士顿矩阵图分析法引入精调作业中，将模型中销售增长率和市场占有率替换为精调作业中的经济投入和TQI_改善量，以单公里经济投入平均值及TQI_改善量平均值为界可以划分为高投入高产出、高投入低产出、低投入低产出、低投入高产出四个区域。
对于低投入高产出区段较多的精调单位，给予奖励激励，同时做好总结推广，指导其他作业队提高精调作业水平；对于高投入低产出区段较多的精调作业队，进一步加强人员业务培训，重点监管其精调作业流程是否合乎规范，努力提高其精调作业水平。
（六）打造高速铁路智能化精调专业化人才队伍
1.编制专业化培训教材
通过拍摄《高速铁路无砟轨道测量仪视频教学片》《高速铁路无砟轨道精调作业视频教学片》，编制《高速铁路无砟轨道精调作业指导书》，出版《高速铁路无砟轨道等级管理》（中国铁道出版社）等，建立了一套完整的高速铁路智能化精调专业化培训教材体系。
2.建立多层面培训体系
上海铁路局按精调骨干人员、精调一般技术人员和精调作业班组三个层面，建立精调培训体系。截至2015年底，已培养精调骨干58名，培训精调人员800人以上，创建优秀精调作业班组17个，打造了一批高速铁路智能化精调专业化人才队伍。
3.建立知识共享交流群
建立铁路局、建设单位、施工单位等共同参与的高速铁路轨道精调群，作为信息收集汇总、技术资料共享的交流平台。
三、基于自主创新的高速铁路智能化精调管理效果
（一）首创高速铁路智能化精调管理体系
上海铁路局高速铁路智能化精调管理在杭长高速铁路轨道精调中初步形成，并相继在合福、宁安、郑徐高速铁路轨道精调中得到进一步实践和完善，研究成果也在其他铁路局进行了应用推广，取得了良好的效果。期间，自主研发了SIWEI智能轨道检查仪及相应的大数据处理中心。经专家评审，高速铁路智能化精调管理为国内首创，达到国际先进水平。根据中国铁路总公司安排，上海铁路局高速铁路智能化精调管理工作经验已在全路工务工作会议上进行了介绍，并在全路范围内进行了维护。
（二）提升高速铁路列车运行平顺性
根据中国铁路总公司轨道质量指数（TQI）检测情况，上海铁路局管内各条无砟高速铁路开通时的轨道质量指数，在开展高速铁路智能化精调管理前，各线轨道质量指数均大于2.5，其中沪宁、沪杭高铁的轨道质量指数大于3.5。开展高速铁路智能化精调管理后，杭长、宁安、合福高铁的轨道质量指数均小于2.0，线路平顺性提高了30％以上，高速铁路无砟轨道运营品质和旅客满意度大幅提升。2015年底中国铁路总公司对全路高速铁路无砟轨道检测结果显示，上海铁路局实施智能化精调管理后的合福、杭长高速铁路，线路质量优于其他路局，且处于全路领先地位。
（三）降低高速铁路建设及运营成本
高速铁路智能化精调管理在杭长、宁安、合福、郑徐高速铁路中的应用结果表明，约有68％的区段投入相应的费用都能取得相应的线路平顺性改善，约有19％的区段投入较少的费用即可取得显著的线路平顺性改善。相比于智能化精调管理前，精调作业成本同比降低了20％以上。
根据上海铁路局统计数据，高速铁路智能化精调管理实施后大幅度减少了运营期的维修工作量。实施前无砟高速铁路每年的养护维修工作量占其运营长度的9％左右，实施后无砟高速铁路每年的养护维修工作量占其运营长度的1.4％左右，养护维修工作量降低了80％。通过合理精调投入，精细控制轨道精调作业，减小了轨道精调作业的投入产出比，提高了轨道精调效益。经推算可得，杭长、宁安、合福三条高速铁路运营期每年可分别节省259.2，333.6，297.6万元的养修投入。
（成果创造人：郭竹学 张 杰 宋国亮 徐伟昌 许玉德 谭社会 毛晓君 罗 庄 王 胜 沈坚锋 陆志华）