基于模数驱动与轴面协同理论的智能高速铁路施工与运营阶段管理研究

Construction and Operation Management of Intelligent High Speed Railway Based on Modulus Driven and Axis-Plane Coordination Theory

摘要

随着高速铁路建设不断发展，智能高速铁路概念孕育而出。着眼于智能高速铁路实施层面，结合我国高速铁路智能化特点和需求，引入模数驱动与轴面协同概念，从全生命周期角度，提出了智能高速铁路在施工阶段和运营阶段的管理策略。在施工阶段，以全生命周期效能最优为目标，综合考虑成本、安全、风险等因素，贯穿形成时间轴，实现多个业务要素的整体协同、综合最优。在运营阶段，聚焦动车组检修备件管理场景，探究智能高速铁路资产的全生命周期一体化管理模式，并设计一套科学、合理的动车组检修备件管理评价指标体系，以推动动车组检修备件的运营效率提升。研究成果可以为智能高速铁路未来发展提供理论支撑和方向指导。

Abstract

The continuous development of high speed railway construction has prompted the concept of intelligent high speed railway. With a focus on the implementation of intelligent high speed railway, this paper considered the intelligent features and demands of high speed railways in China and introduced concepts of modulus-driven and axis-plane coordination, finally putting forward a management strategy for the construction and operation of intelligent high speed railways from the perspective of the life cycle. The construction phase was supposed to take the optimal performance of the life cycle as the goal, and factors including cost, safety, and risk required to be comprehensively considered in the form of a timeline to ultimately realize the overall synergy and optimization of multiple business elements. The operation stage focused on the spare parts management in the maintenance of electric multiple units (EMUs). In this stage, this study explored the integrated management mode of intelligent high speed rail assets in the life cycle and designed a scientific and reasonable evaluation index system for spare parts management in EMU maintenance to promote its operational efficiency. The results of this study can provide theoretical support and guidance for the future development of intelligent high speed railway.

Graphical abstract

关键词

智能高速铁路 / 模数驱动 / 轴面协同 / 全生命周期管理 / 备件管理

Key words

Intelligent High Speed Railway / Modulus Driven / Axis-Plane Coordination / Life Cycle Management / Spare Parts Management

0　引言

高速铁路是一个国家工业化水平的重要体现，标志着我国交通运输已达到现代化^[1]。随着我国高速铁路建设规模越来越大，对高速铁路建设进行全过程把控的要求越来越高。智能高速铁路概念孕育而生，与传统高速铁路概念相比，智能高速铁路是指广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航等新技术，综合高效利用资源，实现高速铁路移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的智能化高速铁路系统^[2]。智能高速铁路绝不是先进智能技术与控制技术在高速铁路各专业独立应用的简单叠加，而是通过不同业务领域、面向高速铁路生命周期不同阶段信息系统的集成融合，从而形成功能更强、效率更高、稳定性更好的统一智能高速铁路系统。智能高速铁路系统的规划和建设需要一个较长的过程，同时也必须是一个可持续发展的系统，需对其服务对象、用户需求、功能定位、逻辑结构、物理部署等有全面的考虑和规划，做到各子系统间、子系统与整体间的协调。

从根本上看，智能高速铁路是通过信息化、智能化技术赋予高速铁路新的功能与特征，并通过数据挖掘、分析和推理，提出科学合理的决策支持。从实施上看，为最终实现全生命周期一体化管理的新一代高速铁路系统，推动信息共享、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策^[3]，智能高速铁路高效利用现有资源，以底层数据为支撑，使用大数据展开科学决策；以数字化技术为导向，广泛应用数据挖掘、北斗导航、5G、云计算技术；依托BIM等工程建设基础工具应用，实现物联网下的智能高速铁路系统信息共享、主动学习和顶层决策等^[4]。智能高速铁路的核心是“一条主线、五个能力、五大目标”。“一条主线”是实现全生命周期一体化管理，即实现基础设施设计、施工、运营全生命周期贯通；“五大能力”是智能高速铁路的特征，即全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习、科学决策^[5]；“五大目标”是通过智能技术的应用，使得高速铁路运营更加安全可靠、更加温馨舒适、更加节能环保、更加经济高效和更加方便快捷^[6]。

鉴于智能高速铁路是一个涉及运输、装备、线路、调度、通信、控制等多个专业，贯穿施工、运维全生命周期的复杂巨系统^[7]。智能高速铁路系统要统筹实现多专业子系统、多学科技术及多维管理内容等理念一致、功能协调、结构统一、资源共享、部件标准化。为此结合我国高速铁路智能化特点和需求，根据智能高速铁路系统效能优化要求，引入模数驱动与轴面协同概念，为智能高速铁路施工与运营阶段管理提供参考。

1　基于模数驱动与轴面协同的智能高速铁路优化思路

模数驱动以底层数据为支撑，为实现高速铁路数据全过程无损传输、强化高速铁路建设运营管理系统内部要素信息交互、推动系统整体功能大幅提升，使用大数据展开科学决策；以数字化技术为导向，广泛应用数据挖掘、北斗导航、5G、云计算技术；结合BIM等工程建设基础工具，实现高速铁路全生命周期中设计、施工、运营各阶段数据共享互通^[8]。例如，有研究指出5G技术在智能建造、智能装备、智能运营等领域具备丰富的应用场景，是智能高速铁路建设的重要手段^[9-10]。轴面协同则是以高速铁路全生命周期管理为轴，以高速铁路全要素为面。在全生命周期管理中，强调运用智能化技术，构建基于全生命周期的铁路建设运营管理新模式。

智能高速铁路全生命周期管理是指对智能高速铁路设计、施工、运营等全生命周期阶段进行正向信息无损传递和反向迭代优化。同时，对全生命周期各时间截面上的全部要素，例如在施工截面上需要统筹考虑质量、进度、安全、投资等多个维度的协同，实现多要素整体最优。最终，在高速铁路全要素管理中，通过建立匹配的组织结构，充分利用智能技术优势，对智能高速铁路系统资源进行合理配置，同时基于全生命周期角度对智能高速铁路系统不同要素进行协同^[11]。高速铁路全要素协同指高速铁路全生命周期不同阶段中多个业务要素整体协同、综合最优。例如，设计阶段需要统筹路基、桥梁、轨道、隧道、工经、地质、通信、信号等要素；施工阶段需要统筹投资、安全、质量、进度、环保等要素；运营阶段需要统筹工务、电务、客流、运输、车辆和安全保障等要素。模数驱动为轴面协同目标实现提供支撑，多粒度BIM模型和规划设计、工程建设、调度指挥、运营服务、安全监控等海量大数据的融合应用，实现全生命周期、高速铁路全要素协同，达到智能高速铁路系统的整体运营效能最优。这一过程中，模数驱动在智能高速铁路全生命周期管理中的体现是运用智能技术与数学模型优化，驱动智能高速铁路模型数据一体化发展。而轴面协同在智能高速铁路全生命周期管理中强调智能高速铁路各要素在全生命周期每一阶段中的协同与互动。

综上所述，全生命周期视角下基于模数驱动与轴面协同的智能高速铁路思想是指面向全生命周期综合效能最优的“以全生命周期管理为主轴线、以全业务要素为基本面”的“模数驱动与轴面协同”建设管理思想。全生命周期视角下基于模数驱动与轴面协同的智能高速铁路优化需要多阶段、多维度完成，从智能高速铁路全生命周期角度看，优化阶段将分为设计阶段、施工阶段、运营阶段；优化维度将分为质量、进度、安全、投资等多个维度。基于模数驱动与轴面协同理论的智能高速铁路全生命周期研究思路如图1所示。基于此，聚焦全生命周期角度，以智能高速铁路概念落地作为切入点，分别从智能高速铁路3个阶段中的施工阶段和运营阶段展开，研究基于模数驱动与轴面协同的智能高速铁路施工与运营阶段管理。

2　基于模数驱动与轴面协同的智能高速铁路施工阶段分析

模数驱动与轴面协同理念在智能高速铁路施工阶段的体现与运用是将数字化技术与BIM等工程建设基础工具结合，实现智能高速铁路施工阶段下全生命周期的模型数据一体化目标，进而实现模数驱动这一目标。而轴面协同的体现则是对智能高速铁路施工阶段管理工作进行剖析，以全生命周期效能最优作为目标，综合考虑成本、安全、风险等因素，尝试通过建立匹配的指标体系，对智能高速铁路系统资源进行合理配置，从全生命周期管理的视角对智能高速铁路系统不同要素进行协同，促进各要素之间协同监管。从智能高速铁路施工阶段每一检查点入手，共同考虑成本、安全、风险等多因素，贯穿形成时间轴，同时通过智能高速铁路施工阶段的多要素考虑，形成智能高速铁路施工阶段考察面，进而实现轴面协同这一目标。模数驱动与轴面协同理念在智能高速铁路施工阶段的体现如图2所示。

目前这一概念切实应用到了智能高速铁路施工阶段建设中，现已有工程项目应用装配式盖梁智能建造技术，与传统高速铁路施工建设不同，装配式盖梁智能建造技术的应用使得在高速铁路施工现场绑扎钢筋、浇筑混凝土的场面被智能化调配所取代。施工人员通过预制技术，将盖梁、墩柱等高速铁路桥墩提前在智能车间准备好，然后运送到施工区域，像“搭积木”一样迅速完成组装^[12]。这是智能化与高速铁路施工建设的结合，更是模数驱动与轴面协同的现实应用。智能化预制正是通过先进技术，建立整体智能管理模型，对盖梁生产进行全面管理。这一过程显著提升了盖梁预制生产设备的智能化程度，推动了智能高速铁路施工阶段的建设效率。

综上所述，以模数驱动与轴面协同这一框架为纲，聚焦“轴面协同”，在智能高速铁路施工阶段全生命周期的基础上，凸显模型与数据一体化的重要性，以成本、施工安全、后续施工风险因素为模型整体优化目标，以底层数据为支撑，使用大数据展开科学决策，以数字化技术为导向，广泛应用数据挖掘、北斗导航、5G、云计算技术，结合BIM等工程建设基础工具应用，建立基于全生命周期的智能高速铁路施工阶段优化或评估模型，对智能高速铁路施工阶段进行智能化把控或建设实施。通过构建科学、严谨、完整的构架，评价智能高速铁路施工阶段是否全面应用了相关技术、是否达到相应的质量水平等。同时，考虑到智能高速铁路施工阶段过程涉及因素众多，主要包括建设材料、应用设备、建设环境、配置人员、施工技术等要素。因此，对智能高速铁路施工阶段进行控制应从全方位、全要素、全生命周期角度展开。

3　基于模数驱动与轴面协同的智能高速铁路运营阶段分析

智能高速铁路在运行过程中，由于复杂的使用环境和高强度的工作状态，动车组的设备和部件容易出现故障，从而对运行安全和效率产生不利影响。此外，随着列车数量的增加，也需要更多的备件来保证动车组运行的安全性和稳定性。但目前已有的储备方案很难与实际消耗完全匹配^[13]，如何权衡备件供应效率和备件储备是智能高速铁路运营阶段的一大难题。因此，以“模数驱动，轴面协同”为指导思想，动车组检修备件管理为研究场景，探究智能高速铁路资产的全生命周期管理模式，将供应链数字化落实到动车组检修备件的精细化管理实践。其次，进一步结合现实中动车组检修备件管理的重点，设计一套科学、合理的动车组检修备件管理评价指标体系，以推动动车组检修备件的运营效率提升。最后，结合前期构建的动车组检修备件全生命周期管理评价指标体系，综合考虑既有研究和动车组检修备件的特性，提出动车组检修备件管理优化流程。

全生命周期一体化管理是一种系统的、综合的管理模式，将动车组检修备件的采购、库存、使用等环节整合起来，为运维部门提供全方位的管理支持，目的是通过满足最终用户的需求，来实现产品全生命周期内的优化管理和控制。建设数字化、智能化和可视化的全生命周期管理平台，是解决当下动车组检修备件管理问题、实现备件管理效能最优化的重要举措^[14]。动车组检修备件全生命周期管理平台构建是以模数驱动与轴面协同为目标，从管理职责、管理制度、管理流程入手，实现对智能高速铁路资产的全方位、全要素、全生命周期管理，最终形成动车组检修备件管理各项工作相互协同、运行高效的创新模式^[15]，以确保动车组检修备件管理工作高质量开展。动车组检修备件全生命周期管理平台如图3所示。动车组检修备件全生命周期管理平台的功能性需求如下。①需求计划。需求计划是管理备件的基础，需要跟踪每个备件的存货量、状态、位置和到期日期等数据信息，以便制定合适的采购需求计划、备件替换策略等。②供应实施。当库存不足或到达最小库存量时，需要采购新的备件补充库存；与此同时，入库人员需要核对收到备件的数量是否与订单一致，以及审查备件的质量和有效期限等信息。③使用维护。当某个设备需要维修或更换时，需要从库存中发放备件；针对高价值、需求量较小的备件，可能采用库存共享的模式以节约成本，这就涉及到备件在各维修点之间的调拨；安装备件后，需要对设备进行维修或更换工作，并记录信息。④报废回收。当某个备件过期或无法使用时，需要将其报废并进行适当的处理和记录，针对可回收的备件，需要做好回收记录。

在备件供应链整合和备件全生命周期管理的基础上，设计一套科学、合理的动车组检修备件全生命周期管理评价指标体系，以便于对管理效率进行合理的评价。动车组检修备件全生命周期管理评价指标体系如表1所示。该指标体系是遵循全面性、代表性、科学性、可行性等原则，进一步结合我国动车组发展情况、动车组备件特性及备件管理现状选取构建的。按照对内评价和对外评价分为2个维度，选取成本、管理水平、服务水平3大标准作为一级指标，并根据实际运营情况，将一级指标细化为具体的二级指标。其中，二级指标分为定性指标和定量指标，2种指标相互补充，能够较好地反映出动车组备件管理的实际情况。定性指标包括信息共享度、应急响应能力共2个指标。定量指标包括采购成本、库存成本、调拨成本、备件周转率、备件库存金额、备件呆滞率、供应覆盖范围、备件满足率、准时交付率、备件故障率共10个指标。每项指标的取值均采用10分制，可根据部门实际情况为定量和定性指标分别赋予权重。

现实中，动车组检修备件种类繁多，既有研究根据其使用规律将其划分为必换件、偶换件、消耗件、周转件4大类，不同类型备件的消耗规律不同，管理方法和优化方向也大相径庭。目前已有较多备件管理的相关研究，目标函数大多以经济性为主要依据。但是，由于动车组检修备件的多样性及现实需求的多元化，动车组检修备件管理的优化已经由单目标决策问题转为多目标决策问题。对此，管理者应在“模数驱动”思想指导下，利用动车组检修备件全生命周期管理平台的数据收集、处理、共享功能，根据实际需求对动车组检修备件全生命周期管理平台上的数据进行数据清洗与数据集成，以形成支撑动车组检修备件管理优化的数据集合。其次，结合备件特性、已建立的指标体系和实际管理需求，建立多目标优化模型，科学合理地确定优化目标的权重，进行模型求解。最后，根据不同决策偏好，选择最佳优化方案，反馈到动车组检修备件全生命周期管理平台上，对平台参数重新进行优化配置，以推动备件管理和平台运营效率的共同提升。

4　结束语

智能高速铁路是满足人民美好生活需要的坚实支撑，在智能高速铁路的建设和运营过程中，提质增效和确保智能高速铁路的服务水平具有重要意义。“十四五”时期，应深化模数驱动与轴面协同理论研究，大力推进北斗卫星导航、5G、人工智能、大数据、云计算等前沿技术与智能高速铁路工程建造、运营管理等领域的深度融合，进行业务流程优化与再造，建设我国智能高速铁路全生命周期一体化管理体系，促进智能高速铁路信息化、数字化、智能化转型发展，最终实现发展质量、结构、规模、速度、效益、安全相统一。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2022X003)