重载铁路运输因其运能大、效率高、成本低等优点，在铁路运输中占有重要地位，对推动国民经济发展发挥了重要作用^[1]。数字化、智能化、可持续化已成为全球铁路未来发展的重要方向，许多国家都在积极推动大数据、人工智能、移动互联等新技术与铁路业务的深度融合^[2-3]。

智慧重载铁路系统包括智能运营、智能装备运用、基础设施智能运营维护（简称：运维）和智能管理等4个方面^[1]。供电设备智能运维可实现供电设备的全面智能监控、智能运维和全生命周期管理^[4]，是基础设施智能运维的重要组成部分。

当前，我国重载铁路各供电工队在维修作业的生产组织和生产作业过程中，常用的信息系统均需要在PC端进行操作，操作终端类型单一^[5]。由于供电工队大部分作业在施工现场，现场维修人员通常用纸笔在现场记录作业情况，待维修结束后，再使用信息系统进行现场作业情况的转录^[6]；同时，在供电设备维修过程中，对人身安全和设备安全的要求越来越高，对安全作业的管理越来越规范，传统的管理手段难以在安全管理方面做到百无一漏。因此，我国重载铁路亟需实现供电设施智能化运维，利用移动应用技术提升智能化管理水平。

本文基于智慧重载铁路体系框架，进行了重载铁路供电智能运维移动应用的设计，实现维修作业流程标准化管理，提高数据采集效率，确保采集数据的真实性和准确性^[7]，同时，对现场作业流程的各环节进行安全卡控，提高供电维修作业的安全系数。

1   移动应用设计

1.1   总体架构

重载铁路供电智能运维移动应用的架构包括中央认证服务（CAS，Central Authentication Service）统一认证、企业应用层、隔离区（DMZ，Demilitarized Zone）、移动应用层、移动服务层及终端用户层^[8]，如图1所示。

图  1  重载铁路供电智能运维移动应用总体架构

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（1）CAS统一认证：处于铁路综合信息网（简称：内网）的移动应用和移动应用层均使用CAS统一认证进行身份认证，移动应用请求的业务系统数据接口需要先验证请求的数据中是否包含用户凭证，以及用户凭证是否有效，验证成功后方可授权访问该数据接口。

（2）企业应用层：制定内网应用系统与供电智能运维移动应用统一的标准数据接口，如安全生产管理系统的数据接口，必须遵循标准数据接口进行开发，以实现与供电智能运维移动应用间的数据交互。

（3）DMZ：处于互联网的移动终端直接与内网应用系统进行数据交互，必须在DMZ部署生产计划接口转发、设备接口转发和统一用户接口转发的反向代理接口。移动终端采集的数据先经过DMZ的反向代理接口，再经过安全隔离网闸与内网应用系统进行数据交互，以保障数据交互的安全性。

（4）移动应用层：移动应用层由安全保障、业务功能和统一API（Application Programming Interface）等组件构成，支撑移动终端与企业内网应用系统间数据请求与访问的业务逻辑、数据解析与UI（User Interface）展示。该层提供UI开发规范、数据安全请求标准、文件上传存储、常用开发工具等。

（5）移动服务层：提供企业互联网配置的各种安全措施，包括防火墙、防病毒网关、安全隔离网闸及移动运营商提供的4G/5G网络或Wi-Fi^[9]。内网终端设备与互联网终端设备通信时，必须通过安全隔离网闸、防火墙及防病毒等安全设备的隔离和防护，消除连接互联网带来的安全风险和隐患。

（6）终端用户层：为移动终端用户提供功能展示和操作服务，用户可通过移动终端完成移动应用提供的各项在线业务。

1.2   网络架构

重载铁路供电智能运维移动应用既需要与互联网连接，又需要与在内网中运行的其他应用系统连接。因此，该移动应用需要通过安全防护设备，进行数据传输的安全防护隔离后，再与互联网进行连接^[8]。其网络架构如图2所示。

图  2  重载铁路供电智能运维移动应用网络架构

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后台服务及应用系统部署在内网区域的应用服务器上，后方办公用户和终端用户通过内网访问应用系统；移动终端用户通过互联网，经过防火墙与处于DMZ的业务代理服务器进行数据交互，业务代理服务器通过安全隔离网闸与应用服务器后台服务进行数据交互；利用安全隔离网闸的数据文件无协议“摆渡”功能，实现互联网与内网物理上的隔离，基于DMZ的业务代理服务器只保存少量特定企业数据的特性，保障内网和数据的安全。

1.3   系统功能

重载铁路供电智能运维移动应用的功能包括由作业指挥、作业过程控制、台账填写和资料查询。现场作业人员通过移动终端，实现对现场作业点的实时监控、作业全过程跟踪、作业关键环节控制、维修台账填写、各类作业资料快捷查询等功能。其功能架构如图3所示。

图  3  重载铁路供电智能运维移动应用功能架构

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1.3.1   作业指挥

作业指挥包括组员即时通信、应急值守抢修、音视频通信和人员定位信息等功能。

1.3.1.1   组员即时通信

主要实现驻站组、地线组、作业组与工作领导人之间的通信。驻站组在天窗命令、要令及销令后，将相关单据拍照发送给工作领导人，工作领导人接收后向组员发布下一步作业指令；地线组与工作领导人主要进行的通信有：作业前工具材料清点、抵达挂接地线位置、接收挂接地线指令、地线挂接完毕、接收拆除地线指令、地线拆除完毕、作业后工具材料清点、撤离线路完成等；作业组与工作领导人间的主要通信有：到达作业地点确认、作业前工具材料清点、接收进入封锁区指令、接收开始作业指令、接收停止作业指令、作业后工具材料清点、撤离线路完成等。

1.3.1.2   应急值守抢修

应急值班员每日上报本值守点当日人员信息，当发生抢修任务时，供电调度发布抢修命令到相应值守点，应急抢修人员可在移动应用中查看抢修任务信息、抢修路径、作业门分布、抢修工具材料清单、参与人员等信息，到达现场后可与供电调度进行音视频通话，反馈现场情况、接收作业指令。应急值守抢修功能的应急指挥处理界面如图4所示。

图  4  应急值守抢修功能的应急指挥处理界面示意

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1.3.1.3   音视频通信

音视频通信功能支持点对点通信和群组通信。其中，群组通信可把相关作业人员组建成一个群组，实时发布和接收作业指令，群组内的文字、图片、音视频保留历史数据备查。

1.3.1.4   人员定位信息

供电工队人员登录移动应用后，将位置信息实时发送至后台，工作领导人及抢修指挥人员可在后台查看作业组成员的实时位置信息。

1.3.2   作业过程控制

工作领导人、地线组、作业组、驻站组使用移动终端，分别对线路封锁和解封时间、地线挂接和拆除时间、作业前后材料清点完成情况、驻站登记及天窗时间依照各作业环节顺序进行填报，数据在小组间实时共享，卡控各作业环节顺序，进行标准化作业，保障作业现场各作业环节安全有序。作业环节卡控流程如图5所示。

图  5  作业环节卡控流程

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工作领导人通过流程把控驻站组、地线组及作业组的各个作业环节。上个作业环节结束后，工作领导人发布指令给下个作业环节的负责人，令其开始作业，保障整个作业过程的安全有序。同时，记录每个作业环节的起止时间，以便通过时间顺序追溯当天的作业情况。工作领导人作业流程节点及主界面设计如图6所示。

图  6  工作领导人流程节点及界面设计

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1.3.3   台账填写

主要实现全面检修台账、关键设备检修台账和作业完成统计表等各类作业台账的即时填写，并提供基础的数据校验功能，保障台账数据的有效性和准确性。

（1）全面检修台账录入功能可自动加载当前检修范围的支柱号，逐个支柱填写检修台账内容，也可录入检修过程中发现的缺陷信息。填写界面如图7（a）所示。

图  7  台账填写界面设计

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（2）关键设备检修台账可选择当前检修范围内的关键设备，填写其对应的关键设备台账。关键设备台账内容默认显示上一次填写的台账参数，本次任务需要填写的参数以蓝色显示。填写界面如图7（b）所示。

（3）作业完成统计表主要填报检修作业完成数量和检修条公里数，并确认作业流程环节中填写的行调时间、电调时间及作业起止时间。

1.3.4   资料查询

实现作业人员在移动终端上对作业工作票、分工单、供电示意图、设备资料库等资料的查阅，现场作业需要图纸资料时可及时下载查阅，给予作业人员必要的资料支持。

2   关键技术

重载铁路供电智能运维移动应用基于Android移动终端，融合运用安全隔离网闸、音视频通信、移动终端定位及移动应用开发等技术，实现重载铁路供电生产作业的运维智能化。

2.1   安全隔离网闸技术

安全隔离网闸主要使用在不同网络之间，在进行物理安全隔离的基础上提供可靠的数据通信。利用其隔离交换单元在内网和互联网间不同时建立连接的特性，阻断其移动应用层与内网应用系统的直接物理连接，确保了内网的安全，为移动应用与内网应用系统之间进行数据交互提供了安全保障。

2.2   音视频通信技术

供电工队作业人员使用重载铁路供电智能运维移动应用的移动终端进行维修作业和抢修作业时，作业组成员之间及与调度指挥人员之间，需要进行实时的语音及视频沟通。由于现场作业存在夜晚、山区、荒野等复杂环境，本文主要使用多媒体通信协议RTSP、图像和视频编码技术H.264，以及音视频增强技术等，基于移动运营商的4G/5G网络，实现清晰可靠的移动应用音视频通信功能，提高维修和抢修作业的安全性和工作效率。

2.3   移动终端定位技术

由于供电工队作业人员的维修和抢修作业均在户外进行，本移动应用主要使用全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位技术+基站定位技术互补和协同的方式获取位置信息，将移动终端使用人员的位置信息发送到后台服务器，并共享给作业成员和调度指挥人员，实现对现场作业人员位置的实时监控。

2.4   移动应用开发技术

本文基于Android移动应用平台，采用HTML5+Java前后端开发语言，使用Eclipse集成开发环境和MySQL关系型数据库^[10-11]，开发重载铁路供电智能运维移动应用，实现作业指挥、作业过程控制、台账填写、资料查询等移动应用功能。

3   运用效果

重载铁路供电智能运维移动应用于2022年9月完成研发，随后在朔黄（朔州—黄烨）重载铁路进行试运用，运用效果良好，其功能满足设计要求和用户期望，安全性达到了国家能源集团信息化安全管理要求。依托重载铁路供电智能运维移动应用，朔黄重载铁路供电基础设施运维实现了维修作业的智能化和维修流程的标准化。

3.1   建立维修作业标准流程

建立统一的维修作业流程，规范各供电工队维修作业过程中的请点销点、线路封锁解封、挂接拆除地线、作业前后材料清点等流程环节，实现朔黄重载铁路全流程的供电维修作业标准管理。

3.2   完善作业环节安全卡控措施

根据标准化的供电维修作业流程，工作领导人作为流程各环节的管控者和主要推动者，接收地线组、作业组、驻站组各环节的完成信息，确认无误后向下一环节负责人发布作业指令，确保作业流程的有序执行，避免流程混乱导致安全事件的发生。完善了供电维修作业流程环节的安全卡控手段和措施，提高了维修作业的安全系数。

3.3   实现作业远程指挥

工作领导人掌握对各作业小组事项的进展及定位信息，通过即时音视频通信指挥现场作业。应急指挥人员掌握抢修人员位置、抢修工具材料携带情况等，通过音视频通信了解抢修现场进展情况，并作出判断，指挥现场抢修作业。提高了现场作业效率，实现朔黄重载铁路可视化供电维修作业管理。

3.4   实现作业台账实时填写

维修作业人员可利用作业过程间隙、作业结束后、乘坐轨道车等碎片化时间，及时填写作业台账，提高维修作业数据的采集时效；对检修台账填写设计了数据校验功能，提高台账数据的合理性。

4   结束语

本文设计并实现了重载铁路供电智能运维移动应用，解决了重载铁路各供电工队在维修作业过程中数据重复记录与录入、现场作业流程不标准、安全管理手段比较落后等问题，实现了维修作业流程的标准化管理，提高了数据采集效率，掌握了维修作业人员的实时位置，并实现了对现场作业关键安全环节的卡控，增强了维修作业的安全管理。在朔黄重载铁路的运用效果表明，该移动应用有效保障了朔黄重载铁路供电设备运行的安全和稳定。