作者：王峰,刘仍奎
出版社：中国铁道出版社有限公司
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高速铁路网格化管理理论与实现技术试读：
前言
PREFACE高速铁路是高新技术的系统集成，具有速度高、密度大、智能化程度高等特点，高速铁路的建设和运营在一定程度上反映了科技的实力，其安全性对设备的质量要求更高。高速铁路采用白天公交化运行，夜间进行设备质量检查、维修的天窗修管理模式，需要动态掌握设备的健康状况和设备状态的演变规律，对设备未来的变化作出预测，并基于预测结果精准维修，确保设备长期处于良好的工作状态。
高速铁路往往是按照特定地理环境个性化设计和建造，具有高度集成、高精度的技术特点，运营后又经受列车重量、速度、密度等多种因素影响，准确掌握其状态劣化规律一直是高速铁路管理的难题。网格化管理理论是将空间上连续分布的管理对象划分成较小的单元网格，从空间位置角度研究管理对象状态的变化规律和管理方法。随着物联网技术、地理信息系统技术、大数据技术的迅猛发展，网格化管理理论的独特优势受到国内外学术界的高度重视，也给高速铁路设备管理带来了新的视角。对于高速铁路而言，往往同等技术标准、同样设备型号，但在不同线别上，因建造条件不一致，会发生设备衰减差异性；同样，即使在同一条高铁线路不同区段，设备也存在着衰减的差异性。因此，基于位置概念来统筹各专业的管理，研究设备的变化状态就显得十分有意义了。
谷歌公司研究部主任彼得·诺维格（Peter Norvig）在谈到大数据的价值时说“所有的模型都是错误的”的震撼论断，促使我们铁路管理者深深思考传统的铁路设备管理手段、方法如何改进，高速铁路在建设、运营阶段产生的设备状态数据是典型的大数据集，蕴涵着新的设备管理知识，有待我们去发现，铁路网格化管理能辅助我们寻找这些新的知识。
本书结合京沪、宁杭高速铁路联调联试及初期运营期间的工作具体实践，提出了高速铁路网格化管理的定义、模式、技术路线和框架。全书分为六章，分别是：背景及问题（第一章），分析了高速铁路设备技术新特点、维修管理面临的新挑战，提出了基于位置的管理模式给铁路设备管理带来的优越性；高速铁路网格化管理的基本原理（第二章），介绍了网格化管理基本概念和原理，研究分析了利用全生命周期理论、地理信息系统、大数据技术实现高速铁路网格化管理的技术路线；高速铁路网格化管理编码设计（第三章），从高速铁路设备全生命周期管理角度进行网格、部件、事件等编码设计，建立了编码管理体系和标准；高速铁路数据整合技术（第四章），贯穿设备全生命周期的各个阶段，明确了高速铁路设备数据采集、整理的技术标准；基于网格化管理的个性化建模及状态评定方法（第五章），研究了基于大数据的设备个性化寿命分布模型建模及网格可靠性判定问题；高速铁路网格化管理信息系统架构（第六章），介绍高速铁路网格化管理电子文库、设备状态分析、数据采集和维护管理等方面的具体实践。本书为从事铁路设备管理理论研究的读者提供了新视角、新方法，可作为铁路工程技术人员和设备管理人员的理论参考书。
参加本书编著的人员还有张骏、周钧、王福田、王宏坤、孙全欣、郭玉坤、吉章伟、徐京海、白磊、王子腾、汤劲松等同志，感谢徐伟昌、程岩、王纪然、谭社会、杨建峰、楼旭珍、崔强等同志提出的有益建议，感谢北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室同志们的大力帮助与支持。由于作者水平所限，错误在所难免，欢迎广大读者批评指正，以求改进。编者2013.12第一章绪论
高速铁路是指通过原有线路直线化、轨距标准化，使运营速度达到200km/h以上，或者专门修建新的高速线路，使运营速度达到250km/h以上的铁路。高速铁路与其他运输方式相比，具有运载能力大、运行速度快、运输效率高、运载成本低、安全系数高的特点，具有高平顺性、高安全性、高便捷性等优势，是当今社会的一种绿色交通工具，是当今世界重点发展的交通运输方式。第一节高速铁路发展背景一、世界高速铁路的发展
第一条真正意义上的高速铁路是日本东海道新干线，1964年10月正式通车，运营速度达210km/h；1981年，法国巴黎与里昂高铁（TGV）开通，此后德国开发了高铁系统，意大利修建了罗马至佛罗伦萨线。
在1990年至20世纪90年代中期，高速铁路表现出新的特征，更多体现了国家能源、环境、交通政策的需要。一是已建成高速铁路的国家进入高速铁路网规划建设阶段，日、法、德等国对高速铁路网进行了全面规划。二是跨越国境的高速铁路建设成为趋势，欧洲国家大规模修建本国或跨国界高速铁路，逐步形成了欧洲高速铁路网络。1994年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，建成了第一条高速铁路国际连接线。1997年，从巴黎开出的“欧洲之星”又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起。
从20世纪90年代中期至今，高速铁路建设波及到亚洲、北美、澳洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的一场复兴运动。其特征主要表现为：一是多数国家在高速铁路新线建设初期制定了修建高速铁路的全国规划；二是虽然建设高速铁路所需资金较大，但从社会效益、节约能源、治理环境污染等诸多方面分析，修建高速铁路对整个社会具有较好的效益，成为各国政府的共识；三是高速铁路促进地区之间的交往和平衡发展，欧洲国家已经将建设高速铁路列为一项政治任务，各国呼吁在建设中携手打破边界的束缚；四是高速铁路从国家公益投资转向多种融资方式筹集建设资金，建设高速铁路出现了多种形式融资的局面；五是高速铁路的技术创新正在向相关领域辐射和发展。
国外高速铁路在综合维修管理上比较成熟的有日本、法国和德国等国家，基于不同的社会经济及路网条件，各国高速铁路设施维修模式不尽相同，但都朝着集中维修、综合维修、缩短维修天窗的方向发展。这三个国家日常的维护维修由保养人员、维修人员两部分组成；都在推进铁路维修工作的社会化，大的维修基本委托第三方进行，维修管理部门对路外维修单位的铁路维修事务进行制约；其高速铁路养护维修工作的突出特点是管理、检测、养护、维修严格分开，同时除法铁外，德铁和日铁都采取了客、货线共管的方式。二、中国高速铁路的发展
我国高铁的规划和建设起步较晚，但是发展非常迅速。2003年10月12日，第1条高速客运铁路线——“秦沈客运专线”正式开通，标志着我国从此迈入了高铁时代。“九五”时期，针对铁路客运速度慢、运输能力严重不足等突出问题，我国先后进行了三次大提速。在此基础上，铁道部“十五”期间提出初步建成以北京、上海、广州为中心，连接全国主要城市的快速客运网，客运专线列车最高速度达到200km/h及以上，实现高速铁路、部分繁忙干线客货分线。目前我国高速铁路网已将重点城市基本串联起来，直辖市、计划单列市、省会（首府）约75％通了动车组。截至2013年7月，我国已开通30条高速铁路，投入运营的高速铁路总里程已超过1万km，居世界首位。根据国家发改委批复的《中长期铁路网规划（2008年调整）》（发改基础〔2008〕2901号），到2020年我国铁路运营里程将达到12万km以上。其中，新建高速铁路将达到1.6万km以上，连接所有省会城市和50万人口以上城市，覆盖全国90％以上人口。总体上说，我国已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成度最高、运营里程最长、运行速度最快、在建规模最大的国家；我国已掌握高速铁路线形精测精调、客站功能完善、路基沉降控制、长大梁制运架、大跨高桥长隧、无砟有砟轨道等设计与建造成套关键技术，实现了具有世界先进水平的动车组国产化，形成了具有世界先进水平的中国高速铁路技术标准体系和成套工程技术。
传统上我国铁路主要采用分专业对设备进行养护和“故障修”+“周期修”的维修管理模式。如工务专业负责轨道工程的专项养护、中修、大修管理。高速铁路网络快速建设与投入运营的同时，如何保障高铁运行安全畅通、有效控制养护维修成本，给铁路运营管理部门提出了巨大的挑战。在高速铁路高修理标准、高平顺性、高稳定性、高可靠性的要求下，需对高速铁路管理理论、方法和技术进行创新，采用新理念、新技术、新手段，使我国高速铁路不仅设计、建设具有国际一流水平，而且管理达到国际一流水平。第二节高速铁路技术特点
高速铁路是高新技术的系统集成，高速铁路的建设和运营在一定程度上反映了一个国家的科技实力。高速铁路应满足结构稳定、免维修或少维修、使用寿命长、精密控制、动态优化、灾害预防、环境友好等要求，其设备具有高度智能化、集成化和关联化的特点。一、高度智能化
高速铁路的设计与建造涉及到材料、施工、测量、控制、通信、计算机等多种学科领域的最新技术成果，智能化程度显著提高。
围绕精密控制技术，高速铁路建立了勘测设计、工程施工和运营维护“三网合一”的精密测量控制网，实现了对设计、施工、运营及维护等全过程的测量控制，确保高速铁路线形、线位准确，如无砟轨道所使用的每一块轨道板的坐标均使用CPⅢ精密定位，误差被控制在毫米级之内。针对灾害预警和预防，高速铁路沿线设置了监测风、雨、雪、异物侵限、地震等防灾安全监控系统，确保运行中的高速动车组遇到自然灾害和突发事件时能及时采取相关措施，保障列车运行安全。高速铁路信号系统具有高度信息化、自动化、集中化的特点，主要由调度集中、列车运行控制、车站联锁、集中监测等子系统组成；应用CTC运输调度指挥系统，对运行的列车进行集中调度、控制，取消了传统铁路在沿线各个车站设置的行车指挥人员；采用CTCS-3高速铁路列车运行控制系统，实现了本线列车最高时速350km、最小追踪间隔3min的运行控制要求；采用信号集中监测系统对信号设备的电气特性和转辙设备机械特性的异常状况进行及时监测记录，监测和记录信号设备与电力、车务、工务等结合部的有关状态，实现了预警分析和故障诊断。采用了GSM-R铁路数字移动通信系统，实现了移动话音通信和无线数据传输。牵引供电系统采用SCADA系统对牵引供电、电力等子系统运行及设备状态进行实时综合一体化远程监控，实现了事故报警、事故追忆、自动控制、调度事务等自动化管理，为列车高速、安全、稳定、高效运营提供动力保障。车站采用数字化旅客服务系统，实现了自动售票、自动检票、网络售票及到发列车自动预报等新功能。二、系统高度集成
高速铁路由高质量及高稳定的基础设施、性能优越的高速列车、先进可靠的列车运行控制、高效的运输组织与运营管理架构等综合集成。各子系统之间既自成体系，又相互关联，既有硬件接口，又有软件联系，围绕整体统一的管理目标，彼此兼容，完整结合，形成一个复杂的巨系统。图1—1为高速铁路系统构成，图1—2为动车组与各子系统主要技术接口。图1—1 高速铁路系统构成图1—2 动车组与各子系统主要技术接口
高速铁路系统从系统整体出发将系统进行分解，深入研究各子系统的技术方案和匹配关系，不断优化子系统接口关系和工序衔接，通过对设计研发、装备制造、施工安装及调试评估等各种技术和资源的优化整合，最终实现系统整体功能最优的技术目标和高效率。如工务专业的钢轨主要作用是承载列车运行，但其同时是轨道电路的一部分，也是牵引供电回路的一部分；道岔的转辙需要三个专业共同作用，工务提供基本的辙叉设备，信号专业提供转辙指令，供电专业提供转辙的动力。另外，高速铁路由于列车牵引电流大、牵引网短路电流大和钢轨对地泄漏电阻高等特点，导致牵引供电系统与电力配电系统、信号系统、通信系统之间的电磁环境恶化，钢轨电位升高，需要进行综合接地；而综合接地需要对路基、桥梁、房屋建筑等接地极进行处理，沿线敷设综合贯通地线，沿线各种电气设施和金属构筑物接入。三、状态高度关联
高速铁路设备在运营过程中受到列车运行的冲击和自然环境的影响，其状态总的趋势是不断劣化的，并具有一定的规律性，同一地理位置，相同专业不同设备之间，或不同专业设备之间的状态变化具有高度关联的特征。
由于高速铁路的设备高度关联，在空间位置上相互依赖，导致他们状态演变的关联性。如在空间位置关系上，路基、桥梁和隧道建筑物是起到支撑物的作用，他们支撑轨道、接触网和通信信号设备，它们的变形直接影响到所承载的设备状态。受电弓和接触网在高速条件下应实现良好接触，这要求接触网保持良好的状态，影响接触网状态的一个重要因素是接触网的高度，准确的说是接触网与轨面的相对高度，当轨道出现变形病害，弓网设备也将出现故障。同时，设备状态变化规律受地理环境因素、运输组织因素、设计及建造因素、养修管理因素等多种因素的影响，其中地理环境因素尤为重要，这不仅是由于不同的地理环境，地质条件、气候条件、水文条件可能不同，更是由于地理位置的不同，轨道结构、列车重量、速度、密度、修理历史等运输组织因素、设计及建造因素、养修管理因素往往也不同。第三节高速铁路管理新要求一、安全管理新要求
铁路安全主要包括铁路线路安全和铁路运营安全两个方面。铁路运营安全包括铁路运输设备的正常运行、设备状态良好以及运输组织的规范操作。铁路运输安全管理是整个铁路运输管理的基础部分，是通过科学的手段和管理方法，研究人、机器和环境之间的相互作用，需车、机、工、电、辆等多部门紧密联系，协同工作，使铁路运输以安全、准确、迅速、协调的方式运行，保持正常的运输秩序和生产秩序。高速铁路运输安全管理面临新的要求和挑战，高速铁路主要以客运为主，其运输质量特性比货物运输更加复杂多样，直接关系人民群众生命安全。高速铁路具有速度快，密度大，自动化、智能化程度高等特点，采用天窗修的管理模式，白天公交化运行，夜间进行设备质量检查、维修，其安全管理对设备的质量要求更高，更需要总结和分析设备变化规律，建立预判、评价体系，提前发现设备质量安全隐患。高速铁路安全管理涉及项目生产规划、设计、建造、运营、维修、更新等各个阶段，安全影响因素众多，需要建立与之相适应的设备安全质量信息管理、存储、分析体系。这就要求从设备质量源头控制，把好设计审查关，严格新建项目审查，不断提高新建高铁工程质量；提高高速铁路设备制造质量，加强监督检验，从源头保障设备质量；完善高速铁路安全监控体系，加强高速铁路线路应力监测、重点桥梁及路基沉降监测、道岔及钢轨伸缩调节器状态等实时监测，提高安全保障能力；建立覆盖各个层面、各个环节、各种设备的专业制度、管理制度、作业标准和作业程序，形成动态优化的高铁规章制度体系等。二、高标准养修要求
为了确保高速铁路绝对安全可靠，高速铁路的设备维修标准远远高于普速铁路，高速铁路设备维修高标准体现在偏差容许值更小、维修精度更高，以及对于设备状态等级的划分更精细，管理更严格等方面。如高速铁路轨道区段动态整体不平顺管理标准较普速线路要求更严格，轨道质量指数见表1—1。表1—1 轨道质量指数（TQI）管理值注：波长范围为1.5～42m的单项标准差计算长度200m。三、维修管理新要求
1.预防性维修
传统上我国铁路主要采用“故障修”+“周期修”维修模式，即当设备技术指标超过相应管理标准，或者该设备使用达到相关的修理规则所规定的维修周期，则安排进行相应的修理。由于高速铁路安全管理的新要求，传统的“故障修”+“周期修”维修模式显然已不能满足安全管理的需要，预防性维修是高速铁路设备养修的必然选择。预防性维修是指以设备状态为基础的“状态修”维修管理模式，根据当前设备状态和设备状态变化规律，科学合理的安排维修计划，集中安排综合维修作业，杜绝设备病害（或故障）出现和发展，实现对设备的精确修和准确修，保持设备完整和质量均衡，以取得较好的技术经济效益。
全面、及时感知设备状态，是指全方位测量并全面采集设备的设计数据、建造数据，以及各种检查、检测、监测的数据，空间地理信息数据，维修数据，设备运用信息（如列车通过总重数据、速度数据等），实现对设备更透彻的感知。通过全面、及时感知设备状态，可帮助铁路运营部门分析设备病害，掌握设备变化规律，找到设备状态薄弱区段和影响运输安全的关键设备，为预防性维修计划的制定提供依据，进一步防止设备欠维修或过度维修，使设备状态有较长时间的稳定性。
2.多专业集中维修
目前普通铁路维修模式以分专业为主，即工务、牵引供电、通信信号等设施维修自成体系，其维修机构按专业分为段、车间、工区三级，形成隶属关系，相对独立作业，具有管理简单直接的特点。高速铁路系统之间关联更加紧密，牵一发而动全身，若分专业维修，维修天窗的利用率较低，专业之间的关联性较差，如接触网维修作业是以线路的定位为基准，一旦线路改变，必然引起线与网相对关系的改变，若专业配合不紧密，容易出现漏修错修。可见，由于高速铁路的高维修标准、高稳定性和高可靠性要求，以及设备之间的高度联动性技术特点，传统的维修模式已不适应高速铁路的维修需求。
集中修又称为综合性维修，是集中调配机械、人员、材料，综合利用作业天窗，集中完成设备大中修和技术改造任务的一种管理模式。我国高速铁路具有高速度、高密度、运营时间长等运营特点，采用集中维修体制，在统一的维修天窗下，共同安排各专业维修作业，是保证我国高速铁路短时维修“天窗”得以实现的关键性措施之一。各维修专业的集中管理，为沟通和合作构建了更好的平台，为提高维修效率、维修质量创造了条件，可充分发挥人员机具的规模效用，充分发挥好大型养路机械的优越性，充分利用天窗时间、减少对运输的影响，实现对作业安全的有效监控。集中修实现了高速铁路的高安全、高效率、专业化、节约型、信息化维修，体现了“管理综合、专业强化；严检慎修、检重于修；养修分离、综合值守”的基本思想。四、建设运营衔接新要求
可持续发展、和谐发展，保证项目成品质量更好地为经济社会发展和运营服务，突出和深化中国高铁品牌，需要建立建设与运营无缝衔接的设备管理体系。紧密衔接的设备管理新模式可以进一步发挥项目管理机构的工程建设管理能力和铁路局专业处室、设备管理单位的运营维护优势，保障高速铁路建设向运营的有效过渡，保障设备的有效接管和基于设备基础数据的维修管理。
高速铁路的设计、生产、建造等基础数据是运营阶段科学诊断和高效维修的基础。高速铁路设备的相关技术状态数据需要从设计、建造和运营阶段全方位采集，设备的基础数据能够实现运营阶段快速反应、全生命追溯、掌握变化规律，为运营维护提供保障；而上述阶段的数据分别来源于铁路建设、设计、施工、运营等单位，涉及众多单位和人员，基础数据流转效率有待进一步提高，为了确保高速铁路建设与运营的无缝衔接，保障数据的快速高效流转、有效传递，需要建立一套新的管理体系。第四节高速铁路网格化管理新理念一、高速铁路网格化管理的理念
智慧地球是从一个总体产业或社会生态系统出发，针对该产业或社会领域的长远目标，调动该生态系统中的各个角色以创新的方法做出更大更有效的贡献，充分发挥先进信息技术的潜力以促进整个生态系统的互动，以此推动整个产业和整个公共服务领域的变革，形成新的世界运行模型。智慧铁路是智慧地球在铁路管理上的应用，是通过更透彻的感知和度量、更全面的互联互通和更深入的智能化，实现智能信息的网络化，进而在整个铁路系统实现信息的互联、共享和智慧管理，即在更全面的信息收集基础上，通过信息整合、分析及数据建模将战略或运营决策与新锐洞察结合起来，进而更好地监控运营，并更加主动地采取措施，提高服务质量、提高服务安全性、提高服务可靠性以及提高铁路运营效率并节约成本。
网格化管理是将管理对象按照一定的标准划分成若干网格单元，利用物联网技术、地理信息系统技术等现代信息技术，以及网格单元各相关专业间的协调机制，使管理人员能够快速感知设备状态，有效地进行信息交流，透明地共享组织资源，以最终达到整合组织资源、提高管理效率的现代化管理思想。网格化管理的最大特点是从空间的角度而不是从专业的角度管理，实现管理流程的创新。高速铁路网格化管理是智慧铁路、数字铁路发展的关键，是以信息系统技术为支撑，以整合资源、提高管理效率为目标的一种现代化管理思想，可以构建能够实时监控设备状态、及时进行设备状态评定的虚拟高铁，这恰恰是高速铁路设备管理的核心需求，可真正地实现设备闭环管理，如图1—3所示。
数字铁路的本质是强调铁路不同专业的信息基于空间位置进行整合与可视化共享；智慧铁路则是在数字铁路基础上实现信息的智能化和智慧决策，是数字铁路更高层次的发展。高速铁路网格化管理是智慧铁路的一个子集（三者的关系如图1—4所示），是智慧铁路理念在设备领域的综合体现，综合了数字铁路与智慧铁路二者的技术优势和管理理念，在高速铁路设备管理领域进行了应用创新。高速铁路网格化管理在积累形成的大数据集基础上建立设备故障诊断模型、设备状态变化规律模型和设备寿命分布规律模型，强调对网格、部件、事件进行全面、透彻和及时的感知，可实现设备状态检测、设备状态评定、设备故障诊断、设备状态安全预警、设备维修计划编制等功能，辅助铁路管理部门做出更智慧的决策。图1—3 基于信息技术的设备闭环管理图1—4 网格化管理与数字铁路、智慧铁路的关系二、高速铁路网格化管理基础
高速铁路网格化管理以全寿命周期管理、数字铁路、智慧铁路、可靠性数学等理论为依托，涉及到物联网技术、数据仓库技术、大数据技术、地理信息系统技术等关键技术，是多种学科理论和技术相互融合的成果。通过信息技术将现实高铁中的设备管理流程形成对称的虚拟高铁，通过对设备管理流程中产生的数据进行实时全面采集，辅助管理者实现对设备状态的感知；利用数据库技术，对采集到的数据进行存储和共享；利用数据挖掘技术、统计学及可靠性数学理论、数学建模理论等，发现隐藏在海量数据中的新模式、新知识甚至新规律，诊断病害或故障产生的原因，对风险源进行科学识别与预防，实现设备管理更智慧的决策。设备管理部门通过反馈来的数据分析结果，判断影响设备管理目标实现的原因或对设备管理目标进行修正，形成真正意义上的设备闭环管理。高速铁路网格化管理与相关理论技术关系如图1—5所示。
1.设备全生命周期管理理论
设备全生命周期管理是从设备的调查入手，对生产设备的规划、设计、制造、选购、安装、使用、维修、改造、更新、直到报废的全过程进行管理，是“在最恰当的时候、利用最恰当的方法、找到解决问题的最恰当的资源”管理方法的一种新思路。高速铁路设备全生命周期管理是为确保运输安全及设备处于健康状态而进行的基于规划、设计、建设、运营直至报废等过程的一系列管理活动。全生命周期管理和网格化管理相融合，通过对网格、设备、事件等的全生命周期编码设计，可实现全生命周期的信息关联与整合，可实现数据追溯、感知设备历史，建立寿命分布模型，实现更透彻的感知设备，更智慧的决策。图1—5 高速铁路网格化管理理论基础构架
2.大数据技术
大数据技术通过对海量数据的交换、整合和分析，发现新的知识，创造新的价值，辅助设备管理者从设备状态数据库中找到数据背后隐藏的设备状态变化规律，构建模型，使管理更有智慧。在大数据时代，传统的一切铁路设备管理模型都将要进行重新认识，改进创新，大数据技术使高速铁路设备个性化建模成为现实，可实现设备状态劣化预测，设备状态和设备剩余寿命个性化预测，从而使维修决策更具针对性，实现精准地预防性维修。
3.可靠性数学
统计学是应用数学的一个分支，主要通过利用概率论建立数学模型，收集所观察系统的数据，进行量化的分析、总结，并进而进行推断和预测，为相关决策提供依据和参考。可靠性数学是研究产品寿命特征的主要数学工具，它是应用概率、应用数理统计和运筹学的一个重要分支。高速铁路网格化管理利用统计学和可靠性数学理论，基于设备在生命周期过程中产生的不同时刻的状态数据，针对不同的设备管理需求，结合大数据、数据库、信息系统等技术，构建个性化的设备状态劣化规律模型和寿命分布模型，对单个设备未来状态和寿命等进行评估，同时推断与设备寿命有关的可靠性指标。
4.数据库技术
数据库技术是信息系统的核心技术，通过数据的统一组织和管理，按照需要的结构建立相应的数据库和数据仓库，利用数据库管理系统和数据挖掘系统，结合物联网技术对设备随时随地的测量、捕获和传递设备的相关信息，实现“海量、多源、异构、多尺度、多时空关系”的高速铁路设备状态数据的交换和共享，实现设备与设备互联、人与设备互联，为设备管理人员快速感知设备状态，实现更及时、更透彻感知设备状态提供强大技术支撑。
5.地理信息系统
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是用于采集、存储、查询、分析和显示地理空间数据的计算机系统，其精髓在于挖掘基于位置的数据之间的关系与演变规律，为满足高速铁路设备管理中对空间数据的分析需求提供技术手段。采用GIS技术，集成地理空间框架数据、单元网格数据、部件和事件数据、地理编码数据等多种数据资源，通过多部门信息共享、协同工作，实现对综合业务网格化管理和对各专业部门进行综合绩效评价；通过对设备状态劣化规律和寿命分布模型建模，快速确定轨道薄弱地段，找到影响运输安全的关键设备，分析同一位置不同设备之间状态变化的关联关系，从空间的角度，多维度、深层次分析与诊断设备病害或故障产生的原因，实现多专业高效地集中维修，整合维修资源，降低维修成本。第二章高速铁路网格化管理理论第一节网格化管理的概念
网格化管理是指将管理对象按照一定的标准划分成若干网格单元，利用物联网技术、地理信息系统技术等现代信息技术，以及网格单元各相关专业间的协调机制，使管理人员能够快速感知设备状态，有效地进行信息交流，透明地共享组织的资源，以最终达到整合组织资源、提高管理效率的现代化管理思想。网格化管理的核心思想在于从地理的观点出发而不是从专业的观点出发对管理对象进行管理，从地理的观点出发进行管理具有四个方面的突出作用。（1）可以促进不同管理部门之间的横向联合，缩短对某一空间位置发生问题的感知周期、处理周期，避免部门之间的推诿，有助于降低运营成本，提高风险控制能力。（2）可以帮助管理者更好地把握管理对象状态的变化特点。一般来说，管理对象状态的变化与其所处地理环境密切相关，基于地理的观点看问题往往会使管理者发现意想不到的新知识，从而做出更佳的管理决策。（3）可以帮助管理者建立更有价值的管理对象历史记录档案。许多管理记录由于缺乏准确空间位置信息而降低了它们的利用价值，增加地理要素的记录信息可提升其准确性、可靠性及决策参考价值。（4）可使企业利用GIS信息平台提升管理水平，特别是提升基于位置的决策水平。GIS工具对企业管理的辅助作用可用图2—1表示。基于GIS的地图和可视化技术可以更好的帮助管理者认识局势和描述事件的发展情况，是一种新的语言，可以增强不同的团队、部门、学科、专业领域、机构和公众之间的沟通。一、网格化管理发展现状
古代的格网地图强调把空间不确定性因素控制在相应的尺度范围内，如裴秀的计里画方、元代的格网地图等，适应于定位精度不高的、粗略的地理分布现象。现代的地理格网是用于对地球空间的划分、空间数据的组织以及检索的信息技术，如“美国国家格网”（United States National Grid）和我们国家的“天地图”工程，致力于向政府部门和公众提供标准化的、权威的国家基础地理信息服务和基础地理信息数字产品。以空间信息格网为基础，地理信息系统（GIS）得到了迅猛发展，其最大优势在于通过将地理空间数据与空间目标属性数据的统一处理，给使用者提供一个最友好的图形化界面、最符合人类思维习惯的时空分析平台，如现在流行的WebGIS平台有ARCIMS、MapGIS IMS、Super Map IS、TopMap World、MapXtreme等。图2—1 GIS工具对企业管理的辅助作用示意图
网格化管理是计算机信息技术发展，特别是地理信息技术（地理信息网格）发展的产物，它是基于地理信息系统技术，以信息化、网络化为手段，以整合资源、提高管理效率为目标的一种现代化管理思想。在网格化管理的具体运用方面，城市管理中有了较为系统的探索。城市网格化管理是一种数字化城市管理模式，其特点是在控制论基础上，综合利用移动通信和网络地图等高科技手段，实行全方位、高效率的城市管理活动。2005年，建设部确定了深圳、成都、杭州等10个城市为数字化城市管理的第一批试点城市；2006年，确定了天津河西区、重庆高新区等17个城市（区）为数字化城市管理的第二批试点城区；2007年，又确定了23个城市（区）为第三批数字化管理城市，为城市网格化管理模式的进一步推广提供了实践经验。城市网格化管理强调基于空间的管理方式，按整个区域、街道、社区和网格单元进行管理，实现了管理空间的精细化；强调监督和管理两个轴心的管理体制，通过对各部门城市管理职能的整合，将监督和管理职能分开，改变了过去管理和监督不分的城市管理弊端；革新了业务管理流程，新的工作流程包括信息收集、案卷建立、任务派遣、任务处理、处理反馈、核实结案和综合评价等环节，如图2—2所示。城市网格化管理的关键技术有城市单元网格划分方法、城市部件管理方法、城市事件管理方法和信息采集技术等。图2—2 城市管理新模式的基本流程（1）城市单元网格划分方法。城市网格化管理的基本管理单元2是运用网格地图的技术，以一定面积（如1万m ）为一个独立的管理单元，各个单元互相连接，形成不规则边界线的网格管理区域，对网格中的数据资源、信息资源、管理资源、服务资源进行整合，实现共享。在纵向对管理空间进行分层分级、全区域管理，如北京市东城2区25.38km 划分为在空间层次上递进的、逐渐细化的4个管理层面（图2—3），即东城区整个区域、10个街道、137个社区以及1652个网格单元，并对每一个单元网格在时间和空间定义上赋予一个唯一的编码，每个网格单元有12位编码，其中区县编码6位、街道办事处编码2位、社区编码2位、网格单元编码2位。（2）城市部件管理方法。把物化的城市管理对象作为城市部件进行管理，运用地理编码技术，将城市部件按照地理坐标定位到单元网格地图上，通过信息平台进行分类管理。部件划分为大类和小类，部件的大类分为公用设施、道路交通、市容环境、园林绿化、房屋土地、其他设施以及扩展部件。如按照不同功能，北京东城区将全区168339个城市部件分为6大类56种，建立了多个数据库，对每个部件赋予16位代码，标注在相应的万米单元网格图中，输入任意一个代码，都可以通过信息平台找到它的名称、现状、归属部门和准确位置等有关信息。图2—3 北京市东城区城市网格管理层级细划示意图（3）城市网格化管理事件分类方法。按照其性质和特点划分为大类和小类，事件的大类包括市容环境、宣传广告、施工管理、突发事件、街面秩序以及扩展事件。事件分类代码由10位数字组成，依次为6位县级及县级以上行政区划代码、2位大类代码、2位小类代码。（4）信息采集技术。为城市管理监督员快速采集与传输现场信息需要研发专用工具，如装有网格化地图的城管通，具有接打电话、信息提示、图片采集、表单填写、位置定位、录音上报、地图浏览等多项功能。通过专用工具监督员可以对城市部件、事件发生的问题进行拍照、录音，并将有关信息发往监督中心，也可以接受监督中心的指令。二、网格化管理的基本要素
网格化管理的基本要素主要有网格、部件和事件。
1.网格
在地理学中，网格是将连续工作区域的平面空间离散化，即按一定规则进行分割，形成许多多边形，每个多边形称为网格单元，并赋予标识符（即地理编码）。网格有边界、面积、空间位置以及管理对象等各种元素，如国家行政管理，将国家版图划分为省、市、县、乡、村等不同层次的区域，区域内包含人口、资源、环境、设施设备等隶属不同管理机构的管理对象。同一网格内的管理对象，经过较长时间的交流、沟通、相互影响等演变过程，会形成自己独特的历史信息和知识。
网格化管理的第一步是按照一定的网格划分标准划分网格单元，使网格单元的构建和管理规范化，以便于网格化管理的实施。网格划分将管理理念从专业角度出发转向从地理角度出发，是实现横向跨专业管理的基础。网格的划分一般会有多种划分标准，并具有层次隶属关系，最小的网格称为基本单元网格。单元网格划分应综合考虑以下原则：（1）法定基础原则。单元网格的划分应基于法定的地形测量数据进行，地形测量数据比例尺一般以1∶500或1∶1000为宜，但不应小于1∶2000。（2）属地管理原则。单元网格的最大边界为最小管理单位的边界，不应跨管理单位分割。（3）地理布局原则。按照自然地理布局进行划分。（4）方便管理原则。应尽可能便于业务管理的精细化、信息化。（5）负载均衡原则。兼顾管理部件的完整性，单元网格的边界不应穿越管理部件，并使各单元网格内的管理部件的数量大致均衡。（6）无缝拼接原则。单元网格之间不应有漏洞，不应重叠。（7）相对稳定原则。单元网格的划分宜保持相对稳定。
网格编码是指按照某种规则给地理网格赋予唯一标识符，是整合多源空间信息资源的一个关键环节。单元网格在时间和空间定义上应有唯一的编码，单元网格变更时，其原代码不应占用，变更后的单元网格按照原有编码规则进行扩展。网格属性是对地理网格进行时空分析必不可少的数据集，属性的定义应从空间、专题、时间等特征出发进行设计。
2.部件
部件是指网格内的管理对象，隶属不同专业类别，可能是人，也可能是各种设施设备。根据精细化管理要求，部件根据专业可进一步划分为不同的大类，每一大类下又可细分为不同的小类。
每一个部件也应有唯一的编码，以便确定其身份，部件编码一般由管理单位代码、大类代码和小类代码，以及顺序号等组成。根据网格化管理的需要对部件建立属性，记录部件状态的演变历史，主要包括部件的空间信息、专题信息和时间信息等。
3.事件
事件是指人为或自然因素导致部件的状态受到影响或破坏，并得到感知，需要专业部门处理并使之恢复正常的现象和行为。事件与部件相互关联，按照其性质和特点划分为大类和小类。
每一个事件也应具有唯一的编码，事件编码一般由管理单位代码、大类代码和小类代码、顺序号等组成。对事件应建立规范的描述信息，也称为事件的属性信息，事件的描述应尽可能详细，不仅要记录发生位置、发生过程、涉及人员等，还应该用多媒体手段记录照片、视频、声音等数据。这些数据是进行网格化管理的基础。三、网格化管理平台
网格化管理信息平台是网格化管理必不可少的组成部分，是网格化管理的神经中枢。网格化管理信息平台是基于计算机软硬件和网络环境，集成地理空间框架数据、单元网格数据、部件和事件数据、编码数据等多种数据资源，通过多部门信息共享、协同工作，实现对综合业务网格化管理和对各专业部门进行综合绩效评价的计算机应用系统。
1.基本架构
网格化管理信息平台应包括部件状态数据采集、部件状态评定、协同工作、地理编码、监督指挥、综合评价、应用维护、基础数据资源管理、数据交换等子系统，基本结构框架如图—所示。图2—4 网格化管理信息平台基本结构框架
2.主要功能
部件状态数据采集子系统通过部件状态数据采集设备，实现采集、报送部件状态问题信息。部件状态评定子系统，接收采集系统报送数据，按照评定指标计算模型对部件状态进行评定，并将评定结果发送至协同工作子系统。协同工作子系统供监督中心、调度指挥中心、专业部门使用，将任务派遣、任务处理、处理反馈、核查结案等环节关联起来，实现监督中心、调度指挥中心、专业部门之间信息同步、协同工作和协同督办等功能。监督指挥子系统整合各类基础信息和业务信息，实现基于地图的监督指挥功能，对发生问题位置、问题处理过程、数据采集人员在岗情况、综合评价等进行实时监控。综合评价子系统根据综合业务管理工作过程、责任主体、工作绩效等评价模型，对区域、部门、岗位进行综合统计、计算评估，生成评价结果。地理编码子系统为部件状态数据采集子系统、协同工作子系统等提供地理编码服务，实现地址描述、地址查询、地址匹配等功能。应用维护子系统对机构、人员、业务、工作表单、地图、工作流等相关信息及查询、统计方式进行配置，完成系统的管理、维护和扩展工作。基础数据资源管理子系统实现对空间数据的管理、维护和扩展功能，并对空间数据的显示、查询、编辑和统计功能进行配置。数据交换子系统实现与上一级单位网格化管理信息平台的数据交换，交换信息可包括部件问题信息、业务办理信息、综合评价信息等。
3.数据库建设
平台运行数据包括空间数据、业务数据和系统运行支撑数据。空间数据包括网格数据、部件数据、编码数据、地理空间框架数据，空间数据的分类与编码、精度及数据采集、更新作业规程等要符合国家、行业相关标准的规定，系统运行数据的空间参考系要与所在区域地理空间框架数据的平面坐标系统和高程系统相一致。业务数据包括系统运行中的部件状态数据、核查数据、业务案卷数据、业务流转数据、业务督办数据、业务表单数据、机构人员角色数据、综合评价结果数据等。系统运行支撑数据包括机构人员角色配置、业务配置、工作流配置、地图使用配置、工作表单定义、文号定义、惯用语定义、统计报表定义、地图要素编码定义、物理图层配置、逻辑图层配置、专题图层配置、地图查询定义等。
4.网络环境及支撑条件
平台运行网络环境一般由传感网（物联网）、移动通信网和互联网三部分组成。部件状态数据采集子系统一般采用具有GPS定位功能的设备，除此之外，也可采用多传感器组成的传感网方式，实现部件状态数据的实时采集。平台的主要运行环境为互联网或企业内部网，可与移动通信运营商实现互联，用于接收部件状态数据。
平台运行的支撑软件主要包括数据库和地理信息系统平台软件。数据库软件要求能够实现空间数据与属性数据统一存储及组织，目前比较常用的空间数据库引擎有Oracle Spatial、Arc SDE、MapInfo SpatialWare插件，国产的有SuperMap SDX+。地理信息系统软件可支持数据仓库中的空间数据和属性数据的统一操作，提供WebGIS服务，实现基于浏览器的空间数据显示、查询等基本功能，也能够实现对海量空间数据的显示、存取操作和空间数据编辑功能。目前比较常用的WebGIS软件平台有Esri的ArcGIS for Server、MapInfo的MapXtreme、国产的SuperMap IS和国遥新天地的EV-Globe。四、网格化管理的特点
1.全面及时的部件状态感知
网格化管理具有对部件状态进行全面、透彻和及时感知的特点，管理者能够快速检索到部件状态演变历史过程中的每一个数据，使数据做到可追溯，并且能够从多种角度快速把握部件状态。一是从历史的角度进行感知，采用计算机技术管理网格数据，可以从历史的角度，针对网格中的部件，全面采集其历史状态信息，统一编码，分类存储管理，根据管理工作需要方便准确地进行检索查询。二是从多角度进行感知，针对部件状态，采用多种检测方式，从多个角度进行部件状态感知。每种检测方式的检测频率、内容和标准不尽相同，但可以相互补充，全方位覆盖网格部件的状态特征。三是基于传感网技术实时感知，针对某些关键部件或一些状态采集实时性要求比较高的部件，可采用传感网技术，对其状态进行实时监测，实现管理者与管理对象之间的实时互联。
2.网格及网格部件状态评定
对网格及网格部件的状态进行评定是网格化管理的关键，应遵循以下步骤：首先，制定网格和部件状态的评定标准，部件状态标准可按照部件状态受到影响的程度及针对部件问题的处理方法进行分类分级，而网格状态应该是网格内部件状态的整体反映，是一类综合性指标，也需建立不同等级的管理值标准；其次，建立网格部件和网格状态的分析评价计算模型和工具，对部件问题定性和定量进行评价和分析，计算状态指标，实现网格及部件状态评定的自动化；最后，针对网格部件的特点，从空间的角度，按部件空间位置，综合考虑同一网格内部件间的状态联动特性、部件的历史信息和自然地理空间因素，分析部件问题产生的根源和发生机理，为部件问题的处理提供决策依据。
3.综合调度与管理资源整合
网格化管理改变原有的分专业管理工作模式，在将管理区域划分为若干网格单元基础上，根据部件和网格状态的评定结果，按照网格（空间位置）进行任务分配，各业务部门根据调度命令执行被派遣的任务，包括人员、机具和材料，协同工作，共同处理网格中的部件问题，充分利用现代信息技术并结合业务流程重组来实现资源共享和业务协同，最终达到提高效率、节约成本的目标。
4.过程的精细化管理
网格化管理全过程采用信息技术，网格的内部件状态、事件信息、部件问题信息、调度指挥信息、核查验收信息等都全部记录在案，信息处理快速和透明，为管理工作的综合评价创造条件。可以按一定周期对不同层面的管理区域（包括单元网格）进行区域评价，对专业部门和各责任主体进行部门评价，对各类管理人员和业务处理人员进行岗位评价。与传统的分专业管理相比，部件状态检查、综合调度指挥、问题处理结果核查等业务从专业部门相对分离出来，相对于原来的自查自纠，既提高了效率，又避免了专业部门内部掩盖问题或处理问题不彻底的现象。
5.闭环的业务流程
网格化管理的基本流程可以抽象为部件状态感知、部件状态评定、任务派遣、部件问题处理、监督核查（处理后的结果感知、验收）等过程，形成一个闭环，如图2—5所示。由数据采集人员或设备收集部件状态数据，上报监督中心；监督中心根据管理标准，并通过长期积累的历史数据及数据分析方法和工具，评定部件状态，给出部件“健康”状况的判断结论，建立案卷；调度指挥中心基于部件“健康”状况制定工作计划，进行任务派遣，发布调度命令；各业务部门根据调度命令执行被派遣的任务，并在处理后进行反馈；监督中心发送核实、核查工作任务，数据采集人员或设备重新检查处理后的部件状态，核查结案，形成一个完整闭环。图2—5 网格化管理业务流程
综上所述，实行网格化管理具有3个方面的优势：（1）实现流程再造。网格化管理的基本流程可抽象为管理对象状态感知、部件状态评定、任务派遣、部件问题处理、监督核查和综合评定六个组成部分，改变了原有按专业条线化管理流程，引进为条块联动的管理流程，这种新型的管理流程克服了问题上报过程中人为因素的干扰，能够及时发现问题，解决问题。（2）资源整合。网格化管理的管理方法能够将网格内的设备、维修资源、信息资源、人力资源充分利用，使其发挥最大效益。在每一个单元网格内，设备管理不再是原有的分专业管理，而是将其统一管理，统一检测、统一维修，每个设备的良好状态能得到更好保证，进而提高安全管理水平。（3）技术优势。网格化管理方法能在最大程度上整合信息资源，管理者通过对数据的统筹分析、建立模型，预测设备未来的状态，从而提高管理部门对管理对象状态的预知能力，使得管理对象的抗风险能力提高。第二节高速铁路网格管理概念
除在城市管理领域外，近年来我国电力设施安全管理、物流资源管理、食品安全管理、健康档案管理、风沙源治理管理、火灾防控管理、林业生态工程管理、沿海水上交通安全管理等领域均开展了网格化管理方面的探索，实行网格化管理较传统管理模式的优越性越来越多地受到社会各界的关注和认可。随着我国高速铁路的不断发展，在高速铁路装备制造、基础设施建设等方面，我们已经走到了世界的前列，但对于高速铁路设备管理，我们还存在一定的不适应、不协调，如何更加科学高效地对高速铁路进行全方位管理，是我们面临的挑战和使命，借鉴先进的管理理念和方法，是高速铁路建设和运营管理发展的大势所趋。一、高速铁路网格化管理的定义
高速铁路网格化管理是将高速铁路线路按照一定的标准划分成若干网格单元，利用现代信息技术和协调机制，更彻底、更及时的进行设备状态感知，实现更全面的设备状态信息互联互通，更智慧的进行设备维修决策，以最终达到保障运营安全、控制运营风险、整合维修资源、降低维修成本和提高管理效率的现代化铁路设备管理模式。高速铁路网格化管理的基本要素包括网格、部件和事件。
高速铁路网格是将连续的铁路线路离散化，即按一定规则进行分割，形成许多小的线路区段，每个线路区段称为网格单元，并赋予标识符（即网格编码）。高速铁路网格化管理中的部件是指工务、电务、牵引供电等不同专业的设备，为方便读者理解，在后文中统一将“部件”称为“设备”，两者不做概念上区分；不同的设备在空间布局、组成结构方面有各自不同的特点。高速铁路网格化管理中的事件是指铁路设备的一种属性信息，反映铁路设备的一种状态，可通过检查或检测手段获得，也包括与设备有关的各种管理行为。二、高速铁路的网格划分
由于铁路用地呈带状分布，线长、点多、面广，设备分布密集，而且铁路用地两侧的地界宽度是确定的，因此铁路网格可不同于其他领域中的按面积划分，而以线路的长度来划分并结合高速铁路设备特点等因素综合分析确定。
高速铁路设备涉及工务、电务和牵引供电等多专业，如在空间位置上，工务专业的路基和桥隧建筑物承载着电务和牵引供电专业的设备，电务和牵引供电专业设备的空间位置是以工务专业设备为基准，设备具有高度的关联性。因此，高速铁路网格的划分可侧重于工务专业设备的管理需要，并统筹考虑其他专业设备的管理需求。
在高速铁路线路设备管理中，针对轨道整体质量状态，主要采用轨检车和动检车检测数据对轨道不平顺状态进行整体评价，评价指标称为轨道质量指数（TQI）。《铁路线路修理规则》、《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》和《高速铁路有砟轨道线路维修规则（试行）》（后文统一简称为“铁路线路维修规则”）中规定计算轨道质量指数（TQI）的轨道单元区段长度为200m；另外，在工务线路设备的维修管理中，200m区段也是经常采用的维修单元长度；同时，网格长度200m符合多专业精细化管理的需要。因此，高速铁路可采用200m线路区段作为基本网格单元，以高速铁路的百米标作为相邻网格的分界点。图2—6为高速铁路线路网格单元划分示意图。图2—6 高速铁路网格单元划分示意图
根据网格划分的属地管理原则，单元网格的最大边界为最小管理单位（工区）的边界，不应跨管理单位分割，高速铁路在划分200m线路区段的基本网格单元时，还应针对不同管理单位的分界点进行特殊处理，以分界点进行分割，有可能出现小于200m的网格单元。图2—7为上海铁路局管内宁杭高速铁路上行网格划分图（局部），背景显示了划分完成的网格单元，叠加的其他信息显示了网格内的曲线、坡度、钢轨、轨道板等设备信息，蓝色横道显示的是宁杭高速铁路联调联试阶段的维修信息，红色圆点显示的是联调联试阶段发现的设备问题点。三、高速铁路设备分类
高速铁路设备（部件）与网格的关系较为复杂，按设备分布不同可大致分为以下三种情况：（1）设备点状分布。在空间特征上，有的设备是点状设备，如工务专业的水准基点、里程标志、三维精测观测桩，电务专业的信号机、应答器、绝缘节，牵引供电专业的变压器、支柱、断路器、隔离开关，这类设备每一个将属于唯一的一个网格。（2）设备集成分布。在组成结构上，有的设备是集合设备，如车站、道岔、锚段等，既需要整体管理，又需要对其组成部分（子设备）进行管理；有的设备虽然是单个设备，也由多个组成单元（材料或器件）构成。图2—7 宁杭高速铁路网格划分图（局部）（3）长大设备连续分布。如工务专业的轨道、路基、桥梁、隧道，电务专业的轨道电路、供电专业的接触网等，它们要横跨多个网格。以高架长桥为例，宁杭高速铁路京杭运河特大桥全长29.188km，该桥经过德清、杭州两个城市，如图2—8所示。对于连续设备或长大设备，从空间上可将其划分为多个长度较小的网格，有利于设备状态细分、病害定位与维修工作安排，符合精细化管理的需要。图2—8 宁杭高速铁路京杭运河特大桥地理位置图
基于上述高速铁路设备特点，可按照工务、电务、牵引供电等专业分成大类，再根据设备的粒度划分为不同的小类，形成不同专业的设备分类树进行管理。四、高速铁路事件的分类
事件主要是用来反映部件在某一时刻的状态特征，经过记录可以追踪，方便进行设备全生命周期管理。设备的状态特征，有人为操作的管理行为，也有设备本身状态演变形成的异常状态，如病害（故障），也有自然因素导致的设备状态变化，如洪水、地震、山体滑坡、雪灾等自然灾害。
以钢轨设备为例，下面从建设和运营两个不同阶段出发，解读发生在钢轨设备全生命周期过程的事件。
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