城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據治理方法研究與實踐

李 洋，趙正陽，王文斌，徐 棟，陳萬里

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心，北京 100081；2. 天津智能軌道交通研究院有限公司，天津 301700；3. 北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100068）

1 引言

近年來，在諸多企業(yè)數(shù)字化轉型的同時，也迎來了數(shù)據的爆發(fā)式增長，數(shù)據作為數(shù)字經濟時代的“石油”，如何更好的被管理、利用也成為研究的熱點。電力[1-2]、石油[3-4]、銀行[5]、鐵路等大型國企已經率先對數(shù)據治理工作開展了大量研究，形成了諸多研究成果與實踐應用案例。

自《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[6]發(fā)布以來，城市軌道交通也駛入智能化、智慧化發(fā)展的高速路。全國各地圍繞“1-8-1-1”發(fā)展架構在智慧車站、智慧運營、智慧建造[7]、智慧城軌云平臺與大數(shù)據平臺[8-9]等方面開展了大量研究。

當前，城市軌道交通基礎設施運維管理中普遍存在如數(shù)據資產數(shù)字化程度不足、數(shù)據管理體系與管理標準不完善、數(shù)據質量較低、數(shù)據分析應用深度不足等問題[10-13]，導致數(shù)據價值難以充分發(fā)揮，分析決策可信度低，難以支撐運維決策等問題。

因此，亟需以數(shù)據治理理論研究為切入點，系統(tǒng)性開展城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據治理工作，構建基礎設施運維數(shù)據標準體系，開展數(shù)據治理，保障數(shù)據資產統(tǒng)一化維護，為城市軌道交通土建線路基礎設施運維的數(shù)字化和智能化奠定數(shù)據基礎。

2 數(shù)據治理內容

對于數(shù)據治理的概念，國際數(shù)據管理協(xié)會認為數(shù)據治理是對數(shù)據資產管理行使權力和控制的活動集合[14]。國際數(shù)據治理研究所認為數(shù)據治理是一個通過一系列信息相關的過程來實現(xiàn)決策權和職責分工的系統(tǒng)[15]。

2.1 數(shù)據治理的目標

城市軌道交通基礎設施數(shù)據治理目標是形成標準化的數(shù)據資產，解決跨部門、跨行業(yè)的數(shù)據共享和治理難題。通過完善體系化的數(shù)據治理措施,確保數(shù)據資產在“存、管、用”等環(huán)節(jié)中的安全，做到“事前可管、事中可控、事后可查”[16]。

2.2 數(shù)據治理的對象

2.2.1 數(shù)據標準

城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據標準包括數(shù)據格式標準、編碼標準、數(shù)據庫標準和管理標準等。統(tǒng)一的數(shù)據標準有助于對數(shù)據的一致理解和形成統(tǒng)一的坐標參照體系，提升業(yè)務理解的一致性與數(shù)據的統(tǒng)一性。為數(shù)據集中存儲、統(tǒng)一管理、跨專業(yè)分析奠定基礎。

2.2.2 數(shù)據架構

數(shù)據架構為管理數(shù)據資產的藍圖。數(shù)據架構幫助企業(yè)溝通業(yè)務和管理之間的關系，將業(yè)務需求轉換為數(shù)據和應用需求，是企業(yè)了解自身、制定戰(zhàn)略決策的重要依據。

從業(yè)務角度出發(fā)，在理清數(shù)據家底后，對數(shù)據資產進行分類，明確元數(shù)據屬于的業(yè)務范疇；從管理角度出發(fā)，對數(shù)據資產進行分級，依據數(shù)據的安全級別，決定數(shù)據資產的共享開放程度。

2.2.3 數(shù)據質量

數(shù)據質量包括數(shù)據的合規(guī)性、準確性、完整性和一致性。數(shù)據質量影響數(shù)據的應用程度，數(shù)據質量較差會干擾設備與用戶的判斷，例如無法及時準確分析出線路基礎設施的故障地點和原因。數(shù)據質量管理過程包含定義數(shù)據質量標準，執(zhí)行初始質量評估，識別質量改進方向并定義改進目標，長期監(jiān)控數(shù)據質量等[15]。

2.2.4 元數(shù)據

元數(shù)據描述了數(shù)據本身、數(shù)據表示的概念、數(shù)據與概念之間的聯(lián)系。元數(shù)據可以幫助企業(yè)理解其自身的數(shù)據、系統(tǒng)和流程，也可以幫助用戶評估數(shù)據質量。元數(shù)據的管理主要通過相關信息化管理工具對元數(shù)據進行創(chuàng)建、維護，并對外提供查詢、報告與分析，以支撐數(shù)據應用開展[15]。

2.2.5 主數(shù)據

主數(shù)據是跨部門統(tǒng)一管理、及時更新、專業(yè)維護、集中發(fā)布、全路共享、用于描述核心業(yè)務實體的數(shù)據，包括各類公用基礎編碼、公用基礎字典等。完整、準確、唯一、開放的企業(yè)級主數(shù)據為各業(yè)務應用系統(tǒng)和用戶提供標準、規(guī)范的主數(shù)據服務。主數(shù)據管理活動包括主數(shù)據識別，數(shù)據管理職責定義與維護，數(shù)據治理制度建立與主數(shù)據使用推動等[16]。

2.2.6 數(shù)據安全

數(shù)據安全指的是數(shù)據是否存在風險，數(shù)據安全需要保障數(shù)據的使用安全性、數(shù)據隱私和訪問權限，解決好數(shù)據安全問題有助于打消各個部門顧慮，促進數(shù)據開放共享[17]。數(shù)據安全管理流程包括識別數(shù)據安全需求，指導數(shù)據安全制度，定義數(shù)據安全細致，評估當前安全風險，實時安全控制與規(guī)程等[15]。

3 數(shù)據治理實施

為形成標準化的數(shù)據資產，數(shù)據治理的實施需要遵循和圍繞基礎設施數(shù)據標準體系進行。因此城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據資產建設和管理過程可分成4步，包括數(shù)據標準制定、數(shù)據資產體系建設、存量數(shù)據改造、數(shù)據資產管理實施。

3.1 數(shù)據標準制定

城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據標準體系是一個可參考的、面向未來數(shù)字化管理和智能化運維的標準體系框架，用于指導基礎設施運維管理的數(shù)據規(guī)劃和開發(fā)人員按照統(tǒng)一的標準要求進行數(shù)據資產設計、治理和維護。標準制定內容包括制度組織標準、數(shù)據編碼標準與數(shù)據質量標準。

3.1.1 制度組織標準

基礎設施數(shù)據管理體系是一套以人員、組織為核心的，涵蓋企業(yè)數(shù)據管理制度、流程、考核等各個方面的數(shù)據保障機制。基礎設施運維部門應建立起一整套以數(shù)據經理負責制為中心的數(shù)據管理責任體系。土建線路部組織結構圖如圖1所示。

圖1 土建線路部組織結構圖

在數(shù)據資產管理的組織結構設計上，宜按照組織結構來任命數(shù)據管理角色。管理層級上設置管理層和執(zhí)行層：在部門層面設置部門數(shù)據經理，在各工區(qū)設置數(shù)據管理專員。

專人專崗、權責明確、分工負責的數(shù)據資產管理體系既能確?；A設施運維部門數(shù)據工作統(tǒng)籌規(guī)劃，也能兼顧各工區(qū)數(shù)據靈活多變的特征。各工區(qū)是執(zhí)行規(guī)則、保證數(shù)據質量的關鍵環(huán)節(jié)。

3.1.2 數(shù)據編碼標準

在城市軌道交通行業(yè)，一套統(tǒng)一的、唯一的元數(shù)據編碼規(guī)范既可滿足城市軌道交通日常運維工作使用，又可便于各工區(qū)在涉及基礎設施運維數(shù)據的工作中溝通順暢。為滿足編碼標準符合行業(yè)標準，又能方便日常運維使用，采用雙編碼制，2套編碼之間一一對應。在日常作業(yè)、部門內部數(shù)據流轉使用運維業(yè)務編碼，在公司層的數(shù)據共享、發(fā)布使用資產標準編碼。

以城市軌道交通某運管公司為例，線路設備和土建結構標準編碼由線路代碼（2位）、上/下行代碼（1 位）、左/右股代碼（1位）、設備設施分類與代碼（8 位）、順序碼（4位）與4位分隔符“-”共20位組成，其中設備設施分類與代碼使用《北京軌道交通資產管理信息系統(tǒng)編碼規(guī)范》中的分類代碼[18]。資產標準編碼規(guī)則如表1所示。

表1 資產標準編碼規(guī)則

為保證運維作業(yè)標準化開展，需進行運維編碼格式設置。以城市軌道交通某運管公司為例，線路設備和土建結構運維編碼由初始線路代碼（2位）、設備簡碼（2 位）、上/下行代碼（1位）、左/右股代碼（1位）、里程信息（3位）、順序碼（2位）與3位分隔符“-”共14位組成。運維業(yè)務編碼規(guī)則如表2所示。

表2 運維業(yè)務編碼規(guī)則

3.1.3 數(shù)據質量標準

根據GB/T 36344-2018《信息技術 數(shù)據質量評價指標》標準[19]，數(shù)據質量評價體系包含以下6個方面：規(guī)范性、完整性、準確性、一致性、時效性、可訪問性。

以基礎設施軌道幾何檢測數(shù)據為例，對數(shù)據質量標準進行詳細說明：軌道幾何檢測數(shù)據中所有代碼均按編碼規(guī)范存儲。軌道幾何檢測數(shù)據應完整包含軌距、軌距變化率、水平、三角坑、左軌向、右軌向、正矢、左高低、右高低、高程偏差、平面偏差、曲率、垂向加速度、橫向加速度、通過速度等信息。在采集過程中應保證數(shù)據記錄的正確性，數(shù)據之間沒有歧義沖突，在規(guī)定的時間內及時采集并上傳到數(shù)據庫中。采集的數(shù)據不能存在無法讀取、解壓縮、解密、查詢拷貝存儲等情況。

通過建立完善的數(shù)據質量標準，一方面給予數(shù)據質量管理清晰的準繩尺度，從業(yè)務源頭上消除數(shù)據的質量問題，一方面作為智能數(shù)據質量稽核功能的系統(tǒng)開發(fā)需求參考，實現(xiàn)基礎設施運維數(shù)字化作業(yè)和智能運維應用。

3.2 數(shù)據資產體系建設

數(shù)據資產體系建設是數(shù)據信息化的核心，關系到城市軌道交通運維企業(yè)的業(yè)務質量和效率。數(shù)據資產體系建設用于查看城市軌道交通運維企業(yè)的各數(shù)據域，識別每個數(shù)據域下各項業(yè)務的核心數(shù)據主題，明確各數(shù)據主題間的交互關系。

3.2.1 數(shù)據構成要素分解

按照數(shù)據架構設計路線，以工務專業(yè)為例對構成要素進行分解，從整體視角根據業(yè)務和數(shù)據的屬性進行分析，自頂而下梳理，工務基礎設施數(shù)據資產包括基礎設備設施線路數(shù)據、檢測數(shù)據、維修數(shù)據和運維管理數(shù)據四大要素。

以城市軌道交通某運維公司業(yè)務為例，城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據主要包括：線路基本信息、線路基礎設施臺賬信息、土建結構臺賬信息。檢測數(shù)據內容主要包括：動態(tài)檢測、靜態(tài)檢查、探傷檢查、土建檢查。養(yǎng)護維修數(shù)據內容主要包括：基礎設備維修、土建維修。此外數(shù)據運維支撐數(shù)據還包含了人員、物資、技術資料等。

隨后在此基礎之上采用面向對象的設計方法，歸納設計出工務基礎設施運維數(shù)據資產構成的三級分類要素：一級要素4個，二級要素10個，三級要素61個，如圖2所示。根據這些要素，構成工務基礎設施運維的企業(yè)數(shù)據主題域數(shù)據視圖。

圖2 工務基礎設施運維數(shù)據資產標準分類的構成要素

隨后根據上述數(shù)據標準的分類原則、數(shù)據構成要素分析，結合自下而上的運維作業(yè)數(shù)據化分析歸納，梳理清楚企業(yè)數(shù)據架構和數(shù)據目錄體系，最終形成部門的數(shù)據資源體系架構分類標準體系。

3.2.2 業(yè)務數(shù)據化

參考國際流行TOGAF架構框架進行業(yè)務數(shù)據化，自頂向下厘清各工區(qū)業(yè)務能力，梳理出各業(yè)務域的用例場景高級業(yè)務流程，針對具體的業(yè)務流程完成業(yè)務流程到數(shù)據實體的轉化。首先，從業(yè)務管理角度出發(fā)分析畫出概要業(yè)務流程圖（圖3）；其次，明確業(yè)務實體并界定實體之間的關系（圖4）；最后，采用面向對象的方法，進一步將業(yè)務實體抽象成為數(shù)據實體，完成數(shù)據實體關系圖（Entity Relationship Diagram， E-R 圖）。

圖3 工務基礎設施運維數(shù)據資產標準分類的構成要素

圖4 業(yè)務實體及其關系圖

以軌道幾何檢測作業(yè)業(yè)務的數(shù)據化轉化過程為例，按以上3步驟實施，得到軌道幾何檢測作業(yè)業(yè)務的數(shù)據實體。

（1）分析軌道動態(tài)幾何數(shù)據檢測作業(yè)的概要業(yè)務流程，檢測涉及到的數(shù)據包括：工具、物料、部件/設備、個人防護用品、相關記錄、檢查項目、特殊天氣、工作程序、記錄參數(shù)、作業(yè)對象描述、人員資質、作業(yè)周期共12類。

（2）基于以上用例分析出來的業(yè)務實體，進一步分析歸納業(yè)務實體為：派工單、檢測人員、作業(yè)指導書、檢測設備、檢測結果、分析報告。

（3）數(shù)據實體關系圖。采用面向對象的方法，對業(yè)務實體抽象成為數(shù)據實體，并確定數(shù)據實體之間的關系，如一對一、一對多、多對多?；谝陨戏椒ǚ治鰴z測業(yè)務數(shù)據實體為：人員、設備、物資、作業(yè)指導書、作業(yè)對象、派工單、檢測項、作業(yè)記錄、缺陷表。采用E-R圖畫出實體圖并標識實體之間的關系如圖5所示。

圖5 業(yè)務數(shù)據化的數(shù)據實體分析過程

進一步檢查和消除E-R圖中可能存在的冗余，然后經過合并生成，得到業(yè)務數(shù)據實體及其關系圖，至此完成業(yè)務數(shù)據化。根據E-R圖中實體的屬性、實體之間的關系等，建立數(shù)據模型。

3.2.3 數(shù)據血緣

數(shù)據的血緣關系是有層次的、多源的、可追溯的、有歸屬的。對數(shù)據進行分類、歸納、總結從而形成新的數(shù)據，不同程度的描述信息形成了數(shù)據的層次。當數(shù)據發(fā)生異常時，需要根據數(shù)據的來龍去脈和繼承關系，追溯異常的原始來源。

城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據同樣有明確而復雜的血緣關系。以軌道幾何綜合評價結果軌道質量指數(shù)（TQI）數(shù)據為例，從線路設計要素和線路基礎設施數(shù)據開始，結合檢測設備的采集結果，在數(shù)據清洗、矯正后可根據標準公式計算得出TQI，其數(shù)據血緣關系圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據血緣關系圖

3.3 存量數(shù)據改造

在數(shù)據標準體系構建好并落地后，進行存量數(shù)據的改造，篩選出有價值的數(shù)據，并改造數(shù)據使之符合數(shù)據標準規(guī)范，從而能夠加載到數(shù)據資產管理平臺中進行管理和應用。

3.3.1 數(shù)據核查轉換

存量數(shù)據改造，首先要解決存量數(shù)據的解壓縮讀取、格式錯誤、重復、缺失和異常等問題，其次需要整理出檢測數(shù)據作業(yè)采集時的相關信息和屬性，第三要對需要進行編碼的數(shù)據進行編碼整理，并核查轉換舊編碼，最后要解決數(shù)據聚合時的維度關聯(lián)需要，使存量數(shù)據符合數(shù)據標準和數(shù)據模型的要求。

3.3.2 主數(shù)據改造

數(shù)據改造通常被認為是發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤數(shù)據的最后一道防線，數(shù)據改造解決了數(shù)據無效和缺失的問題，建立了冗余數(shù)據的映射關系，并且可以依據這些關系，在后續(xù)的數(shù)據處理中直接剔除問題數(shù)據。主數(shù)據改造的原則如下：

（1）對目前的主數(shù)據編碼進行梳理，保留已用的，停用未使用的；

（2）從企業(yè)自身數(shù)據入手，切忌照搬照抄，保留原有企業(yè)的編碼數(shù)據；

（3）屬性值不完善的數(shù)據，按照編碼規(guī)范進行完善；

（4）應對全部數(shù)據進行改造，保證數(shù)據完整性。

3.3.3 數(shù)據模型化

將歷史存量數(shù)據根據符合數(shù)據標準規(guī)范和數(shù)據模型設計的程度，分為可模型化的數(shù)據和不可模型化的數(shù)據。對可模型化的數(shù)據，按數(shù)據模型加載到基礎設施運維大數(shù)據倉庫中。對不可模型化的數(shù)據，根據數(shù)據屬性，在數(shù)據屬性信息表中記錄相應的內容后，存儲原始數(shù)據文件。

3.4 數(shù)據資產管理實施

數(shù)據管理貫穿在數(shù)據資產化的管理實踐實施過程中，在數(shù)據資產管理中的支撐作用越來越大。因此，數(shù)據管理的落地實施，需要依托具體的軟件工具來執(zhí)行和支撐。

3.4.1 數(shù)據標準管理

城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據標準是一整套大數(shù)據治理所遵循的標準體系，由于使用頻率較高，因此最佳方式是將標準體系以知識庫的形式內置在數(shù)據中心，實現(xiàn)數(shù)據標準內容的創(chuàng)建和查詢、維護管理功能。數(shù)據標準管理是實現(xiàn)數(shù)據標準從制定、審批、修訂、發(fā)布、執(zhí)行、維護、停用和廢止全生命周期的標準管理。

3.4.2 元數(shù)據管理

元數(shù)據管理是企業(yè)開展數(shù)據治理工作的核心，元數(shù)據通常分為3種類型：業(yè)務元數(shù)據、技術元數(shù)據和操作元數(shù)據。

業(yè)務元數(shù)據用于定義和業(yè)務相關數(shù)據的信息，用于信息的輔助定位、理解及訪問。例如在線路基礎數(shù)據中，“軌距”為業(yè)務元數(shù)據。

技術元數(shù)據提供有關數(shù)據的技術細節(jié)、存儲數(shù)據的系統(tǒng)以及在系統(tǒng)內和系統(tǒng)之間數(shù)據流轉過程的信息。例如，“軌距”存儲在動態(tài)幾何檢測的數(shù)據表中，數(shù)據類型是技術元數(shù)據。操作元數(shù)據描述了處理和訪問數(shù)據的細節(jié)。例如，作業(yè)執(zhí)行日志、錯誤日志是操作元數(shù)據。

3.4.3 主數(shù)據管理

在城市軌道交通運維基礎數(shù)據中，進行主數(shù)據識別時，根據明確的主數(shù)據的范圍，反向進行數(shù)據的梳理與調研，輸出數(shù)據實體的歸屬業(yè)務，識別其在各業(yè)務系統(tǒng)的分布情況、數(shù)據結構組成以及厘清其來源去向、質量情況等，再依據主數(shù)據的評分標準，識別、驗證、確認出主數(shù)據。主數(shù)據確定步驟如下：

（1）依據主數(shù)據的特征，確定主數(shù)據識別指標；（2）依據評分標準，將評分結果80分以上數(shù)據定為主數(shù)據。

3.4.4 數(shù)據質量管理

在城市軌道交通基礎設施運維大數(shù)據中，基于軟件工具來實現(xiàn)數(shù)據質量管理，具體需要實現(xiàn)標準定義、質量監(jiān)控、績效評估、質量診斷、質量報告、重大問題及時告警、流程整改發(fā)起、系統(tǒng)管理等功能。

其中，數(shù)據質量診斷是基于數(shù)據剖析結果來審核數(shù)據質量，用來發(fā)現(xiàn)數(shù)據可能存在的異常和問題，為根因分析、數(shù)據糾錯和錯誤預防提供基礎。數(shù)據質量診斷主要通過數(shù)據質量評估指標來評估數(shù)據質量，發(fā)現(xiàn)潛在問題，實現(xiàn)智能數(shù)據質量檢查功能和重大問題及時告警。

3.4.5 數(shù)據運維管理

運維數(shù)據管理是數(shù)據質量和長期維護的保證。城市軌道交通基礎設施運維數(shù)據管理體系本質是通過建立高質量的人才隊伍和嚴明的制度體系來確保數(shù)據標準被全面落實。數(shù)據管理方案是決定組織架構和各部門職責的標準，依據規(guī)章制度，規(guī)范城市軌道交通公司內各部門各成員的角色和職責以及管理流程?？己耸潜Ｕ现贫嚷鋵嵉母?，運維部門應針對數(shù)據標準管理、數(shù)據質量管理、元數(shù)據管理等核心治理域設置相關的考核機制與指標，并與個人績效相關聯(lián)。

4 總結

大數(shù)據時代，數(shù)據資產成為不可或缺的生產要素。城市軌道交通為實現(xiàn)智能化運維和提升服務質量，必須走上數(shù)據治理的道路。目前城市軌道交通線路基礎設施和軌道運維數(shù)據仍存在數(shù)字化程度不高、缺乏數(shù)據標準、管理和應用不到位等眾多問題，數(shù)據的價值難以充分顯現(xiàn)。為促進大數(shù)據與城市軌道交通領域的結合，通過借鑒其他領域，尤其是高速鐵路領域的技術和經驗，充分挖掘城市軌道交通行業(yè)的數(shù)據價值，對數(shù)據資產進行分級分類，建立元數(shù)據和主數(shù)據平臺，完善規(guī)章制度和管理措施。

本文基于對城市軌道交通行業(yè)、基礎設施運維業(yè)務的理解，從城市軌道交通基礎設施工務專業(yè)的角度自頂向下展開數(shù)據構成要素分析，結合國際流行的TOGAF架構框架對數(shù)據的管理思想，初步梳理出基礎設施運維數(shù)據架構，形成城市軌道交通線路專業(yè)基礎信息與軌道檢測數(shù)據的數(shù)據資產，構建線路基礎信息主數(shù)據標準，為發(fā)揮數(shù)據資產的價值，形成城市軌道交通的大數(shù)據治理方法提出新的思路。