高速鐵路無砟軌道線路管理單元劃分方法研究

仲春艷，許玉德,沈堅鋒,付意莊（.上海鐵路局上海高鐵維修段，上海0049；.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海0804；.上海中通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，上海00）

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高速鐵路無砟軌道線路管理單元劃分方法研究

仲春艷1，許玉德2,沈堅鋒2,付意莊3
（1.上海鐵路局上海高鐵維修段，上海200439；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；3.上海中通地鐵集團有限公司技術(shù)中心，上海201103）

摘要：線路單元管理具有便于現(xiàn)場管理、易于針對性養(yǎng)修、可減少養(yǎng)修資源浪費等諸多優(yōu)點，但是現(xiàn)有的管理單元劃分基本上還是沿用既有線的方法，未充分考慮線路結(jié)構(gòu)、設計參數(shù)等不同帶來的差異，以及后期運營導致的部分區(qū)段惡化嚴重的影響，不利于高速鐵路無砟軌道線路實際狀態(tài)的掌握和有效養(yǎng)修。提出了一種考慮線路參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征、線路狀態(tài)、養(yǎng)修能力、作業(yè)手段等因素的不等長單元區(qū)段劃分方法，并確定了單元區(qū)段劃分的原則和優(yōu)先級，采用兩階段法實現(xiàn)單元區(qū)段自動劃分，在劃分的第二階段建立了單元區(qū)段選擇模型，實現(xiàn)了結(jié)合線路狀態(tài)、考慮養(yǎng)修能力的動態(tài)劃分。該方法更加符合線路的實際特征，能夠突出線路薄弱環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：管理單元；基本單元；劃分方法；劃分模型

鐵路線路呈狹長、帶狀分布，具有線長，面廣的特點，工務部門通常采用區(qū)間單元（又稱單元區(qū)段）來管理線路，具有多方面優(yōu)點：可按線路里程劃分，便于現(xiàn)場管理；可分區(qū)段評價線路狀態(tài)，從而更準確的掌握線路實際狀態(tài)，及時或更早的發(fā)現(xiàn)問題，加強管理能力，提高處理速度；可結(jié)合區(qū)段的狀態(tài)，合理安排計劃，針對性養(yǎng)修，減少勞力、物力等養(yǎng)修資源的浪費。

文獻[1～4]對鐵路工務管理中，傳統(tǒng)管理單元（單元區(qū)段）的劃分進行了詳細研究。各國基本上都采用按照線路里程或線路標志物的劃分方法，如法國鐵路采用300 m的單元區(qū)段；英國鐵路采用200 m單元區(qū)段；日本鐵路采用500 m單元區(qū)段；我國在不平順區(qū)段均值管理中，采用長度為200 m單元區(qū)段計算軌道質(zhì)量指數(shù)等；我們把這些管理單元稱之為基本單元，它們是鐵路養(yǎng)修管理中的最小單位。另外，我國《鐵路線路修理規(guī)則》及《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中對于線路設備狀態(tài)的評定均以1 km為單位，將線路劃分為等長的單元區(qū)段，并按單元區(qū)段長度進行線路狀態(tài)的評價；這種整公里長的單元區(qū)段我們稱之為管理單元區(qū)段。

但是以上這種等長的單元區(qū)段劃分方法未充分考慮線路結(jié)構(gòu)、設計參數(shù)等不同帶來的差異，以及后期運營導致的部分區(qū)段惡化嚴重的影響，不能突出線路的薄弱環(huán)節(jié)，不利于線路實際狀態(tài)的掌握和有效養(yǎng)修，且高速鐵路無砟軌道養(yǎng)修的困難性以及天窗的短暫性，也對作業(yè)手段、養(yǎng)修效率提出了更高的要求，限制了養(yǎng)修能力，致使傳統(tǒng)的管理單不僅沒有成為高速鐵路無砟軌道養(yǎng)修的有效手段，甚至還可能成為一種“掣肘”。

為改善以上不足，本文提出了一種不等長、動態(tài)的單元區(qū)段劃分方法，并確定了單元區(qū)段劃分的原則和優(yōu)先級，建立了單元區(qū)段劃分模型，實現(xiàn)了自動劃分。

1 高速鐵路無砟軌道單元區(qū)段的劃分方法

為適應高速鐵路無砟軌道的特點及管理要求，考慮結(jié)合線路參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征、線路狀態(tài)等的單元區(qū)段劃分方法，即根據(jù)線路允許速度、平縱斷面線形、建筑結(jié)構(gòu)形式、設備狀態(tài)、養(yǎng)修能力及作業(yè)手段等原則，綜合權(quán)衡劃分單元區(qū)段[5～6]。高速鐵路無砟軌道線路的單元區(qū)段是由若干個連續(xù)的基本單元組成（L=n×l，l為基本單元長度，不一定為200 m，n為正整數(shù)，L為單元區(qū)段長度）的，是一種不等長的單元區(qū)段劃分方法，如圖1所示。

由于道岔結(jié)構(gòu)的特殊性及其受力的復雜性，使得道岔區(qū)的狀態(tài)比區(qū)間線路的狀態(tài)惡化更快，養(yǎng)修更困難。因此，將單元區(qū)段劃分為線路單元區(qū)段和道岔單元區(qū)段兩類，均由若干個基本單元組成。

1）線路單元區(qū)。對于普通區(qū)間線路，根據(jù)線路平縱斷面線形、建筑結(jié)構(gòu)形式、設備狀態(tài)、養(yǎng)修能力及作業(yè)手段等，可劃分為曲線單元、豎曲線單元、橋隧單元、結(jié)合部（過渡段）單元及路基下沉單元等；單元區(qū)段長度不超過1 km，避免單元區(qū)段長度過長后，評價結(jié)果可能掩蓋單元區(qū)段內(nèi)個別不良地段，不能反映出設備質(zhì)量的真實狀況。

2）道岔單元區(qū)段。對于道岔區(qū)域線路，采取分線分側(cè)、固定單元劃分模式，將一線一側(cè)道岔及前后大于基本單元長度范圍的線路劃分為一個道岔單元區(qū)段。

圖1 單元區(qū)段示意圖Fig.1 Schematic diagram of unit section

2 高速鐵路無砟軌道單元區(qū)段的自動劃分

單元區(qū)段的劃分需要考慮眾多因素，過程繁瑣易錯；又由于劃分要考慮設備狀態(tài)（主要是線路質(zhì)量狀態(tài)），所以單元區(qū)段劃分還是動態(tài)的；如果依靠人工劃分，不僅效率低、容易出錯，也不利于現(xiàn)場的使用和推廣。因此，實現(xiàn)單元區(qū)段的自動劃分是十分必要的。

2.1 單元區(qū)段劃分流程

要用程序?qū)崿F(xiàn)單元區(qū)段的自動劃分，必須給出準確的限定條件以便程序加以識別，為此，結(jié)合單元區(qū)段的劃分原則，將單元區(qū)段的自動劃分分為兩個階段，在每個階段給出詳細的限定原則。其中，第一階段為固定的、不等長的單元區(qū)段劃分，是單元區(qū)段劃分的最優(yōu)先級；第二階段是動態(tài)的、不等長單元區(qū)段劃分，是在第一階段剩余的線路中，結(jié)合線路的狀態(tài)、其它結(jié)構(gòu)信息，運用尋優(yōu)計算（建立單元區(qū)段選擇模型）進行的劃分。劃分流程如圖2所示。

1）基本原則?；驹瓌t是是單元區(qū)段劃分的最基本條件，所有的單元區(qū)段都需要滿足。

（1）基本單元的長度為l；

（2）單元區(qū)段長度為基本單元的整倍數(shù)（L= n×l，n為正整數(shù)），且涵蓋整個典型設備（如道岔、過渡段等），最小長度取l，最大長度取1 000 m。

2）第一階段。單元區(qū)段劃分的第一階段，即單元區(qū)段劃分的最優(yōu)先級，以下的地段將被劃為固定的、不等長的單元區(qū)段。

（1）人為指定區(qū)段（需給出起點里程、終點里程、設備類型、說明等信息）；

（2）道岔；

（3）過渡段；

（4）緩和曲線；

（5）豎曲線。

圖2 單元區(qū)段劃分流程圖Fig.2 Unit section division flow

3）第二階段。單元區(qū)段劃分的第二階段是在第一階段剩余的線路區(qū)段中，參考以下原則進行剩余部分單元區(qū)段的劃分，該部分是動態(tài)的、不等長的單元區(qū)段劃分。

（1）軌道質(zhì)量狀態(tài)（參考軌道質(zhì)量指數(shù)TQI）；

（2）維修作業(yè)計劃；

（3）養(yǎng)修能力。

為了將狀態(tài)較差（線路狀態(tài)參考軌道質(zhì)量指數(shù)TQI）的地段加以突出，在劃分單元區(qū)段時，還應考慮將連續(xù)較差的基本單元組合在一起形成單元區(qū)段，這就涉及到具體的尋優(yōu)計算，單元區(qū)段選擇模型提出的目的就是為了尋找滿足條件的單元區(qū)段，使得包含在單元區(qū)段內(nèi)的所有基本單元的TQI最大，詳細內(nèi)容見本文2.2。

2.2 單元區(qū)段選擇模型

單元區(qū)段選擇模型中，決策變量為0-1整數(shù)型變量，決策對象是基本單元的集合L={1，2，3，…，Lmax}，選擇連續(xù)N個基本單元組成單元區(qū)段的情況下，連續(xù)區(qū)間中開始基本單元的編號就是決策變量。約束條件是單元區(qū)段選擇理論約束、指定作業(yè)基本單元約束和單元區(qū)段上限作業(yè)能力約束，目標函數(shù)就是包含在選擇的單元區(qū)段內(nèi)的所有基本單元的TQI值總和最大[7-8]。

2.2.1 決策變量

Vi：0-1型整數(shù)變量，i∈L

=1（從基本單元i開始n個基本單元作為一個單元區(qū)段）

=0（從基本單元i開始n個基本單元不能作為一個單元區(qū)段）

2.2.2 目標函數(shù)

本模型的目標函數(shù)為：在選出的全部單元區(qū)段中，所有基本單元的狀態(tài)最差，即TQI總和最大。

其中：Si=單元區(qū)段i中的n個基本單元的TQI值之和。

2.2.3 約束條件

1）單元區(qū)段選擇理論約束。基本單元i為起點選擇單元區(qū)段情況下，從基本單元i+1開始對min{i+(N-1)，Lmax}不能作為起點的基本單元合成單元區(qū)段。

2）指定作業(yè)基本單元約束。養(yǎng)護維修作業(yè)計劃中必須進行作業(yè)的特定基本單元，應包括在單元區(qū)段內(nèi)。

其中：L1=指定需要養(yǎng)護作業(yè)的基本單元，如軌道不平順在計劃期內(nèi)超過舒適性標準值但小于安全限值的基本單元等。

3）單元區(qū)段上限作業(yè)能力約束。考慮養(yǎng)護維修作業(yè)天窗時間和作業(yè)能力將其作為養(yǎng)護工作量的上限給出選擇單元區(qū)段總數(shù)的最大值。

其中：Umax=可選擇單元區(qū)段的上限值。

3 單元區(qū)段劃分實例

滬寧高速鐵路貫穿我國城市群最密集、生產(chǎn)力最發(fā)達、經(jīng)濟增長最強勁、發(fā)展最具活力的長三角核心區(qū)域，是我國最繁忙的高速鐵路，正線全長300.209 km，全線鋪設CRTS I型板式無砟軌道，采用60 kg·m-1、100 m定尺鋼軌，WJ-7型扣件。以滬寧高速鐵路為例，基本單元長度選定為100 m。按照單元區(qū)段的劃分原則對滬寧高速鐵路進行了單元區(qū)段劃分，部分單元區(qū)段信息見表1、表2。

1）道岔單元區(qū)段。

表1 滬寧高速鐵路道岔單元區(qū)段（部分）Tab.1 Turnout unit section of Shanghai-Nanjing high speed railway (part)

2）線路單元區(qū)段。

表2 滬寧高速鐵路線路單元區(qū)段（部分）Tab.2 Track unit section of Shanghai-Nanjing high speed railway (part)

4 結(jié)論

本文從線路管理單元出發(fā)，分析了現(xiàn)有管理單元劃分方法的弊端、高速鐵路無砟軌道養(yǎng)修特點，在此基礎上提出了更加符合實際、更為適合高速鐵路無砟軌道的單元區(qū)段劃分方法，并對單元區(qū)段的自動劃分進行了研究，相關(guān)結(jié)論如下：

1）提出了考慮線路允許速度、平縱斷面線形、建筑結(jié)構(gòu)形式、設備狀態(tài)、養(yǎng)修能力及作業(yè)手段等因素的不等長單元區(qū)段劃分方法。

2）確定了單元區(qū)段劃分的原則和優(yōu)先級，通過兩階段法實現(xiàn)單元區(qū)段的自動劃分。

3）在單元區(qū)段劃分的第二階段中，建立了單元區(qū)段劃分模型，實現(xiàn)了結(jié)合線路狀態(tài)、考慮養(yǎng)修能力的動態(tài)不等長單元區(qū)段劃分。

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（責任編輯 王建華）

Research on Division Method of Management Unit for High Speed Railway Ballastless Track

Zhong Chunyan1, Xu Yude2, Shen Jianfeng2, Fu Yizhuang3
（1. Shanghai Express Railway Maintenance Section of Shanghai Railway Administration, Shanghai 200439，China；2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China；3. Shanghai Shen Tong Metro Group Co.，Ltd.，Shanghai 201103，China）

Abstract：Track unit management has such advantages as convenience in field management, easy access to targeted maintenance, and tendency to reduce resources waste, etc. But the present management unit division is using methods of existing railways, not taking the differences of track structure, design parameters and the influence of deterioration caused by operation into consideration, which may not help the control of actual state and effective maintenance of high speed railway ballastless track. This study put forward an unequal length unit section division method, taking line parameters, structural characteristics, track condition, maintenance ability, operation method into account. Division principle and priority were determined, and two-phase method was adopted to realize the automatic division. In the second phase, a unit section model in light of track condition and maintenance ability was established. This proposed method is found to conform to actual track characteristics and highlight track weaknesses.

Key words：management unit; basic unit; division method; division model

中圖分類號：U216.4

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）03-0007-06

收稿日期：2015－11－30

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2013BAG20B01）；國家自然科學基金項目（50908179）；上海市自然科學基金項目（11ZR1439200）

作者簡介：仲春艷(1989—)，女，碩士，研究方向為軌道工務管理。

通訊作者：許玉德(1965—)，男，教授，研究方向為軌道管理、養(yǎng)修技術(shù)和安全評價。