鐵路軌道網(wǎng)格化健康狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系研究

白 磊，劉仍奎，李 擎，邵 凱，王 妍

(1.北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司，北京 100043；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044)

鐵路軌道健康狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)不僅描述鐵路軌道設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，也指導(dǎo)著鐵路工務(wù)部門(mén)維修決策的目標(biāo)與方向。不合理的狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)體系將會(huì)導(dǎo)致不恰當(dāng)?shù)木S修活動(dòng)。隨著我國(guó)鐵路維修理念逐步向嚴(yán)檢慎修、精細(xì)修、準(zhǔn)確修等轉(zhuǎn)變，如何建立合理的軌道設(shè)備狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)體系，使管理者能更全面、更科學(xué)地感知軌道設(shè)備健康狀態(tài)，是亟需研究的課題。

鐵路軌道是一種典型的線性資產(chǎn)，是多種設(shè)備的集合體，包括鋼軌、軌枕、道床、聯(lián)結(jié)零件等。鐵路現(xiàn)場(chǎng)目前一般按照整條線、區(qū)間、里程位置點(diǎn)等不同長(zhǎng)度評(píng)定軌道內(nèi)某一類設(shè)備狀態(tài)。軌道健康狀態(tài)的評(píng)定目前存在著評(píng)定對(duì)象不一致、評(píng)定對(duì)象的長(zhǎng)度不一致等問(wèn)題。同時(shí)，鐵路現(xiàn)場(chǎng)目前主要采用病害類型、病害等級(jí)、病害數(shù)量、病害扣分及軌道質(zhì)量指數(shù)TQI評(píng)定軌道設(shè)備狀態(tài)[1-5]。這些狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)主要反映軌道設(shè)備在某一時(shí)間斷面的狀態(tài)，缺少利用歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)反映趨勢(shì)變化規(guī)律的指標(biāo)，如缺少反映軌道病害變化快慢的指標(biāo)。

本文基于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備網(wǎng)格化管理思想，以軌道網(wǎng)格為對(duì)象，從使用性能、結(jié)構(gòu)完整性、安全性和外觀4個(gè)方面，建立一種新的鐵路軌道健康狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路軌道健康狀態(tài)的科學(xué)評(píng)定。

1 鐵路軌道網(wǎng)格及狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)分類

1.1 鐵路軌道網(wǎng)格

基于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備網(wǎng)格化管理思想[6]，把線性、連續(xù)的鐵路軌道按照200 m的長(zhǎng)度，劃分成若干相鄰、等長(zhǎng)的小區(qū)段。小區(qū)段是鋼軌、軌枕、道床、聯(lián)結(jié)零件等設(shè)備的集合體。每個(gè)小區(qū)段稱為1個(gè)軌道網(wǎng)格。

1)以鐵路軌道網(wǎng)格作為基本單元，從傳統(tǒng)單獨(dú)評(píng)定各種軌道設(shè)備的健康狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)閺恼w角度衡量軌道設(shè)備集合體的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了評(píng)定對(duì)象的統(tǒng)一。

2)以等長(zhǎng)的鐵路軌道網(wǎng)格作為基本單元，實(shí)現(xiàn)了評(píng)定對(duì)象長(zhǎng)度的統(tǒng)一，提高了評(píng)定對(duì)象的空間分辨率，使軌道狀態(tài)在較小的空間范圍內(nèi)能被管理者掌握。軌道網(wǎng)格的長(zhǎng)度理論上應(yīng)充分小，便于管理者更精確地把握軌道健康狀態(tài)，但應(yīng)與鐵路現(xiàn)有的管理水平與維修能力相匹配。本文將鐵路軌道網(wǎng)格長(zhǎng)度定為200 m。

1.2 狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)分類

本文借鑒文獻(xiàn)[7-9]，提出從使用性能、結(jié)構(gòu)完整性、安全性和外觀4個(gè)方面，構(gòu)建軌道網(wǎng)格化狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)體系。上述4類狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)的內(nèi)涵如下：

1)軌道網(wǎng)格使用性能是指軌道網(wǎng)格為實(shí)現(xiàn)列車能以規(guī)定速度安全、平穩(wěn)和不間斷地運(yùn)行的目標(biāo)，在使用過(guò)程中適應(yīng)或抵抗各種外界作業(yè)的能力。本文將從軌道平順性、動(dòng)力學(xué)性能角度對(duì)其進(jìn)行細(xì)化。軌道平順性類狀態(tài)指標(biāo)在鐵路現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用。

2)軌道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)完整性是指軌道網(wǎng)格中所含缺陷對(duì)安全性、可靠性及其他規(guī)定功能要求的影響程度。這類狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)在鐵路現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，是安排軌道維修活動(dòng)的重要依據(jù)，本文將按設(shè)備類別對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行歸納、整理。

3)軌道網(wǎng)格安全性是指軌道網(wǎng)格免除受鐵路行車中斷等不可接受風(fēng)險(xiǎn)影響的特性。軌道網(wǎng)格安全性評(píng)定指標(biāo)用于反映軌道設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢(shì)，需積累全生命周期數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確把握。但鐵路現(xiàn)行故障修、周期修為主的維修模式側(cè)重于收集分析軌道設(shè)備在某一時(shí)間斷面的狀態(tài)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致這些安全性類狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)未被廣泛使用。隨著我國(guó)鐵路維修模式逐步向精細(xì)修、準(zhǔn)確修、預(yù)防修轉(zhuǎn)變，管理者迫切需要掌握軌道設(shè)備健康狀態(tài)在時(shí)間、空間上的演變趨勢(shì)，安全性類評(píng)定指標(biāo)則能很好地滿足管理者需求。

4)軌道網(wǎng)格外觀是指軌道網(wǎng)格的外在清潔度與美觀程度，應(yīng)當(dāng)符合美學(xué)原則。保證鐵路軌道設(shè)備清潔度的目的是使軌道設(shè)備在使用過(guò)程中不會(huì)因污染而縮短規(guī)定的使用壽命。在傳統(tǒng)鐵路軌道設(shè)備管理中，這類狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)常常被忽略。但隨著我國(guó)南方酸雨和北方風(fēng)沙、霧霾的影響，以及高速鐵路逐步投入運(yùn)營(yíng)，這類狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)對(duì)軌道設(shè)備健康狀態(tài)管理愈發(fā)重要。

2 軌道網(wǎng)格化狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系構(gòu)成

本文提出的軌道網(wǎng)格化狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系，是以軌道網(wǎng)格為基本評(píng)定單元，從評(píng)定軌道網(wǎng)格內(nèi)所有設(shè)備整體表現(xiàn)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如表1所示。

表1中的各項(xiàng)軌道網(wǎng)格化狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)含義及其計(jì)算方法如下：

2.1 使用性能類評(píng)定指標(biāo)

表1中的使用性能類評(píng)定指標(biāo)有10項(xiàng)，除軌道質(zhì)量等級(jí)TQR外，其余9項(xiàng)使用性能類評(píng)定指標(biāo)在工務(wù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等管理文件中均有定義，但其計(jì)算公式中的長(zhǎng)度參數(shù)應(yīng)按照網(wǎng)格200 m長(zhǎng)度重新設(shè)計(jì)，如軌道幾何局部超限扣分由以往按 1 000 m 為單位計(jì)算，修改為按200 m為單位計(jì)算。

軌道質(zhì)量等級(jí)TQR是依據(jù)TQI及軌檢儀、車載式添乘儀、便攜式添乘儀檢測(cè)出的局部超限病害個(gè)數(shù)確定的。TQR劃分為4個(gè)狀態(tài)等級(jí)，TQR等級(jí)越高，軌道網(wǎng)格的健康狀態(tài)越差。表2是蘭新鐵路TQR的判定依據(jù)。

2.2 結(jié)構(gòu)完整性類評(píng)定指標(biāo)

表1中結(jié)構(gòu)完整性類評(píng)定指標(biāo)有4項(xiàng)，除軌道結(jié)構(gòu)指數(shù)TSI外，其余3項(xiàng)結(jié)構(gòu)完整性類評(píng)定指標(biāo)的含義在工務(wù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等管理文件中均有明確說(shuō)明，但其計(jì)算公式中的長(zhǎng)度參數(shù)應(yīng)按照網(wǎng)格200 m長(zhǎng)度重新設(shè)計(jì)，如道床病害數(shù)由以往按1 000 m為單位統(tǒng)計(jì)，修改為按200 m為單位統(tǒng)計(jì)。

表1 軌道網(wǎng)格化狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系

表2 蘭新鐵路TQR判定依據(jù)

TSI是由SADEGHI等[11]提出的用于反映軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀態(tài)的指標(biāo)，利用鋼軌病害數(shù)、聯(lián)結(jié)零件病害數(shù)、軌枕病害數(shù)與道床病害數(shù)計(jì)算得到。本文中TSI由文獻(xiàn)[11]中按30 m為單位計(jì)算修改為按200 m為單位計(jì)算。

2.3 安全性類評(píng)定指標(biāo)

1)失效率、使用壽命

失效率、使用壽命的定義與計(jì)算方法，在文獻(xiàn)[12]中有詳細(xì)描述，本文中失效率、使用壽命由文獻(xiàn)[12]中的按1 000 m為單位計(jì)算修改為按200 m為單位計(jì)算。

2)平均病害率

軌道網(wǎng)格平均病害率是指軌道網(wǎng)格在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生病害的次數(shù)，平均病害率較高的軌道網(wǎng)格一般存在較嚴(yán)重的安全隱患。其計(jì)算公式為

(1)

3)平均病害間隔時(shí)間

軌道網(wǎng)格平均病害間隔時(shí)間是指軌道網(wǎng)格產(chǎn)生相鄰2次病害之間的平均時(shí)間，該指標(biāo)反映了軌道網(wǎng)格的時(shí)間質(zhì)量，體現(xiàn)了軌道網(wǎng)格在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力。其計(jì)算公式為

(2)

式中：MTBF(t)為軌道網(wǎng)格平均病害間隔時(shí)間;M(t)為軌道網(wǎng)格內(nèi)各設(shè)備病害在時(shí)間跨度t內(nèi)的發(fā)生次數(shù)。

4)病害重復(fù)度

軌道網(wǎng)格病害重復(fù)度是指軌道網(wǎng)格在一定時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)相同病害的次數(shù)。若該指標(biāo)值較高，說(shuō)明之前維修質(zhì)量存在問(wèn)題，或設(shè)備病因未診斷清楚，維修活動(dòng)安排不合理，存在較嚴(yán)重的安全隱患等。其計(jì)算公式為

(3)

5)病害集中度

軌道網(wǎng)格病害集中度是指軌道網(wǎng)格在一定時(shí)間范圍內(nèi)單位長(zhǎng)度產(chǎn)生病害的數(shù)量，用于衡量軌道網(wǎng)格病害在空間上密集發(fā)生的程度。其計(jì)算公式為

(4)

6)平均維修時(shí)間

軌道網(wǎng)格平均維修時(shí)間是指軌道網(wǎng)格內(nèi)各設(shè)備病害從發(fā)現(xiàn)到被維修整治的平均時(shí)間。其計(jì)算公式為

(5)

2.4 外觀類評(píng)定指標(biāo)

1)道床臟污率在工務(wù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等管理文件中有明確定義，其指標(biāo)以200 m為單位計(jì)算。

2)本文提出的鋼軌表面清潔度是指200 m網(wǎng)格長(zhǎng)度內(nèi)的鋼軌表面被顆粒粉塵、泥土等雜物污染的程度。鋼軌表面清潔度等級(jí)可分為較差、中等、良好，等級(jí)劃分的閾值可根據(jù)鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

3)本文提出的軌道結(jié)構(gòu)表面臟污程度是指200 m網(wǎng)格長(zhǎng)度內(nèi)的軌枕、聯(lián)結(jié)零件及防爬設(shè)備表面被泥土等雜物污染的程度。軌道結(jié)構(gòu)表面臟污程度等級(jí)可分為較差、中等、良好，等級(jí)劃分的閾值可根據(jù)鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 背景介紹

選取蘭新鐵路上下行K548+000—K985+600 范圍內(nèi)的 1 447 個(gè)軌道網(wǎng)格為研究對(duì)象，選用這些軌道網(wǎng)格2016年3月份的狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證文中提出的軌道健康狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系的有效性。由于受實(shí)際收集到的數(shù)據(jù)限制，本節(jié)選用7個(gè)狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)綜合衡量軌道網(wǎng)格狀態(tài)，記為X=(x1,x2,…,x7)T，如表3所示。

表3 選取的軌道網(wǎng)格化狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)

3.2 狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)計(jì)算

對(duì)蘭新鐵路 1 447 個(gè)軌道網(wǎng)格在2016年3月份的各項(xiàng)狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算。表4展示了蘭新鐵路2016年3月份部分軌道網(wǎng)格的狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 與現(xiàn)有鐵路軌道質(zhì)量評(píng)定方法對(duì)比

在我國(guó)鐵路養(yǎng)護(hù)維修實(shí)際管理中，目前主要采用軌道質(zhì)量指數(shù)TQI單一狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)來(lái)評(píng)定軌道區(qū)段整體質(zhì)量的好壞。目前蘭州鐵路局在TQI基礎(chǔ)上，增加了對(duì)局部超限病害個(gè)數(shù)的考慮，提出采用軌道質(zhì)量等級(jí)TQR評(píng)定軌道線路整體質(zhì)量。當(dāng)軌道網(wǎng)格TQR=4時(shí)，需及時(shí)安排養(yǎng)護(hù)維修活動(dòng)。

表5是1 447個(gè)軌道網(wǎng)格中的10個(gè)TQR值較小但病害數(shù)變化較快的軌道網(wǎng)格。1 447個(gè)軌道網(wǎng)格的病害變化率最大值為29,這10個(gè)軌道網(wǎng)格的病害變化率都比較大，但其TQI，TQR和結(jié)構(gòu)性病害數(shù)、平均病害率都比較小。

表4 蘭新線2016年3月份軌道網(wǎng)格狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)

表5 10個(gè)TQR值較小但病害數(shù)變化較快的軌道網(wǎng)格

如果管理者按照蘭州局現(xiàn)有鐵路軌道質(zhì)量評(píng)定方法，依據(jù)TQR大小安排鐵路軌道維修，表 5中的10個(gè)軌道網(wǎng)格的TQR≤2，不會(huì)被優(yōu)先安排養(yǎng)護(hù)維修。但實(shí)際上，這些軌道網(wǎng)格的病害數(shù)變化較快，存在較高的安全隱患，應(yīng)該及時(shí)優(yōu)先安排維修。

由上述可知，只按照某單項(xiàng)狀態(tài)評(píng)定軌道設(shè)備健康狀態(tài)，管理者可能會(huì)漏判、誤判軌道薄弱地段，導(dǎo)致過(guò)度修、欠維修等不恰當(dāng)?shù)木S修活動(dòng)，使有限的維修資源無(wú)法合理分配。管理者應(yīng)依據(jù)軌道網(wǎng)格化健康狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系，從多個(gè)側(cè)面綜合評(píng)定軌道網(wǎng)格健康狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備網(wǎng)格化管理思路，將鐵路線路劃分為連續(xù)的200 m的軌道網(wǎng)格，提出了一種基于網(wǎng)格的鐵路軌道健康狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系，更全面、更科學(xué)地從多個(gè)維度評(píng)定軌道設(shè)備健康狀態(tài)，使管理者能夠在較高的空間分辨率下把握鐵路軌道健康狀態(tài)，為軌道維修計(jì)劃的優(yōu)化編制奠定了基礎(chǔ)。此外對(duì)構(gòu)建其他線性資產(chǎn)(如道路、管道)健康狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)體系具有較好的參考性。采用該狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系對(duì)蘭新鐵路的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)定，并將評(píng)定結(jié)果與現(xiàn)有鐵路軌道質(zhì)量評(píng)定方法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系的有效性。

鐵路軌道網(wǎng)格化健康狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系目前已在蘭州鐵路局嘉峪關(guān)工務(wù)段試用，并取得了較好的效果。隨著用戶反饋，還將不斷完善該指標(biāo)體系。結(jié)合本文提出的軌道健康狀態(tài)綜合評(píng)定指標(biāo)體系，如何構(gòu)建軌道健康狀態(tài)綜合評(píng)定模型，是下一步的研究方向。

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