中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展策略與實(shí)踐

吳積欽 楊 佳 關(guān)金發(fā) 劉 濤

(1.西南交通大學(xué), 成都 610031;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

為適應(yīng)日益發(fā)展的技術(shù)和服務(wù)，2017年9月，歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會(huì)(UNIEF)在其發(fā)表的關(guān)于鐵路數(shù)字化的意見書中指出，鐵路必須在可靠性、安全性和運(yùn)營(yíng)連續(xù)性等方面保持高標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要手段[1]。為此，歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會(huì)提出了歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)(ERTMS)開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)測(cè)性維修兩大重點(diǎn)舉措，并以此作為推動(dòng)歐洲鐵路數(shù)字化發(fā)展、提高鐵路安全可靠水平的重要抓手。

針對(duì)接觸網(wǎng)，意見書建議將依靠技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化以及新經(jīng)濟(jì)模式實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的資產(chǎn)管理[2]。具體措施為通過(guò)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)等方式，把各自為政的多個(gè)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)縫對(duì)接，并在此基礎(chǔ)上開展大數(shù)據(jù)分析，提高對(duì)養(yǎng)護(hù)維修復(fù)雜環(huán)境的模擬能力，以更準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置對(duì)接觸網(wǎng)養(yǎng)修過(guò)程進(jìn)行更精確的描述，從反應(yīng)性維修、預(yù)防性維修逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測(cè)性維修，即實(shí)現(xiàn)基于資產(chǎn)狀況及診斷的短時(shí)預(yù)報(bào)與預(yù)測(cè)，并據(jù)此開展風(fēng)險(xiǎn)性決策。

截止2019年底，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程超過(guò)13.9萬(wàn)km，其中電氣化鐵路里程達(dá)到10.0萬(wàn)km(含3.5萬(wàn)km高速鐵路)[3]。無(wú)論是發(fā)展的廣度還是深度，中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)的數(shù)字化均有著廣闊的發(fā)展前景。

近年來(lái)，數(shù)字化技術(shù)不斷應(yīng)用于接觸網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、施工管理與運(yùn)營(yíng)維修。接觸網(wǎng)專業(yè)的學(xué)者們也在數(shù)字化技術(shù)方面做了一些研究。文獻(xiàn)[4]深入探討和研究了在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)階段建立接觸網(wǎng)零部件三維BIM族庫(kù)。文獻(xiàn)[5] 分析了高速鐵路接觸網(wǎng)全壽命周期BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀；文獻(xiàn)[6]利用BIM技術(shù)研究了接觸網(wǎng)施工應(yīng)用平臺(tái)；文獻(xiàn)[7]提出一種智能化的接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，并研究了從日常巡檢到數(shù)據(jù)管理的綜合解決方案；文獻(xiàn)[8]研究了基于數(shù)字化的接觸網(wǎng)故障定位系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9-11]在三維技術(shù)、綜合參數(shù)測(cè)量和數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐方面均取得了有效的成果。

但目前，我國(guó)鐵路接觸網(wǎng)的數(shù)字化發(fā)展遇到無(wú)法逾越的瓶頸：接觸網(wǎng)系統(tǒng)指標(biāo)、零部件載荷和零部件壽命三者之間缺少可以信賴的定量關(guān)系，既無(wú)法推進(jìn)接觸網(wǎng)由功能性設(shè)計(jì)向可靠性設(shè)計(jì)過(guò)渡，也無(wú)法推動(dòng)接觸網(wǎng)由初級(jí)預(yù)防性維修進(jìn)入高級(jí)預(yù)防性維修，更遑論向預(yù)測(cè)性維修轉(zhuǎn)變。

本文對(duì)歐洲鐵路接觸網(wǎng)數(shù)字化的技術(shù)基礎(chǔ)，尤其是對(duì)EN 50119-2013《鐵路應(yīng)用-固定設(shè)施-電力架空接觸網(wǎng)》進(jìn)行分析，挖掘該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)指標(biāo)、零部件載荷、零部件壽命之間的定量規(guī)定，找出中國(guó)與歐洲鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)差距及形成差距的原因，并在此基礎(chǔ)提出中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)的數(shù)字化發(fā)展策略。

1 接觸網(wǎng)數(shù)字化是大勢(shì)所趨

接觸網(wǎng)沿鐵路線布置，是特殊的配電線路，其中接觸懸掛兼做電氣列車受電弓的機(jī)械滑道，由數(shù)量較多的零部件組成。為確保接觸網(wǎng)在現(xiàn)行使用環(huán)境下保持其設(shè)計(jì)功能，維修部門需定期對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)診斷，即在盡可能不拆卸接觸網(wǎng)的情況下，根據(jù)接觸網(wǎng)設(shè)備測(cè)得的和外部可辨認(rèn)的特征求出并評(píng)價(jià)其狀態(tài)。可測(cè)得的參數(shù)為接觸網(wǎng)處于靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)或工作狀態(tài)下的弓網(wǎng)性能參數(shù)。外部可辨認(rèn)的特征主要針對(duì)組成接觸網(wǎng)的各類零部件、裝置、線材等，透過(guò)這些物項(xiàng)的表面情況，評(píng)價(jià)其本質(zhì)特征。掌握接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)與零部件工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可依據(jù)測(cè)得的結(jié)構(gòu)參數(shù)評(píng)價(jià)零部件的載荷(載流量為負(fù)荷)，依據(jù)零部件的外部特征，可評(píng)價(jià)零部件的抗載荷能力。零部件承受的載荷及其抗載荷能力確定后，接觸網(wǎng)診斷就可判斷出零部件是否需要更換以及如何更換。

在接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、零部件制造、維修等過(guò)程中，將涉及零部件載荷與抗載荷能力等復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭啥攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)部，進(jìn)行統(tǒng)一處理，這就是接觸網(wǎng)數(shù)字化的基本過(guò)程。數(shù)字化是接觸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化、可視化的基礎(chǔ)。

數(shù)字化的接觸網(wǎng)，可根據(jù)定期獲取的檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、零部件的外部特征實(shí)施接觸網(wǎng)自動(dòng)診斷，及時(shí)跟蹤接觸網(wǎng)的技術(shù)狀態(tài)，對(duì)接觸網(wǎng)實(shí)行健康管理，從預(yù)防性維修逐漸過(guò)渡到預(yù)測(cè)性維修，并能確保接觸網(wǎng)在其壽命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)價(jià)值的最大化和運(yùn)行效能的最優(yōu)化。

2 可靠性設(shè)計(jì)是歐洲鐵路接觸網(wǎng)數(shù)字化的基礎(chǔ)

接觸網(wǎng)于1889年誕生于第二次工業(yè)革命的發(fā)源地德國(guó)，130余年來(lái)，德國(guó)在接觸網(wǎng)的基礎(chǔ)研究方面取得了豐碩成果。19世紀(jì)50年代，德國(guó)大規(guī)模修建電氣化鐵路，并同時(shí)開始接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)工作。由SIEMENS、AEG、ABB等公司聯(lián)合，先后開發(fā)了Re75、Re100、Re160和Re200系列接觸網(wǎng)。70年代中期，在總結(jié)前4種標(biāo)準(zhǔn)懸掛的基礎(chǔ)上，又研制了Re250系列標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)。90年代初，又開發(fā)了Re330系列接觸網(wǎng)。隨著歐洲一體化的推進(jìn)，在歐洲和世界范圍內(nèi)代表著德國(guó)意向的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(DIN)，將德國(guó)在接觸網(wǎng)領(lǐng)域的豐富積淀體現(xiàn)在歐洲弓網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系中。從歐洲弓網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系可發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)從功能設(shè)計(jì)到可靠性設(shè)計(jì)的逐漸演進(jìn)，這些工作既為接觸網(wǎng)全壽命周期管理提供了技術(shù)保障，也成為了歐洲鐵路推進(jìn)接觸網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展的基礎(chǔ)。

關(guān)于接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)壽命，EN 50119-2013《鐵路應(yīng)用-基礎(chǔ)設(shè)施-電力牽引架空接觸網(wǎng)》中規(guī)定，買方可提出系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)壽命，系統(tǒng)包含了與基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)設(shè)備的壽命、消耗性零部件(如接觸線)的磨耗以及承受交變應(yīng)力零部件的疲勞壽命。

接觸線磨耗與承受交變應(yīng)力零部件的疲勞壽命取決于弓網(wǎng)接觸力與接觸線抬升。接觸網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足受電弓與接觸線之間最大允許接觸力，并應(yīng)考慮車輛最大允許速度時(shí)的空氣動(dòng)力影響。

接觸力的值隨不同受電弓和架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)的組合而變化。仿真或測(cè)量出的接觸線和滑板之間接觸力的值不應(yīng)超過(guò)表1所給出的范圍。

表1 接觸力范圍表

關(guān)于接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，EN 50119-2013《鐵路應(yīng)用-基礎(chǔ)設(shè)施-電力牽引架空接觸網(wǎng)》，在其預(yù)期使用壽命內(nèi)，架空接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)以這種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工：在一個(gè)確定的條件下，以可接受的可靠性水平和一個(gè)經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)規(guī)定的能力，這涉及可靠性要求的各個(gè)方面；如果在確定的零部件中發(fā)生故障，則不會(huì)發(fā)生漸進(jìn)崩潰，這涉及安全性要求的各個(gè)方面；在施工和維修過(guò)程中，不容易造成人身傷害或生命損失，這涉及人身安全性要求的各個(gè)方面。

架空接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工和維修應(yīng)充分考慮公共安全、耐久性、魯棒性、可維修性和環(huán)境因素等。接觸網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)備、裝置(零部件)的設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)至少與招標(biāo)說(shuō)明書中所要求的整個(gè)接觸網(wǎng)的使用壽命相同。

關(guān)于系統(tǒng)指標(biāo)與零部件疲勞壽命的定量關(guān)系，以吊弦為例進(jìn)行說(shuō)明。接觸懸掛的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)遵循弓網(wǎng)相互作用性能要求，接觸懸掛的結(jié)構(gòu)形狀很大程度上取決于吊弦的長(zhǎng)度與間距。吊弦吊著接觸線，采用心形環(huán)和各種形式的吊弦線夾固定在承力索或彈性吊索上。吊弦設(shè)計(jì)是導(dǎo)電型的，特別適用于短路電流大的系統(tǒng)，因而吊弦線的兩端也用耳形導(dǎo)線接頭與吊弦線夾相連接，并用螺栓固定。吊弦采用截面為10 mm2的銅鎂合金絞線整體吊弦，帶雞心環(huán)結(jié)構(gòu)，以承力索吊弦線夾和接觸線吊弦線夾帶制動(dòng)墊片。靜止?fàn)顟B(tài)下的吊弦承受其兩側(cè)各1/2吊弦間距的接觸線自重。

受電弓沿接觸懸掛高速滑行過(guò)程中，接觸懸掛的結(jié)構(gòu)形狀會(huì)發(fā)生改變，吊弦承受的靜態(tài)力載荷變小，甚至為0，直至吊弦主線撓曲。受電弓離開后，吊弦會(huì)遭受接觸線下落帶來(lái)的沖擊載荷，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自由振動(dòng)，吊弦受力恢復(fù)到僅承受靜態(tài)力。

在這一系列過(guò)程中，吊弦應(yīng)力與應(yīng)變均出現(xiàn)變化。吊弦主線的工程應(yīng)力為最大載荷與主線標(biāo)稱截面積之商。多次載荷作用導(dǎo)致吊弦失效的情況稱為疲勞。導(dǎo)致疲勞斷裂的載荷作用次數(shù)稱為疲勞壽命，疲勞壽命對(duì)應(yīng)的載荷值稱為吊弦的疲勞強(qiáng)度。材料的S-N曲線如圖1所示。

圖1 材料的S-N曲線圖

吊弦的疲勞壽命受制于承受的交變應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度兩個(gè)方面的因素。接觸網(wǎng)振動(dòng)導(dǎo)致吊弦產(chǎn)生交變應(yīng)力，接觸網(wǎng)的振動(dòng)規(guī)律由系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、施工質(zhì)量、受電弓運(yùn)行狀況所賦予。吊弦的疲勞強(qiáng)度則由吊弦的材料、制作工藝等因素決定。吊弦的疲勞強(qiáng)度應(yīng)與振動(dòng)規(guī)律相符。疲勞強(qiáng)度一定的整體吊弦，可通過(guò)優(yōu)化接觸網(wǎng)的振動(dòng)規(guī)律延長(zhǎng)其疲勞壽命。貫穿于接觸網(wǎng)質(zhì)量控制過(guò)程的吊弦交變應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度維持過(guò)程如圖2所示。

圖2 貫穿于接觸網(wǎng)質(zhì)量控制過(guò)程的吊弦交變應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度維持圖

由圖2可以看出，吊弦的疲勞壽命由用戶指定，因?yàn)槊客ㄟ^(guò)1架受電弓，吊弦承受1次交變應(yīng)力，所以吊弦的壽命用弓架次表示，通常為不少于200萬(wàn)弓架次。在受電弓運(yùn)行性能一定的前提下，吊弦承受的交變應(yīng)力由接觸網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)所決定，而系統(tǒng)參數(shù)是接觸網(wǎng)系統(tǒng)工程師在一定的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下綜合選取的結(jié)果。制作工藝符合規(guī)定要求是吊弦滿足疲勞強(qiáng)度的必要條件。交變應(yīng)力譜用于在專用試驗(yàn)裝置上，對(duì)擬使用的吊弦進(jìn)行加速疲勞檢驗(yàn)，符合規(guī)定壽命次數(shù)后的吊弦才能應(yīng)用于接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)的預(yù)期結(jié)構(gòu)形狀由吊弦長(zhǎng)度和安裝位置所決定，偏離預(yù)期的結(jié)構(gòu)形狀會(huì)使吊弦的交變應(yīng)力變大，增加的程度反映在動(dòng)態(tài)驗(yàn)收結(jié)果上，符合預(yù)期的接觸網(wǎng)施工質(zhì)量才能使動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)保持一致。歸根結(jié)底，只有將吊弦的實(shí)際交變應(yīng)力維持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，吊弦的疲勞強(qiáng)度才能滿足規(guī)定的使用壽命要求。

吊弦必須進(jìn)行機(jī)械疲勞試驗(yàn)，根據(jù)EN 50119-2013《鐵路應(yīng)用-基礎(chǔ)設(shè)施-電力牽引架空接觸網(wǎng)》規(guī)定，此試驗(yàn)由1個(gè)交變載荷和壓縮循環(huán)組成，如圖3所示。吊弦應(yīng)與其專用線夾一起進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其正常應(yīng)用的最低要求進(jìn)行試驗(yàn)。

1.半個(gè)循環(huán)—吊弦壓縮；2.半個(gè)循環(huán)—吊弦受力，3.壓縮；4.受力圖3 吊弦機(jī)械疲勞試驗(yàn)循環(huán)示例

壓縮振幅C應(yīng)在20～200 mm之間指定，吊弦中的力FL應(yīng)在100～400 N之間指定。循環(huán)頻率應(yīng)在0.5～10 Hz之間，應(yīng)執(zhí)行最少 2 000 000個(gè)循環(huán)。吊弦不應(yīng)在指定循環(huán)次數(shù)之前斷裂。吊弦疲勞試驗(yàn)的具體參數(shù)，應(yīng)由接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)具體設(shè)計(jì)方案在規(guī)定范圍內(nèi)指定。滿足此要求的吊弦，按照要求安裝且通過(guò)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)驗(yàn)收后，可認(rèn)為壽命能夠滿足設(shè)計(jì)要求，不需定期維護(hù)。若定期檢測(cè)中診斷出某吊弦工況超出規(guī)定，應(yīng)及時(shí)干預(yù)。

3 中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展瓶頸

中國(guó)電氣化鐵路建設(shè)起步于寶成鐵路寶鳳段，寶鳳段接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的供電制式，是在前蘇聯(lián)專家?guī)椭峦瓿傻腫12]。1958年3月完成初步設(shè)計(jì)，同年5月通過(guò)前蘇聯(lián)交通部鑒定，1959年1月完成施工設(shè)計(jì)， 1961年8月15日交付運(yùn)營(yíng)。

寶鳳段電氣化建成后的60年來(lái)，中國(guó)的電氣化鐵路發(fā)生了翻天覆地的變化，時(shí)至今日，伴隨電氣化鐵路設(shè)計(jì)水平演進(jìn)的TB 10009-2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》發(fā)布修訂4版，但未曾出現(xiàn)涉及接觸網(wǎng)壽命的約束性條款。

現(xiàn)行TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用年限不宜小于30 a。各零部件使用年限與外界環(huán)境和工況引起的疲勞或腐蝕有關(guān)，接觸線使用年限應(yīng)根據(jù)磨耗確定，均不應(yīng)少于200萬(wàn)弓架次。

2001年建成通車的哈爾濱-大連電氣化鐵路是系統(tǒng)引進(jìn)德國(guó)牽引供電技術(shù)及設(shè)備的第一條電氣化鐵路。哈大鐵路接觸網(wǎng)的建造以建立在國(guó)際及德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的德聯(lián)邦鐵路專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和西門子公司的標(biāo)準(zhǔn)圖為準(zhǔn)。接觸網(wǎng)設(shè)備的使用壽命應(yīng)達(dá)到70 a，承受動(dòng)態(tài)變化應(yīng)力荷載的零部件使用壽命不少于150萬(wàn)弓架次，接觸線磨耗不應(yīng)超過(guò)標(biāo)稱截面積的20%。

2008年8月1日建成通車的京津城際鐵路是中國(guó)大陸第一條高標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的高速鐵路。京津城際鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)由Siemens按照EN 50119-2001 標(biāo)準(zhǔn)要求提供設(shè)計(jì)方案。

征稿內(nèi)容： 自然災(zāi)害(特別是地質(zhì)災(zāi)害)與人為災(zāi)害防治，生態(tài)環(huán)境、資源環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，巖土工程與工程勘察，與本學(xué)科有關(guān)的邊緣和交叉學(xué)科等方面的優(yōu)秀論文，最新科技成果，新理論、新方法、新技術(shù)研討，及工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，新成就、新動(dòng)向方面的綜述、述評(píng)，新書刊、新設(shè)備評(píng)介等。

按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)，遵循可靠性設(shè)計(jì)原則。按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)功能不是問(wèn)題，但如何定量分配零部件的工齡，從設(shè)計(jì)部門到維修部門，均無(wú)法給出肯定的答復(fù)。形成這一困局的根源在于，寶鳳段電氣化鐵路建設(shè)初期，中國(guó)的干線鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工幾乎完全依賴于前蘇聯(lián)的技術(shù)援助，關(guān)鍵時(shí)期蘇方撤走專家，中國(guó)的工程技術(shù)人員只能依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行逆向仿制，雖然解決了接觸網(wǎng)的“有無(wú)”問(wèn)題，但對(duì)于眾多技術(shù)細(xì)節(jié)，知其然而不知其所以然。盡管經(jīng)歷了哈大鐵路、京津城際鐵路等接觸網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)的熏陶，可受制于既有的思維慣性，在中國(guó)鐵路大量的工程實(shí)踐中，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)始終沒(méi)能蛻變到量化的可靠性設(shè)計(jì)層面。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)指標(biāo)與零部件壽命缺少對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用外觀檢查與參數(shù)實(shí)測(cè)診斷接觸網(wǎng)零部件的技術(shù)狀態(tài)就沒(méi)了依據(jù)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的定量狀態(tài)修、建立接觸網(wǎng)的數(shù)字化模型更無(wú)從談起。

4 夯實(shí)中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展基礎(chǔ)

重復(fù)歐洲鐵路接觸網(wǎng)發(fā)展之路已無(wú)必要，但吸收歐洲鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)先進(jìn)的發(fā)展理念，有利于促進(jìn)中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)在人才培養(yǎng)、基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、裝備制造等方面的持續(xù)進(jìn)步，關(guān)鍵在于：

4.1 樹立全壽命周期理念

接觸網(wǎng)作為鐵路龐大基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，建成并投入運(yùn)營(yíng)是階段目標(biāo)，在壽命周期內(nèi)可靠運(yùn)行才是終極目的。接觸網(wǎng)全壽命周期設(shè)計(jì)意味著設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)(器材)不僅要設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)(器材)的功能和結(jié)構(gòu)，而且要設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)(器材)的施工、運(yùn)行、維修，直到回收再利用的全過(guò)程。

為實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理要求，接觸網(wǎng)需遵循可靠性設(shè)計(jì)原則，即在規(guī)定時(shí)間和條件(正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常維修條件)下，完成預(yù)定功能(包含安全性、適用性、耐久性、抗連續(xù)倒塌等)的能力、使用可靠度度量即完成“預(yù)定功能”的概率度量?？蓞⒄諝W洲接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系要求，對(duì)接觸網(wǎng)的安全性、適用性和耐久性等進(jìn)行量化，并在設(shè)計(jì)、施工、維修等階段實(shí)施可靠度分配，建立接觸網(wǎng)系統(tǒng)指標(biāo)與零部件壽命的定量關(guān)系。

設(shè)計(jì)階段建立的定量關(guān)系，零部件制造和檢驗(yàn)服務(wù)于這種定量關(guān)系，施工階段維持這種定量關(guān)系，也就賦予了接觸網(wǎng)的固有能力。到了維修階段，通過(guò)定期查看零部件外觀判斷零部件的抗載荷能力，通過(guò)檢測(cè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)估零部件的載荷。獲取了零部件的載荷與抗載荷能力，就可實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的預(yù)防性維修，直至預(yù)測(cè)性維修。

基于全壽命周期理念進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、維修的接觸網(wǎng)，也就具備了數(shù)字化的前提條件。

4.2 完善質(zhì)量控制措施

圖4 接觸網(wǎng)的質(zhì)量控制過(guò)程圖

從圖4可以看出，按照用戶需求以及采用的標(biāo)準(zhǔn)，確定接觸網(wǎng)在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定條件下應(yīng)該完成的預(yù)定能力。這個(gè)能力包含了安全性、適用性、耐久性、魯棒性等定量可靠性指標(biāo)。

使用可信賴的受電弓-接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，而不是依靠過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，獲取擬采用的接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案的可靠性指標(biāo)與用戶需求相符。該環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制依據(jù)為用戶合同和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

滿足用戶需求與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，根據(jù)系統(tǒng)方案完成接觸網(wǎng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。本環(huán)節(jié)需要解決接觸網(wǎng)各零部件的載荷(電氣為負(fù)荷)、交變載荷以及零部件抗載荷能力的確定問(wèn)題。在規(guī)定壽命期內(nèi)，零部件抗載荷能力的衰減規(guī)律也應(yīng)確定。因?yàn)椴淮_定因素的存在，按概率論確定有關(guān)數(shù)值。詳細(xì)設(shè)計(jì)資料不僅為施工安裝提供依據(jù)，也是接觸網(wǎng)靜態(tài)驗(yàn)收的依據(jù)。

接觸網(wǎng)施工的主要任務(wù)是將經(jīng)過(guò)質(zhì)量認(rèn)證的零部件按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精密裝配。安裝過(guò)程中，零部件承受載荷與設(shè)計(jì)目標(biāo)值的偏差應(yīng)保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，零部件抗載荷能力也不應(yīng)受到過(guò)多影響。

對(duì)全部接觸網(wǎng)工程進(jìn)行檢查，并使用專用設(shè)備對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的接觸網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，以證實(shí)竣工后的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸符合施工設(shè)計(jì)文件要求，這一環(huán)節(jié)稱為靜態(tài)驗(yàn)收。靜態(tài)驗(yàn)收的目的是確認(rèn)零部件的載荷與抗載荷能力符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)靜態(tài)驗(yàn)收的接觸網(wǎng)，送電可確認(rèn)其電氣完整性。利用專用設(shè)備對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，以證實(shí)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，這一環(huán)節(jié)稱為動(dòng)態(tài)驗(yàn)收。動(dòng)態(tài)驗(yàn)收是對(duì)弓網(wǎng)仿真系統(tǒng)可信賴程度的檢驗(yàn)。動(dòng)態(tài)驗(yàn)收符合要求的接觸網(wǎng)，可認(rèn)為承受交變載荷的零部件壽命處于設(shè)計(jì)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)。

投入運(yùn)營(yíng)的接觸網(wǎng)，可定期查看零部件外觀確認(rèn)抗載荷能力，通過(guò)檢測(cè)監(jiān)測(cè)參數(shù)，評(píng)價(jià)零部件承受的載荷，掌握抗載荷能力與荷載演變規(guī)律后，即可判斷接觸網(wǎng)設(shè)備的服役狀態(tài)。

形成閉環(huán)的質(zhì)量反饋控制，即設(shè)計(jì)對(duì)用戶合同和系列標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)，施工對(duì)設(shè)計(jì)文件負(fù)責(zé)，靜態(tài)驗(yàn)收確認(rèn)施工質(zhì)量，動(dòng)態(tài)驗(yàn)收確認(rèn)設(shè)計(jì)質(zhì)量，才能確保接觸網(wǎng)建設(shè)、維修中的各環(huán)節(jié)相互制約、相互促進(jìn)。

以可靠性為中心設(shè)計(jì)、施工的接觸網(wǎng)，才能實(shí)施以可靠性為中心的維修，接觸網(wǎng)數(shù)字化的物質(zhì)條件也就完全具備了。

4.3 建立健全標(biāo)準(zhǔn)體系

伴隨著長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系逐步得到建立健全，如圖5所示。

圖5 中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系圖

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系中，TB/T 1456-2004《受電弓特性與試驗(yàn)》采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50206-1998，歐洲版本為EN 50206-2010。TB/T 3271-2011《受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50367-2006，歐洲現(xiàn)行版本為EN 50206-2016。中國(guó)干線鐵路涉及接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)范有3個(gè)，分別是TB 10009-2016《牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 32578-2016《軌道交通-地面裝置-電力牽引架空接觸網(wǎng)》，其中GB/T 32578-2016采用的IEC 60913-2013，由歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50119-2009轉(zhuǎn)化而來(lái)。

涉及到接觸網(wǎng)零部件的標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)，分別是TB/T 2073-2010《接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》、TB/T 2074-2010《接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》和TB/T 2075-2010《接觸網(wǎng)零部件》，這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問(wèn)題是有關(guān)規(guī)定與實(shí)際接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)指標(biāo)無(wú)關(guān)，即滿足了這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求的零部件，不一定能滿足實(shí)際接觸網(wǎng)的運(yùn)行要求。

接觸網(wǎng)施工與驗(yàn)收的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為TB 10758-2018《高速鐵路電力牽引工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、TB 10760-2013《高速鐵路靜態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》和TB 10761-2013《高速鐵路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》，與接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法形成有機(jī)整體，動(dòng)態(tài)驗(yàn)收關(guān)鍵參數(shù)(如弓網(wǎng)接觸力)的評(píng)估與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不一致，有些驗(yàn)收參數(shù)(如硬點(diǎn))在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)沒(méi)有出處。

綜上所述，中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工、工程驗(yàn)收、零部件制造和檢驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)，雖然解決了各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的“有無(wú)”問(wèn)題，但作為整體的接觸網(wǎng)，其設(shè)計(jì)、施工和零部件等標(biāo)準(zhǔn)卻條塊分割，相互間缺乏邏輯，聯(lián)系整體性完全無(wú)法體現(xiàn)。

建立健全中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，確保各標(biāo)準(zhǔn)按其內(nèi)在聯(lián)系形成科學(xué)的有機(jī)整體，既是實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理和完善質(zhì)量控制的需要，更是接觸網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展的關(guān)鍵所在。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)鐵路接觸網(wǎng)經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展，已經(jīng)初步具備了從功能設(shè)計(jì)到可靠性設(shè)計(jì)發(fā)生系統(tǒng)性質(zhì)變的物質(zhì)條件。借鑒歐洲鐵路接觸網(wǎng)發(fā)展的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，可在推進(jìn)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工與維修等環(huán)節(jié)的閉環(huán)質(zhì)量控制與標(biāo)準(zhǔn)體系優(yōu)化的過(guò)程中，逐步實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)數(shù)字化、施工數(shù)字化、零部件制造與檢驗(yàn)數(shù)字化，各環(huán)節(jié)有機(jī)地融合成一個(gè)整體，能夠有力地促進(jìn)接觸網(wǎng)的數(shù)字化建設(shè)，全壽命周期管理的目標(biāo)就有了實(shí)現(xiàn)的可能。接觸網(wǎng)數(shù)字化為可視化與智能化打下夯實(shí)的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修。