白 磊，劉仍奎，李 擎，邵 凱，王 妍

(1.北京易華錄信息技術股份有限公司，北京 100043；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044)

鐵路軌道健康狀態(tài)評定指標不僅描述鐵路軌道設備運行狀態(tài)，也指導著鐵路工務部門維修決策的目標與方向。不合理的狀態(tài)評定指標體系將會導致不恰當?shù)木S修活動。隨著我國鐵路維修理念逐步向嚴檢慎修、精細修、準確修等轉(zhuǎn)變，如何建立合理的軌道設備狀態(tài)評定指標體系，使管理者能更全面、更科學地感知軌道設備健康狀態(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)場目前一般按照整條線、區(qū)間、里程位置點等不同長度評定軌道內(nèi)某一類設備狀態(tài)。軌道健康狀態(tài)的評定目前存在著評定對象不一致、評定對象的長度不一致等問題。同時，鐵路現(xiàn)場目前主要采用病害類型、病害等級、病害數(shù)量、病害扣分及軌道質(zhì)量指數(shù)TQI評定軌道設備狀態(tài)[1-5]。這些狀態(tài)評定指標主要反映軌道設備在某一時間斷面的狀態(tài)，缺少利用歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)反映趨勢變化規(guī)律的指標，如缺少反映軌道病害變化快慢的指標。

本文基于鐵路基礎設施設備網(wǎng)格化管理思想，以軌道網(wǎng)格為對象，從使用性能、結(jié)構(gòu)完整性、安全性和外觀4個方面，建立一種新的鐵路軌道健康狀態(tài)綜合評定指標體系，實現(xiàn)對鐵路軌道健康狀態(tài)的科學評定。

1 鐵路軌道網(wǎng)格及狀態(tài)評定指標分類

1.1 鐵路軌道網(wǎng)格

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

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

2)以等長的鐵路軌道網(wǎng)格作為基本單元，實現(xiàn)了評定對象長度的統(tǒng)一，提高了評定對象的空間分辨率，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)格的長度理論上應充分小，便于管理者更精確地把握軌道健康狀態(tài)，但應與鐵路現(xiàn)有的管理水平與維修能力相匹配。本文將鐵路軌道網(wǎng)格長度定為200 m。

1.2 狀態(tài)評定指標分類

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

1)軌道網(wǎng)格使用性能是指軌道網(wǎng)格為實現(xiàn)列車能以規(guī)定速度安全、平穩(wěn)和不間斷地運行的目標，在使用過程中適應或抵抗各種外界作業(yè)的能力。本文將從軌道平順性、動力學性能角度對其進行細化。軌道平順性類狀態(tài)指標在鐵路現(xiàn)場廣泛使用。

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)評定指標在鐵路現(xiàn)場廣泛應用，是安排軌道維修活動的重要依據(jù)，本文將按設備類別對這些指標進行歸納、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險影響的特性。軌道網(wǎng)格安全性評定指標用于反映軌道設備狀態(tài)的變化趨勢，需積累全生命周期數(shù)據(jù)才能準確把握。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備在某一時間斷面的狀態(tài)數(shù)據(jù)，導致這些安全性類狀態(tài)評定指標未被廣泛使用。隨著我國鐵路維修模式逐步向精細修、準確修、預防修轉(zhuǎn)變，管理者迫切需要掌握軌道設備健康狀態(tài)在時間、空間上的演變趨勢，安全性類評定指標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，應當符合美學原則。保證鐵路軌道設備清潔度的目的是使軌道設備在使用過程中不會因污染而縮短規(guī)定的使用壽命。在傳統(tǒng)鐵路軌道設備管理中，這類狀態(tài)評定指標常常被忽略。但隨著我國南方酸雨和北方風沙、霧霾的影響，以及高速鐵路逐步投入運營，這類狀態(tài)評定指標對軌道設備健康狀態(tài)管理愈發(fā)重要。

2 軌道網(wǎng)格化狀態(tài)綜合評定指標體系構(gòu)成

本文提出的軌道網(wǎng)格化狀態(tài)綜合評定指標體系，是以軌道網(wǎng)格為基本評定單元，從評定軌道網(wǎng)格內(nèi)所有設備整體表現(xiàn)的角度進行設計的，如表1所示。

表1中的各項軌道網(wǎng)格化狀態(tài)評定指標含義及其計算方法如下：

2.1 使用性能類評定指標

表1中的使用性能類評定指標有10項，除軌道質(zhì)量等級TQR外，其余9項使用性能類評定指標在工務相關的標準、規(guī)范等管理文件中均有定義，但其計算公式中的長度參數(shù)應按照網(wǎng)格200 m長度重新設計，如軌道幾何局部超限扣分由以往按 1 000 m 為單位計算，修改為按200 m為單位計算。

軌道質(zhì)量等級TQR是依據(jù)TQI及軌檢儀、車載式添乘儀、便攜式添乘儀檢測出的局部超限病害個數(shù)確定的。TQR劃分為4個狀態(tài)等級，TQR等級越高，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)完整性類評定指標

表1中結(jié)構(gòu)完整性類評定指標有4項，除軌道結(jié)構(gòu)指數(shù)TSI外，其余3項結(jié)構(gòu)完整性類評定指標的含義在工務相關的標準、規(guī)范等管理文件中均有明確說明，但其計算公式中的長度參數(shù)應按照網(wǎng)格200 m長度重新設計，如道床病害數(shù)由以往按1 000 m為單位統(tǒng)計，修改為按200 m為單位統(tǒng)計。

表1 軌道網(wǎng)格化狀態(tài)綜合評定指標體系

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，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)計算得到。本文中TSI由文獻[11]中按30 m為單位計算修改為按200 m為單位計算。

2.3 安全性類評定指標

1)失效率、使用壽命

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

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)格一般存在較嚴重的安全隱患。其計算公式為

(1)

3)平均病害間隔時間

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

(2)

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

4)病害重復度

軌道網(wǎng)格病害重復度是指軌道網(wǎng)格在一定時間范圍內(nèi)出現(xiàn)相同病害的次數(shù)。若該指標值較高，說明之前維修質(zhì)量存在問題，或設備病因未診斷清楚，維修活動安排不合理，存在較嚴重的安全隱患等。其計算公式為

(3)

5)病害集中度

軌道網(wǎng)格病害集中度是指軌道網(wǎng)格在一定時間范圍內(nèi)單位長度產(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。其計算公式為

(4)

6)平均維修時間

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

(5)

2.4 外觀類評定指標

1)道床臟污率在工務相關的標準、規(guī)范等管理文件中有明確定義，其指標以200 m為單位計算。

2)本文提出的鋼軌表面清潔度是指200 m網(wǎng)格長度內(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可分為較差、中等、良好，等級劃分的閾值可根據(jù)鐵路現(xiàn)場實際情況確定。

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

3 應用實例

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 個軌道網(wǎng)格為研究對象，選用這些軌道網(wǎng)格2016年3月份的狀態(tài)評定指標數(shù)據(jù)，驗證文中提出的軌道健康狀態(tài)綜合評定指標體系的有效性。由于受實際收集到的數(shù)據(jù)限制，本節(jié)選用7個狀態(tài)評定指標綜合衡量軌道網(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)評定指標

3.2 狀態(tài)評定指標計算

對蘭新鐵路 1 447 個軌道網(wǎng)格在2016年3月份的各項狀態(tài)評定指標進行了計算。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)評定指標數(shù)據(jù)。

3.3 與現(xiàn)有鐵路軌道質(zhì)量評定方法對比

在我國鐵路養(yǎng)護維修實際管理中，目前主要采用軌道質(zhì)量指數(shù)TQI單一狀態(tài)評定指標來評定軌道區(qū)段整體質(zhì)量的好壞。目前蘭州鐵路局在TQI基礎上，增加了對局部超限病害個數(shù)的考慮，提出采用軌道質(zhì)量等級TQR評定軌道線路整體質(zhì)量。當軌道網(wǎng)格TQR=4時，需及時安排養(yǎng)護維修活動。

表5是1 447個軌道網(wǎng)格中的10個TQR值較小但病害數(shù)變化較快的軌道網(wǎng)格。1 447個軌道網(wǎng)格的病害變化率最大值為29,這10個軌道網(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)評定指標數(shù)據(jù)

表5 10個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)量評定方法，依據(jù)TQR大小安排鐵路軌道維修，表 5中的10個軌道網(wǎng)格的TQR≤2，不會被優(yōu)先安排養(yǎng)護維修。但實際上，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，應該及時優(yōu)先安排維修。

由上述可知，只按照某單項狀態(tài)評定軌道設備健康狀態(tài)，管理者可能會漏判、誤判軌道薄弱地段，導致過度修、欠維修等不恰當?shù)木S修活動，使有限的維修資源無法合理分配。管理者應依據(jù)軌道網(wǎng)格化健康狀態(tài)綜合評定指標體系，從多個側(cè)面綜合評定軌道網(wǎng)格健康狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文基于鐵路基礎設施設備網(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)綜合評定指標體系，更全面、更科學地從多個維度評定軌道設備健康狀態(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)，為軌道維修計劃的優(yōu)化編制奠定了基礎。此外對構(gòu)建其他線性資產(chǎn)(如道路、管道)健康狀態(tài)評定指標體系具有較好的參考性。采用該狀態(tài)綜合評定指標體系對蘭新鐵路的實際數(shù)據(jù)進行了評定，并將評定結(jié)果與現(xiàn)有鐵路軌道質(zhì)量評定方法進行了對比，驗證了該狀態(tài)綜合評定指標體系的有效性。

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

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