朔黃鐵路大機(jī)搗固預(yù)測與維修決策系統(tǒng)研發(fā)

徐菲 曲建軍 龍亦語

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081

重載鐵路具有運(yùn)輸能力大、運(yùn)輸成本低等特點，在煤炭、鋼鐵、糧食等大宗貨物長距離運(yùn)輸中起到骨干作用，是貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向。朔黃重載鐵路是我國西煤東運(yùn)的第二大通道，2009年開始進(jìn)行3.5億t擴(kuò)能改造工程，2016年規(guī)模化開行2萬t大軸重列車，2021年煤炭運(yùn)輸量已達(dá)3.64億t［1］。隨著朔黃鐵路車輛軸重、年運(yùn)量不斷增加，線路設(shè)備劣化速率加快，工務(wù)維修面臨新的挑戰(zhàn)。

有砟線路道床殘余累積變形是影響軌道幾何狀態(tài)的重要因素，應(yīng)用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行搗固維修是恢復(fù)軌道幾何狀態(tài)的有效手段［2］。然而大機(jī)搗固維修作業(yè)需要投入大量的人力和物力資源，維修經(jīng)費高昂，是每年鐵路工務(wù)部門的重要支出之一。目前，朔黃鐵路采用周期修進(jìn)行大機(jī)搗固作業(yè)，重車線搗固周期大致為每年一次，未能實現(xiàn)基于軌道檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測并制定維修計劃，線路欠維修、過維修現(xiàn)象仍然存在。

世界鐵路發(fā)達(dá)國家的工務(wù)部門在預(yù)防性維修體制的基礎(chǔ)上發(fā)展了軌道狀態(tài)分析和預(yù)測與輔助決策管理系統(tǒng)。具有代表性的包括美國Bentley公司研發(fā)的Optram軟件系統(tǒng)、美國ENSCO公司研發(fā)的AMA（Automated Maintenance Advisor）智能維修決策系統(tǒng)、國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways，UIC）研發(fā)的ECOTRACK軌道維修管理系統(tǒng)［3-4］。這些系統(tǒng)將軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析方法結(jié)合起來，建立軌道狀態(tài)劣化數(shù)學(xué)模型，合理制定軌道維修計劃指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修，并對作業(yè)后線路狀態(tài)進(jìn)行驗收評價，有效降低維修成本，實現(xiàn)工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)的科學(xué)閉環(huán)管理，對線路設(shè)備運(yùn)維管理的智能化具有很好的借鑒意義。

隨著朔黃綜合檢測列車的應(yīng)用，朔黃鐵路已經(jīng)積累了大量的軌道檢測數(shù)據(jù)、維修歷史數(shù)據(jù)、通過總質(zhì)量數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)臺賬等。課題組基于線路運(yùn)維數(shù)據(jù)，引入故障預(yù)測與健康管理技術(shù)和經(jīng)濟(jì)維修理念，開展了朔黃鐵路軌道質(zhì)量分級管理標(biāo)準(zhǔn)、軌道質(zhì)量發(fā)展規(guī)律預(yù)測、大機(jī)搗固經(jīng)濟(jì)維修決策等技術(shù)研究［5-8］。在前期研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)朔黃鐵路大機(jī)搗固預(yù)測與維修決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成線路運(yùn)維數(shù)據(jù)管理、軌道狀態(tài)預(yù)測分析、大機(jī)搗固經(jīng)濟(jì)維修決策、搗固作業(yè)效果分析等功能，為合理規(guī)劃大機(jī)搗固維修資源、科學(xué)制定搗固維修計劃、有效管控大機(jī)搗固作業(yè)效果提供智能化管理工具。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

朔黃鐵路大機(jī)搗固預(yù)測與維修決策系統(tǒng)通過綜合分析軌道不平順動態(tài)檢測數(shù)據(jù)、維修歷史數(shù)據(jù)、線路通過總質(zhì)量數(shù)據(jù)以及臺賬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合朔黃鐵路大機(jī)搗固維修與管理實際需求，集成了朔黃鐵路軌道質(zhì)量分析管理、軌道質(zhì)量非線性預(yù)測、大機(jī)搗固經(jīng)濟(jì)優(yōu)化智能決策等技術(shù)，為用戶提供更加直觀的線路質(zhì)量狀態(tài)展示、科學(xué)的大機(jī)搗固計劃建議、維修作業(yè)效果分析等功能。該系統(tǒng)包括運(yùn)維數(shù)據(jù)管理、搗固質(zhì)量指數(shù)查詢與統(tǒng)計、軌道質(zhì)量預(yù)測、大機(jī)搗固維修決策、搗固效果分析5個功能模塊。其中，運(yùn)維數(shù)據(jù)管理功能包括基礎(chǔ)臺賬、軌道檢測、線路通過總質(zhì)量以及維修數(shù)據(jù)的管理；搗固質(zhì)量指數(shù)查詢與統(tǒng)計功能包括搗固質(zhì)量指數(shù)及其劣化率的計算與分布情況；軌道質(zhì)量預(yù)測功能包括全線軌道質(zhì)量預(yù)測以及200 m單元的軌道質(zhì)量發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢；大機(jī)搗固維修決策功能通過設(shè)置搗固方案條件進(jìn)行維修計劃制定；搗固效果分析功能包括作業(yè)質(zhì)量驗收評價和維修效果分析與可視化展示。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 運(yùn)維數(shù)據(jù)管理

鐵路線路運(yùn)維數(shù)據(jù)的儲存和管理是軌道質(zhì)量預(yù)測與維修決策的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)根據(jù)朔黃重載鐵路大機(jī)搗固維修管理實際需求，建立基礎(chǔ)運(yùn)維數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備基礎(chǔ)臺賬、通過總質(zhì)量、軌道檢測、維修歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、趨勢分析及可視化展示，以滿足日常運(yùn)維管理需求。維修信息管理可視化功能以橫軸為里程，縱軸為維修時間，不同顏色的實線表示不同的維修、大修項目。系統(tǒng)以里程為紐帶，將維修信息與設(shè)備基礎(chǔ)臺賬進(jìn)行關(guān)聯(lián)可視化展示，為用戶提供直觀的綜合信息，如圖2所示。此外，在通過總質(zhì)量管理功能中，該系統(tǒng)根據(jù)朔黃鐵路實際運(yùn)營特點將2萬t列車通過總質(zhì)量數(shù)據(jù)納入管理，如圖3所示。運(yùn)維管理者可以通過監(jiān)控大軸重長編組列車的通過總質(zhì)量變化情況適時調(diào)整維修作業(yè)。

圖2 維修數(shù)據(jù)管理

圖3 通過總質(zhì)量數(shù)據(jù)管理

2.2 搗固質(zhì)量指數(shù)查詢與統(tǒng)計

大機(jī)搗固作業(yè)主要用于成段改善高低和軌向不平順，對軌距的改善效果并不明顯。因此，該系統(tǒng)采用改良型大機(jī)搗固質(zhì)量指數(shù)（Machine Tamping Quality Index，MTQI）分析搗固作業(yè)前后及搗固周期內(nèi)軌道質(zhì)量發(fā)展規(guī)律。MTQI值計算式為［5］

式中：σi為軌道各項幾何偏差標(biāo)準(zhǔn)差，i=1，2，…，6，分別為左高低、右高低、左軌向、右軌向、水平、三角坑。

區(qū)別于普速鐵路，重載鐵路具有軸重大、線路劣化速率快等特點。基于朔黃鐵路不同區(qū)段的線路運(yùn)營環(huán)境、通過總質(zhì)量、搗固維修實際情況、軌道質(zhì)量狀態(tài)等因素，將朔黃鐵路分為Ⅰ級、Ⅱ級2個管理等級。對于每個管理等級，通過分析近年來朔黃鐵路不同等級線路區(qū)段軌道質(zhì)量發(fā)展及分布規(guī)律，將軌道質(zhì)量狀態(tài)分為健康、優(yōu)先、預(yù)警、超限四個狀態(tài)等級。Ⅰ級、Ⅱ級線路區(qū)段MTQI管理閾值見表1。

表1 MTQI指數(shù)分級管理標(biāo)準(zhǔn) mm

在同一搗固周期內(nèi)，軌道幾何不平順隨時間的變化可以近似為線性發(fā)展［9］。該系統(tǒng)在前期研究的基礎(chǔ)上［10-11］，采用劣化率k（單位：mm/100 Mt）表征朔黃鐵路200 m單元搗固周期內(nèi)軌道質(zhì)量劣化程度。分析同一搗固周期內(nèi)歷史MTQI隨通過總質(zhì)量的序列數(shù)據(jù)，以通過總質(zhì)量為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的MTQI值為縱坐標(biāo)，進(jìn)行線性擬合得到k。搗固質(zhì)量指數(shù)查詢與統(tǒng)計模塊根據(jù)式（1）對200 m單元MTQI進(jìn)行計算，并計算其劣化率，同時提供MTQI及其劣化率的統(tǒng)計分布分析與統(tǒng)計結(jié)果的可視化展示，如圖4所示。

圖4 搗固質(zhì)量指數(shù)計算與統(tǒng)計展示

2.3 軌道質(zhì)量預(yù)測

隨著通過總質(zhì)量的累積，軌道質(zhì)量由前期的緩慢近似線性劣化逐漸變?yōu)榉蔷€性快速劣化［2-3］。基于前期研究［6-8］，通過分析朔黃鐵路軌道幾何檢測數(shù)據(jù)和線路歷史維修數(shù)據(jù)，采用GM（1，1）灰色非線性預(yù)測理論，建立了朔黃鐵路MTQI值隨通過總質(zhì)量的發(fā)展預(yù)測模型。軌道質(zhì)量預(yù)測功能利用用戶輸入的年通過總質(zhì)量和24個月的朔黃綜合檢測車歷史檢測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和軌道質(zhì)量預(yù)測算法，實現(xiàn)朔黃鐵路未來一年（12個月）MTQI預(yù)測以及200 m單元軌道質(zhì)量歷史趨勢、全線路軌道狀態(tài)色階圖展示，如圖5所示。色階圖以不同顏色展示歷史檢測數(shù)據(jù)及預(yù)測數(shù)據(jù)的健康、優(yōu)先、預(yù)警、超限不同狀態(tài)等級。點擊色階圖中任意色塊，即可查詢該色塊所表示的200 m單元的軌道質(zhì)量發(fā)展趨勢，如圖6所示。

圖5 軌道質(zhì)量色階圖展示

2.4 大機(jī)搗固維修決策

不同的大機(jī)搗固作業(yè)模式（搗固車型號、搗固插鎬方式、作業(yè)遍數(shù)、測量方式、搗固后穩(wěn)定方式等）作業(yè)效果也存在差異。通過分析朔黃鐵路常用的兩種搗固模式（單搗不穩(wěn)定/普起平順/09-32型車和單遍雙搗不穩(wěn)定/普起平順/09-32型車）的軌道質(zhì)量改善情況，建立了不同大機(jī)搗固維修模式的作業(yè)效果模型，見表2。

表2 朔黃鐵路不同大機(jī)搗固維修模式的作業(yè)效果模型

基于軌道質(zhì)量MTQI預(yù)測模型、搗固作業(yè)效果模型和維修經(jīng)濟(jì)成本分析，結(jié)合朔黃鐵路搗固維修實際需求，以搗固維修經(jīng)濟(jì)性和軌道質(zhì)量狀態(tài)的年末保持值的綜合效益為目標(biāo)，建立了有砟軌道全線路搗固維修優(yōu)化決策模型。模型綜合考慮了軌道質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)、天窗時間限制、搗固車調(diào)度要求、不同搗固作業(yè)模型對搗固效果的影響、維修經(jīng)濟(jì)成本、大機(jī)搗固實際情況等因素，在保證線路質(zhì)量的同時充分利用大機(jī)資源，提高大機(jī)搗固維修的經(jīng)濟(jì)性和合理性。基于此模型，研發(fā)了大機(jī)搗固維修決策功能，如圖7所示。該功能基于MTQI全年預(yù)測結(jié)果，通過確認(rèn)維修標(biāo)準(zhǔn)閾值，選擇搗固作業(yè)模式，輸入不維修區(qū)段和必維修區(qū)段以及每月天窗點時間等，設(shè)置搗固方案決策條件，得到線路全年大機(jī)搗固維修計劃建議。

圖7 搗固方案設(shè)置

系統(tǒng)提供初始搗固計劃和優(yōu)化搗固計劃兩個結(jié)果，如圖8所示。其中，初始搗固計劃根據(jù)線路MTQI預(yù)測結(jié)果、維修效果模型及維修成本、不搗固及必?fù)v固區(qū)段、天窗時間限制、大機(jī)調(diào)度限制等，給出未進(jìn)行調(diào)整的理論搗固計劃，該計劃以200 m為最小單元，不能直接用于現(xiàn)場維修計劃的制定。優(yōu)化搗固計劃在初始搗固計劃的基礎(chǔ)上將相近月份需要搗固的200 m單元進(jìn)行整合，對于不適合單獨安排天窗計劃的少量需要搗固的200 m單元，將其安排與就近區(qū)段一并進(jìn)行搗固。工務(wù)維修管理者可根據(jù)實際需求，對優(yōu)化搗固計劃進(jìn)行調(diào)整，以滿足實際決策需求，得到最終的搗固維修計劃，指導(dǎo)大機(jī)搗固維修作業(yè)。

圖8 大機(jī)搗固決策計劃生成

2.5 搗固效果分析

搗固效果分析模塊集成了搗固后的作業(yè)質(zhì)量驗收和搗固維修效果評價功能。根據(jù)維修作業(yè)前后軌道質(zhì)量變化情況，計算200 m單元軌道質(zhì)量改善率（改善量）以及判斷作業(yè)是否達(dá)標(biāo)，并對作業(yè)前后軌道質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計對比分析。圖9為200 m單元搗固作業(yè)前后軌道質(zhì)量變化情況，包括總TQI、總MTQI及TQI各單項的對比。

圖9 搗固作業(yè)前后軌道質(zhì)量對比

基于大量搗固前后軌道質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析搗固前軌道質(zhì)量及其對應(yīng)的搗固后軌道質(zhì)量的分布情況，繪制了搗固維修效果分區(qū)圖。分區(qū)圖從下至上將搗固效果分為優(yōu)秀、良好、合格、不合格4個區(qū)域，便于用戶對維修效果進(jìn)行直觀評價。搗固作業(yè)完成后，根據(jù)各200 m單元維修前后MTQI值，以搗固前MTQI值為橫坐標(biāo)，搗固后MTQI值為縱坐標(biāo)，繪制散點圖，如圖10所示。圖中依次落在優(yōu)秀、良好、合格區(qū)域的點占比越多，表明維修效果越好，落在不合格區(qū)域的點占比越多，表明維修效果欠佳。

圖10 搗固作業(yè)效果評價

3 結(jié)語

優(yōu)化的養(yǎng)護(hù)維修方案應(yīng)當(dāng)基于設(shè)備檢測監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)、維修歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備基礎(chǔ)信息與線路運(yùn)營等多源數(shù)據(jù)的綜合分析，結(jié)合運(yùn)維管理需求和維修經(jīng)濟(jì)性，得出符合決策者期許的養(yǎng)護(hù)維修計劃。而大量數(shù)據(jù)的儲存、處理以及預(yù)測、決策算法的快速實現(xiàn)需要借助計算機(jī)的輔助功能。朔黃鐵路大機(jī)搗固預(yù)測與維修決策系統(tǒng)基于大量運(yùn)維數(shù)據(jù)和搗固維修預(yù)測與決策技術(shù)，搭建多源數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用算法庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化展示，為工務(wù)維修管理者提供與大機(jī)搗固維修作業(yè)有關(guān)的軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)管理、運(yùn)維數(shù)據(jù)綜合處理與分析、搗固計劃制定、作業(yè)質(zhì)量評價分析的全流程信息化、智能化管理，為提高朔黃重載鐵路軌道設(shè)備養(yǎng)修效率、降低運(yùn)維成本提供可靠的平臺支撐。