鐵路橋梁設(shè)備運維單元化管理研究與應(yīng)用

李 林,郭心全,沈 鹍,吳 霞,李 娟

（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術(shù)研究所,北京 100081）

0 引言

截至2022 年底，我國鐵路運營里程達15.5 萬千米，其中高速鐵路運營里程達4.2 萬千米[1]。橋梁是鐵路的重要技術(shù)設(shè)備，廣泛存在于我國已建成或正在建設(shè)的鐵路項目中。根據(jù)2022 年鐵路工務(wù)專業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國鐵路橋梁總數(shù)約9.3 萬座，累計長度3.2 萬千米，鐵路橋梁總里程約占鐵路總里程的21%。橋梁設(shè)備的質(zhì)量狀態(tài)是列車正常運行的關(guān)鍵[2]，隨著列車的大提速、運輸強度的提高和橋梁設(shè)備使用期限的延長，橋梁設(shè)備病害問題已然成為制約鐵路快速發(fā)展的關(guān)鍵。隨著設(shè)備快速增加，從業(yè)人員的不斷減少，對橋梁設(shè)備進行信息化建設(shè)工作勢在必行。進一步加深信息化建設(shè)水平，使得系統(tǒng)具備準確定位病害位置、比較與評估設(shè)備歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)等功能，有助于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患，對于橋梁設(shè)備精準運維有著重要意義。

針對當前橋梁設(shè)備管理弊端和《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡稱：十四五鐵路規(guī)劃）[3]要求，研究提出了橋梁設(shè)備單元化管理建設(shè)方案，并基于橋隧子系統(tǒng)進行了設(shè)備單元化管理。橋梁設(shè)備單元化管理是指將空間上連續(xù)分布的橋梁設(shè)備劃分成多個連續(xù)分布的較小單元，從而實現(xiàn)從空間位置方面研究設(shè)備狀態(tài)變化規(guī)律的管理方法。經(jīng)應(yīng)用實踐表明：橋梁設(shè)備單元化管理能夠更全面地掌握每一個設(shè)備單元的臺賬數(shù)據(jù)，更精準地定位病害位置，更精確地找到設(shè)備的安全隱患，有助于提升安全生產(chǎn)檢查的精確度和橋梁設(shè)備快速維修保養(yǎng)水平，進一步提高橋梁設(shè)備的精細化管理水平。

1 橋梁設(shè)備信息管理及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前由于投入不足，我國橋梁設(shè)備維修保養(yǎng)工作未能有效地預防和控制病害的發(fā)生或減緩其發(fā)展過程，新增的橋梁病害仍呈增長趨勢。為了有針對性地進行設(shè)備保養(yǎng)和維修，提高投資準確率，橋梁設(shè)備管理部門需要依據(jù)秋季設(shè)備大檢查（簡稱：秋檢）數(shù)據(jù)匯總的病害庫和劣化率，精確地安排鐵路橋梁設(shè)備大修計劃。鑒于目前的橋梁養(yǎng)修能力，需要以更加精細化的橋梁設(shè)備管理為前提。

1.1 設(shè)備信息管理現(xiàn)狀

目前橋梁設(shè)備臺賬信息錄入于鐵路工務(wù)設(shè)備管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)（Permanent Way Mangement Information System，PWMIS）系統(tǒng)演變而來，對橋梁設(shè)備分主次表進行管理，其中主表用于對設(shè)備整體數(shù)據(jù)進行管理，次表用于對橋梁設(shè)備按照孔別進行分段管理。

1.2 設(shè)備信息應(yīng)用現(xiàn)狀

橋梁設(shè)備臺賬信息主要用于掌握橋梁設(shè)備資產(chǎn)和生產(chǎn)作業(yè)。工務(wù)安全生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)橋隧子系統(tǒng)（簡稱：橋隧子系統(tǒng)）是在全路推廣的管理工務(wù)橋梁設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)組織流程的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)已實施近5 年[4]，系統(tǒng)中橋梁設(shè)備健康狀態(tài)管理方法雖然對保持良好的設(shè)備狀態(tài)質(zhì)量、保證行車安全和不間斷運行起到一定作用，但依然存在可進一步改善的方面。例如：現(xiàn)有的橋梁設(shè)備狀態(tài)評定方法，主要是結(jié)合每年秋檢數(shù)據(jù)對整座橋梁設(shè)備按照檢測項目（包括明橋面、鋼梁、混凝土梁、支座、墩臺基礎(chǔ)等）分別評定其等級，并以劣化程度最嚴重項目的等級，作為整座橋梁設(shè)備的劣化等級。顯然，這種粗放式的基于整座設(shè)備的狀態(tài)評定方法對于長大橋梁設(shè)備是不合理的，且難以實現(xiàn)對橋梁病害位置的精確定位[5-6]。當前，橋隧子系統(tǒng)內(nèi)部積累的大量橋梁設(shè)備秋檢數(shù)據(jù)顯示，病害橋梁約占橋梁總數(shù)的20%，且新生病害仍在不斷增長[7]。考慮上述實際情況，若仍采用既有狀態(tài)評定方法則難以為橋梁設(shè)備的維護提供科學合理的狀態(tài)依據(jù)。

2 橋梁設(shè)備單元劃分設(shè)計

為了滿足鐵路運輸發(fā)展和行車安全的需要，鐵路橋梁設(shè)備必須具有更高的承載力、更好的完整性和更強的抗災(zāi)能力，這對橋梁設(shè)備管理提出了更高的要求。針對當前橋梁設(shè)備管理弊端和十四五鐵路規(guī)劃要求，提出了橋梁設(shè)備單元化建設(shè)方案，并基于橋隧子系統(tǒng)進行了設(shè)備單元化管理。在進行單元化建設(shè)時，需明確橋梁設(shè)備單元劃分原則，為保證單元劃分的合理性和科學性，方便后期組織生產(chǎn)作業(yè)[8-10]，必須要全面考慮影響單元劃分的各類因素，例如：橋梁設(shè)備的工程建設(shè)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、常見病害產(chǎn)生部位及原因、維修保養(yǎng)標準等。

對現(xiàn)有橋梁設(shè)備臺賬進行核定，處理臺賬數(shù)據(jù)問題，建立橋梁設(shè)備單元劃分原則，基于該劃分原則并依托系統(tǒng)劃分橋梁設(shè)備單元，實現(xiàn)橋梁設(shè)備單元化管理和應(yīng)用。橋梁設(shè)備單元劃分流程如圖1 所示。

圖1 橋梁設(shè)備單元劃分

橋梁單元依據(jù)線路類型、設(shè)備分類、材質(zhì)、孔數(shù)和維修長度五個指標進行劃分。其中線路類型含普速和高速；設(shè)備分類含小橋、中橋、大橋和特大橋；材質(zhì)含圬工、鋼梁和結(jié)合；孔數(shù)含單孔和多孔；維修長度與孔數(shù)相關(guān)，例如：1 孔、2 孔、5 孔等，都可以視作維修長度。

橋梁單元劃分原則如下：

原則1：五孔一單元，同一個單元材質(zhì)必須相同；

原則2：一孔存在不同行別按一孔計算；

原則3：一孔存在不同行別，且橋梁種類不一樣，按照材質(zhì)進行劃分。

依托橋隧子系統(tǒng)對橋梁設(shè)備設(shè)置默認劃分和自定義劃分兩種方式。

（1）默認劃分。默認劃分以ω表示默認值，即一單元所需孔數(shù)，默認為5，同種材質(zhì)最后一單元孔數(shù)不足默認值ω則自成一個單元。第i單元起始位置孔數(shù)為上一單元終止孔數(shù)+1，終止位置孔數(shù)Li如公式（1）所示，其中第一個單元起始位置孔數(shù)L0值為1；ki（i=1,2,3,……）表示劃分第i單元時相同材質(zhì)的橋梁橋孔數(shù)量。

以京廣線1123 號（漢水）大橋為例，該橋共10 孔，其中1 孔材質(zhì)為圬工，2～8 孔材質(zhì)為鋼梁，9～10 孔材質(zhì)為圬工，劃分效果如表1 所示。

表1 京廣線1123 號（漢水）橋

（2）自定義劃分。自定義劃分方法是在默認劃分的基礎(chǔ)上提供自定義設(shè)置單元起始和終止位置，且可自定義默認值以適應(yīng)于各鐵路局集團公司工務(wù)站段實際情況。

3 應(yīng)用實踐

圍繞當前鐵路橋梁設(shè)備管理的新需求，將單元化建設(shè)方法引入到鐵路橋梁設(shè)備管理方面，推動橋梁設(shè)備由粗放型管理向精細化管理轉(zhuǎn)變。

3.1 單元劃分

基于橋梁設(shè)備既定單元劃分規(guī)則，依托橋隧子系統(tǒng)實現(xiàn)橋梁設(shè)備單元劃分，橋梁設(shè)備整座、單元分級管理，精細化評定設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)，并依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特性提供自定義單元劃分和自動默認劃分功能。以廣州鐵路局集團公司長沙工務(wù)段為例，橋梁單元劃分系統(tǒng)實現(xiàn)如圖2 和圖3 所示。

圖2 橋隧子系統(tǒng)單元劃分

圖3 橋梁單元自定義劃分

單元劃分后，管理對象由傳統(tǒng)的設(shè)備整體轉(zhuǎn)變成若干設(shè)備單元，可以起到“精準定位，細化目標”的效果。尤其針對長大橋梁設(shè)備的，設(shè)備單元化管理更方便定位病害位置，更高效地輔助設(shè)備安全生產(chǎn)作業(yè)。

3.2 統(tǒng)計分析

根據(jù)全路橋梁設(shè)備單元劃分所遇問題抽象統(tǒng)計，以單位為導向，結(jié)合設(shè)備單元歷史狀態(tài)信息，統(tǒng)計當前橋梁設(shè)備單元劃分時出現(xiàn)的設(shè)備臺賬維護問題（含臺賬數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)不準等），可反向提高設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)精確度，保障源頭數(shù)據(jù)的高質(zhì)量，使得設(shè)備掌控更準確。

以組織機構(gòu)及線路信息為導向，依據(jù)橋梁設(shè)備單元劃分結(jié)果和橋梁檢查病害庫自動匯總橋梁設(shè)備單元數(shù)、劣化數(shù)和單元劣化率。通過分析設(shè)備單元病害發(fā)生機理和演化規(guī)律，能夠更合理地評定整個橋梁健康狀態(tài)和各個部位的劣化等級，有針對性地安排維修作業(yè)，及時消除安全隱患。

4 應(yīng)用效果

橋梁設(shè)備單元化已于2022 年相繼在全國各鐵路局集團公司工務(wù)橋梁管理部門進行了部署應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，橋梁設(shè)備單元化管理功能可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實際狀態(tài)進行精準分析、準確評價，有針對性輔助下達維修保養(yǎng)計劃，具體效果如下：

4.1 源頭數(shù)據(jù)更準確

根據(jù)全路橋梁設(shè)備單元劃分所遇問題抽象統(tǒng)計，以單位為導向，結(jié)合設(shè)備單元歷史狀態(tài)信息，統(tǒng)計當前橋梁設(shè)備單元劃分時出現(xiàn)的設(shè)備臺賬維護問題（含臺賬數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)不準等），反向提高設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)精確度、完善設(shè)備信息，避免了因數(shù)據(jù)準確性問題導致的錯誤決策，保障了源頭數(shù)據(jù)的高質(zhì)量，使得設(shè)備掌控更準確。

4.2 生產(chǎn)作業(yè)更高效

以組織機構(gòu)及線路信息為導向，依據(jù)橋梁設(shè)備單元劃分結(jié)果和橋梁檢查病害庫自動匯總橋梁設(shè)備單元數(shù)、劣化數(shù)和單元劣化率。通過研究每個設(shè)備單元的劣化率，可以找出設(shè)備單元的病害發(fā)生機理和演化規(guī)律，能夠更合理地評定整個橋梁健康狀態(tài)和各個部位的劣化等級，有助于快速掌握設(shè)備狀態(tài)、準確定位設(shè)備病害、及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患，針對性地安排維修作業(yè)，及時消除安全隱患，高效的輔助設(shè)備安全生產(chǎn)作業(yè)。

4.3 設(shè)備管理更精細

當前，我國鐵路發(fā)展迅速，長大橋梁越來越多，這對橋梁信息化管理提出了更高的要求，整座設(shè)備管理和評價已經(jīng)不能滿足要求。橋梁設(shè)備單元化管理將長大橋梁切割為小的單元，有助于橋梁設(shè)備管理的精細化，提升設(shè)備管理效能。

4.4 設(shè)備檢查更精確

對于長大橋梁切分為小的單元進行管理，使得設(shè)備檢查落到橋梁單元上，能夠精確化的檢查橋梁設(shè)備，提高設(shè)備檢查的效率。

4.5 隱患定位更精準

橋梁設(shè)備單元化管理可以使得設(shè)備管理精細化和設(shè)備檢查精確化，進而提高設(shè)備安全隱患的精確定位，有助于高效地制定橋梁設(shè)備大維修計劃，輔助及時消除隱患，提升橋梁設(shè)備質(zhì)量。

5 結(jié)束語

新時代國內(nèi)城市化進展迅速，各地區(qū)的鐵路橋梁工程項目逐漸增多[11]。精細化設(shè)備管理對后期橋梁設(shè)備運營養(yǎng)護維修至關(guān)重要。該文旨在將單元化管理理念引入到橋梁設(shè)備管理方面，推進橋梁設(shè)備管理方式由傳統(tǒng)粗放式管理向精細化管理方向轉(zhuǎn)變。通過分析當前橋梁設(shè)備管理弊端和十四五鐵路規(guī)劃要求，提出了橋梁設(shè)備單元化建設(shè)方案，并依托橋隧子系統(tǒng)實現(xiàn)了在全國鐵路范圍的應(yīng)用，經(jīng)過現(xiàn)場實際應(yīng)用表明橋梁設(shè)備單元化管理可以使橋梁設(shè)備管理精細化、定位精準化、檢查精確化，有助于全面分析各類橋梁病害問題產(chǎn)生的根源和演變機理，更高效地安排維修工作，輔助及時消除設(shè)備安全隱患，提高設(shè)備安全生產(chǎn)檢查的精準度。