铁路轨道网格化健康状态综合评定指标体系研究

白 磊，刘仍奎，李 擎，邵 凯，王 妍

(1.北京易华录信息技术股份有限公司，北京 100043；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；3.北京交通大学 交通运输学院，北京 100044)

铁路轨道健康状态评定指标不仅描述铁路轨道设备运行状态，也指导着铁路工务部门维修决策的目标与方向。不合理的状态评定指标体系将会导致不恰当的维修活动。随着我国铁路维修理念逐步向严检慎修、精细修、准确修等转变，如何建立合理的轨道设备状态评定指标体系，使管理者能更全面、更科学地感知轨道设备健康状态，是亟需研究的课题。

铁路轨道是一种典型的线性资产，是多种设备的集合体，包括钢轨、轨枕、道床、联结零件等。铁路现场目前一般按照整条线、区间、里程位置点等不同长度评定轨道内某一类设备状态。轨道健康状态的评定目前存在着评定对象不一致、评定对象的长度不一致等问题。同时，铁路现场目前主要采用病害类型、病害等级、病害数量、病害扣分及轨道质量指数TQI评定轨道设备状态[1-5]。这些状态评定指标主要反映轨道设备在某一时间断面的状态，缺少利用历史状态数据反映趋势变化规律的指标，如缺少反映轨道病害变化快慢的指标。

本文基于铁路基础设施设备网格化管理思想，以轨道网格为对象，从使用性能、结构完整性、安全性和外观4个方面，建立一种新的铁路轨道健康状态综合评定指标体系，实现对铁路轨道健康状态的科学评定。

1 铁路轨道网格及状态评定指标分类

1.1 铁路轨道网格

基于铁路基础设施设备网格化管理思想[6]，把线性、连续的铁路轨道按照200 m的长度，划分成若干相邻、等长的小区段。小区段是钢轨、轨枕、道床、联结零件等设备的集合体。每个小区段称为1个轨道网格。

1)以铁路轨道网格作为基本单元，从传统单独评定各种轨道设备的健康状态，转变为从整体角度衡量轨道设备集合体的健康状态，实现了评定对象的统一。

2)以等长的铁路轨道网格作为基本单元，实现了评定对象长度的统一，提高了评定对象的空间分辨率，使轨道状态在较小的空间范围内能被管理者掌握。轨道网格的长度理论上应充分小，便于管理者更精确地把握轨道健康状态，但应与铁路现有的管理水平与维修能力相匹配。本文将铁路轨道网格长度定为200 m。

1.2 状态评定指标分类

本文借鉴文献[7-9]，提出从使用性能、结构完整性、安全性和外观4个方面，构建轨道网格化状态评定指标体系。上述4类状态评定指标的内涵如下：

1)轨道网格使用性能是指轨道网格为实现列车能以规定速度安全、平稳和不间断地运行的目标，在使用过程中适应或抵抗各种外界作业的能力。本文将从轨道平顺性、动力学性能角度对其进行细化。轨道平顺性类状态指标在铁路现场广泛使用。

2)轨道网格结构完整性是指轨道网格中所含缺陷对安全性、可靠性及其他规定功能要求的影响程度。这类状态评定指标在铁路现场广泛应用，是安排轨道维修活动的重要依据，本文将按设备类别对这些指标进行归纳、整理。

3)轨道网格安全性是指轨道网格免除受铁路行车中断等不可接受风险影响的特性。轨道网格安全性评定指标用于反映轨道设备状态的变化趋势，需积累全生命周期数据才能准确把握。但铁路现行故障修、周期修为主的维修模式侧重于收集分析轨道设备在某一时间断面的状态数据，导致这些安全性类状态评定指标未被广泛使用。随着我国铁路维修模式逐步向精细修、准确修、预防修转变，管理者迫切需要掌握轨道设备健康状态在时间、空间上的演变趋势，安全性类评定指标则能很好地满足管理者需求。

4)轨道网格外观是指轨道网格的外在清洁度与美观程度，应当符合美学原则。保证铁路轨道设备清洁度的目的是使轨道设备在使用过程中不会因污染而缩短规定的使用寿命。在传统铁路轨道设备管理中，这类状态评定指标常常被忽略。但随着我国南方酸雨和北方风沙、雾霾的影响，以及高速铁路逐步投入运营，这类状态评定指标对轨道设备健康状态管理愈发重要。

2 轨道网格化状态综合评定指标体系构成

本文提出的轨道网格化状态综合评定指标体系，是以轨道网格为基本评定单元，从评定轨道网格内所有设备整体表现的角度进行设计的，如表1所示。

表1中的各项轨道网格化状态评定指标含义及其计算方法如下：

2.1 使用性能类评定指标

表1中的使用性能类评定指标有10项，除轨道质量等级TQR外，其余9项使用性能类评定指标在工务相关的标准、规范等管理文件中均有定义，但其计算公式中的长度参数应按照网格200 m长度重新设计，如轨道几何局部超限扣分由以往按 1 000 m 为单位计算，修改为按200 m为单位计算。

轨道质量等级TQR是依据TQI及轨检仪、车载式添乘仪、便携式添乘仪检测出的局部超限病害个数确定的。TQR划分为4个状态等级，TQR等级越高，轨道网格的健康状态越差。表2是兰新铁路TQR的判定依据。

2.2 结构完整性类评定指标

表1中结构完整性类评定指标有4项，除轨道结构指数TSI外，其余3项结构完整性类评定指标的含义在工务相关的标准、规范等管理文件中均有明确说明，但其计算公式中的长度参数应按照网格200 m长度重新设计，如道床病害数由以往按1 000 m为单位统计，修改为按200 m为单位统计。

表1 轨道网格化状态综合评定指标体系

表2 兰新铁路TQR判定依据

TSI是由SADEGHI等[11]提出的用于反映轨道结构质量状态的指标，利用钢轨病害数、联结零件病害数、轨枕病害数与道床病害数计算得到。本文中TSI由文献[11]中按30 m为单位计算修改为按200 m为单位计算。

2.3 安全性类评定指标

1)失效率、使用寿命

失效率、使用寿命的定义与计算方法，在文献[12]中有详细描述，本文中失效率、使用寿命由文献[12]中的按1 000 m为单位计算修改为按200 m为单位计算。

2)平均病害率

轨道网格平均病害率是指轨道网格在单位时间内产生病害的次数，平均病害率较高的轨道网格一般存在较严重的安全隐患。其计算公式为

(1)

3)平均病害间隔时间

轨道网格平均病害间隔时间是指轨道网格产生相邻2次病害之间的平均时间，该指标反映了轨道网格的时间质量，体现了轨道网格在规定时间内保持功能的一种能力。其计算公式为

(2)

式中：MTBF(t)为轨道网格平均病害间隔时间;M(t)为轨道网格内各设备病害在时间跨度t内的发生次数。

4)病害重复度

轨道网格病害重复度是指轨道网格在一定时间范围内出现相同病害的次数。若该指标值较高，说明之前维修质量存在问题，或设备病因未诊断清楚，维修活动安排不合理，存在较严重的安全隐患等。其计算公式为

(3)

5)病害集中度

轨道网格病害集中度是指轨道网格在一定时间范围内单位长度产生病害的数量，用于衡量轨道网格病害在空间上密集发生的程度。其计算公式为

(4)

6)平均维修时间

轨道网格平均维修时间是指轨道网格内各设备病害从发现到被维修整治的平均时间。其计算公式为

(5)

2.4 外观类评定指标

1)道床脏污率在工务相关的标准、规范等管理文件中有明确定义，其指标以200 m为单位计算。

2)本文提出的钢轨表面清洁度是指200 m网格长度内的钢轨表面被颗粒粉尘、泥土等杂物污染的程度。钢轨表面清洁度等级可分为较差、中等、良好，等级划分的阈值可根据铁路现场实际情况确定。

3)本文提出的轨道结构表面脏污程度是指200 m网格长度内的轨枕、联结零件及防爬设备表面被泥土等杂物污染的程度。轨道结构表面脏污程度等级可分为较差、中等、良好，等级划分的阈值可根据铁路现场实际情况确定。

3 应用实例

3.1 背景介绍

选取兰新铁路上下行K548+000—K985+600 范围内的 1 447 个轨道网格为研究对象，选用这些轨道网格2016年3月份的状态评定指标数据，验证文中提出的轨道健康状态综合评定指标体系的有效性。由于受实际收集到的数据限制，本节选用7个状态评定指标综合衡量轨道网格状态，记为X=(x1,x2,…,x7)T，如表3所示。

表3 选取的轨道网格化状态评定指标

3.2 状态评定指标计算

对兰新铁路 1 447 个轨道网格在2016年3月份的各项状态评定指标进行了计算。表4展示了兰新铁路2016年3月份部分轨道网格的状态评定指标数据。

3.3 与现有铁路轨道质量评定方法对比

在我国铁路养护维修实际管理中，目前主要采用轨道质量指数TQI单一状态评定指标来评定轨道区段整体质量的好坏。目前兰州铁路局在TQI基础上，增加了对局部超限病害个数的考虑，提出采用轨道质量等级TQR评定轨道线路整体质量。当轨道网格TQR=4时，需及时安排养护维修活动。

表5是1 447个轨道网格中的10个TQR值较小但病害数变化较快的轨道网格。1 447个轨道网格的病害变化率最大值为29,这10个轨道网格的病害变化率都比较大，但其TQI，TQR和结构性病害数、平均病害率都比较小。

表4 兰新线2016年3月份轨道网格状态评定指标数据

表5 10个TQR值较小但病害数变化较快的轨道网格

如果管理者按照兰州局现有铁路轨道质量评定方法，依据TQR大小安排铁路轨道维修，表 5中的10个轨道网格的TQR≤2，不会被优先安排养护维修。但实际上，这些轨道网格的病害数变化较快，存在较高的安全隐患，应该及时优先安排维修。

由上述可知，只按照某单项状态评定轨道设备健康状态，管理者可能会漏判、误判轨道薄弱地段，导致过度修、欠维修等不恰当的维修活动，使有限的维修资源无法合理分配。管理者应依据轨道网格化健康状态综合评定指标体系，从多个侧面综合评定轨道网格健康状态。

4 结语

本文基于铁路基础设施设备网格化管理思路，将铁路线路划分为连续的200 m的轨道网格，提出了一种基于网格的铁路轨道健康状态综合评定指标体系，更全面、更科学地从多个维度评定轨道设备健康状态，使管理者能够在较高的空间分辨率下把握铁路轨道健康状态，为轨道维修计划的优化编制奠定了基础。此外对构建其他线性资产(如道路、管道)健康状态评定指标体系具有较好的参考性。采用该状态综合评定指标体系对兰新铁路的实际数据进行了评定，并将评定结果与现有铁路轨道质量评定方法进行了对比，验证了该状态综合评定指标体系的有效性。

铁路轨道网格化健康状态综合评定指标体系目前已在兰州铁路局嘉峪关工务段试用，并取得了较好的效果。随着用户反馈，还将不断完善该指标体系。结合本文提出的轨道健康状态综合评定指标体系，如何构建轨道健康状态综合评定模型，是下一步的研究方向。

[1]中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号 铁路线路修理规则[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[2]中华人民共和国铁道部.铁运[2012]83号 高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2012.

[3]中华人民共和国铁道部.铁运[2013]29号 高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2013.

[4]胡永乐,徐鹏.南昌铁路局线路单元质量评价方法[J].铁道建筑,2017，57(3):114-117.

[5]沈坚锋,许玉德,李海锋,等.轨道几何状态综合评价指标参数权重的敏感性分析[J].同济大学学报(自然科学版),2015，43(11):1709-1714.

[6]LIU R,BAI L,WANG F,et al.Grid:A New Theory for High-speed Railway Infrastructure Management[C]// Transportation Research Board 94th Annual Meeting.Washington DC:Transportation Research Board,2015.

[7]DURANGO-COHEN P L.A Time Series Analysis Framework for Transportation Infrastructure Management[J].Transportation Research Part B:Methodological,2007,41(5):493-505.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 21562—2008(IEC 62278:2002) 轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例[S].北京：中国标准出版社,2008.

[9]许萌,李执力,王鹏.武器装备的“五性”工作研究[J].国防技术基础,2009(9):26-29.

[10]中华人民共和国铁道部.运基线路[2009]41号 既有线轨道不平顺质量指数标准及管理暂行办法[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[11]SADEGHI J M,ASKARINEJAD H.Development of Ttrack Condition Assessment Model Based on Visual Inspection[J].Structure and Infrastructure Engineering,2011,7(12):895-905.

[12]BAI L,LIU R,WANG F,et al.Estimating Railway Rail Service Life:A Rail-grid-based Approach[J].Transportation Research Part A:Policy and Practice,2017,105:54-65.