基于层次分析法的重载铁路线路状态评价方法

2022-09-05高林枫

铁道建筑 2022年8期

高林枫

国能朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司，河北肃宁 062350

重载运输是世界铁路货运的重要发展方向，其具有运输繁忙、运能大、运输成本低等特点。增大轴重能够明显提高运能和运输效益，但是列车作用于线路设备的荷载和作用次数随之增大，设备劣化速率加快，病害明显增加，养护维修费用大幅增加。货车轴重增加20%，相应的维护成本增加66%［1］。为获得大轴重重载运输经济效益，除强化线路设备外，还须改进线路设备养护维修技术，合理控制维修费用。传统的养护维修是以周期修为主，主要是解决突出问题，存在过度修或欠修问题［2］，急需革新，使之与当前重载铁路的发展水平相匹配。

我国铁路检测技术快速发展，积累了大量养护维修的检测数据，但是对数据尚未充分利用，应建立有效的养护维修策略，使养护维修工作量与作业能力相匹配。对铁路线路状态的研究大多只侧重线路几何状态，指标较单一，难以全面反映铁路整体状态水平。在线路设备质量等级管理方法中，采用线路质量等级指标（Track Quality Grade Index，TQGI）［3］衡量线路养护维修状态。本文根据现有数据，运用层次分析法建立TQGI体系，进行线路质量等级划分，以实现科学派工，高效作业，提高养护维修质量，使重载铁路运输效益得到提升。

1 T QGI体系的建立

1.1 构建原则

1）科学性与可选取性。指标概念要有明确科学内涵，指标选取需依据现有条件，避免过于复杂或数据难以获取。

2）系统性与独立性。铁路线路是个复杂的系统，有许多数据可以反映线路的状态水平。指标的选取既要反映系统的各个方面，又要体现其相关性。

1.2 层次结构的确定

重载铁路的检测数据主要包括轨道几何状态数据、轨道结构状态数据。轨道几何状态数据主要有综合轨检车数据、动态偏差、轨检仪数据等。结构状态数据主要为钢轨、道床结构、轨枕、联结零件等的检测数据。为全面评价线路质量等级并充分利用现有检测数据，建立了两类三层的重载铁路TQGI体系。两类为轨道几何状态指标（Track Geometry Index，TGI）和轨道结构状态指标（Track Structure Index，TSI），三层为目标层、准则层、指标层。

1.3 评价指标的选取

1.3.1 T GI的选取及计算方法

轨道几何状态反映了线路的平顺性，是列车安全行驶的重要保证。为全面评价轨道几何状态，结合现有数据及高速铁路的相关指标，选取了轨道质量指数TQI、轨道质量指数变化率RTQI［单位时间内（通常是一个月）TQI的变化量与前一次检测的T＇QI之比］、几何状态超限C、动态偏差T四个指标，并根据实际数据对其分别扣分。

计算公式为

式中，G（）为TGI的扣分函数。

1.3.2 T SI的选取及计算方法

重载铁路结构病害主要来自钢轨系统（钢轨损伤、接头损伤等）、联结零件系统（扣件缺失、扣件设置不合规定等）以及道床系统（翻浆冒泥、砂浆溢出等）。因此选取钢轨系统状态指标（Rail Condition Index，RCI）、联结零件系统状态指标（Joint Part Condition Index，JPCI）及道床系统状态指标（Track Bed Condition Index，TBCI）评价轨道结构状态。

依据扣分标准对三个指标扣分，计算公式为

式中，S（）为TSI的扣分函数。

1.4 指标扣分标准的确定

现有重载铁路线路养护维修主要采用单元修，即先进行单元（线路单元和道岔单元）划分，然后根据扣分划分单元等级，最后按等级确定养护维修的地点和方式。

计算扣分时，线路单元和道岔单元的扣分标准不同。本文根据TG/GW102—2019《普速铁路线路修理规则》以及重载铁路实际养护维修办法，确定线路单元与道岔单元质量等级评价指标的扣分标准。

线路单元轨道几何状态、结构状态评价指标扣分标准分别见表1、表2。道岔单元轨道几何状态评价指标扣分标准见表3。道岔单元轨道结构状态评价指标扣分标准与线路单元一致。

表1 线路单元轨道几何状态评价指标扣分标准

表2 线路单元轨道结构状态评价指标扣分标准

表3 道岔单元轨道几何状态评价指标扣分标准

1.5 重载铁路T QGI体系的建立

三层次七指标的重载铁路TQGI体系见表4。

表4 重载铁路T QGI体系

TGI的扣分函数可表示为

式中：w1i为TGI中第i项的权重，i=1，2，3，4；u1i为TGI中第i项的扣分值，u1i取值范围为0~100，u1i大于100时，取100。

TSI的扣分函数可表示为

式中：w2j为TSI中第j项的权重，j=1，2，3；u2i为TSI中第j项的扣分值，u2j取值范围为0~100，u2j大于100时取100。

TQGI的计算公式为

式中：w1为TGI的权重，w2为TSI的权重，w1+w2=1。

1.6 线路质量等级划分

根据TQGI将线路质量等级从高到低划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级。线路单元、道岔单元质量等级划分标准分别见表5和表6。

表5 线路单元质量等级划分标准

表6 道岔单元质量等级划分标准

2 评价指标权重的确定

2.1 权重的确定方法

层次分析法能够通过层次分解将复杂目标简化为对多个指标的判断，从而能够较清楚、系统、简便地评价目标。具体步骤如下：

1）建立层次结构模型（参见表4）。

2）构造判断矩阵。判断矩阵主要是由专家对两因素的相对重要性进行判断，从而确定指标的标度值。判断矩阵元素a k l的标度方法见表7。

表7 判断矩阵元素a kl的标度方法

2.2 准则层权重的确定

准则层的判断矩阵见表8。运用层次分析法计算可知：准则层w1=0.9，w2=0.1。

表8 准则层判断矩阵

2.3 T GI权重的确定

TGI的判断矩阵见表9。运用层次分析法计算可知：TGI各指标的权重w11=0.16，w12=0.16，w13=0.40，w14=0.28；一致性比率CR=0.022 7＜0.1，通过一致性检验。

表9 T GI的判断矩阵

2.4 T SI权重的确定

TSI的判断矩阵见表10。运用层次分析法计算可知：TSI各指标的权重w21=0.24，w22=0.14，w23=0.62；CR=0.017 6＜0.1，通过一致性检验。

表10 T SI的判断矩阵

将准则层权重与指标层各指标的权重相乘，可得指标层对目标层的权重，见表11。

表11 指标层对目标层的权重

3 指标权重的敏感性分析

敏感性分析是分析不同指标权重的变化对线路状态评估结果的影响，对各指标的权重进行修正，以更合理评价线路状态。权重反映的是指标对目标值的影响程度，权重越大，对目标值的影响程度越大，则敏感性越高［4］。由于TSI指标权重只占0.1，影响较小，故仅对TGI指标的权重进行敏感性分析。

采用摄动法［5］进行敏感性分析。权重摄动量以0.04为基本单位，准则层权重不变，通过对TQI与RTQI以及C与T进行对比，计算每种权重下TQGI，统计不同等级线路的比例。采用的数据为朔黄铁路上行线K154+000—K191+000区段2021年3—6月综合轨检车数据、动态偏差数据和轨检仪数据。

3.1 T QI、R TQI的权重分析

改变TQI、RTQI权重，其余指标权重保持不变（参见表11）。不同TQI、RTQI权重组合下各等级线路占比见表12。各等级线路占比随权重组合的变化曲线见图1。

表12 不同T QI、R TQI权重组合下各线路等级占比

图1 各等级线路占比随权重组合的变化曲线

由表12和图1可知：①随着TQI权重增大，RTQI权重不断减小，Ⅰ级线路占比总体上在不断减小，Ⅱ级线路占比总体上在不断增加，Ⅲ级和Ⅳ级线路占比总体上在缓慢增长。原因是TQI权重增大，则TQI扣分变多，许多Ⅰ级线路就变为Ⅱ级线路。而Ⅲ级线路与Ⅳ级线路的标准较宽松，其占比总体上只是缓慢增长。理论上，任一指标的权重增加或减少时，都会使Ⅰ级线路占比减少或增大。但TQI权重增大，RTQI权重减小，二者权重之和保持不变时，Ⅰ级线路占比减小，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级线路占比增加，这说明TQI的敏感性比RTQI强。②第6种权重组合（TQI权重为0.20、RTQI权重为0.12）时占比曲线出现拐点，此时Ⅰ级、Ⅱ级线路占比变化最大，这说明TQI、RTQI的初始权重不够合理，需重新按照5∶3（即第6种组合的权重）进行分配。

3.2 C、T的权重分析

不同C、T权重组合下各等级线路占比见表13，各等级线路随权重组合的变化曲线见图2。

由表13和图2可知：①随着C权重增大，T权重减小，Ⅰ级线路占比先减小然后趋于稳定，Ⅱ级线路占比先增大然后趋于稳定，Ⅲ级线路占比先不变然后缓慢增长至稳定，Ⅳ级线路占比整体比较稳定。②权重增大意味着增大该指标扣分值，降低Ⅰ线路比例；反之，权重减小会提高Ⅰ级线路比例。C权重增大Ⅰ级线路占比减小，T权重增大Ⅰ级线路占比却增大，这表明C的敏感性比T强。③第11种权重组合（C权重为0.40，T权重为0.28）时占比曲线出现拐点，此时Ⅰ级、Ⅱ级线路占比变化最大，与第10种权重组合相比，Ⅰ级占比减小了5.95%、Ⅱ级线路占比增大了3.96%。故C、T权重之比宜为10∶7（即第11种组合的权重）。