朔黄铁路大机捣固预测与维修决策系统研发

徐菲 曲建军 龙亦语

中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081

重载铁路具有运输能力大、运输成本低等特点，在煤炭、钢铁、粮食等大宗货物长距离运输中起到骨干作用，是货物运输的发展方向。朔黄重载铁路是我国西煤东运的第二大通道，2009年开始进行3.5亿t扩能改造工程，2016年规模化开行2万t大轴重列车，2021年煤炭运输量已达3.64亿t［1］。随着朔黄铁路车辆轴重、年运量不断增加，线路设备劣化速率加快，工务维修面临新的挑战。

有砟线路道床残余累积变形是影响轨道几何状态的重要因素，应用大型养路机械进行捣固维修是恢复轨道几何状态的有效手段［2］。然而大机捣固维修作业需要投入大量的人力和物力资源，维修经费高昂，是每年铁路工务部门的重要支出之一。目前，朔黄铁路采用周期修进行大机捣固作业，重车线捣固周期大致为每年一次，未能实现基于轨道检测数据进行状态预测并制定维修计划，线路欠维修、过维修现象仍然存在。

世界铁路发达国家的工务部门在预防性维修体制的基础上发展了轨道状态分析和预测与辅助决策管理系统。具有代表性的包括美国Bentley公司研发的Optram软件系统、美国ENSCO公司研发的AMA（Automated Maintenance Advisor）智能维修决策系统、国际铁路联盟（International Union of Railways，UIC）研发的ECOTRACK轨道维修管理系统［3-4］。这些系统将轨道状态数据和运营维护数据与数据分析方法结合起来，建立轨道状态劣化数学模型，合理制定轨道维修计划指导养护维修，并对作业后线路状态进行验收评价，有效降低维修成本，实现工务养护维修作业的科学闭环管理，对线路设备运维管理的智能化具有很好的借鉴意义。

随着朔黄综合检测列车的应用，朔黄铁路已经积累了大量的轨道检测数据、维修历史数据、通过总质量数据、基础台账等。课题组基于线路运维数据，引入故障预测与健康管理技术和经济维修理念，开展了朔黄铁路轨道质量分级管理标准、轨道质量发展规律预测、大机捣固经济维修决策等技术研究［5-8］。在前期研究的基础上，研发朔黄铁路大机捣固预测与维修决策系统。该系统集成线路运维数据管理、轨道状态预测分析、大机捣固经济维修决策、捣固作业效果分析等功能，为合理规划大机捣固维修资源、科学制定捣固维修计划、有效管控大机捣固作业效果提供智能化管理工具。

1 系统架构

朔黄铁路大机捣固预测与维修决策系统通过综合分析轨道不平顺动态检测数据、维修历史数据、线路通过总质量数据以及台账基础数据，结合朔黄铁路大机捣固维修与管理实际需求，集成了朔黄铁路轨道质量分析管理、轨道质量非线性预测、大机捣固经济优化智能决策等技术，为用户提供更加直观的线路质量状态展示、科学的大机捣固计划建议、维修作业效果分析等功能。该系统包括运维数据管理、捣固质量指数查询与统计、轨道质量预测、大机捣固维修决策、捣固效果分析5个功能模块。其中，运维数据管理功能包括基础台账、轨道检测、线路通过总质量以及维修数据的管理；捣固质量指数查询与统计功能包括捣固质量指数及其劣化率的计算与分布情况；轨道质量预测功能包括全线轨道质量预测以及200 m单元的轨道质量发展历史与发展趋势；大机捣固维修决策功能通过设置捣固方案条件进行维修计划制定；捣固效果分析功能包括作业质量验收评价和维修效果分析与可视化展示。系统功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构

2 系统功能设计

2.1 运维数据管理

铁路线路运维数据的储存和管理是轨道质量预测与维修决策的基础。该系统根据朔黄重载铁路大机捣固维修管理实际需求，建立基础运维数据库，对设备基础台账、通过总质量、轨道检测、维修历史数据进行查询、统计、数据关联、趋势分析及可视化展示，以满足日常运维管理需求。维修信息管理可视化功能以横轴为里程，纵轴为维修时间，不同颜色的实线表示不同的维修、大修项目。系统以里程为纽带，将维修信息与设备基础台账进行关联可视化展示，为用户提供直观的综合信息，如图2所示。此外，在通过总质量管理功能中，该系统根据朔黄铁路实际运营特点将2万t列车通过总质量数据纳入管理，如图3所示。运维管理者可以通过监控大轴重长编组列车的通过总质量变化情况适时调整维修作业。

图2 维修数据管理

图3 通过总质量数据管理

2.2 捣固质量指数查询与统计

大机捣固作业主要用于成段改善高低和轨向不平顺，对轨距的改善效果并不明显。因此，该系统采用改良型大机捣固质量指数（Machine Tamping Quality Index，MTQI）分析捣固作业前后及捣固周期内轨道质量发展规律。MTQI值计算式为［5］

式中：σi为轨道各项几何偏差标准差，i=1，2，…，6，分别为左高低、右高低、左轨向、右轨向、水平、三角坑。

区别于普速铁路，重载铁路具有轴重大、线路劣化速率快等特点。基于朔黄铁路不同区段的线路运营环境、通过总质量、捣固维修实际情况、轨道质量状态等因素，将朔黄铁路分为Ⅰ级、Ⅱ级2个管理等级。对于每个管理等级，通过分析近年来朔黄铁路不同等级线路区段轨道质量发展及分布规律，将轨道质量状态分为健康、优先、预警、超限四个状态等级。Ⅰ级、Ⅱ级线路区段MTQI管理阈值见表1。

表1 MTQI指数分级管理标准 mm

在同一捣固周期内，轨道几何不平顺随时间的变化可以近似为线性发展［9］。该系统在前期研究的基础上［10-11］，采用劣化率k（单位：mm/100 Mt）表征朔黄铁路200 m单元捣固周期内轨道质量劣化程度。分析同一捣固周期内历史MTQI随通过总质量的序列数据，以通过总质量为横坐标，对应的MTQI值为纵坐标，进行线性拟合得到k。捣固质量指数查询与统计模块根据式（1）对200 m单元MTQI进行计算，并计算其劣化率，同时提供MTQI及其劣化率的统计分布分析与统计结果的可视化展示，如图4所示。

图4 捣固质量指数计算与统计展示

2.3 轨道质量预测

随着通过总质量的累积，轨道质量由前期的缓慢近似线性劣化逐渐变为非线性快速劣化［2-3］。基于前期研究［6-8］，通过分析朔黄铁路轨道几何检测数据和线路历史维修数据，采用GM（1，1）灰色非线性预测理论，建立了朔黄铁路MTQI值随通过总质量的发展预测模型。轨道质量预测功能利用用户输入的年通过总质量和24个月的朔黄综合检测车历史检测数据，通过数据预处理和轨道质量预测算法，实现朔黄铁路未来一年（12个月）MTQI预测以及200 m单元轨道质量历史趋势、全线路轨道状态色阶图展示，如图5所示。色阶图以不同颜色展示历史检测数据及预测数据的健康、优先、预警、超限不同状态等级。点击色阶图中任意色块，即可查询该色块所表示的200 m单元的轨道质量发展趋势，如图6所示。

图5 轨道质量色阶图展示

2.4 大机捣固维修决策

不同的大机捣固作业模式（捣固车型号、捣固插镐方式、作业遍数、测量方式、捣固后稳定方式等）作业效果也存在差异。通过分析朔黄铁路常用的两种捣固模式（单捣不稳定/普起平顺/09-32型车和单遍双捣不稳定/普起平顺/09-32型车）的轨道质量改善情况，建立了不同大机捣固维修模式的作业效果模型，见表2。

表2 朔黄铁路不同大机捣固维修模式的作业效果模型

基于轨道质量MTQI预测模型、捣固作业效果模型和维修经济成本分析，结合朔黄铁路捣固维修实际需求，以捣固维修经济性和轨道质量状态的年末保持值的综合效益为目标，建立了有砟轨道全线路捣固维修优化决策模型。模型综合考虑了轨道质量管理标准、天窗时间限制、捣固车调度要求、不同捣固作业模型对捣固效果的影响、维修经济成本、大机捣固实际情况等因素，在保证线路质量的同时充分利用大机资源，提高大机捣固维修的经济性和合理性。基于此模型，研发了大机捣固维修决策功能，如图7所示。该功能基于MTQI全年预测结果，通过确认维修标准阈值，选择捣固作业模式，输入不维修区段和必维修区段以及每月天窗点时间等，设置捣固方案决策条件，得到线路全年大机捣固维修计划建议。

图7 捣固方案设置

系统提供初始捣固计划和优化捣固计划两个结果，如图8所示。其中，初始捣固计划根据线路MTQI预测结果、维修效果模型及维修成本、不捣固及必捣固区段、天窗时间限制、大机调度限制等，给出未进行调整的理论捣固计划，该计划以200 m为最小单元，不能直接用于现场维修计划的制定。优化捣固计划在初始捣固计划的基础上将相近月份需要捣固的200 m单元进行整合，对于不适合单独安排天窗计划的少量需要捣固的200 m单元，将其安排与就近区段一并进行捣固。工务维修管理者可根据实际需求，对优化捣固计划进行调整，以满足实际决策需求，得到最终的捣固维修计划，指导大机捣固维修作业。

图8 大机捣固决策计划生成

2.5 捣固效果分析

捣固效果分析模块集成了捣固后的作业质量验收和捣固维修效果评价功能。根据维修作业前后轨道质量变化情况，计算200 m单元轨道质量改善率（改善量）以及判断作业是否达标，并对作业前后轨道质量进行统计对比分析。图9为200 m单元捣固作业前后轨道质量变化情况，包括总TQI、总MTQI及TQI各单项的对比。

图9 捣固作业前后轨道质量对比

基于大量捣固前后轨道质量数据，分析捣固前轨道质量及其对应的捣固后轨道质量的分布情况，绘制了捣固维修效果分区图。分区图从下至上将捣固效果分为优秀、良好、合格、不合格4个区域，便于用户对维修效果进行直观评价。捣固作业完成后，根据各200 m单元维修前后MTQI值，以捣固前MTQI值为横坐标，捣固后MTQI值为纵坐标，绘制散点图，如图10所示。图中依次落在优秀、良好、合格区域的点占比越多，表明维修效果越好，落在不合格区域的点占比越多，表明维修效果欠佳。

图10 捣固作业效果评价

3 结语

优化的养护维修方案应当基于设备检测监测状态数据、维修历史数据、设备基础信息与线路运营等多源数据的综合分析，结合运维管理需求和维修经济性，得出符合决策者期许的养护维修计划。而大量数据的储存、处理以及预测、决策算法的快速实现需要借助计算机的辅助功能。朔黄铁路大机捣固预测与维修决策系统基于大量运维数据和捣固维修预测与决策技术，搭建多源数据库与应用算法库，进行数据分析和可视化展示，为工务维修管理者提供与大机捣固维修作业有关的轨道状态数据管理、运维数据综合处理与分析、捣固计划制定、作业质量评价分析的全流程信息化、智能化管理，为提高朔黄重载铁路轨道设备养修效率、降低运维成本提供可靠的平台支撑。