（道路与铁道工程专业论文）轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究.pdf

! ! 查窒望奎堂堡主堂垡堡塞一一! 塑至! 一 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究 摘要 铁路的高速化、重载化是世界各国铁路运输发展的趋势。随着我国列 车速度的不断提高，在主要干线上，实行高速度、高密度、小编组的公交 化运营策略，给工务部门管理工作提出了新的要求。国外铁路运营经验表 明，建立科学的轨道不平顺管理系统，是保障列车高速运行的关键技术。 轨道状态的科学管理包括四个方面： ( 1 ) 轨道状态的检测； ( 2 ) 轨道状态的评价及其管理标准； ( 3 ) 轨道状态的养修技术： ( 4 ) 轨道状态的控制计划及其决策方法。 因此本文在分析国内外轨道科学管理的方法和技术基础上，以轨道不 平顺预测理论及辅助决策系统为研究重点，主要的研究内容和创新点为： l 、在轨道不平顺辅助决策数据源方面，系统分析了动态检测数据所包 含的丰富信息，对不同单元区段轨道不平顺最大值和标准差关系进行了统 计分析；对不平顺的分布函数和不平顺发展率的分布函数的规律进行了初 步研究；首次建立了现场作业数据的编码、采集、分析系统，并对现场作 业的工作量、工效等问题进行了量化处理。 2 、在预测模型建立和预测理论方面，提出了利用特性矩阵法直接分析 轨检车动态数据，建立预测模型的方法；对利用t q i 数据建立的线性预测 模型的精度进行了分析；对利用单元区段轨道不平顺发展率建立不同影响 因素下的非线性预测模型进行了探讨。 菰幕荪丽丽蕊赢磊两磊丽西一。 北方交通大学博士学位论文 摘要 3 、在分析国内外己有轨道状态评价方法的基础上，首次提出利用不平 顺的发展率来评价轨道质量状态，并且以这个发展率为自变量，建立轨道 最优计划模型；提出基于控制轨道变形为目的的轨道结构设计方法。 4 、在辅助决策方面，提出两种不同的辅助决策方法。首次将数学优化 的思想引入到轨道状态的控制方面，建立了以年度不平顺平均值最小为目 标函数的整数型轨道状态计划维修模型；提出养护资源的概念，并利用约 束函数对各种现场情况进行量化描述。 5 、利用v b 语言，实现了轨道状态不平顺计算机决策辅助系统。在该 系统中包括了上述研究成果，实现了多种功能。在现场的使用表明，可用 于指导现场的养护作业，可产生巨大的社会效益和经济效益。 本文从理论和实践两方面解决了工务信息化管理中的关键技术，在现 场作业数据采集和辅助决策方法两方面有新的突破。对建立适合我国的工 务信息化管理系统，提高我国的工务管理水平，促进工务体制改革，进入 信息化管理之路，将产生积极的作用。 关键词 轨道管理，数据源，不平顺发展率，预测模型，特性矩阵，最优 计划模型，养护资源，目标函数，辅助决策方法，系统实现 ! ! 查銮塑盔堂壁主堂焦笙奎塑一 t h er e s e a r c ho ft r a c kir r e g u i a ri t yp r e d i c t i o nt h e o r y a n dc o m p u t e ra i d e dd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e m a b s tr a o t p a s s e n g e rt r a i ns p e e d u pa n df r e i 曲t t r a i nh e a v y - h a u la r et h em a i nt r e n di n r a i l w a y t r a n s p o r ta l l o v e rt h ew o r l d i ti st h eo p e r a t i o np o l i c yw h i c hi sh i 曲- s p e e d ，h i 曲d e n s i t y , s m a l l - o r g a n i z i n ga n dm a s st r a n s p o r tt h a t 百v e sn e wr e q u e s tt om a i n t e n a n c ed e p a r t m e n ti nt h e m a i nl i n e s t h eo p e r a t i o ne x p e r i e n c eo ff o r e i g nr a i l w a ys h o w si ti sak e yt e c h n o l o g yt h a t b u i l d i n ga s c i e n t i f i ct r a c k si r r e g u l a r i t ym a n a g e m e n ts y s t e mi no r d e rt oe n s u r et r a i nk e e p i n g h i 曲一s p e e do p e r a t i o n t h e s ea r ef o u ra s p e c t si ns c i e n t i f i ct r a c km a n a g e m e n t ：( 1 ) d e t e c t i o no f t r a c kc o n d i t i o n ；( 2 ) e v a l u a t i o na n d m a n a g e m e n ts t a n d a r do f t r a c kc o n d i t i o n ；( 3 ) m a i n t e n a n c e t e c h n o l o g y o ft r a c k c o n d i t i o n ；( 4 ) c o n t r o lp l a na n dd e c i s i o n - m a k i n gm e t h o do ft r a c k c o n d i t i o n t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e ro nt h eb a s i so fa n a l y z i n gs c i e n t i f i ct r a c km a n a g e m e n t m e t h o da n d t e c h n o l o g y o fi n l a n da n d a b r o a d ，t r a c ki r r e g u l a r i t yp r e d i c t i o nt h e o r ya n d c o m p u t e ra i d e dd e c i s i o n m a k i n gs y s t e ma st h er e s e a r c hm a i np o i n t ，s o m en e wc o n t e n ta n d i n n o v a t i o nw e r em a d e 1 a sf a ra sd a t as o u r c eo ft r a c ki r r e g u l a r i t ya s s i s t a n td e c i s i o n m a k i n g c o n c e r n e d ，p l e n t y o fi n f o r m a t i o ni n d y i l a m i cd e t e c t i o nd a t aw a sa n a l y z e db yt h en u m b e r s m a x i m u ma n d s t a n d a r dd e v i a t i o no ft r a c ki r r e g u l a r i t yi nd i f f e r e n tu n i ts e c t i o nw e r ea n a l y z e db ys t a t i s t i c d i s t r i b u t i n g f u n c t i o n so f i r r e g u l a r i t y a n d i r r e g u l a r i t yd e v e l o p m e n tr a t e w e r e a n a l y s i s e l e m e n t a r i l y c o d i n g ，c o l l e c t i o na n da n a l y s i so f l o c a l ew o r kd a t aw e r eb u i l tf o rt h ef i r s tt i m e a n dl o c a l ew o r k l o a da n dw o r k e f f i c i e n c yw e r et r a n s a c t e d 2 a sf a ra s p r e d i c t i o nt h e o r y a n d b u i l d i n gp r e d i c t i o n m o d e l c o n c e r n e d u s i n g c h a r a c t e r i s t i cm a t r i xm e t h o dt oa n a l y z ed ”a m i cd a t ad i r e c t l yf r o mt r a c ki n s p e c t i o nv e h i c l e a n db u i l dp r e d i c t i o nm o d e lw a sr a i s e d t h ep r e c i s i o no f l i n e a rp r e d i c t i o nm o d e lw h i c hb u i l t w i t h t q id a t a w a s a n a l y z e d t h en o n l i n e a rp r e d i c t i o nm o d e lw h i c hb u i l tw i t ht r a c k i r r e g u l a r i t yd e v e l o p m e n t r a t ei nd i f f e r e n tu n i ts e c t i o nw a sd i s c u s s e d 轨道不平顺预测理论及辅勋决策系统的研究 1 i l 。 ! ! 塑銮望查兰堡主堂堡堡窭堕兰! 一 3 o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gk n o w n t r a c kc o n d i t i o ne v a l u a t i o nm e t h o di n l a n da n da b r o a d ， i ti sf o rt h ef i r s tt i m et o m e n t i o nu s i n gt r a c ki r r e g u l a r i t yd e v e l o p m e n tr a t e a sat o o lt o e v a l u a t et r a c k q u a l i t y u s i n g t h i s d e v e l o p m e n t r a t ea s i n d e p e n d e n tv a r i a b l e ，t r a c k o p t i m i z a t i o np l a nm o d e l w a sb u i l t t h ei d e ao ft r a c ks t r u c t u r ed e s i g nw h i c hi so n t h eb a s i so f c o n t r o l l i n gt r a c kd e f o r m a t i o n w a sr a i s e d 4 a sf a ra sa s s i s t a n t d e c i s i o n m a k i n g c o n c e r n e d ，t w o d i f f e r e n ta s s i s t a n t d e c i s i o n m a k i n gm e t h o d sw e r ep u tf o r e w o r d t h e i d e ao fm a t h e m a t i c so p t i m i z a t i o nw a sp u t i n t o t h e o r y o ft r a c kc o n d i t i o n c o n t r o l l i n g a s a r e s u l t ，i n t e g e r t r a c kc o n d i t i o n m a i n t e n a n c e - p l a n n i n gm o d e l w a s b u i l t ，w h i c hu s e sa n n u a li r r e g u l a r i t ym e a n i sl e a s ta st a r g e t f u n c t i o n t h ec o n c e p to fm a i n t e n a n c es o u r c ew a sm e n t i o n e da n ds o m ek i n d so fl o c a l e c o n d i t i o nc o u l db ed e s c r i b e da n dq u a n t i z e db yc o n s t r a i n e df u n c t i o n s 5 t r a c ki r r e g u l a r i t yc o m p u t e ra s s i s t a n td e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mw a s p r o g r a m m e du s i n g v bl a n g u a g e t h ea b o v en e wc o n t e n ta n di n n o v a t i o nw a si n c l u d e d t h el o c a l eu s e e x p e r i e n c es h o w s t h i sp r o g r a mc a nb eu s e di n t ol o c a l em a i n t e n a n c ew o r kg u i d a n c ea n db r i n g l a r g es o c i a le f f e c t i v e n e s sa n d e c o n o m i ce f f e c t i v e n e s s i nt h i sp a p e r , t h e k e yt e c h n o l o g yi nm a i n t e n a n c ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t w a ss o l v e di n t h e o r ya n di np r a c t i c e n e wb r e a k t h r o u 曲w a sm a d ei nl o c a l ed a t ac o l l e c t i o na n da s s i s t a n t d e c i s i o n m a k i n g i tw i l lh a sa c t i v ew o r ki nb u i l d i n gm a i n t e n a n c ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ，i m p r o v i n gm a i n t e n a n c em a n a g e m e n tl e v e l ，a c c e l e r a t i n gi n n o v a t i o no f m a i n t e n a n c e s y s t e ma n da c h i e v i n gr a i l w a ym a i n t e n a n c ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t m o r ee f f e c t i v e k e y w o r d s t r a c k m a n a g e m e n t ，d a t as o u r c e ，i r r e g u l a r i t yd e v e l o p m e n tr a t e ，p r e d i c t i o n m o d e l ，c h a r a c t e r i s t i cm a t r i x ，o p t i m i z a t i o np l a nm o d e l ，m a i n t e n a n c es o u r c e ，t a r g e tf u n c t i o n ， a s s i s t a n t d e c i s i o n m a k i n gm e t h o d ，s y s t e mr e a l i z a t i o n 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究 ! ! 互窒望查芏壁主兰堡堡茎 笙二兰羔型! 一 第一章绪论 第一节引言“2 圳 十五期间铁路运输体制改革的目标已经确定，即政企分开、企业重组、市场经营， 建立适应社会主义市场经济的铁路管理体制和经营机制。其基本模式是“网运分离”，组 建铁路路网公司和运营公司。作为铁路基础设施的铁路轨道及其配套设旌，毫无疑问是 “路网”公司的主体。在这种形势下，更需要加强铁路轨道尤其是需要加强工务修程修 制的改革，推进工务管理科学化、现代化。 在轨道维修管理现代化方面，发达国家正在实现3 个转变，( 1 ) 从定性和传统经验 向定量化、科学化管理转变。( 2 ) 对轨道状态和质量的检测从静态向动态和综合检测转 变。( 3 ) 轨道管理从分散、单独的系统向覆盖全路的综合化、网络化、智能化系统转变。 美国利用现代信息技术实现轨道的高效管理，如c s x 运输公司和c o n r a i l 公司采用 p l a s s e r 美国分公司的轨迹约束检测系统( g r m s ) ，b n s f 公司采用霍兰公司的轨道强度试 验分析和记录车。未来的检测系统将包括钢轨试验车、道床雷达检测系统和轨枕状态检 测系统，同时将全球定位系统( g p s ) 和地理信息系统( g i s ) 的数据应用于轨道数据库 和线路维修计划系统。 近年来虽然我国的工务工作取得很大进步，但和铁路运输事业的迅速发展相比，仍 有不小的差距，主要表现在： ( 1 ) 轨道技术长远发展的重大问题和技术理论研究不够，如适应提速的轨道结构理 论研究，提速后轨道变形规律及修理投入、修理制度研究，工务管理与信息技术的结合。 ( 2 ) 虽然采用先进的轨道检测技术，但是轨道检测结果和制定维修计划脱节，运用 轨检车资料编制修理计划尚有很大差距。 我国铁路的发展方向是旅客列车高速化、快速化，货物运输重载化、快捷化，运营 管理信息化。为实现铁路跨越式发展，依靠先进的信息手段，提高工务管理水平，构筑 新的养护维修体系，在保证线路质量的同时降低养修成本是值得认真研究的。 第二节本文的研究背景和意义 一、国内外轨道不平顺状态计算机决策辅助系统研究现状 从八十年代开始，我国铁路工务部门就已起步利用计算机技术和其他先进的技术对 王堡丕筮鲍堡圣：塑婆：笪查墼堡鲞堑查垫笪堡：羞五垄当= 些查塞旦坌焦笪丛堡： 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 工务设备台帐数据库管理较件、轨检车数据分析软件，利用运行列车掐摄线路工作状况， 制成反映线路动态状况的录像带、反映全国铁路信息的电子地图等。进入九十年代，有 关路局为了利用计算机技术提高管理水平，对铁路线路设备进行网络式管理，开发了有 关的系统，如柳州铁路局工务处的“工务综合信息管理系统”。为了配合广深准高速的 运行，同济大学铁道建筑工程系、广州集团公司科研所和广深工务段联合开发了“广深 准高速线路养护维修计算机管理系统”，并在广深线使用了该系统，得到好评。应用系 统的姆i 综合分析，减少了大型养路机械盲露作业地段，有效地提高了作业的准确性， 降低了养修成本及提高了消除线路病害的反应速度。 国内的管理系统大多是简单的台帐管理，无法进行历史纵向的统计分析和编制养护 维修工作计划，更没有对养护维修的基础理论和系统实现进行深入的探讨，和国外相关 的系统相比有较大的差距，下面对国外的辅助系统进行简要的介绍 l 、日本的研究概况 ( 1 ) 新干线信息管理系统s m i s “ 日本从6 0 年代开始应用计算机为铁路工务管理服务，于1 9 7 5 年运行新干线信息管理 系统s m i s 。该系统包括三个部分：轨道维修状态管理；轨道材料管理；轨道 工程费计算。东海道新干线将s m i s 改为r i n d a ，并在此基础上开发了东海道新干线轨道管 理系统t o s m a 。 轨道养护维修系统包括轨道状态与作业管理、长钢轨管理、轨道材料管理、养护维 修机械管理、轨道工程决算及轨道作业计划。新干线系统除了输出与既有线类同的轨道 变形状态图、表等信息外，还有轨道养护计划表、无缝线路钢轨管理图及反映线路平纵 断面情况的轨道线形管理表等信息。根据这些图表，- - f 以方便、快速地获得铁路工务设 备、轨道状态的各种信息，还可以辅助制定养护维修计划。 ( 2 ) 养护管理数据库系统l a b o c s “” l a b o c s ( l a b 0 r a t o r y sc o n v e r s a t i o n a ls y s t e mf o rm e a s u r e dd a t ap r o c e s s i n r ) 是轨道养护维修系统中数据处理部分的深化和扩展，在包含传统功能的同时，旨在提高 各种检测数据的处理效果及箕应用效果。目前该系统具有以下功能： 计算p 值等轨道变形的基本统计量： 从l o m 弦：正矢计算2 0 m 、4 0 m j k 正矢波形： 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究2 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 从1 0 m 弦正矢复原输出轨道变形原波形； 分别输出轨道维修前后、不同波长的轨道状态： 按不同波长分析轨道变形和车辆摇晃之间的因果关系： 确定轨道变形和运营车辆摇晃的位置对应关系： 图形显示轨道环境数据。 该系统采用数字信号处理技术进行轨道变形分析，不仅能够处理轨道变形的大小， 而且能够详细地分析轨道变形的波长及相位，这使得该系统能够得到更长波长( 4 0 5 0 m ) 的轨道不平顺数据，适应了既有线的速度提高至2 0 0 k m h 时的需要。系统用图形窗 口将线路位置等环境信息与测定数据起输出，便于直观地了解线路状况。 该系统具有工作站的u n i x 版本和微机上的m s w i n d o w s 版本，在这些系统中，人机对 话得到了很大发展。目前l a b o c s 处于推广应用和不断完善之中，新型的微机m i c r o l a b o c s i i + 不仅能够适应当前的要求，而且是面向2 1 世纪的目标进行研究开发的，1 9 9 7 年它采用具有优越操作性能和高速处理功能的w i n d o w s9 x 为操作系统。该系统的突出作 用是能够将轨检车和一般列车振动测得的数据进行a d 转换，输入微机，计算长波长波 形并输出图表，从而加强了对长波长轨道不平顺的管理。 ( 3 ) j r 东海道养护维修管理系统” 系统的组成如下： 养护管理系统 线路管理系统、检查系统、养修机械系统、工程合同系统、图像处理 系统、工号表制作系统、轨道中心间隔系统、其他系统 综合试验车数据处理系统 钢轨探伤磨耗测量车数据处理系统 轨缝自动测量数据处理系统 道岔轨道不平顺测量数据处理系统 ( 4 ) 东海道新干线养护管理系统( r i n d a ) 。1 1 9 9 9 年1 1 月新施设管理系统( r i n d a ) 全面开始使用。 系统主要输入数据为： 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究3 。 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 轨道检测车数据；钢轨探伤车检查数据； s m s 运量数据：各种台帐基础数据： 各种环境文件；各种材料检查业绩；轨道作业业绩；养修机械使用业绩； 数据保留时间 轨道作业实绩和检查实绩，保留6 年；更换周期较长的道床更换作业业绩，半永久 保留；钢轨更换业绩，保留2 0 年。 系统动能 检测车数据处理运量管理1 m 代表值管理轨道维修作业验收 轨道状态管理轨道环境文件管理无缝线路温度管理 伸缩接头管 理胶接绝缘接头管理道岔管理道床管理巡回检查管理养修机 械管理钢轨探伤车数据处理钢轨材料管理综合管理图 ( 5 ) 铁道总研目前正在开发的系统“o 系统的结构图见图卜1 图i - 1 铁道总研养护维修计划、央策系统结构图 系统的主要模块有“轨道状态变化、养护工作量预测系统”、“捣固车捣固作业计 划系统”、“成本清算系统”、“材料寿命预测系统等组成，另外，作为基础数据模块， 有记录线路条件、运输条件及材料更换和轨道养护台帐等数据的“轨道基础数据库，和 监视轨道状况的“轨道监视系统”。 2 、美国的研究概况 一 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究4 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 美国许多铁路公司结合自身特点开发了养护维修方面的计算机管理系统，例如，美 国伯林顿北方铁路公司的计算机管理系统1 ，美国联合太平洋铁路的工程项目管理系统 “，美国芝加哥及西北运输公司大量使用手持式电脑报告现场维修工作。“，利用计算机 对铁路维修工程进行更好的管理“。广泛使用的系统是s m s 及r e p o m a n 。 s m s ( s u r f a c em a n a g e m e n ts y s t e m ) 是轨道养护决策支持系统，在考虑轨道养护维修 标准与列车慢行等条件下，计算轨道养护及更新对策的效果，制定年捣固计划，决定作 业实施区间的优先顺序等。该系统可安装在手提式电脑中，自动进行劳动力和材料消耗 管理，对每一工点发出详细报告。主要报表包括每一工程项目的工作人员、机器、材料 目录总清单、特殊轨道、桥梁、结构物和有关设施。使用手持式电脑可随时利用各种统 计功能，提供当日劳动力和材料支出报告，建立维修数据库，提出特定的问题，根据历 史分析准备年度维修计划等。 r e p o m a n 是钢轨更换计划辅助管理系统，它开发于8 0 年代中期，并于1 9 8 7 年起投入 使用。它利用数据库数据，基于技术经济分析模型，对制定钢轨更换计划方案进行优化 分析。该系统包括项目定义( 确定详细项目和计划大修工程) 、钢轨寿命预测、项目日 程安排和资源配置、材料控制、费用估算、生产报表、工程状态和费用管理等。 3 、欧洲各国的研究概况 ( 1 ) 加拿大 加拿大在铁路养护维修方面开发了轨道管理系统、轨道咨询系统、轨道养护维修决 策支持系统等。 轨道管理系统t v l s “5 1 ( t r a c km a n a g e m e n ts y s t e m ) 从8 0 年代初开始开发，系统主要 功能包括：利用现场调查和轨检车检测数据判别线路高低、钢轨及轨枕状态：制订和实 施钢轨磨耗、轨枕缺损和线路表面不平顺标准；不断更新工厂存货以及运输系统数据； 根据通过总重及各种轴重所占的百分比预测轨道恶化。该系统包括3 个信息层：生产厂、 轨道部件状态和轨道恶化模型。轨道恶化模型可用来分析钢轨磨耗和疲劳、轨枕寿命和 轨道几何变形，具有制订维修计划的能力，不但能收集和显示相关信息，而且能预测轨 道部件怎样恶化及何时恶化，同时使计划人员评价有关维修政策和运营条件的比较对 策。 轨道维修咨询系统“”是改进轨道维修计划的计算机辅助管理系统，于9 0 年代初在太 平洋铁路中进行应用。该系统把轨道分为许多段，每段包括一单独曲线或1 6 0 m 直线。每 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究5 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 段观察1 4 个轨道不平顺指标。大部分信息来自轨检车，它检查轨道几何形状、钢轨磨耗 及波状磨耗。每段的状态对照使用相应水平的标准，对照这些标准系统观察钢轨磨耗、 疲劳和轨道几何状态，并对未来5 年的状况进行预测。钢轨模型包含了钢轨换边使用和 大修计划方案。应用表明轨道咨询系统的预测与实际情况很接近。 轨道养护计划决策支持系统有t m a s 和e ? m s 。t m a s 定量预测钢轨损伤、枕木损伤、 轨道变形的变化过程，对5 年后的状态和基准进行比较，推测2 0 种轨道质量指标，输出 钢轨、枕木、道床的更换时期、轨道捣固时期、钢轨打磨时期。钢轨磨耗的预测依据是 通过吨数、曲线半径及钢轨材质，高低不平顺的预测是与通过吨数成比例进行预测。e p m s 侧重于项目管理和资源管理，改善轨道养护维修中的劳动生产力、材料及设备的有效利 用，提高天窗利用效率。 ( 2 ) 英国的m a p p a s ( 轨道养护轨道更新计划决策、费用估算支持系统) 用统计 方法分析轨道破坏现象，基于技术经济分析模型，评价轨道养护维修方案，决定钢轨更 换费用最小的更换周期等。 ( 3 ) 德国的s y s t e md y n a m i c s “”( 轨道养护、轨道更新计划决策支持系统) 基于动 态系统理论，进行长期的经济、技术相互作用仿真。 ( 4 ) 瑞士的g e v ( 轨道养护计划决策支持系统) ：制定养护紧急程度及养护对策方 案，并对其进行技术经济评价。 ( 5 ) 荷兰的b i n c o 。”( 轨道养护轨道更新计划决策支持系统) ：充分利用轨道状 态、各种轨道部件损伤的时序变化信息，建立钢轨疲劳和磨耗恶化模型，对制定养护维 修计划提供支持。 ( 6 ) 波兰的d o n g ( 全面维修的决策支持系统) ：以轨道和路基的养护、临时的限速、 轴重限制为对象，建立轨道使用寿命理论模型，输出轨道养护紧急程度以及捣固作业计 划，对制定养护维修计划提供决策支持。 4 、e r r i ( 欧洲铁道研究所) 的研究概况“” 轨道状态由于通过列车数和荷载条件的不同，其状态恶化也不一样，另外养护及维 修作业顺序和技术经济等紧密相关，在确立养修计划时，必须有大量技术、经济的信息 和丰富的经验。因此，什么时候养修，怎样养修，如何投入最佳的人力物力，或者不养 修，是一个非常复杂的问题。 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究6 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 为实现真正削减成本，利用最优化处理这个复杂的问题，在欧盟的财政支持下，e r r i 开发了e c o t r a c k ( 经济的轨道养护维修系统) ，其概况如下： ( 1 ) 对轨道的养护及更新作业，实行最佳资源和计划的分配； ( 2 ) 开发养护维修智能化决策系统； ( 3 ) 使用w i n d o w s 操作平台。 e c o t r a c k 是轨道养护中成本、养护间隔及耗材等最优化的程序，有如下特点： ( 1 ) 各铁道公司所有的数据相互补充，这样软件具有模块化功能； ( 2 ) 采用适合各铁道公司和具有可操作性的规划方案； ( 3 ) 根据一定的预算指标，决定养护的优先顺序； ( 5 ) 采用w i n d o w s 操作系统，方便用户使用。 e c o t r a c k 有以下特征 ( 1 ) 使用范围为3 0 0 0 1 5 0 0 0 k m 的铁路网络的维修计划 ( 2 ) 适用于既有线、高速线、重载线路 ( 3 ) 可分别统计2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 米等一定长度的各种数据 ( 4 ) 对各种资源( 材料、养护) 进行最佳配置 ( 5 ) l 。3 年一次进行连续的机械养护作业 ( 6 ) 5 。1 0 年一次对轨道的上部结构进行部分或全面的更新 ( 7 ) 是基于养护专家的知识和经验而开发的专家系统 ( 8 ) 运行于w i n d o w s 平台下 除此之外，还将开发道岔管理系统( e c o w i t c h ) 、桥梁管理系统( e c o b r i g d e ) ，接 触网管理系统( e c o c a t e n a r y ) ，路基管理系统( e c o s o i l ) 。 5 、国外的轨道管理辅助决策系统” 将国外的轨道管理辅助决策系统汇总于表l l 中 表卜l 国外的轨道管理辅助决策系统 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究 i ! 查窒望查堂蔓主兰垡堡塞 蔓二妻兰坠! 一 国家名称使用者 系统名称系统内容特点、操作情况 德国德国国铁 s i s t e m轨道养护、轨道更新计划决策支持系统 d i n a m i c s以系统动态理论为基础，进行长期的经济、技术相互作用的 仿真。 英国英国国铁 w i a r p a s轨道养护、轨道更新计划决策、确定费用支持系统 适应于使用统计分析方法，分析轨道破坏现象 r r n f v钢轨更换计划决策支持系统。根据技术、经济分析模型，决 定更换费用最小的更换周期 美国美国伯灵顿s m s轨道养护维修系统。由轨道不平顺管理、钢轨、轨枕三个 北方铁路系统构成o k 、m a y 、s h o u l d 、m u s t 四个阶段输出。 r e p o m a n 钢轨更换计划。分析一定区间的轨道损伤发生率，和限界值 的关系以区间进行排序，客观反映钢轨磨耗的情况。 日本 j r 集团s m i s新干线信息管理系统。1 9 7 5 年开始使用，功能正在逐步改 善。 瑞士瑞士国铁g e v 轨道养护维修计划决策支持系统。输出养护方法和养护的工 作量对输出结果进行技术、经济的评价。 荷兰荷兰国铁b i n c o养护维修计划辅助系统。 包括由短波长数据确定的钢轨打磨计划。 波兰波兰国铁d o n g ：确定全面补修计划。 k o m p l a n 计算机辅助编制作业计划。慢行确定、抢修施工、以及轴 重限值的确定。测量高低、轨向、水平、轨距不平顺值后 判定。 法国法国国铣g o p 对高低不平顺进行技术、经济分析，根据捣固作业量晟小进 行路基和道床的保养。 加拿大 轨道养护计划支持系统。铡轨损伤、轨枕损伤、轨道不平贼 发展进行定量的预测，5 年后的状态和标准进行比较。俐轨 磨耗预测利用运量、曲线半径、钢轨材质等数据。轨道高低 不平顺预测和运量的关系为非线形关系。 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究8 些銮奎望查兰蔓主兰垡笙苎 一一 兰二兰j 塑! ! 一 e p m s轨道养护计划决策支持系统。利用项目管理和资源管理对劳 动生产率、设备的有效利用进行管理 t m a s轨道养护计划殃簿支持系统，预测2 0 种的轨道品质指标， 输出钢轨、轨枕、道床的更换周期输出轨道捣固、钢轨打 磨周期。 匈矛利匈牙利国铁 p a t e rp a t e r ：补修更新计划编制辅助系统。 轨道不平顺的评估、作业程序的制定。 欧盟欧洲铁路研 e c o t r a c k 经济的轨道管理系统。轨道状态管理、补修作业计划、更换 究所作业计划的制定。 二、建立中国铁路技术创新体系的需要。”2 具有中国铁路特点的技术创新体系的基本特征如下： 1 、列车速度、密度、重量的合理组合 列车速度、密度、重量是组成运输能力、体现运输质量和效益的三大要素，其发展 水平是确定车、机、工、电、辆各专业技术发展目标的依据，是技术政策的核心。根据 运输市场要求的变化及铁路技术发展现状，对原来的“列车重量、密度、速度”调整为 “列车速度、密度、重量”。这是一个根本性的转变，也是体现了以人为本的宗旨。 2 、高新技术与适用技术并重，不同层次技术装备并存 由于受到资金短缺的限制，中国铁路既要发展高速铁路和快速铁路，也要发展普通 铁路，特别是西部地区要加快发展铁路，这就决定了中国铁路不可能普遍采用最先进的 技术。在积极开发、应用离新技本装各，提高铁路技术装备的同鞋专，必须对量大、面广、 更适合中国特点的先进技术加强开发和推广，做到高新技术与适用技术并重，形成了不 同层次的技术装备并存的格局。 3 、客货运输并重，数量与质量兼顾 目前运输市场竞争激烈，提高运输服务质量已成了铁路生存与发展的重要问题。我 国铁路路网规模小，肩负着客货运输等任务，在客货共线运干亍的条件下，贯彻客货运输 并重，数量与质量兼顾的方针。 4 、适应快速、高密、重载要求的行车安全保障系统 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究 9 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 行车安全是保证铁路运输信誉的重要环节，我国客货共线运行的繁忙干线上，重载 与快速列车对线路的要求不同，产生的影响也不同，保障安全的措施也不同，再加上行 车密度高，维修时间少，这就使得行车安全保障技术十分复杂。确保行车安全是中国铁 路技术发展中的突出难点，也是技术体系中的重要组成部分。 5 、在体制改革中推进铁路信息化 铁路信息化是铁路现代化的重要标志，是世界铁路发展趋势，也是中国铁路发展的 必由之路。铁路信息化涉及到运输组织、机车车辆、工务工程和行车安全等多个部门。 因此，铁路信息化建设是一项综合性强、具有创新意义的系统工程。但是，我国铁路目 前正处在体制改革和信息化建设并行的复杂变革之中而且技术和装备基础薄弱，信息 应用技术水平低，采用信息技术对铁路进行技术改造，将会遇到许多新问题。因此加快 以铁路综合运营管理信息系统为核一1 1 , 的信息化建设，实现铁路信息化，是今后一段时期 铁路技术发展的重中之重。 三、推进工务管理体制改革的措旌” 为了适应市场的需求，对工务管理体制将进一步深化，其主要目的就是进一步推进 养修分开的管理体制。工务修理制度的改革，概括起来就是：线路大修，逐步实现以设 备管理单位的经济技术委托为根据，以装备了大型机械的专业化队伍为主，利用施工封 锁时间完成设备大修任务的模式；线路综合维修，逐步实行以设备管理单位经济技术要 约为根据，以大型机械段或具备配套的中、小型机械作业能力的专业队伍为主，工务段 养路工区配合，利用图定“天窗”进行施工的模式。其中，工务段的职能将明显地向设 备管理和技术状态监控上转移，大修段、大型机械段的职能将明显地向施工企业方向转 移。两者之间将逐步以经济契约方式相互依存，协调发展。 工务管理体制的改革，会极大地影响工务设备的管理和维护方式，其中路网使用费 的标准制度和管理办法至关重要，清算费用的高与低，直接关系到整个铁路运输的发展。 清算费用高，将使客运公司、货运公司难以承受，而清算费用低，又会造成工务设备吃 老夺的现象，这样安全会出问题，而清算费用的制定依据之一就是客货列车在线路上运 行，对线路的破坏情况，因此应解决不同车速、不同轴重和线路几何形位之问的变化关 系，通过理论分析，要建立不同因素影响下的轨道状态变化模型，大机作业后轨道状态 恢复模型。 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究 l o 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 l 、确定铁路线路管理者和专业施工队伍之间的关系 随着养修分开，目前的工务机构将有大的变动，其中一部分将是线路的管理者，主 要作用是对线路质量进行检查评价，作出维修计划，在专业队伍施工时，进行配合检查， 并对维修后的质量进行评估，作为支付维修费用的依据。而专业施工队伍是乙方，通过 投标竞争取得线路维修权，并负责安全有效地进行施工，两者之间是两个主体关系，通 过经济合同、法律合同进行联系。 2 、费用清算问题 在施工之前，双方都要作出预算，管理者的预算为底价，施工者为投标价，最后以 中标者的价格为清算价格。在作预算时，线路养护维修中重要材料( 如钢轨、枕木、道 碴、道岔) 作为指定材料，由管理者提供。其它材料由施工者提供，但必须得到管理者 认可。 为了做好费用清算问题，必须建现场作业数据库，对现场作业的种类、数量进行有 机分割，统一管理；建立相应的单价库，并编制相应的处理程序。 现场作业数据的采集和处理也是进行专家辅助决策时不可缺少的数据源。 3 、质量评价和费用支付等问题 养护维修的目的是提供高品质、安全可靠的运输通道，在中标的施工者进行作业时， 管理者要进行监督检查，但真正评价维修后轨道质量需建立一套完整的评价体系，即利 用轨检车进行动态检查，得出的各项指标和维修前比较，以分析维修作业效果，若达到 合同要求，支付费用。否则，拒绝支付相关费用，并要求赔偿。 推进工务管理体制改革，离不开高效的轨道检查手段，合理、准确的评价原则，有 效的辅助决策系统，严格的合同管理，需要用科学、真实的数据来反映问题的内存联系， 从根本上推进工务管理体制的改革。 第三节本文工作基础 一、本文前期工作基础 l 、参加“广深准高速线路养护维修计算机管理系统”的研究 “广深准高速线路养护维修计算机管理系统”是根据部编9 1 g 0 9 号铁道部科技计划 项目“广深准高速铁路线路技术状态管理及维修”总课题的合同要求，为配合广深准高 轨道不平顺预测理论及辅助决策系统的研究i i 北方交通大学博士学位论文 第一章绪论 速铁路的建设、运营安全和养护维修需要而完成的科技攻关课题之一。 “广深准高速线路养护维修计算机管理系统”( 简称为g s m i s ：g u a n g s h e nm a i n t a i n m a n a g ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 于1 9 9 1 年立题。根据合同要求，本课题的研究开发目标 是：为广深准高速铁路线路养护维修管理工作建立一套先进的、实用的、科学的计算机 管理系统，内容包括轨检车信息输入一运算处理分析一提供维修计划一送管理机构决策 一送工区实施一实施完成后反馈一信息存储统计等。 作为课题的主要完成者，于9 4 年完成了d o s 版的“广深准高速线路养护维修计算 机管理系统”，9 8