沈堅鋒，許玉德，李海鋒，仲春艷

（1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.上海鐵路局 上海高鐵維修段，上海200439）

高速鐵路作業(yè)天窗時間短、無砟軌道維修困難的特點給養(yǎng)護維修作業(yè)帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。選用合理的幾何狀態(tài)評價指標，通過線路質(zhì)量等級管理的方法來配置有限的養(yǎng)修資源，保障線路質(zhì)量顯得十分必要.文獻[1－4]研究了國內(nèi)目前廣泛采用的軌道幾何狀態(tài)評價指標與方法，文獻[5－12]對國外軌道幾何狀態(tài)的均值管理指標及評價方法作了詳細介紹.上述文獻對軌道幾何狀態(tài)評價指標均采用單個檢測數(shù)據(jù)源，雖能簡化數(shù)據(jù)的處理分析，但對軌道幾何狀態(tài)的評價過于單一，沒有充分利用現(xiàn)有檢測工具得到的海量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對幾何狀態(tài)的評價管理不全面；另外由于各類數(shù)據(jù)源的差異性，融合后，它們對線路等級劃分的影響也是不同的，若采用相同權(quán)重會使等級劃分產(chǎn)生偏差，最終導(dǎo)致養(yǎng)修資源的配置不合理.

本文將綜合檢測車、車載式線路檢查儀、便攜式線路檢查儀和人工添乘作業(yè)等數(shù)據(jù)均納入軌道幾何狀態(tài)評價體系，提出了軌道幾何狀態(tài)綜合評價指標ITGCI，利用線路質(zhì)量等級管理方法對線路狀態(tài)進行等級劃分，采用攝動法對指標層和準則層權(quán)重參數(shù)進行敏感性分析，確定參數(shù)權(quán)重的分配比例，得出權(quán)重的取值范圍及取值大小.

1 線路質(zhì)量等級管理方法

線路質(zhì)量等級管理是針對運營線路，結(jié)合線路的設(shè)備狀況，利用實時檢測數(shù)據(jù)，按照單元區(qū)段長度評價線路質(zhì)量并采用針對性修理手段的一種線路管理方法.

1.1 幾何狀態(tài)綜合評價指標

以軌道幾何狀態(tài)指標ITGCI作為衡量線路養(yǎng)修狀態(tài)的技術(shù)指標，期望盡可能全面綜合地評價軌道幾何狀態(tài).因此，ITGCI的計算考慮各類數(shù)據(jù)的影響，用扣分法來表現(xiàn)，如式（1）所示.

式中：函數(shù)F是與軌道質(zhì)量指數(shù)ITQI，ITQI變化率RTQI、7個單項（左、右高低，左、右軌向，軌距，水平，三角坑）、超限（C）、添乘儀（T）、人工添乘（R）、晃車儀（H）數(shù)據(jù)有關(guān)的扣分項.

式（1）中各類數(shù)據(jù)源的管理標準、量綱不同，因此在計算ITGCI前需進行量綱一化處理，計算各參數(shù)的當量值，并考慮權(quán)重，計算相應(yīng)扣分值F，如式（2）所示[13].

式中：Ei為第i項參數(shù)當量值；wi為第i項參數(shù)權(quán)重；i＝1，2，…，P；P為參數(shù)數(shù)量，包括式（1）中各類數(shù)據(jù)源.

1.2 初始權(quán)重的確定

線路質(zhì)量等級管理的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以分為目標層、準則層和指標層.根據(jù)現(xiàn)場養(yǎng)修的經(jīng)驗以及實際情況，每條線路的狀況和養(yǎng)修重點都不相同，因而，評價體系中各參數(shù)之間的質(zhì)和量的關(guān)系是不同的，即各線路的權(quán)重系數(shù)是不同的.以滬寧城際鐵路為例，運用層次分析法，通過專家問卷、討論建立判斷矩陣，計算其中的幾何平均數(shù).數(shù)據(jù)量綱一化和判斷矩陣的一致性檢驗后，確定軌道幾何狀態(tài)綜合評價指標初始權(quán)重系數(shù)如表1所示.

圖1 層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchy diagram

表1 滬寧城際鐵路軌道幾何狀態(tài)綜合評價指標初始權(quán)重系數(shù)Tab.1 Initial weight coefficient of track geometry com prehensive index in Shanghai－Nanjing intercity high－speed railway

1.3 等級劃分標準

將各單元區(qū)段劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級進行線路質(zhì)量等級管理.單元區(qū)段內(nèi)線路質(zhì)量越差，相應(yīng)的線路質(zhì)量等級就越低；反之線路質(zhì)量等級就越高.等級劃分標準可結(jié)合線路技術(shù)參數(shù)、責(zé)任部門月度生產(chǎn)能力以及現(xiàn)行線路養(yǎng)修規(guī)則等確定.滬寧城際鐵路各等級的具體閾值如表2所示.

表2 等級劃分閾值Tab.2 Threshold of grade classification

2 指標層參數(shù)權(quán)重的敏感性分析

層次分析法確定權(quán)重簡單可行，但主觀因素影響較大，不同的參數(shù)權(quán)重對結(jié)果的影響程度不同，因此需要對ITGCI的各參數(shù)權(quán)重進行敏感性分析，確定各參數(shù)權(quán)重變化對等級劃分產(chǎn)生的影響，分析參數(shù)的敏感性，以此來修正初始權(quán)重，從而得到合理的等級劃分.

敏感性分析一般采用攝動法，即讓某些條件作微小變動后，計算輸出結(jié)果的相應(yīng)變化量[14].以滬寧上行線K140＋000－K290＋000區(qū)段，2013年9月檢測數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)從準則層和指標層兩方面對各參數(shù)的權(quán)重進行敏感性分析.權(quán)重攝動量以0.05為基本單位，根據(jù)式（1）計算每種權(quán)重情況下的ITGCI，并根據(jù)表2確定相應(yīng)的線路等級歸屬，再統(tǒng)計得到不同等級線路的數(shù)量及比例.

指標層的敏感性分析是在保持準則層中三類參數(shù)初始總權(quán)重不變情況下，考慮指標層中三類參數(shù)內(nèi)部權(quán)重分配不同時對等級劃分的影響.

2.1 ITQI權(quán)重的影響

ITQI類數(shù)據(jù)來源于綜合檢測車.在進行ITQI和RTQI參數(shù)攝動時，其余5項參數(shù)權(quán)重如表1中所示，5組不同攝動量計算所得的三類線路等級百分比數(shù)據(jù)如表3所示，圖2由表3數(shù)據(jù)繪制得到.

表3 ITQI權(quán)重增大，RTQI權(quán)重減小時線路等級百分比Tab.3 Percentage of different line grades at the increase of TQI weight and decrease of RTQI weight

圖2 ITQI權(quán)重增大，RTQI權(quán)重減小時各級線路狀況Fig.2 Trend for line condition of all grades at the increase of ITQI weight and increase of RTQI weight

圖2中，隨著ITQI權(quán)重增大、RTQI權(quán)重減小，Ⅱ級、Ⅲ級線路比重增大，Ⅰ級線路比重減?。划攦烧邫?quán)重均為0.1時出現(xiàn)拐點，Ⅰ級、Ⅱ級線路百分比發(fā)生突變，分別改變了5.4%和5.0%，Ⅲ級線路變化不大.理論上，在其余參數(shù)權(quán)重不變時，ITQI或RTQI權(quán)重的增加會使式（1）中對應(yīng)扣分項的數(shù)值增大，ITGCI的值減小，即會使線路向扣分多（得分少）的方向變化，從而可能導(dǎo)致線路質(zhì)量等級的下降，即Ⅰ級線路的比重減少，Ⅱ級、Ⅲ級線路的比重增加，而兩者權(quán)重的減少則會得到相反結(jié)果.在ITQI的總權(quán)重保持20%不變時，ITQI和RTQI兩者權(quán)重之間攝動的趨勢是相反的，且增大或減少的百分比相同，如表3所示，因此，兩者權(quán)重攝動所引起的線路得分及等級劃分的趨勢也是相反的.從表3和圖2中可以看到，隨著ITQI權(quán)重增大，RTQI權(quán)重減小，Ⅰ級線路比重在減少，Ⅱ級、Ⅲ級線路比重在增加，但ITQI權(quán)重的增大和RTQI權(quán)重的減小是會分別導(dǎo)致Ⅰ級線路比重的減少和增大的.由此可見，ITQI權(quán)重變化對線路等級劃分的影響比RTQI大，最終使得Ⅰ級線路在其影響下朝著比重減少的方向發(fā)展，且當ITQI和RTQI權(quán)重均為0.1時，出現(xiàn)拐點且百分比變化量達到最大，此時兩者權(quán)重之比為1∶1.

2.2 幾何狀態(tài)超限權(quán)重的影響

動態(tài)檢測超限類數(shù)據(jù)也來源于綜合檢測車.10組不同攝動量計算所得的三類線路等級百分比數(shù)據(jù)如表4和圖3所示.

表4 幾何狀態(tài)超限權(quán)重減小，車體加速度超限權(quán)重增大時線路等級百分比Tab.4 Percentage of different line grades when weight of data overrun of geometrical status decreases and weight of data overrun of acceleration of carbody increases

由圖3可知，隨著幾何狀態(tài)超限權(quán)重減小以及車體加速度超限權(quán)重增大，Ⅱ級線路比重先增大再減小，Ⅰ級線路、Ⅲ級線路比重先減小再增大，最后都趨于穩(wěn)定.對照表3，Ⅰ級和Ⅱ級線路在幾何狀態(tài)超限權(quán)重為0.30，車體加速度超限權(quán)重為0.20時存在拐點且百分比變化量達到最大，分別為0.40%和0.14%，因此認為，幾何狀態(tài)超限與車體加速度超限的權(quán)重可按3∶2進行分配.

事實上超限類權(quán)重減少會使Ⅰ級線路比重增加，Ⅱ級、Ⅲ級線路比重減少，結(jié)合圖3和表4可知，幾何狀態(tài)超限權(quán)重減小能使各級線路的比重變化符合這一規(guī)律，但車體加速度超限權(quán)重減小剛好與此相反，因此認為，幾何狀態(tài)超限權(quán)重變化對線路等級劃分的影響比車體加速度超限大.

2.3 晃車儀權(quán)重的影響

車載式線路檢查儀（又稱晃車儀）通過測量機車或動車組車體垂向加速度和橫向加速度，實現(xiàn)線路狀況實時監(jiān)測，其檢查周期短，能夠極大地減少漏檢.添乘儀和人工添乘作業(yè)作為輔助手段在精度和檢測周期上都與晃車儀檢測存在差距，但為突出人體感覺不良地段的影響，將其納入到評價體系.

車載檢查類保持總權(quán)重為0.3，晃車儀權(quán)重在0到0.3范圍內(nèi)攝動，每種不同攝動量下，添乘儀和人工添乘再按上述兩小節(jié)方法進行攝動，28組不同攝動量計算所得的三類線路等級百分比數(shù)據(jù)如圖4所示.

隨著晃車儀權(quán)重增大，Ⅰ級線路比重減少，Ⅱ級線路比重增加，Ⅲ級線路比重變化不明顯；當晃車儀權(quán)重小于0.1時，無論添乘儀和人工添乘權(quán)重如何變化，各級線路比重都無明顯改變；當晃車儀權(quán)重一定時，添乘儀和人工添乘權(quán)重的改變對等級劃分影響較小.由此可見，在車載類檢查中，晃車儀權(quán)重對等級劃分的影響較大，添乘儀和人工添乘影響較??；晃車儀權(quán)重應(yīng)不小于0.1，否則其影響將無法體現(xiàn).

3 準則層參數(shù)權(quán)重的敏感性分析

準則層敏感性分析考慮三類參數(shù)各自權(quán)重變化時，在指標層中各類參數(shù)不同權(quán)重分配對線路等級劃分的影響.分析時指標層中各類參數(shù)內(nèi)部權(quán)重比例和表1保持一致，0.05為攝動量基本單位，各參數(shù)最小權(quán)重取0.025.在保證各參數(shù)最小權(quán)重取值和權(quán)重比例不變的條件下，計算各類權(quán)重的最大取值，并舍去與前述已計算的權(quán)重分配相同的情況，得到ITQI類、動檢超限類、車載檢查類權(quán)重攝動范圍分別為0.05～0.40，0.20～0.60，0.15～0.40.

3.1 ITQI類權(quán)重的影響

權(quán)重分配時存在只有兩類權(quán)重變動，也有三類權(quán)重都在變動的情況，全部25組不同攝動量計算所得的三類線路等級百分比數(shù)據(jù)如圖5所示，序號越大，表示ITQI類參數(shù)所占的總權(quán)重越大.

由圖5可知，隨著ITQI總權(quán)重增大，無論動檢超限類和車載檢查類權(quán)重如何分配，在ITQI類權(quán)重小于0.2（序號小于10）時，各級線路比重變化都很小，Ⅰ級線路減少1.86%，Ⅱ級線路增加1.66%，Ⅲ級線路增加0.20%；當ITQI類權(quán)重大于0.2時，Ⅰ級線路比重減小12.87%，Ⅱ級線路比重增大11.74%，Ⅲ級線路比重緩慢增長1.13%，可見，當ITQI類權(quán)重不小于0.2時，權(quán)重變化對線路等級劃分的影響才能得以體現(xiàn)，因此，ITQI類權(quán)重應(yīng)不小于0.2.

圖5 ITQI類權(quán)重增大時各級線路狀況Fig.5 Trend of line condition of all grades when weight of kind of ITQI increases

3.2 動檢超限類權(quán)重的影響

20組權(quán)重分配及三類線路等級百分比數(shù)據(jù)繪于圖6中，其中序號越大，表示動檢超限類參數(shù)的總權(quán)重越大.隨著動檢超限類參數(shù)權(quán)重的增大，Ⅰ級線路比重增加12.46%，Ⅱ級線路比重減小11.00%，Ⅲ級線路比重減少1.47%，并在動檢超限類權(quán)重為0.45（序號14）之后逐漸趨緩，因此動檢超限類權(quán)重應(yīng)小于0.45.

在動檢超限類參數(shù)權(quán)重分別為0.30（序號6）和0.35（序號10）時，Ⅰ級、Ⅱ級線路出現(xiàn)明顯下降拐點.分析這時的權(quán)重分配，發(fā)現(xiàn)ITQI類權(quán)重都相應(yīng)的有較大增加.可見，在動檢超限類參數(shù)權(quán)重逐漸增大過程中，ITQI類參數(shù)權(quán)重的改變對線路等級劃分的影響十分顯著，其改變線路等級的能力遠大于其他兩類參數(shù)權(quán)重的影響.

圖6 動檢超限類權(quán)重增大時各級線路狀況Fig.6 Trend of line condition of all grades when weight of data over run of dynamic detection increases

3.3 車載檢查類權(quán)重的影響

14組權(quán)重分配及三類線路等級百分比數(shù)據(jù)如圖7所示，其中序號越大，車載檢查類權(quán)重越大，Ⅰ級線路比重由89.07%增加到96.33%、Ⅱ級線路比重由9.73%減少到3.13%，Ⅲ級線路比重由1.20%減少到0.53%.在車載檢查類權(quán)重小于0.3（序號9）時，Ⅰ級、Ⅱ級線路比重變化較大，分別改變了7.8%和7.2%，而當其權(quán)重大于0.3時，Ⅰ級、Ⅱ級線路變化趨于穩(wěn)定，各級線路分別只變化了0.54%，0.60%和0.07%，因此車載檢查類權(quán)重應(yīng)小于0.3.

14組權(quán)重分配中，車載檢查類權(quán)重分別為0.15，0.20，0.25，0.30和0.40，在其保持不變的的各組數(shù)據(jù)內(nèi)部，序號越大，ITQI類總權(quán)重越小.由圖7可得，當車載檢查類權(quán)重小于0.3，在各組內(nèi)部，隨著ITQI類總權(quán)重減小，Ⅰ級線路比重增大，Ⅱ級、Ⅲ級線路比重減少，這也說明ITQI類權(quán)重較動檢超限類權(quán)重的影響顯著.

圖7 車載檢查類權(quán)重增大時各級線路狀況Fig.7 Trend of line condition of all grades whenweight of vehicle detection increases

綜上，ITQI類權(quán)重變化對線路等級劃分影響很大，ITQI類權(quán)重應(yīng)不小于0.2；動檢超限類權(quán)重應(yīng)不大于0.45；車載檢查類權(quán)重應(yīng)小于0.3.

4 權(quán)重確定及應(yīng)用

通過應(yīng)用攝動法對ITGCI參數(shù)權(quán)重的敏感性分析，得到了各項參數(shù)權(quán)重的合理取值范圍，如表5所示.

根據(jù)表5中的權(quán)重取值范圍對初始權(quán)重進行修正，修正前后的權(quán)重系數(shù)及線路等級百分比如表6所示.

表5 權(quán)重系數(shù)取值范圍Tab.5 Ranges for weight coefficient

表6 滬寧城際鐵路軌道幾何狀態(tài)綜合評價指標權(quán)重系數(shù)及線路等級百分比Tab.6 Weight coefficient of track geometry com prehensive index and percentage of different line grades in Shanghai－Nanjing intercity high－speed railway

比較權(quán)重修正前后的線路等級百分比可以看出，線路條件最差、單項或多項檢測數(shù)據(jù)超限的Ⅲ級線路百分比基本沒有變化；線路狀態(tài)穩(wěn)定的Ⅰ級線路減少了5.02%，而狀態(tài)不穩(wěn)定、需要周期性修理的Ⅱ級線路增加了4.92%.

5 結(jié)論

本文從線路質(zhì)量等級管理角度出發(fā)，對需要養(yǎng)護維修的區(qū)段進行等級劃分，基于攝動法對等級劃分中軌道幾何狀態(tài)綜合評價指標的各參數(shù)權(quán)重進行敏感性分析，提出了權(quán)重的取值范圍，并對由修正前后不同權(quán)重計算所得的線路等級百分比做了對比分析，主要結(jié)論如下：

（1）指標層參數(shù)中，ITQI權(quán)重變化對線路等級劃分的影響比ITQI變化率大，兩者權(quán)重之比需按1∶1分配；幾何狀態(tài)超限的權(quán)重敏感性要比車體加速度超限的權(quán)重敏感性大，且兩者權(quán)重之比以3∶2為宜；晃車儀權(quán)重對線路等級劃分的影響較大，其權(quán)重應(yīng)不小于0.1，而添乘儀和人工添乘的影響較小.

（2）準則層參數(shù)中，ITQI類參數(shù)權(quán)重對線路等級劃分的影響較動檢超限類和車載檢查類更為顯著，且其權(quán)重不小于0.20時才能體現(xiàn)出權(quán)重變化對線路等級劃分的影響.動檢超限類權(quán)重應(yīng)不大于0.45，車載檢查類權(quán)重應(yīng)小于0.30.

（3）增加ITQI類、加速度超限和晃車儀數(shù)據(jù)的權(quán)重有利于在養(yǎng)護維修中提高對高速鐵路軌道總體平順性的重視程度，增加對未超限的幾何狀態(tài)和由結(jié)構(gòu)狀態(tài)惡化產(chǎn)生的加速度超限的關(guān)注度，而不是只關(guān)注幾何狀態(tài)的超限情況.

隨著軌道檢測技術(shù)和設(shè)備的不斷完善，可用于評價軌道幾何狀態(tài)的數(shù)據(jù)逐漸增多，而對于來自不同檢測設(shè)備、檢測周期、單位量綱的數(shù)據(jù)，尚無廣泛使用的理論方法將其融合為一個評價指標；另外，列車動力響應(yīng)及輪軌間作用也和ITGCI指標各參數(shù)權(quán)重變化以及閾值的確定有關(guān)，因此進一步研究上述問題能更好地評價軌道幾何狀態(tài)質(zhì)量.

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