陶竑宇，吳雙宇，趙文芳

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院道路與鐵道工程系 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610031；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院地質(zhì)工程系，成都　611756;3.武漢鐵路局，武漢　430071)

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鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

陶竑宇1，吳雙宇2，趙文芳3

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院道路與鐵道工程系 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院地質(zhì)工程系，成都611756;3.武漢鐵路局，武漢430071)

摘要：隨著鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)維修管理已經(jīng)無法提供有效支持，亟需探索新的管理方式。本文將單元管理方法運(yùn)用到工務(wù)管理信息系統(tǒng)中，根據(jù)相關(guān)性分析對鐵路線路進(jìn)行大單元?jiǎng)澐?，接著運(yùn)用回歸擬合對劃分后單元鋼軌的軌道狀態(tài)TQI值變化趨勢進(jìn)行回歸擬合預(yù)測，結(jié)合維修計(jì)劃庫制定維修計(jì)劃。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)護(hù)維修；信息系統(tǒng)；單元管理；相關(guān)度；回歸擬合本文引用格式：陶竑宇，吳雙宇，趙文芳.鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(5):173-176.

隨著我國路網(wǎng)快速建設(shè)，鐵路向高速化、重載化發(fā)展，工務(wù)維修管理愈發(fā)重要，養(yǎng)護(hù)維修可作業(yè)時(shí)間更短，要完成的維修任務(wù)更重。針對以上問題，需要工務(wù)段更多的借助于大型機(jī)具進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修工作，提升工作效率，將有限的資源用到最需要的地方。而現(xiàn)有的管理系統(tǒng)還沒有研究對軌道質(zhì)量狀態(tài)變化規(guī)律相似的軌道單元進(jìn)行統(tǒng)一管理，對于軌道質(zhì)量狀態(tài)的預(yù)測也存在一定的缺陷，因此亟需從軌道單元的劃分和軌道單元質(zhì)量狀態(tài)預(yù)測兩方面，對當(dāng)前鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

1線路單元?jiǎng)澐盅芯?/p>

目前，國內(nèi)鐵路局設(shè)計(jì)的鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)，均對軌道質(zhì)量的管理有了進(jìn)一步的研究，系統(tǒng)開始著手研究按照線路形式即直線段、曲線段、道岔進(jìn)行劃分，或研究按照主要結(jié)構(gòu)物即橋梁、隧道、非橋隧線路區(qū)段、站場進(jìn)行劃分，這樣的劃分方式提升了養(yǎng)護(hù)維修的效率，便于工務(wù)管理部門針對特定的線路形式病害或主要結(jié)構(gòu)物病害，安排對應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃，合理配備人員、機(jī)具和材料，改善當(dāng)前雜亂無章的計(jì)劃編制現(xiàn)狀。但這樣的劃分方式也存在一定的缺陷，在劃分的大區(qū)段內(nèi)可能存在軌道質(zhì)量變化規(guī)律不同區(qū)間，例如線路DK2+000-DK6+000為隧道，DK2+000m-DK2+800軌道變化規(guī)律相似，DK2+800-DK4+800軌道變化規(guī)律相似，DK4+800-DK6+000軌道變化規(guī)律相似，按現(xiàn)有系統(tǒng)的劃分方式，會(huì)將DK2+000-DK6+000作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮分析，根據(jù)該整體的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，但這樣的預(yù)測結(jié)果明顯不能準(zhǔn)確的反應(yīng)以上三段各自的變化，失去了提前把握軌道質(zhì)量狀態(tài)變化的意義。

因此本文主要研究按照線路區(qū)段軌道質(zhì)量變化規(guī)律對線路進(jìn)行劃分，該劃分方法主要是將軌道變化規(guī)律相似的線路單元進(jìn)行聚類，并對聚類后的大單元進(jìn)行統(tǒng)一分析管理，依照上述例子，就是將DK2+000m-DK2+800、DK2+800-DK4+800、DK4+800-DK6+000各劃分為一個(gè)大單元，然后再對以上各單元進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對各大單元軌道狀態(tài)的預(yù)測。

1.1TQI理論運(yùn)用分析

軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)是對軌道不平順的一種統(tǒng)計(jì)描述，反映某一區(qū)段軌道不平順的波動(dòng)情況。該指數(shù)是通過軌檢車每250 mm采集軌道左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、 三角坑七項(xiàng)幾何參數(shù)幅值，按200 m的單元區(qū)段長度，由計(jì)算機(jī)算出該范圍內(nèi)各幾何參數(shù)的均方差σi，將此7項(xiàng)幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差相加即為軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)。TQI的具體計(jì)算如式(1)。

(1)

軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)將軌道質(zhì)量狀態(tài)數(shù)值化，TQI值的大小體現(xiàn)了軌道質(zhì)量狀態(tài)好壞，因此根據(jù)各單元TQI值的相似性，判斷各單元內(nèi)軌道質(zhì)量狀態(tài)變化規(guī)律的相似性，可將變化規(guī)律相似的200m單元進(jìn)行統(tǒng)一的劃分管理。

1.2基于Euclidean法的分層聚類單元?jiǎng)澐盅芯?/p>

線路中的某個(gè)區(qū)間，其內(nèi)部軌道質(zhì)量狀態(tài)變化規(guī)律相似，因此可將該區(qū)間內(nèi)每200 m的軌道小單元合并為一個(gè)大單元，最后將該鐵路線路劃分為許多軌道質(zhì)量狀態(tài)變化規(guī)律相似水平不高的大單元，這個(gè)過程稱為聚類。

通過對多種方法的探究，綜合鐵路軌道實(shí)際情況，本文采用分層聚類的方法，對軌道小單元進(jìn)行聚類劃分。具體劃分步驟如下：

1)建立二維矩陣A[xi,yi]( xi為第i個(gè)小單元里程，yi為第i個(gè)小單元對應(yīng)的TQI檢測值，稱(xi,yi)為第i點(diǎn)，i=1,2,…,N其中N為小單元個(gè)數(shù))。

2)計(jì)算距離矩陣d[dij]。將A[xi,yi] 代入式(2)計(jì)算兩兩點(diǎn)之間的Euclidean距離dij。

(2)

3)根據(jù)距離矩陣d[dij]，計(jì)算兩兩點(diǎn)之間的相似性水平。將距離矩陣d中dij，dmax代入式(2)的可得Sij，從而得相似性矩陣S[Sij]。

(3)

式(3)中：dmax為原始距離矩陣d中的最大值；dij為距離矩陣d中第i個(gè)和j個(gè)點(diǎn)之間的距離。

4)進(jìn)行第一層聚類。根據(jù)相似性值高低，合并兩個(gè)最相似的相鄰點(diǎn)并生成一個(gè)類。接著，利用式(2)、式(3)計(jì)算第三個(gè)點(diǎn)與第一個(gè)類的相似性水平，計(jì)算第三個(gè)點(diǎn)與第四個(gè)點(diǎn)的相似性水平，并進(jìn)行比較，與相似性水平高的一邊聚類，循環(huán)此過程，直到所有的點(diǎn)得以聚類為止，得到第一層聚類。

(4)

(5)

式(4)、式(5)中：M為各類編號(hào)。

6)進(jìn)行第二層聚類。計(jì)算各個(gè)聚類質(zhì)心點(diǎn)之間的Euclidean距離，代入式(3)得到各類質(zhì)心點(diǎn)的相似性水平，按第一層聚類規(guī)則，得到第二層聚類。

7)重復(fù)步驟(5)、(6)進(jìn)行第3…N層聚類合并，直到所有聚類合并成一個(gè)聚類為止，并得到聚類相似性水平樹狀圖。

8)根據(jù)設(shè)定的相似性水平(S>80)，在樹狀圖中選擇滿足條件的類。

最終得到以相似性水平在80以上的各小單元聚成的類，通過該聚類方法，可實(shí)現(xiàn)對鐵路線路依據(jù)軌道質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行劃分，并基于劃分的單元，用各小單元TQI均值表示大單元TQI值，實(shí)現(xiàn)對軌道質(zhì)量狀態(tài)變化規(guī)律相似的區(qū)段的統(tǒng)一管理。接下來利用回歸擬合的方法對線路大單元TQI的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，確定未來某一段時(shí)間范圍內(nèi)單元軌道狀態(tài)。

2基于隨機(jī)振蕩序列GM(1,1,Γ)冪模型研究

經(jīng)典GM(1,1,Γ=0)模型對于單調(diào)增長或單調(diào)遞減序列進(jìn)行預(yù)測具有較好效果，但軌道TQI值往往是隨機(jī)振蕩序列，并不呈嚴(yán)格的單調(diào)性質(zhì)，直接利用經(jīng)典GM(1,1,Γ=0)難以取得較好的效果。而GM(1,1,Γ)冪模型其單調(diào)性隨著冪指數(shù)γ取值的變化而變化，既可以單調(diào)增，也可以單調(diào)減，還可以振蕩。因此本文主要研究運(yùn)用GM(1,1,Γ)冪模型對軌道TQI值的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測分析，實(shí)現(xiàn)對軌道質(zhì)量狀態(tài)的預(yù)測。具體預(yù)測步驟如下：

3)將z(1)(k)代入式(6)中，建立GM(1,1,Γ)冪模型的基本形式。

(6)

4)建立GM(1,1,Γ)冪模型的白化方程，如式(7)：

(7)

5)解上述式(7)微分方程，得到解即GM(1,1,Γ)冪模型的時(shí)間響應(yīng)序列式(8)。

(8)

6)利用式(9)，還原數(shù)值。

(9)

為了使得模型能夠更好的反映出TQI數(shù)值的振蕩波動(dòng)特點(diǎn)，得到最佳的預(yù)測效果，建立非線性規(guī)劃模型求解參數(shù)A、B、Γ數(shù)值。其中目標(biāo)函數(shù)為預(yù)測值與真實(shí)值的差平方和最小，如式(10)所示。

(10)

約束條件如式(11)所示。

(11)

利用Lingo軟件求得參數(shù)A、B、Γ，將求出的A、B、Γ數(shù)值帶回式(6)中，便可用于求預(yù)測值。通過方程預(yù)測值與實(shí)際檢測值的對比分析，得出對于TQI這類振蕩序列數(shù)值，運(yùn)用該方法預(yù)測精度較高，能滿足管理要求。

3維修管理計(jì)劃研究

維修管理計(jì)劃是結(jié)合大單元的TQI預(yù)測數(shù)值，判斷其TQI是否超限，對即將超限點(diǎn)，系統(tǒng)便要求與該大單元對應(yīng)的維修車間立即采取行動(dòng)，對該大單元內(nèi)病害進(jìn)行排查反饋；系統(tǒng)根據(jù)反饋情況，結(jié)合維修計(jì)劃庫(如表1)制定維修計(jì)劃。

表1　維修計(jì)劃庫

4實(shí)例分析

本文以某鐵路局軌檢車4個(gè)月的檢測數(shù)據(jù)為例，選取DK800+000-DK820+600區(qū)間段中DK705+000-DK805+000段進(jìn)行研究，根據(jù)上述方法對鐵路線路進(jìn)行大單元?jiǎng)澐郑⒂?jì)算劃分后的大單元TQI預(yù)測值，最后研討維修計(jì)劃。

首先對里程DK705+000-DK805+000的各小單元4個(gè)月的TQI變化值取均值作為代表值，根據(jù)各小單元4個(gè)月的TQI代表值，利用運(yùn)籌學(xué)軟件Minitab 17.0中層次聚類分析方法對其進(jìn)行聚類劃分，得到DK705+000-DK805+000整體的相似性水平樹狀圖，如圖1所示(x軸為各小單元里程)。

圖1　軌道小單元相似度樹狀圖

結(jié)合圖1分析可知，相似性水平大于等于80的類有7個(gè)，表明DK705+000-DK805+000線路區(qū)段內(nèi)有7個(gè)軌道質(zhì)量狀態(tài)變化規(guī)律相似水平不高的大單元。同時(shí)也表明，這7個(gè)大單元中包含的小單元軌道質(zhì)量狀態(tài)變化規(guī)律相似水平較高，以一單元為例，其相似度樹狀圖(如圖2所示)，其中就包含了15個(gè)小單元。

圖2　一小單元相似度樹狀圖

接著，對一單元內(nèi)的所有小單元4個(gè)月的TQI代表值求平均，得出該4個(gè)月內(nèi)一單元區(qū)段內(nèi)TQI的代表值，如表2所示。

表2　一單元均值計(jì)算結(jié)果

建立GM(1,1,Γ)冪模型，將一單元的均值計(jì)算表代入模型內(nèi)，利用Lingo軟件計(jì)算，得出擬合方程，并計(jì)算出擬合值。將擬合值代入式(9)，得到該大單元2015年1-5月TQI預(yù)測數(shù)值，并將2015年1-4月預(yù)測值與實(shí)際值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3和圖3所示，平均誤差為1.12%，預(yù)測精度滿足管理要求。

表3　TQI實(shí)際值與預(yù)測值的比較結(jié)果

為了保障預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文只對軌道未來一個(gè)月的狀態(tài)進(jìn)行了分析預(yù)測，可以讓工務(wù)段提前一個(gè)月準(zhǔn)確的掌握各大單元的軌道質(zhì)量狀態(tài)，對TQI即將達(dá)到規(guī)定值的大單元進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，安排人員到現(xiàn)場進(jìn)行病害的排查，并根據(jù)病害反饋情況，結(jié)合維修計(jì)劃庫，制定相關(guān)的大型機(jī)具養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃，提高養(yǎng)護(hù)維修效率。

圖3　TQI實(shí)際值與預(yù)測值變化

5結(jié)束語

鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)是鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵之一，具有時(shí)代性和緊迫性。鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)對軌道質(zhì)量狀態(tài)的把握能力，科學(xué)預(yù)測軌道質(zhì)量狀態(tài)變化，合理編制大型機(jī)具養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃，提高養(yǎng)護(hù)維修管理效率，提升鐵路信息化水平，推進(jìn)鐵路的改革與發(fā)展。

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(責(zé)任編輯周江川)

Citation format: TAO Hong-yu，WU Shuang-yu，ZHAO Wen-fang.Information Management System Design for Railway Maintenance Management[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):173-176.

Information Management System Design for Railway Maintenance Management

TAO Hong-yu1，WU Shuang-yu2，ZHAO Wen-fang3

(1.Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering,Ministry of Education， Department of Highway Railway Engineering School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Department of Geological Engineering Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China；3.Wuhan Railway Bureau，Wuhan 430071,China)

Abstract:Due to the increasing development of the railway transportation,there is a urgent need for the maintenance innovation,giveing the fact that the traditional maintenance cannot provide efficient support.This article applied the theory of unit management to the information system of the maintenance management.Correlation analysis was conducted to divide the general unit.In order to predict the variation tendency of TQI,a regression fitting was applied to the divided units.Finally,based on the maintenance plan,a preventive plan was made out to form closed-loop management.

Key words:railway maintenance; information system; unit management; correlation; regression fitting

doi:【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】10.11809/scbgxb2016.05.041

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-03-15

作者簡介：陶竑宇 (1992—)，男，碩士研究生，主要從事道路與鐵道工程研究。

中圖分類號(hào)：U29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)05-0173-04