基于效益费用比法的道岔预防性养护维修时机研究.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202212030开放科学（资源服务）标识码（OSID）基于效益费用比法的道岔预防性养护维修时机研究陈伟华1，郭胜利1，金省华1，方 宇1，石荣荣1，开永旺2（1.浙江铁道建设工程有限公司，杭州310016；2.浙江交通职业技术学院，杭州311112）摘要：道岔预防性养护维修的时机研究是道岔预防性养护维修技术研究内容的重要组成部分。通过对道岔性能指标和道岔状态的评定分析，确定可接受的最低道岔性能指标值；根据道岔的管理数据，建立道岔性能指标与养护维修时间的回归衰变方程，由此计算不同预防性养护维修时间的效益面积与费用比值，其中最大比值所对应的预防性养护维修时间即为最佳养护维修时机。该方法称为“效益费用比法”。按照该方法推算道岔的养护维修时间，可提高道岔养护维修效率，延长道岔的寿命，降低道岔养护维修费用，节约铁路运输成本，保障铁路运输安全。关键词：养护维修；效益；道岔性能；指标；衰变方程中图分类号：U213.6文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0167 06 0 引言道岔作为铁路工程基础设施中最常见薄弱环节之一，道岔结构的服役状态对铁路安全平稳运行会产生直接影响。随着列车速度和轴重的增加，在自然侵蚀、材料变形、车辆冲击、疲劳过度、结构突变等多因素耦合作用下，道岔不可避免会产生一些病害，影响结构的正常使用和安全服役，也直接关系到高铁的安全性、舒适性。因此，道岔的病害整治和养护维修就显得尤其重要1 3。目前，国内外专家学者针对道岔的养护维修进行了很多研究，Xu H 等4根据高速道岔设计、制造和铺设工艺积累的经验，探索了高速道岔的科学养护方法；Eker O F等5提出了基于预测的道岔系统故障的简单状态（SSBP）模型，并将该方法与基于 Hidden Markov模型的铁路道岔实测数据进行了比较；赵鑫宇6针对道岔出现的多种病害提出了养护维修方法；李桂保7分析了无缝道岔存在的问题，并提出了改进道岔结构和其单元管理方式的解决对策；高利民等8基于 SOM-BP 混合神经网络对道岔设备的退化状态进行识别，识别准确率超过 95%。He Y M 等9基于支持向量机和网格搜索的模型对铁路道岔故障进行了诊断，准确率超过 98%。道岔的预防性养护维修是一种新的理念，是指在预定时间对结构采取预定干预措施，以保证结构达到预期的使用寿命和寿命期内结构性能完好，并使总费用最低，是主动性的养护维修策略10。预防性养护维修的技术本身包括两个方面内容：一方面是预防性养护维修措施，相关的研究已经取得初步成果；另一方面是预防性养护维修的时机，相关的研究仅在公路养护维修中有所涉及，而对铁路设备的养护维修时机的问题，目前缺乏相关的研究。在考虑资金的时间价值条件下，选择合理的实施时机使预防性养护维修费用达到最优，使得其寿命期的累积养护成本最小11。因此，预防性养护时机的确定是道岔养护的关键。为实现道岔结构的预防性养护维修，降低养护维修成本，解决道岔的养护维修时机问题迫在眉睫。本文基于效益费用比法开展道岔养护维修时机的研究，为我国铁路的运输管理和养护维修工作的开展提供参考。1 道岔的性能指标与效益面积的概念道岔性能主要包括平顺性、使用性、可靠性及完整性四个方面，他们对铁路行车安全性具有不同层次的影响。这四种性能又分为偏差、伤损、故障及缺失等类别，道岔性能状态及质量评价指标体系，见表 1。铁路工务段正是利用上述指标对道岔的状态进行评定，分为优、良、及格和不及格四个等级，并 收稿日期：2023 03 15基金项目：浙江省自然科学基金（LY18E080002）作者简介：陈伟华（1970），男，浙江杭州人。高级技师，主要从 事 铁 路 工 程 施 工 工 作。E-mail：。陈伟华，等：基于效益费用比法的道岔预防性养护维修时机研究 167 实行相应的扣分制，道岔状态评定标准（部分），见表 2。表1道岔性能状态及质量评价指标体系性能类别亚类道岔状态评定可量化指标平顺性（）偏差几何形位偏差轨距、水平、高低、方向、平面扭曲、轨底坡、轨距变化率、平面及高程变化率、导曲线支距、辙叉趾端开口、辙叉跟端开口、咽喉宽度、支距差、间枕间隔偏差、轨件长度偏差使用性（）伤损 钢轨伤损变形、磨耗、波磨、掉块、擦伤、裂纹、折断、压陷、破损、核伤、锈蚀、低头，弹条折断、弹性夹（弹片）变形、弹性夹（弹片）折断、垫板变形、垫板折断、垫层破损、垫层窜出、垫层老化、挡板（或扣板）损坏、轨距块损坏、离缝、螺栓变形、螺栓折断可靠性（）故障 转换不灵卡阻、转换力超限、转换机不工作，5 mm离缝时锁闭连接道岔、密贴检查器在4 mm离缝时无表示、5 mm离缝时有表示完整性（）缺失 轨件缺失 基本轨、尖轨、心轨、翼轨、护轨、叉心，弹条、垫板、岔枕、间隔铁、顶铁、轨撑、拉杆 表2道岔状态评定标准（部分）项目 内容 编号扣分条件抽验数量 单位 扣分轨道几何尺寸轨距1超过计划维修容许偏差全面检测处42超过临时补修容许偏差处41水平3超过计划维修容许偏差全面检测处44超过临时补修容许偏差处41轨向5超过计划维修容许偏差全面查看重点检测处46超过临时补修容许偏差处41高低7超过计划维修容许偏差全面查看重点检测处48超过临时补修容许偏差处41 假设道岔在全生命周期内采用常规养护维修，又在 Ta时间点实施了预防性养护。由量化的性能指标和时间的关系，可绘制性能衰变曲线，性能指标 Y 值为道岔在正常使用状况下的最低值。性能衰变曲线，见图 1。道岔性能指标衰变曲线与可接受最低值 Y 所围成的区域面积称之为性能指标的效益面积。该面积的大小反映了常规养护维修和预防性养护维修所带来的效益，故称为效益面积。性能Y时间Ta图1性能衰变曲线 2 效益面积的计算方法一般地，性能指标衰变曲线的函数有增函数和减函数之分，而道岔的性能指标一般为减函数。道岔性能指标衰变曲线及效益面积计算，见图 2。某组道岔处于正常使用期内，对其进行常规养护维修和预防性养护维修，预防性养护维修的时间点为Ta，假定选取道岔的性能指标、作为研究对象，经过道岔管理数据统计分析，拟选用同济大学的衰变研究为依据，并用维修试验数据对衰变方程中的参数 a、b 进行回归12。其性能的预估衰变方程为Z=100eamb（1）式中：Z 为道岔性能的衰变函数，随常规养护和预防性养护维修实施的时间而变化；m 为时间，以线路正式开通之后计时，单位以月计；a、b 为回归系数。由道岔的使用数据确定衰变方程中的回归系数，从而确定三个（、）性能指标的衰变方程，由此绘制衰变曲线（图 2）。图 2 中：Ac、Ac、Ac为采取常规养护维修措施下三个指标的效益面积；Ay、Ay、Ay为采取预防性养护维修措施下三个指标的指标效益面积；Y、Y、Y为正常使用状态下性能指标、的下限值；Tc、Tc、Tc为采取常规养护维修下性能指标、衰变到下限值的时间；Ty、Ty、Ty为性能指标、在预防性养护维修后性能曲线衰变到下限值的时间；因此，道岔在常规养护维修下的效益面积为Aci=wTci0Zcidx（2）式中：i 取、；Tci为 Tc、Tc、Tc中的最小值，因为其中一个性能指标最先达到下限，道岔已经处于正常使用的临界状态，因此，时间最小值之后的效益面积没有意义；Zci为常规养护维修下道岔的性能指标、衰变函数。同理，道岔在预防性养护维修下的效益面积为Ayi=wTit(ZyiZci)dx+wTijTaZyidx（3）式中：Zyi 为采取预防性养护维修下道岔的性能指路基工程 168 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）标衰变函数；Tyi 取 Ty、Ty、Ty中的最小值。TaTcTyTYTaTcTcTyTyTYTaTcTcTyTyTY（a）道岔性能指标（b）道岔性能指标（c）道岔性能指标AcAyAcAyAcAy图2道岔性能指标衰变曲线及效益面积计算 进一步考虑到 Aci与 Ayi的指标单位不同，无法进行比较。为了方便比较，计算效益面积比Zbi=AyiAci100%（4）式中：Zbi 的大小反映了预防性养护维修的效果和效益的大小。3 效益权重分配计算13 19就每组道岔的性能指标（、）而言，对于行车安全或对道岔的使用寿命的重要性不同，即所谓权重。对 Zbi进行加权叠加，为使计算结果更加合理，需要计算性能指标的权重。其计算方法如下。3.1 建立权重矩阵设有 n 个单项道岔性能指标 Z1，Z2，Zn，逐一评价 n 个单项性能评价指标间的相互关系，可得如下的指标判断矩阵Z=Zij=Z11Z12Z1nZ21Z22Z2nZnl1Zn2Zm（5）式中：Zij的值是根据 Zi与 Zj相比较，为具有相同的重要性、稍重要、明显重要、强烈重要、极其重要的程度分别取 1、3、5、7、9；上述相邻判断的中间值为 2、4、6、8；由上述分析可知：当 i=j 时，Zij的值为 1；而 Zij与 Zji互为倒数关系。例如，假定选取、性能指标，而且比的重要性位于 1 和 3 之间，可构建判断矩阵为Z=Zij=121/21，其他依此类推。3.2 计算各性能指标的权重对于矩阵 Z，应满足等式ZW=maxW（6）式中：W为权重矩阵 Z 的最大特征值 max对应的特征向量，表示各项评价性能指标之间相对重要程度的权重向量。W=W1,W2,Wn（7）将 W按照式（8）进行标准化处理，得到的W 即为道岔各评价指标的权重向量。W=W1ni=1Wi,W2ni=1Wi,Wnni=1Wi=(W1,W2,Wn)（8）4 计算效益费用比综合前述内容，计算在 Ta时间点进行预防性养护维修的效益费用比为Ga=FaRa100%（9）式中：Ga为在 Ta时间点实施预防性养护维修的效益费用的比值；Fa为各性能指标在 Ta时间点实施预防性养护维修面积比的综合值，按照公式 Fa=W1Zb1+W2 Zb2+WnZbn计算，n 为性能指标的个数；Ra为在 Ta时间点实施预防性养护维修的费用。5 确定合适的养护维修时机选取预防性养护维修时间点 Tb、Tc、Td、，重复上述计算步骤，计算得对应的 Gb、Gc、Gd、，比较他们的大小，选择其中的最大值，最大值所对应的预防性养护维修时间点，即为合适的预防性养护维修的时机。确定养护时机流程，见图 3。陈伟华，等：基于效益费用比法的道岔预防性养护维修时机研究 169 道岔原始资料效益/费用费用现值效益综合值效益面积计算最低可接受水平衰变模型选用决策指标否满足适用条件是不适合做预防性养护图3确定养护时机流程 6 工程实践对铁路局工务段管内的编组站新建同一型号的五组道岔作为研究对象，其状态评定均为优良。考虑到指标和病害出现的频率和普遍性，拟选取性能指标和作为决策指标，进行常规养护和预防性养护。根据调查研究和铁路养护的经验，拟以道岔运营后的第 4 月、6 月、8 月、10 月和 12 月分别开始实施预防性养护；按照道岔状态评定标准和预防性养护的效率，性能指标取值为 0100，性能指标取值为 010，试推求道岔预防性养护的最佳时间点。其研究过程分为以下四个步骤，编组站道岔维修实景，见图 4。（a）道岔维修一（b）道岔维修二图4编组站道岔维修实景 6.1 衰变方程与回归曲线根据铁路部门针对采用不同的月份实施的预防性养护，收集数据经整理得到性能指标和数据，见表 3。根据表格养护数据，做出 4 月实施预防性养护性能指标的性能衰变曲线，见图 5（其他月份的指标衰变方程类似，此处从略）。表3性能指标和的数据预防性养护实施的月份性能指标预防性养护后第2n月的数据02468410094.6785.1484.3084.10109.328.518.407.09610094.7387.9585.2284.10109.028.558.438.33810091.0182.0380.1078.24109.108.748.248.011010089.5186.3980.0179.08109.058.878.238.111210090.0478.6474.0672.08108.998.448.348.23 024687080901000246878910（a）性能指标（b）性能指标月份 性能指标 性能指标 月份 图5性能衰变曲线 采用预防性养护后，指标和对应的衰变方程的回归系数，见表 4。表4回归系数预防性养护实施的月份性能指标回归系数a（102）回归系数b（102）R246.9684.4990.49938.933.5392.5265.9685.7393.44941.353.5289.44811.4953.5998.55935.573.2998.171010.6661.1092.97935.373.7489.171213.2456.7698.23923.644.1591.67 6.2 效益面积计算根据道岔性能衰变指标对应的方程，积分计算效益面积 Aci和 Ayi。由于计算工作量较大，采用Simpson 积分，并可利用 MATLAB。由此，根据公式（4）计算 Zbi结果，预防性养护下道岔指标的标准化效益 Zbi，见表 5。表5预防性养护下道岔指标的标准化效益Zbi预防性养护的月份4681012标准化效益Zbi/%指标20.9246.5456.4854.2649.35指标2.1925.6539.7337.8132.09路基工程 170 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）6.3 权重计算以道岔的两个性能指标来计算权重，指标判断矩阵为Z=Zij=121/21（10）最大特征值 max=2，对应的特征向量为 W=(0.89,0.45)，规范化后，权重向量为 W=(0.67,0.33)，预防性养护效益综合值 Sz，见表 6。表6预防性养护效益综合值Sz预防性养护的月份4681012预防性养护效益综合值Fa/%指标14.7439.6550.9548.8343.65指标 6.4 最佳养护时机的确定最佳养护时机是基于效益费用比的最大值而定，费用效益比 Fa，见表 7。表7效益费用比Fa预防性养护的月份效益综合值/%费用Ra/万元费用效益比Ga（102）414.7418.840.782639.6520.621.923850.9522.072.2691048.8321.742.2461243.6533.311.310 由表 7 可见：在运营后 8 月实施预防性养护的效益费用比值为 2.269 最大，按照效益费用比理论，此时采取预防性养护效果最佳，即为最佳养护时机。6.5 养护费用按照铁路工程预算标准，统计五组道岔两年内的一般养护和预防性养护费用之和，作为道岔总的养护费用（万元/组）如表 7。7 结语本文基于效益费用比法，开展道岔养护维修时机的研究。（1）预防性养护维修的时机是指众多时间点当中的效益费用比取得最大值。因此，与实施预防性养护维修的时间有关；密集的道岔养护维修的数据有利于提高预防性养护维修时间的准确性。（2）采用预防性养护维修时机的原则，各性能指标必须是处于道岔正常使用状态下最低值以上实施，也就是在道岔状态评定为优的情况下进行，否则没有实际意义。（3）道岔养护数据的养护时间点选择的越多，预防性养护的时机越准确，而效益面积的计算的工作量也就越大，因此，可以借助计算机编制程序，避免人工计算得工作量过大。（4）性能指标的权重计算具有一般性，同一类型的道岔具有相同的计算结果，为避免重复计算，可以相互借鉴。预防性养护维修的时机推算是逐渐逼近的过程。（5）工程实践选用了普通铁路道岔作为研究对象。事实上，该方法同样适合高铁道岔，因此，在铁路设备养护维修方面，该方法可以得到广泛的推广和应用。道岔原始资料的准确齐全，是推算道岔最佳养护维修时机的前提和保证。道岔的养护维修时机的确定是从有限的时间点中，选择最合理的时间进行预防性养护，做到有的放矢，能大大提高道岔的养护效率，并使总的费用最低，可节约铁路运输成本，保证铁路运输的安全。另外，常规养护和预防性养护维修相结合，可延长道岔的使用寿命。参考文献(References)：1 任尊松,翟婉明,王其昌.几种道岔病害对轮轨相互作用的影响 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311112,China）Abstract:The research on the timing of preventive maintenance of turnout is an important part of the research onpreventive maintenance technology of turnout.Through the evaluation and analysis of the performance index andthe state of turnout,the acceptable minimum turnout performance index value is determined.According to themanagement data of turnout,the regression decay equation of turnout performance index and maintenance time isestablished,and the ratio of benefit area and cost of different preventive maintenance time is calculated.Thepreventive maintenance time corresponding to the maximum ratio is the best maintenance time.This method iscalled the benefit-cost ratio.The maintenance time of turnout calculated by this method can improve themaintenance efficiency of turnout,extend the life of turnout,reduce the maintenance cost of turnout,save the costof railway transportation and guarantee the safety of railway transportation.Keywords:maintenance and repair；benefit；turnout performance；indicators；decay equation路基工程 172 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）