基于層次分析法的重載鐵路線路狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

高林楓

國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司肅寧分公司，河北肅寧 062350

重載運(yùn)輸是世界鐵路貨運(yùn)的重要發(fā)展方向，其具有運(yùn)輸繁忙、運(yùn)能大、運(yùn)輸成本低等特點(diǎn)。增大軸重能夠明顯提高運(yùn)能和運(yùn)輸效益，但是列車(chē)作用于線路設(shè)備的荷載和作用次數(shù)隨之增大，設(shè)備劣化速率加快，病害明顯增加，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用大幅增加。貨車(chē)軸重增加20%，相應(yīng)的維護(hù)成本增加66%［1］。為獲得大軸重重載運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益，除強(qiáng)化線路設(shè)備外，還須改進(jìn)線路設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，合理控制維修費(fèi)用。傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)維修是以周期修為主，主要是解決突出問(wèn)題，存在過(guò)度修或欠修問(wèn)題［2］，急需革新，使之與當(dāng)前重載鐵路的發(fā)展水平相匹配。

我國(guó)鐵路檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，積累了大量養(yǎng)護(hù)維修的檢測(cè)數(shù)據(jù)，但是對(duì)數(shù)據(jù)尚未充分利用，應(yīng)建立有效的養(yǎng)護(hù)維修策略，使養(yǎng)護(hù)維修工作量與作業(yè)能力相匹配。對(duì)鐵路線路狀態(tài)的研究大多只側(cè)重線路幾何狀態(tài)，指標(biāo)較單一，難以全面反映鐵路整體狀態(tài)水平。在線路設(shè)備質(zhì)量等級(jí)管理方法中，采用線路質(zhì)量等級(jí)指標(biāo)（Track Quality Grade Index，TQGI）［3］衡量線路養(yǎng)護(hù)維修狀態(tài)。本文根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，運(yùn)用層次分析法建立TQGI體系，進(jìn)行線路質(zhì)量等級(jí)劃分，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)派工，高效作業(yè)，提高養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量，使重載鐵路運(yùn)輸效益得到提升。

1 T QGI體系的建立

1.1 構(gòu)建原則

1）科學(xué)性與可選取性。指標(biāo)概念要有明確科學(xué)內(nèi)涵，指標(biāo)選取需依據(jù)現(xiàn)有條件，避免過(guò)于復(fù)雜或數(shù)據(jù)難以獲取。

2）系統(tǒng)性與獨(dú)立性。鐵路線路是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有許多數(shù)據(jù)可以反映線路的狀態(tài)水平。指標(biāo)的選取既要反映系統(tǒng)的各個(gè)方面，又要體現(xiàn)其相關(guān)性。

1.2 層次結(jié)構(gòu)的確定

重載鐵路的檢測(cè)數(shù)據(jù)主要包括軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)、軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)。軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)主要有綜合軌檢車(chē)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)偏差、軌檢儀數(shù)據(jù)等。結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)主要為鋼軌、道床結(jié)構(gòu)、軌枕、聯(lián)結(jié)零件等的檢測(cè)數(shù)據(jù)。為全面評(píng)價(jià)線路質(zhì)量等級(jí)并充分利用現(xiàn)有檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立了兩類三層的重載鐵路TQGI體系。兩類為軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)（Track Geometry Index，TGI）和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)（Track Structure Index，TSI），三層為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

1.3.1 T GI的選取及計(jì)算方法

軌道幾何狀態(tài)反映了線路的平順性，是列車(chē)安全行駛的重要保證。為全面評(píng)價(jià)軌道幾何狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)及高速鐵路的相關(guān)指標(biāo)，選取了軌道質(zhì)量指數(shù)TQI、軌道質(zhì)量指數(shù)變化率RTQI［單位時(shí)間內(nèi)（通常是一個(gè)月）TQI的變化量與前一次檢測(cè)的T＇QI之比］、幾何狀態(tài)超限C、動(dòng)態(tài)偏差T四個(gè)指標(biāo)，并根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)其分別扣分。

計(jì)算公式為

式中，G（）為T(mén)GI的扣分函數(shù)。

1.3.2 T SI的選取及計(jì)算方法

重載鐵路結(jié)構(gòu)病害主要來(lái)自鋼軌系統(tǒng)（鋼軌損傷、接頭損傷等）、聯(lián)結(jié)零件系統(tǒng)（扣件缺失、扣件設(shè)置不合規(guī)定等）以及道床系統(tǒng)（翻漿冒泥、砂漿溢出等）。因此選取鋼軌系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)（Rail Condition Index，RCI）、聯(lián)結(jié)零件系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)（Joint Part Condition Index，JPCI）及道床系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)（Track Bed Condition Index，TBCI）評(píng)價(jià)軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

依據(jù)扣分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三個(gè)指標(biāo)扣分，計(jì)算公式為

式中，S（）為T(mén)SI的扣分函數(shù)。

1.4 指標(biāo)扣分標(biāo)準(zhǔn)的確定

現(xiàn)有重載鐵路線路養(yǎng)護(hù)維修主要采用單元修，即先進(jìn)行單元（線路單元和道岔單元）劃分，然后根據(jù)扣分劃分單元等級(jí)，最后按等級(jí)確定養(yǎng)護(hù)維修的地點(diǎn)和方式。

計(jì)算扣分時(shí)，線路單元和道岔單元的扣分標(biāo)準(zhǔn)不同。本文根據(jù)TG/GW102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》以及重載鐵路實(shí)際養(yǎng)護(hù)維修辦法，確定線路單元與道岔單元質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的扣分標(biāo)準(zhǔn)。

線路單元軌道幾何狀態(tài)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)扣分標(biāo)準(zhǔn)分別見(jiàn)表1、表2。道岔單元軌道幾何狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)扣分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。道岔單元軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)扣分標(biāo)準(zhǔn)與線路單元一致。

表1 線路單元軌道幾何狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)扣分標(biāo)準(zhǔn)

表2 線路單元軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)扣分標(biāo)準(zhǔn)

表3 道岔單元軌道幾何狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)扣分標(biāo)準(zhǔn)

1.5 重載鐵路T QGI體系的建立

三層次七指標(biāo)的重載鐵路TQGI體系見(jiàn)表4。

表4 重載鐵路T QGI體系

TGI的扣分函數(shù)可表示為

式中：w1i為T(mén)GI中第i項(xiàng)的權(quán)重，i=1，2，3，4；u1i為T(mén)GI中第i項(xiàng)的扣分值，u1i取值范圍為0~100，u1i大于100時(shí)，取100。

TSI的扣分函數(shù)可表示為

式中：w2j為T(mén)SI中第j項(xiàng)的權(quán)重，j=1，2，3；u2i為T(mén)SI中第j項(xiàng)的扣分值，u2j取值范圍為0~100，u2j大于100時(shí)取100。

TQGI的計(jì)算公式為

式中：w1為T(mén)GI的權(quán)重，w2為T(mén)SI的權(quán)重，w1+w2=1。

1.6 線路質(zhì)量等級(jí)劃分

根據(jù)TQGI將線路質(zhì)量等級(jí)從高到低劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)等級(jí)。線路單元、道岔單元質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)分別見(jiàn)表5和表6。

表5 線路單元質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表6 道岔單元質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

2.1 權(quán)重的確定方法

層次分析法能夠通過(guò)層次分解將復(fù)雜目標(biāo)簡(jiǎn)化為對(duì)多個(gè)指標(biāo)的判斷，從而能夠較清楚、系統(tǒng)、簡(jiǎn)便地評(píng)價(jià)目標(biāo)。具體步驟如下：

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型（參見(jiàn)表4）。

2）構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣主要是由專家對(duì)兩因素的相對(duì)重要性進(jìn)行判斷，從而確定指標(biāo)的標(biāo)度值。判斷矩陣元素a k l的標(biāo)度方法見(jiàn)表7。

表7 判斷矩陣元素a kl的標(biāo)度方法

2.2 準(zhǔn)則層權(quán)重的確定

準(zhǔn)則層的判斷矩陣見(jiàn)表8。運(yùn)用層次分析法計(jì)算可知：準(zhǔn)則層w1=0.9，w2=0.1。

表8 準(zhǔn)則層判斷矩陣

2.3 T GI權(quán)重的確定

TGI的判斷矩陣見(jiàn)表9。運(yùn)用層次分析法計(jì)算可知：TGI各指標(biāo)的權(quán)重w11=0.16，w12=0.16，w13=0.40，w14=0.28；一致性比率CR=0.022 7＜0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

表9 T GI的判斷矩陣

2.4 T SI權(quán)重的確定

TSI的判斷矩陣見(jiàn)表10。運(yùn)用層次分析法計(jì)算可知：TSI各指標(biāo)的權(quán)重w21=0.24，w22=0.14，w23=0.62；CR=0.017 6＜0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

表10 T SI的判斷矩陣

將準(zhǔn)則層權(quán)重與指標(biāo)層各指標(biāo)的權(quán)重相乘，可得指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，見(jiàn)表11。

表11 指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重

3 指標(biāo)權(quán)重的敏感性分析

敏感性分析是分析不同指標(biāo)權(quán)重的變化對(duì)線路狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的影響，對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，以更合理評(píng)價(jià)線路狀態(tài)。權(quán)重反映的是指標(biāo)對(duì)目標(biāo)值的影響程度，權(quán)重越大，對(duì)目標(biāo)值的影響程度越大，則敏感性越高［4］。由于TSI指標(biāo)權(quán)重只占0.1，影響較小，故僅對(duì)TGI指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行敏感性分析。

采用攝動(dòng)法［5］進(jìn)行敏感性分析。權(quán)重?cái)z動(dòng)量以0.04為基本單位，準(zhǔn)則層權(quán)重不變，通過(guò)對(duì)TQI與RTQI以及C與T進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算每種權(quán)重下TQGI，統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)線路的比例。采用的數(shù)據(jù)為朔黃鐵路上行線K154+000—K191+000區(qū)段2021年3—6月綜合軌檢車(chē)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)偏差數(shù)據(jù)和軌檢儀數(shù)據(jù)。

3.1 T QI、R TQI的 權(quán)重分析

改變TQI、RTQI權(quán)重，其余指標(biāo)權(quán)重保持不變（參見(jiàn)表11）。不同TQI、RTQI權(quán)重組合下各等級(jí)線路占比見(jiàn)表12。各等級(jí)線路占比隨權(quán)重組合的變化曲線見(jiàn)圖1。

表12 不同T QI、R TQI權(quán)重組合下各線路等級(jí)占比

圖1 各等級(jí)線路占比隨權(quán)重組合的變化曲線

由表12和圖1可知：①隨著TQI權(quán)重增大，RTQI權(quán)重不斷減小，Ⅰ級(jí)線路占比總體上在不斷減小，Ⅱ級(jí)線路占比總體上在不斷增加，Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)線路占比總體上在緩慢增長(zhǎng)。原因是TQI權(quán)重增大，則TQI扣分變多，許多Ⅰ級(jí)線路就變?yōu)棰蚣?jí)線路。而Ⅲ級(jí)線路與Ⅳ級(jí)線路的標(biāo)準(zhǔn)較寬松，其占比總體上只是緩慢增長(zhǎng)。理論上，任一指標(biāo)的權(quán)重增加或減少時(shí)，都會(huì)使Ⅰ級(jí)線路占比減少或增大。但TQI權(quán)重增大，RTQI權(quán)重減小，二者權(quán)重之和保持不變時(shí)，Ⅰ級(jí)線路占比減小，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)線路占比增加，這說(shuō)明TQI的敏感性比RTQI強(qiáng)。②第6種權(quán)重組合（TQI權(quán)重為0.20、RTQI權(quán)重為0.12）時(shí)占比曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)線路占比變化最大，這說(shuō)明TQI、RTQI的初始權(quán)重不夠合理，需重新按照5∶3（即第6種組合的權(quán)重）進(jìn)行分配。

3.2 C、T的權(quán)重分析

不同C、T權(quán)重組合下各等級(jí)線路占比見(jiàn)表13，各等級(jí)線路隨權(quán)重組合的變化曲線見(jiàn)圖2。

由表13和圖2可知：①隨著C權(quán)重增大，T權(quán)重減小，Ⅰ級(jí)線路占比先減小然后趨于穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)線路占比先增大然后趨于穩(wěn)定，Ⅲ級(jí)線路占比先不變?nèi)缓缶徛鲩L(zhǎng)至穩(wěn)定，Ⅳ級(jí)線路占比整體比較穩(wěn)定。②權(quán)重增大意味著增大該指標(biāo)扣分值，降低Ⅰ線路比例；反之，權(quán)重減小會(huì)提高Ⅰ級(jí)線路比例。C權(quán)重增大Ⅰ級(jí)線路占比減小，T權(quán)重增大Ⅰ級(jí)線路占比卻增大，這表明C的敏感性比T強(qiáng)。③第11種權(quán)重組合（C權(quán)重為0.40，T權(quán)重為0.28）時(shí)占比曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)線路占比變化最大，與第10種權(quán)重組合相比，Ⅰ級(jí)占比減小了5.95%、Ⅱ級(jí)線路占比增大了3.96%。故C、T權(quán)重之比宜為10∶7（即第11種組合的權(quán)重）。

圖2 各等級(jí)線路占比隨C、T權(quán)重組合的變化曲線

3.3 權(quán)重修正

通過(guò)敏感性分析將朔黃鐵路上行線K154+000—K191+000區(qū)段TQI、RTQI權(quán)重之比由初始的1∶1修正為5∶3，因C、T初始權(quán)重之比已是10∶7，不再修正。TSI權(quán)重不變。

修正前后的指標(biāo)權(quán)重及各等級(jí)線路占比見(jiàn)表14。修正前權(quán)重為初始權(quán)重?？芍孩贆?quán)重之比修正后，TQI和RTQI的權(quán)重發(fā)生了變化，C、T的權(quán)重沒(méi)變；②Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)線路占比分別降低了1.41%和0.85%，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)線路占比分別增加了1.98%和0.28%。

表14 修正前后指標(biāo)權(quán)重及各等級(jí)線路占比

4 結(jié)論

本文基于層次分析法建立了重載鐵路線路質(zhì)量等級(jí)指標(biāo)體系，并對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了敏感性分析。得出了如下結(jié)論：

1）根據(jù)TQGI將重載鐵路線路質(zhì)量等級(jí)從高到低劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)。

2）將軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)結(jié)合對(duì)重載鐵路線路質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并且運(yùn)用層次分析法計(jì)算了兩類指標(biāo)的初始權(quán)重。

3）采用攝動(dòng)法對(duì)軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析，得出軌道質(zhì)量指數(shù)的敏感性比軌道質(zhì)量指數(shù)變化率強(qiáng)。幾何狀態(tài)超限的敏感性比動(dòng)態(tài)偏差強(qiáng)。軌道質(zhì)量指數(shù)和軌道質(zhì)量指數(shù)變化率權(quán)重之比宜為5∶3，幾何狀態(tài)超限與動(dòng)態(tài)偏差權(quán)重之比宜為10∶7。