铁路线路养护维修计划编制理论与方法

1绪论

1.1研究背景
安全是铁路运输的生命线，面对运营里程的增加和列车速度的提升，始终保持铁路基础设施状态良好，保障运输生产安全成为铁路部门面临的首要任务。线路设备作为铁路的重要技术装备，是由路基、桥險建筑物（桥梁、涵洞、險道等）和轨道构成的一个整体性工程结构。在运营生产过程当中，为保障列车安全、平稳和不间断运行，铁路工务部门必须尽量保持线路高平顺性，注意改善线路设备状态，降低系统失效风险》铁路线路养护维修能够最大程度上消除安全隐患，改善运输条件，在运输生产中的地位至关重要。
随着信息技术和自动化水平的日益发展，生产一线所需要的人员数量持续减少，但大量的复杂设备却使得维修成本不断上升，在运输、采矿、冶金、造纸和化工等工业生产领域都投入了大量的资金用于设备或系统的养护维修。据统计，2003年荷兰铁路用于线路维修和更新的费用分别达到了2.95亿欧元和1.5亿欧元；北美地区每年都需要投入数十亿美元用于铁路线路的养护和维修；2006年英国为后续5年的铁路线路维修和站场改造总计投入了227亿英镑。养护维修的髙投入并不能有效地解决运输与维修之间的矛盾，一方面，养护维修作业对于维持运输生产的正常运行，保证各部件合理的使用寿命，提高运输系统的安全性和可靠性具有重要作用，另一方面，养护维修的执行会造成运输生产的中断，影响正常生产秩序，不利于运输能力的提升和释放。随着路网规模的扩大，行车密度的增力口，线路养护维修作业量越来越多，而可用于养护维修作业的时间却不断压缩，运输与维修之间的矛盾进一步加剧。
线路养护维修的科学管理既能保障运输安全也可兼顾经济效益，制定合理的维修计划是解决运输生产与维修之间矛盾，节约维修成本的有效途径。围绕铁路线路维修计划建模和优化技术，国外己经幵展了广泛的研宄，而我国在这方面的研究较为薄弱。由于我国铁路在工务维修管理体制方面的诸多弊端，传统的超限修、故障修和粗放的周期修仍是线路维修的主要方式。随着铁路向高速、重载方向发展，越来越多的国内学者开始关注线路设备状态预测技术的研宄，致力于探索设备状态发展规律，加快维修方式地转变。在此背景下，迫切需要对铁路线路养护维修计划编制理论与方法展开深入研究，基于线路设备状态变化规律，考虑维修资源优化配置，兼顾运输与维修之间的关系，制定合理的预防性维修计划，最终实现维修成本和运营安全的双重控制。

1.2研究意义
深入研究铁路线路养护维修计划编制理论与方法，根据线路养护维修计划开展有计划、预防性的养护维修作业具有重要的理论意义和现实意义。
（1）逐步地完善线路养护维修计划编制理论
铁路线路预防修和状态修的维修理念早已深入人心，但如何作用与生产实践却一直困扰着众多学者。虽然己经取得了大量的研究成果，但目前为止仍未形成一套完善的铁路线路养护维修计划编制理论体系。我国铁路运输场景复杂，既有线与高速线路并存且维修作业方式存在明显差异，同时，线路养护维修作业种类繁多，在安排执行时受制于各种因素，国外既有研究成果很难直接应用于我国铁路。本论文从不同角度分别研宄了考虑作业执行周期的预防性年度计划编制方法和考虑设备状态的状态修计划编制方法，形成了一套适用于我国铁路线路养护维修计划编制的理论，为铁路生产作业的科学管理与实施提供了有力的技术支撑，是对目前铁路线路养护维修计划编制理论体系的补充和完善。
（2）有效地提高线路设备可靠性
线路设备在列车荷载的反复作用和运营环境、设备老化等因素的影响下，随着时间的推移状态逐渐劣化，可靠性不断下降，失效概率明显升高，通过有计划的维修活动可以恢复设备运行条件，延长各部件使用寿命，防止故陣的发生。因此，制定合理的养护维修计划可以有效地提高线路设备的可靠性。
（3）极大地改善运输服务水平
铁路线路的平顺性关系到列车运行的平稳和旅客乘车的舒适，始终保持线路系统的高度平顺能够在完成客货运量的同时保证运输服务质量。合理的维修计划不仅可以安排维修作业消除已知的线路不平顺病害，而且能够充分运用线路时空资源实施预防性养护工作，贯彻“预防为主，防治结合，修养并重”的原则，从根本上杜绝安全隐患，极大的提高运输服务的水平。

2国内外研究综述

开展铁路线路养护维修计划编制研究需要明确维修及维修计划的基本含义，从而界定研究范围，明确研究对象。由于我国铁路线路管理体制的独特性，无法完全借鉴国外既有研宄成果，需要在总结分析国内外铁路线路养护维修管理现状的基础上对线路养护维修计划编制理论加以改进和完善。为此，本章拟从三个方面展开综述，包括维修基础理论综述、线路养护维修管理现状综述和线路养护维修计划编制理论综述。维修基础理论综述将系统阐述维修相关的基础理论，明确维修的概念、维修计划及决策过程；线路养护维修管理现状综述通过对比国内外线路养护维修管理模式强调养护维修计划编制的必要性，同时描述我国线路养护维修计划编制方法和实施手段；线路养护维修计划编制理论综述将围绕既有研究成果详细地叙述各类建模方法的内容和特点，以此为基础明确本论文研究内容和方法体系。

2.1维修基础理论综述
2.1.1维修的基本概念
2.1.1.1维修的定义及目标
参考现行的国际标准，维修被描述为确保设备实现所期望的功能，在设备的寿命周期内保持、恢复和改善设备状态而采取的所有技术和管理活动的集合。维修的具体目标可以归纳总结如下：
以低费用、高可靠性和安全性为前提，增加设备的可用性从而提高产量；
尽可能减少设备故障和紧急事故的发生；
最大程度的优化生产资源的分配和利用；
缩短因故障而导致的生产停工时间；
改善系统备件的库存管理；
提高设备效率并降低报废率；
最小化生产中相关能源的利用；
最优化设备的使用寿命；
提供切实可靠的费用和预算控制；
实现生产成本的降低。
2.1.1.2维修的发展及分类
人们对维修从认识到重视经历了一个漫长的过程，大致可以分为三个阶段，如图2-1所示。从最初出现故障以后再维修发展到根据周期安排维修，再到后来越来越多维修方式和维修理念的产生，维修逐步进入了蓬勃发展的时期。


2.2线路养护维修管理现状综述
受气候、温度、列车荷载等多种因素影响，轨道几何形位不断发展劣化，路基、道床逐渐失效变形，钢轨、轨枕及联结零件也时常发生磨损，导致线路设备技术状态发生变化。与此同时，线路设备作为保障铁路运输安全畅通的关键设备，结构复杂、技术性强，一经损坏，轻则限速减载，重则中断行车。为确保运输安全，必须加强线路设备检测、监测，并适时安排养护维修。参考2.1.1.1中维修的定义，本论文将铁路线路养护维修定义如下：
定义：我国铁路工务部门为确保线路设备实现所期望的功能，在设备的寿命周期内保持、恢复和改善设备状态而采取的所有技术和管理活动的集合称为铁路线路养护维修或铁路线路修理。
线路养护维修的基本目标是以铁路运输为中心，在技术和经济两个层面上达到所期望的要求。在技术层面上：提高或恢复轨道结构强度，全面改善轨道弹性；经常保持线路设备的完整和质量均衡；保证列车能以规定的速度，安全、平稳和不间断地运行；尽量延长设备使用寿命。在经济层面上：优化劳动组织，提高劳动生产率和作业质量，降低成本；合理安排修理作业，最大限度降低对运输的影响，减少运输能力的损耗。
2.2.1养护维修管理模式
2.2.1.1国外现状概述
世界各国铁路都十分重视基础设施的养护维修工作，一些国家在铁路养护维修方面进行了大量的探索和实践形成了先进的养护维修管理模式，下表2-3以法国、德国、日本的高速铁路为代表，从铁路线路养护维修的组织方式、管理标准、维修实施三个方面进行了总结。


3弹性周期预防性养护维修计划编制..........35
3.1建模基础........35
3.1.1建模要素..........35
4具有更新机制的铁路线路状态预测模型........61
4.1问题提出.........61
5基于状态时间窗的养护维修计划编制........85
5.1建模基础......85

5基于状态时间窗的养护维修计划编制

设备状态预测的突出作用是能够辅助管理者制定针对性强、有前瞻性的维修计划，尽管国外在这方面己经开展了较长时间的研宄，但在国内，众多学者一直以来注重铁路线路设备状态预测方法地探索和开发，在如何利用预测结果制定基于设备状态的养护维修计划方面尚显薄弱。随着我国高速铁路营业里程的快速增长和成网运营，对线路养护维修的要求越来越高，制定线路状态修养护维修计划能够有效指导工务部门充分利用夜间天窗，避免盲目维修。在第四章研究的基础上，本章将阐述如何利用轨道状态预测模型辅助管理者编制养护维修计划。

5.1建模基础
5.1.1状态修计划编制框架
铁路线路的状态修以设备状态检测为基础，考虑不同线路轨道结构、运输强度以及自然环境等因素，运用数理统计方法，通过定量分析找出线路设备状态变化规律和临界状态，根据科学合理的维修周期编制养护维修计划，指导线路的各项维修和保养工作。状态修计划的编制结果能够辅助管理部门在实际生产中做到该修的及时修好，不该修的坚决不修、推迟修的绝不提前修，把有限的人力、物力用在线路设备的薄弱环节。编制状态修的铁路线路养护维修计划需要满足以下前提条件：
（1）全面采集各种检查、检测及监测方式产生的数据，铁路线路基础设施静态属性数据，设施运用过程中产生的动态属性数据和设施的地理空间数据，实现铁路线路设施运行状态更透彻地感知。
（2）针对各类采集数据的特点，构建统一的数据标准。基于统一标准，设计数据共享平台，并构建数据库，使各种数据能够在不同维度上实现共享与交互，从而实现铁路线路设施运行状态信息更全面地互联互通。
（3）针对铁路线路设施设备特点分别构建多种状态评价模型和状态预测模型，形成铁路线路设施运行状态分析模型库，借助现代化计算机技术，实现铁路线路设施状态更智能地洞察。


6结论与展望

6.1论文主要工作
本论文以我国铁路线路养护维修计划编制为研究内容，通过分析计划编制要素、养护维修活动特点、设备状态变化规律，提出了适应于不同场景的区域路网铁路线路养护维修计划编制方法。
本论文的主要研究工作如下：
（1）铁路线路作为一个复杂系统，其维修计划的编制长期以来备受关注。本论文以维修基础理论、线路养护维修管理、维修计划编制理论三方面综述为基础，重点阐述了我国铁路快速发展背景下线路养护维修计划编制的重要意义及存在问题，进一步确立了本论文的研究内容和研究方向。
（2）工务部门编制年度线路养护维修计划不仅能从宏观上把握人、财、物分配和使用情况，也是与其他专业和运输部门进行信息交互的重要方式和手段。本论文基于目前我国铁路线路设备的修程修制，提出了铁路线路年度预防性养护维修计划编制方法，建立了涵盖各类检修作业活动和大型施工作业活动的预防性修理计划编制模型，通过考虑多种约束条件使模型更符合实际工程应用的需求。
（3）由于轨检车和综合检测列车在铁路线路状态检测中的广泛应用，使轨道几何不平顺动态检测数据得到了极大丰富，但是维修数据的缺失，使轨道不平顺状态中、长期预测模型无法达到理想的预测精度。本论文基于灰色预测理论，以轨检车检测数据为基础，建立了维修间隔之间轨道几何不平顺状态短期预测模型，从而掌握轨道状态变化规律，逐步实现轨道设备的状态修。
（4）状态修的最终落脚点是制定基于设备状态的维修计划，在轨道状态预测方法研究的基础上，本论文提出了适用于高速铁路线路的月度养护维修计划编制模型。模型面向区域范围内的所有高速线路，能够在保证设备状态高可靠性的同时合理地安排月度维修天窗内各维修班组的维修任务。
参考文献（略）