白文飛，韓 嵩，張 偉，孫全欣，安 茹

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城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件研究

白文飛1，韓 嵩2，張 偉3，孫全欣4，安 茹1

（1. 北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；2. 北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100101；3. 北京市交通委員會，北京 100073；4. 北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，北京 100044）

為加強城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造的科學(xué)管理，提出將實際使用壽命和以可靠性指標(biāo)為判定標(biāo)準(zhǔn)的健康狀態(tài)作為其更新改造技術(shù)條件，并分別建立基于韋布爾-泊松過程的固定資產(chǎn)使用壽命估計模型和基于平均故障率、平均故障間隔時間和平均可用度的固定資產(chǎn)健康狀態(tài)評定模型。最后，利用北京地鐵2號線鋼軌的傷損數(shù)據(jù)對提出的更新改造技術(shù)條件及評估模型進(jìn)行實例驗證。結(jié)果表明，改進(jìn)的更新改造技術(shù)條件及評估模型能夠?qū)Τ鞘熊壍澜煌ü潭ㄙY產(chǎn)的更新改造需求進(jìn)行量化分析評定，在城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造實際管理中具有實用性和更好的可操作性。

城市軌道交通；固定資產(chǎn)；更新改造；技術(shù)條件；韋布爾-泊松過程；壽命估計；健康狀態(tài)；可靠性指標(biāo)

1 研究背景

近年來城市軌道交通得到了快速發(fā)展，隨著線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，線路運營年限不斷增加，城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造問題愈發(fā)凸顯。首先，更新改造資金的快速增長給政府帶來巨大的財政壓力；其次，線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大給固定資產(chǎn)狀態(tài)維護(hù)增加了困難，安全運營形勢越來越嚴(yán)峻。目前，城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件主要包括固定資產(chǎn)的設(shè)計壽命和健康狀態(tài)兩類[1]，但存在設(shè)計壽命信息不完整、對資產(chǎn)實際使用狀態(tài)考慮不足以及健康狀態(tài)指標(biāo)不完善等問題[2]，難以為更新改造管理提供足夠的支撐。因此，確定更加明確可行的更新改造技術(shù)條件，為更加科學(xué)合理地分配使用更新改造資金提供依據(jù)，更好地滿足安全運營需求，成為亟待解決的問題。

對于固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件的研究，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的工作。Kleine等[3]提出將固定資產(chǎn)健康狀態(tài)作為更新改造的技術(shù)條件，并分別基于Markov-chain建立了固定資產(chǎn)健康狀態(tài)評定和預(yù)測模型；Caetano和Teixeira[4]建立了固定資產(chǎn)可用度評估模型，并利用固定資產(chǎn)可用度作為更新改造的判定標(biāo)準(zhǔn)；Andrews等[5]提出依據(jù)固定資產(chǎn)的狀態(tài)和維修成本來確定其是否需要進(jìn)行更新改造，并指出當(dāng)固定資產(chǎn)的狀態(tài)使其維修成本高于更新改造成本時，應(yīng)進(jìn)行更新改造；Durango-Cohen和Madanat[6]提出依據(jù)固定資產(chǎn)的狀態(tài)和更換資金來制定更新改造策略，并基于隱性馬爾科夫決策過程建立了固定資產(chǎn)更新改造決策模型；Guler[7]提出依據(jù)固定資產(chǎn)的剩余壽命確定資產(chǎn)的更新周期，并基于韋布爾分布建立了資產(chǎn)剩余壽命評估模型。

由于城市軌道交通資產(chǎn)健康狀態(tài)指標(biāo)不完善等問題，上述研究難以在中國的城市軌道交通資產(chǎn)更新管理工作中進(jìn)行實際應(yīng)用。雖然國內(nèi)也有不少學(xué)者針對城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造問題進(jìn)行了研究，例如李永亮和王耀[8]分析總結(jié)了目前北京市城市軌道交通資產(chǎn)管理存在的主要問題，并給出了相應(yīng)的對策建議；田振清[9]分析了典型的城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造補貼模式的特征及適用性，并提出了補貼資金額的計算方法；楊亦慧[10]和吳燕伶[11]在分析城市軌道交通固定資產(chǎn)管理模式及其演變過程的基礎(chǔ)上提出了更新改造資金核算的方法。但是相關(guān)研究大多是對管理政策的論述或研究政府如何對城市軌道交通企業(yè)進(jìn)行財政補貼，缺少對城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件的研究。

本研究針對城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造管理現(xiàn)狀，提出以實際使用壽命和可靠性指標(biāo)為判定標(biāo)準(zhǔn)的健康狀態(tài)作為城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件，并分別建立相應(yīng)的評估模型，解決現(xiàn)有技術(shù)條件存在的主要問題，使新的技術(shù)條件更加科學(xué)合理，更便于城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造管理的實際操作。

2 評估模型

2.1 固定資產(chǎn)使用壽命估計模型

其中

通過公式（7），可以計算得到固定資產(chǎn)的使用壽命，確定該固定資產(chǎn)的更新改造周期。

2.2 固定資產(chǎn)健康狀態(tài)評定模型

通過評定固定資產(chǎn)健康狀態(tài)是否滿足安全運營需要，可判定是否對資產(chǎn)進(jìn)行更新改造。本文基于平均故障率、平均故障間隔時間和平均可用度建立固定資產(chǎn)健康狀態(tài)評定模型對其健康狀態(tài)進(jìn)行評定，其中不同類型資產(chǎn)的指標(biāo)閾值不一致，應(yīng)根據(jù)實際管理情況設(shè)定。

2.2.1 平均故障率

平均故障率指資產(chǎn)在一定時間范圍內(nèi)單位時間發(fā)生故障的比率，反映了資產(chǎn)在一定時間范圍內(nèi)的故障強度[12]。

2.2.2 平均故障間隔時間

平均故障間隔時間指資產(chǎn)相鄰兩次故障之間的平均時間，反映了設(shè)備故障對運營的影響強度。

2.2.3 平均可用度

平均可用度指資產(chǎn)使用一定時間范圍內(nèi)，處于正常使用狀態(tài)的時間比例，反映了資產(chǎn)在規(guī)定時間內(nèi)保持功能的一種能力。

通過公式（13）、（14）和（17），可以計算得到每個固定資產(chǎn)在一段時間范圍內(nèi)的平均故障率、平均故障間隔時間和平均可用度，根據(jù)各類固定資產(chǎn)修理規(guī)則中設(shè)定的資產(chǎn)使用的安全閾值，可以對固定資產(chǎn)的健康狀態(tài)進(jìn)行評定，只要3個指標(biāo)中有1個指標(biāo)的值超過了設(shè)定的安全閾值，即可認(rèn)為該資產(chǎn)的健康狀態(tài)不滿足安全運營需求，需要對其進(jìn)行更新改造。

3 案例分析

鋼軌是一類重要的軌道交通固定資產(chǎn)，本研究以北京地鐵2號線上行鋼軌的更新改造為例對提出的固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件及評估模型進(jìn)行實例驗證。北京地鐵2號線上行運營里程為23.029 km，上次鋼軌更新改造完成的時間為2007年12月27日[13]，以此時間作為2號線鋼軌壽命的開始時刻，利用2008年1月到2016年4月的鋼軌傷損檢測數(shù)據(jù)來分析其使用壽命和健康狀態(tài)，判定其更新改造需求。

北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，成段更換500 m及以上的鋼軌屬于更新改造，因此本研究采用500 m長度將線路上的鋼軌劃分成多個鋼軌單元，以每個鋼軌單元為研究對象，利用本研究提出的城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件評估模型對每個鋼軌單元的剩余壽命和健康狀態(tài)進(jìn)行分析。

根據(jù)《北京地鐵工務(wù)維修規(guī)則》[14]，當(dāng)線路上的鋼軌出現(xiàn)重傷時，應(yīng)適當(dāng)降低線路允許速度，并及時更換重傷鋼軌。因此，將鋼軌單元出現(xiàn)重傷時算作鋼軌單元故障。參考《鐵路線路修理規(guī)則》[15]的規(guī)定：當(dāng)鋼軌累計疲勞重傷平均達(dá)到2~4根/km時，應(yīng)安排更換，設(shè)定北京地鐵的每個鋼軌單元累計疲勞重傷達(dá)到3根時，應(yīng)安排更新改造。

3.1 使用壽命估計結(jié)果

根據(jù)北京地鐵的鋼軌更新改造標(biāo)準(zhǔn)和2008年1月到2016年4月的鋼軌疲勞傷損檢測數(shù)據(jù)，選取了2號線上行全部的23個達(dá)到更新改造標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌單元，即累計發(fā)生3次及以上疲勞重傷的鋼軌單元，利用上文提出的壽命估計模型計算這23個鋼軌單元的使用壽命，估計其更新周期，并與實際壽命進(jìn)行了對比，具體結(jié)果如表1所示。

表1 北京地鐵2號線上行鋼軌單元使用壽命估計結(jié)果

由表1可以看到，所有的鋼軌單元使用壽命估計結(jié)果誤差均小于2年，并且82.61%的鋼軌單元使用壽命估計結(jié)果誤差小于1年。依據(jù)《北京市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造項目財政專項資金管理暫行辦法》[16]的規(guī)定，北京地鐵線路管理部門對需要更新改造的固定資產(chǎn)應(yīng)提前1年提交更新改造申請。因此，本文提出的模型的計算精度能夠滿足固定資產(chǎn)更新改造實際管理工作的需要，準(zhǔn)確估計固定資產(chǎn)的更新周期，避免了原有按照固定資產(chǎn)設(shè)計壽命進(jìn)行更新改造管理時對實際使用狀態(tài)考慮不足的問題，為科學(xué)安排固定資產(chǎn)更新改造計劃提供了決策支持。

3.2 健康狀態(tài)指標(biāo)計算

根據(jù)北京地鐵2008年1月到2016年4月的鋼軌疲勞傷損檢測數(shù)據(jù)，2號線上行右股總共有33個鋼軌單元發(fā)生過疲勞重傷，論文選取上行右股發(fā)生過重傷的全部33個鋼軌單元，計算了其2008年1月到2016年4月的平均故障率、平均故障間隔時間和平均可用度，判定其更新改造需求，具體結(jié)果如表2所示。

根據(jù)每個鋼軌單元累計疲勞重傷達(dá)到3根時，應(yīng)安排更新改造，每個鋼軌單元在2008年1月到2016年4月這段時間范圍內(nèi)的平均故障率超過0.10%或平均故障間隔時間不大于730 d或平均可用度不大于99.90%時，應(yīng)安排更新改造。

由表2中可以看到，截止到2016年4月，鋼軌單元2、8、15、16、18、19、20、21、22、23、25、28、29的健康狀態(tài)已達(dá)到更新改造條件，北京地鐵線路管理部門應(yīng)及時對該鋼軌單元進(jìn)行更新改造；剩余鋼軌單元健康狀態(tài)未達(dá)到更新改造條件。因此，本研究提出的基于平均故障率、平均故障間隔時間和平均可用度的固定資產(chǎn)健康狀態(tài)評定模型能夠定量判定固定資產(chǎn)的更新改造需求。

表2 北京地鐵2號線上行右股鋼軌單元健康狀態(tài)指標(biāo)計算結(jié)果

續(xù)表

鋼軌單元序號鋼軌單元起始里程/km平均故障率/%平均故障間隔時間/d平均可用度/% 52.00.0797399.93 62.50.031 46099.97 73.00.031 46099.97 83.50.1458499.86 94.00.0797399.93 104.50.031 46099.97 115.00.031 46099.97 125.50.031 46099.97 136.00.0797399.93 146.50.0797399.93 157.00.1458499.86 167.50.1073099.90 178.00.031 46099.97 188.50.1073099.90 199.50.1748799.83 2010.00.1458499.86 2110.50.1073099.90 2211.50.1748799.83 2312.00.1458499.86 2412.50.031 46099.97 2513.00.1073099.90 2614.50.0797399.93 2715.00.0797399.93 2816.00.1458499.86 2916.50.1748799.83 3019.50.031 46099.97 3120.00.031 46099.97 3222.00.0797399.93 3322.50.031 46099.97

4 結(jié)論

本文提出了將實際使用壽命和以可靠性指標(biāo)為判定標(biāo)準(zhǔn)的健康狀態(tài)作為城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件，并分別建立了基于韋布爾—泊松過程的固定資產(chǎn)使用壽命估計模型和基于平均故障率、平均故障間隔時間、平均可用度的固定資產(chǎn)健康狀態(tài)評定模型。利用北京地鐵2號線上行鋼軌傷損數(shù)據(jù)，在將線路上的鋼軌劃分成多個鋼軌單元的基礎(chǔ)上，對本文提出的更新改造技術(shù)條件及評估模型進(jìn)行了驗證，估計了北京地鐵2號線上行鋼軌單元的使用壽命，評估了鋼軌單元的健康狀態(tài)，分析了鋼軌單元的更新改造周期和需求。結(jié)果表明，本文提出的城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造技術(shù)條件及評估模型，與原有技術(shù)條件只能定性分析判定固定資產(chǎn)更新改造需求相比更加科學(xué)合理，能夠明確定量的分析判定，解決了原有技術(shù)條件存在的壽命信息不完整、對實際使用狀態(tài)考慮不足以及健康狀態(tài)難以量化評定的問題。在城市軌道交通固定資產(chǎn)更新改造實際管理中具有實用性和更好的可操作性，能夠為管理部門科學(xué)安排固定資產(chǎn)更新改造計劃提供決策支持。

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Financial special funds management interim procedures for renewal and renovation of capital assets in urban rail transit of Beijing: [2010] No.1881[A]. Beijing: Beijing Municipal Bureau of Finance, 2010.

（編輯：郝京紅）

Technical Conditions for Renewal and Renovation of Capital Assets in Urban Rail Transit

BAI Wenfei1, HAN Song2, ZHANG Wei3, SUN Quanxin4, AN Ru1

(1. State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 2. Beijing Infrastructure Investment Co., Ltd, Beijing 100101; 3. Beijing Municipal Commission of Transport, Beijing 100073; 4. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

In order to strengthen the management of urban rail transit, the technical conditions of existing renewal and renovation were improved. Service life of capital assets and the health condition based on a reliability index were regarded as technical conditions for renewal and renovation. The estimation model for the service life of capital assets, which was based on the Weibull-Poisson process, and an evaluation model for the health condition of capital assets, which was based on the average failure rate, mean time between failures and average availability, were established. Finally, a case study on the technical conditions and the renewal and renovation models based on rail defects data of the up line on the Beijing Metro Line 2 was created. The results show that the technical conditions and the evaluation model of the improved renewal and renovation can be used to quantitatively analyze and evaluate the demand for renewal or renovation in urban rail transit. It solves the problems of insufficient live information due to the existing technical conditions as well as the problem of the lack of an evaluating index for health conditions. It has practicality and better maneuverability in the actual management of renewal and renovation of capital assets in urban rail transit.

urban rail transit; capital assets; technical conditions for renewal and renovation; Weibull-Poisson process; service life estimation; health condition; reliability index

U491.227

A

1672-6073(2018)02-0077-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.013

2017-08-28

2017-10-09

白文飛，男，博士研究生，研究方向為軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施管理，wfbai@bjtu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項目（51578057）；北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室自主研究項目（RCS2016ZT007）