戴源廷 馬志鵬 徐 棟 周 瀟

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2. 中國鐵道科學(xué)研究院, 100081, 北京; 3. 北京市軌道交通運(yùn)營管理有限公司, 100068, 北京; 4. 重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司, 401120, 重慶∥第一作者, 副研究員)

隨著城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)線網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大,基礎(chǔ)設(shè)施服役年限的逐漸累積,應(yīng)用綜合檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)的高效感知,成為城軌基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的迫切需求[1]。

既有城軌綜合檢測(cè)列車存在集成化程度不足、智能化水平不高的缺陷,無法實(shí)現(xiàn)多專業(yè)數(shù)據(jù)的同步、精準(zhǔn)采集,難以滿足城軌智能化,建設(shè)運(yùn)營綠色化的發(fā)展需求[2]。為突破既有綜合檢測(cè)列車的技術(shù)瓶頸,需要研發(fā)新一代城軌智能綜合檢測(cè)列車。目前,深圳市地鐵集團(tuán)有限公司牽頭研發(fā)出2節(jié)編組B型綜合檢測(cè)列車,中國鐵道科學(xué)研究院牽頭研發(fā)出3節(jié)編組B型綜合檢測(cè)列車。

本文從需求、效益、功能替代性等3個(gè)維度出發(fā),利用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的層次分析方法,提出了城軌智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)的配置方案決策模型;以實(shí)際線路為工程背景,分析城軌智能綜合檢測(cè)列車的集成配置條件,根據(jù)搭載檢測(cè)系統(tǒng)的不同提出兩種切實(shí)可行的配置方案,為城軌智能綜合檢測(cè)列車的集成研發(fā)方案提供參考。

1 城軌智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)配置方案決策模型

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)簡介

城軌智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)需求數(shù)量如表1[3]。

表1 城軌智能綜合檢測(cè)列車各專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)配置

為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施全斷面狀態(tài)數(shù)據(jù)的主動(dòng)感知,定位同步系統(tǒng)與車載綜合管控系統(tǒng)作為智能綜合檢測(cè)列車的必備檢測(cè)系統(tǒng),不作為決策模型的主要分析對(duì)象,其余各檢測(cè)系統(tǒng)編號(hào)依次為1～11。

1.2 需求維度分析

城軌智能綜合檢測(cè)列車作為動(dòng)態(tài)綜合檢測(cè)設(shè)備,受到城軌行業(yè)的廣泛關(guān)注。通過對(duì)北京、重慶、廣州等城市軌道交通運(yùn)營公司的調(diào)研,截至2023年2月,各檢測(cè)系統(tǒng)的需求統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。

圖1 智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)需求數(shù)量統(tǒng)計(jì)

隨著城軌智能綜合檢測(cè)列車的進(jìn)一步推廣,僅依據(jù)當(dāng)前調(diào)研情況得到的系統(tǒng)需求具有短期性與隨機(jī)性。為更全面反映市場(chǎng)對(duì)各檢測(cè)系統(tǒng)的需求,本文基于上述統(tǒng)計(jì)情況,利用層次分析法結(jié)合專家評(píng)分對(duì)各檢測(cè)系統(tǒng)的需求權(quán)重進(jìn)行分析[4-5]。

1.2.1 層次結(jié)構(gòu)的建立

為了將各檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一比較分析,本文改進(jìn)了傳統(tǒng)層次分析法的層次結(jié)構(gòu),刪除功能層,建立如下的目標(biāo)層與指標(biāo)層結(jié)構(gòu):① 目標(biāo)層A(檢測(cè)系統(tǒng)的總體需求);② 指標(biāo)層B1—B11(通信檢測(cè)系統(tǒng),…,隧道襯砌狀態(tài)巡檢系統(tǒng))。

1.2.2 判別矩陣的構(gòu)造

判別矩陣N中的各個(gè)元素均不為0,以左對(duì)角線互為倒數(shù)分布,元素的大小反映了在其下角標(biāo)的兩個(gè)元素中,前者相對(duì)于后者的重要性大小。判別矩陣結(jié)構(gòu)、標(biāo)度及含義詳見文獻(xiàn)[6]。

1.2.3 權(quán)重向量的計(jì)算

和積法和方根法是常用的計(jì)算權(quán)重的方法。本文選用方根法進(jìn)行計(jì)算[7]。

對(duì)判別矩陣N中各元素aij按行求積:

(1)

對(duì)Di求1/q次冪,得到:

(2)

對(duì)ai做量綱一化處理,得到權(quán)重系數(shù)wi:

(3)

對(duì)各行做量綱一化處理后,W=[w1w2…wi…wq]T就是所求各因素的權(quán)重向量。

判別矩陣N的最大特征根λmax為:

(4)

式中:

βi——NW中的元素。

1.2.4 一致性檢驗(yàn)

判別矩陣的一致性指標(biāo)IC與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR的比值RC可作為一致性檢驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)RC≤0.1時(shí),表示判別矩陣的一致性通過檢驗(yàn)。本文采用層次分析法通用的IC、RC、IR的計(jì)算公式,詳見文獻(xiàn)[7]。

1.2.5 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

在上文基礎(chǔ)上,結(jié)合9位專家評(píng)分,得到目標(biāo)層A下各指標(biāo)之間的綜合標(biāo)度值,進(jìn)一步計(jì)算得到各檢測(cè)系統(tǒng)的權(quán)重向量及最大特征值,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。目標(biāo)層A下各因素的權(quán)重見表2。

由表2可知,通過改進(jìn)層次結(jié)構(gòu)得到的權(quán)重,符合一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.6 量化結(jié)果

在城軌智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)配置方案決策模型的需求維度中,根據(jù)權(quán)重量化為各檢測(cè)系統(tǒng)評(píng)分,確定各檢測(cè)系統(tǒng)的需求優(yōu)先級(jí)。以最高權(quán)重值作為評(píng)分基準(zhǔn),以此確定需求權(quán)重因子σ1(36.205 6),經(jīng)量化得到各檢測(cè)系統(tǒng)排名由前往后的編號(hào)依次為系統(tǒng)6、8、7、9、4、11、5、3、10、1、2。

1.3 效益維度分析

城軌效益主要體現(xiàn)在智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)所節(jié)省的人力與工時(shí)。結(jié)合調(diào)研與計(jì)算結(jié)果,以北京某運(yùn)營地鐵線路為例,智能綜合檢測(cè)列車與既有綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)項(xiàng)目工時(shí)對(duì)比,如表3所示。

表3 智能綜合檢測(cè)列車與既有綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)項(xiàng)目工時(shí)對(duì)比

表3為部分檢測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果,將該地鐵線路里程折合為100 km,得到各檢測(cè)系統(tǒng)全年所節(jié)省的工時(shí)排名,引入效益因子σ2(4.372 5×10-4),經(jīng)量化得到各檢測(cè)系統(tǒng)的效益評(píng)分,對(duì)效益評(píng)分由前往后進(jìn)行排名,得到其相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)編號(hào)依次為系統(tǒng)9、3、7、10、6、11、8、4、5、1、2。

1.4 功能替代分析

城軌智能綜合檢測(cè)列車有助于統(tǒng)籌線網(wǎng)級(jí)檢測(cè)資源,替代既有軌道檢測(cè)列車、接觸網(wǎng)檢測(cè)列車、鋼軌探傷車等專用內(nèi)燃工具,推進(jìn)運(yùn)維階段工務(wù)裝備的電氣化升級(jí)[8]。從功能替代性的維度,城軌智能綜合檢測(cè)列車的可替代設(shè)備的投資估算如表4所示。

表4 城軌智能綜合檢測(cè)列車可替代設(shè)備的投資估算

通過設(shè)定功能替代因子σ3,量化智能綜合檢測(cè)列車搭載的各檢測(cè)系統(tǒng)的功能替代性,得到排名由前往后的檢測(cè)系統(tǒng)編號(hào)依次為系統(tǒng)3、10、11、6、7、9、8、4、5、1、2,σ3為0.005。

1.5 決策模型

設(shè)定需求維度、效益維度、功能替代性的評(píng)分分別為x1、x2、x3。其中:x1反映出城軌行業(yè)對(duì)智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)的客觀需求;x2與x3可統(tǒng)一為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),體現(xiàn)智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)節(jié)省的人力成本及設(shè)備成本。設(shè)定決策模型的評(píng)分為y,得到配置方案的決策模型如下:

(5)

式中:

n——維度;

kg——各維度的權(quán)重系數(shù)。

城軌智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)配置方案以檢測(cè)需求為導(dǎo)向,輔助功能與效能指標(biāo)。本文設(shè)定k1、k2、k3分別為0.6、0.2、0.2,通過決策模型得到各檢測(cè)系統(tǒng)配置優(yōu)先級(jí)排名如表5所示。

表5 城軌智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)配置優(yōu)先級(jí)排名

根據(jù)表5可見:檢測(cè)系統(tǒng)評(píng)分越高,越需優(yōu)先考慮該系統(tǒng)配置。將各檢測(cè)系統(tǒng)分為A0、B0、C0等3個(gè)優(yōu)先級(jí):A0級(jí)表示智能綜合檢測(cè)列車普遍需要配置的檢測(cè)系統(tǒng),B0級(jí)表示在考慮實(shí)際的情況下決定是否配置的檢測(cè)系統(tǒng),C0級(jí)相比A0、B0級(jí)更加次要。因此,不同檢測(cè)系統(tǒng)配置方案的區(qū)別往往體現(xiàn)于鋼軌探傷、車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等B0級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的集成。

2 城軌智能綜合檢測(cè)列車各檢測(cè)系統(tǒng)集成案例分析

2.1 各檢測(cè)系統(tǒng)集成原則

以北京某條地鐵運(yùn)營線路為例,選取運(yùn)營車輛為A型,采用接觸網(wǎng)供電,電壓等級(jí)為DC 1 500 V,線路設(shè)計(jì)速度為120 km/h。智能綜合檢測(cè)列車必須滿足車輛最小限界的要求,可采用小于A型車的B型車配置方案,采用1 500 V直流供電,搭載的檢測(cè)系統(tǒng)必須符合120 km/h設(shè)計(jì)速度下的檢測(cè)精度[9-10]。

2.2 動(dòng)拖比配置

在城軌智能綜合檢測(cè)列車搭載的檢測(cè)系統(tǒng)中,鋼軌探傷系統(tǒng)由于安裝空間較大,不能集成于列車的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上;而車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)若采用遙測(cè)技術(shù),由于安裝空間的限制,需要集成于列車拖車轉(zhuǎn)向架上。因此,上述系統(tǒng)的集成將影響列車的動(dòng)拖比配置情況,需要進(jìn)行不同動(dòng)拖比情況下動(dòng)力性能的核算。

對(duì)此,本文對(duì)不同動(dòng)拖比配置情況展開分析,設(shè)定6種常用配置方案,如表6所示。

表6 城軌智能綜合檢測(cè)列車動(dòng)拖比配置方案

以該運(yùn)營線路為例,對(duì)方案二進(jìn)行列車動(dòng)力性能核算。假設(shè)單節(jié)車輛質(zhì)量依次為36 t、35 t、36 t,額定載荷下每節(jié)車輛核載10人,人均質(zhì)量為60 kg。列車牽引黏著系數(shù)為0.16～0.18,平均起動(dòng)加速度≥0.9 m/s2,制動(dòng)黏著系數(shù)為0.14～0.16,平均減速度≥1.0 m/s2,核算列車在額定載荷及損失動(dòng)力的工況下是否可以在35‰的坡道上起動(dòng)。

2.2.1 列車動(dòng)力性能核算

列車動(dòng)力性能核算過程參考文獻(xiàn)[11]。經(jīng)計(jì)算,方案二下列車黏著牽引力為124.47 kN,平均起動(dòng)加速度為1.012 m/s2>0.900 m/s2,滿足牽引性能要求。在額定工況下,列車黏著制動(dòng)力為108.91 kN,制動(dòng)加速度為0.93 m/s2<1.00 m/s2;在損失動(dòng)力工況下,列車起動(dòng)加速度為0.232 2 m/s2>0.083 3 m/s2,滿足正常起動(dòng)要求。

2.2.2 列車動(dòng)力性能核算結(jié)果對(duì)比分析

同理可得,各分組下列車的動(dòng)力性能核算結(jié)果如圖2所示。

圖2 列車動(dòng)力性能核算結(jié)果

方案2中的動(dòng)拖比配置可以滿足列車動(dòng)力性能的需求,同時(shí)也證明了方案二、三、五、六為可行方案。在實(shí)際城軌智能綜合檢測(cè)列車的集成方案中,可根據(jù)不同的搭檢測(cè)設(shè)備選擇不同的方案。

3 城軌智能綜合檢測(cè)列車編組方案

編組方案一 智能綜合檢測(cè)列車若安裝鋼軌探傷系統(tǒng),不宜采用2節(jié)編組列車方案,推薦采用動(dòng)拖比為2∶1的3節(jié)編組列車方案。3節(jié)編組列車方案下的設(shè)備布置如圖3所示。圖3中,TM為半動(dòng)半拖車,TMcp為帶受電弓和司機(jī)室的半動(dòng)半拖車。

a) 側(cè)視圖

編組方案二 從功能需求的角度出發(fā),若智能綜合檢測(cè)列車不需要集成鋼軌探傷系統(tǒng),可以采用2節(jié)編組列車配置方案,推薦動(dòng)拖比為3∶1。2節(jié)編組列車方案下的設(shè)備布置如圖4所示。圖4中,Mcp為帶受電弓和司機(jī)室的動(dòng)車。

a) 側(cè)視圖

4 智能綜合檢測(cè)列車的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

綜上,智能綜合檢測(cè)列車具有如下優(yōu)勢(shì):

1) 城軌智能綜合檢測(cè)列車可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系統(tǒng)性的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)多專業(yè)數(shù)據(jù)的融合分析,有利于統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一技術(shù)手段,從而對(duì)城軌線路運(yùn)營質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)價(jià)打分。

2) 有效統(tǒng)籌線網(wǎng)級(jí)檢測(cè)資源,逐步替代各專業(yè)檢測(cè)列車和小型設(shè)備等,推進(jìn)運(yùn)維階段工務(wù)裝備的電氣化升級(jí),促進(jìn)設(shè)備集約化,有效降低整體運(yùn)維成本,助力綠色長效發(fā)展機(jī)制的形成。

3) 隨著系統(tǒng)集成化程度進(jìn)一步提高,可實(shí)時(shí)獲取基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù),有效提升前端智能感知技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)“感知-分析-評(píng)價(jià)-決策”全流程智能化,推動(dòng)智慧城軌建設(shè)。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)城軌智能綜合檢測(cè)列車決策模型的綜合評(píng)價(jià),明確各檢測(cè)系統(tǒng)的決策優(yōu)先級(jí),在此基礎(chǔ)上展開適應(yīng)于北京某地鐵線路條件的智能綜合檢測(cè)列車檢測(cè)系統(tǒng)集成案例分析,提出與其相適應(yīng)的列車編組方案,驗(yàn)證了該方案的合理性。

隨著城軌智慧化、運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)化、建設(shè)運(yùn)營綠色化的不斷發(fā)展,通過搭載多種智能感知設(shè)備,搭配多元耦合全斷面基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)綜合感知與分析評(píng)價(jià)平臺(tái)的城軌智能綜合檢測(cè)列車,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)施健康狀態(tài)的高效感知及基礎(chǔ)設(shè)施的病害識(shí)別,將成為保障城市軌道交通運(yùn)營安全的重要手段。