DESTinationRAIL -铁路基础设施经理的工具

作者:Michael Robson, DESTinationRAIL执行董事会成员，Lorcan Connolly DESTinationRAIL工作包2团队成员:

DESTinationRAIL是铁路基础设施管理人员的决策支持工具，是一个为期3年的项目，由欧盟地平线2020倡议该项目于2015年5月启动，拥有一个由15名成员组成的联合体。项目及其成员的详细信息可在项目网站上找到www.destinationrail.eu

目的地铁路的目的是为欧盟基础设施管理者面临的许多问题提供解决方案，使用新技术识别、分析和修复关键铁路基础设施，从而降低高达20%的成本，提高资产的可靠性，从而提高列车性能。这些解决方案将使用决策支持工具实施，该工具允许铁路基础设施经理根据可靠的数据做出合理的投资选择。目前，基础设施管理公司（IMs）可能会根据较差的数据以及由于缺乏资产状态的当前数据而过度依赖目视评估做出安全关键投资决策。这种方法可能导致一些基础设施过度维护，一些风险无法识别。

欧洲的铁路基础设施网络正在老化，在某些情况下，资产建设的记录非常糟糕，因为许多资产是150多年前建成的;与此同时，维护和投资预算面临巨大压力，可用的投资需要针对风险中的关键资产。

本项目的目标（更安全、可靠和高效的铁路基础设施）将通过基于图1所示事实（发现、分析、分类、处理）原则的整体管理工具实现。

发现-目前正在利用现代现成技术开发评估现有资产的改进技术。

分析–由性能统计数据提供的高级概率模型和使用由信息管理系统控制的数据库将用于确定单个资产的安全级别。

分类-绩效模型将允许风险评估的逐步改变，从目前的主观(定性)基础转变为从根本上基于可量化数据。一个决策支持工具将进行风险评级，并评估对交通流的影响和网络的全生命周期成本。

治疗–正在开发和评估用于处理铁路基础设施（包括轨道、土方工程和结构）的新型创新维护和施工技术，以及对交通流的影响。

图1所示。事实(发现，分析，分类，处理)决策支持工具

用于优化基础设施的决策支持工具的一个关键输入是量化单个元件的失效概率。本文的重点是项目工作包2中制定的方法如何为业主/经理提供设施，从最小化成本的角度优化预算/资源，以最小化故障概率。

工作包2分为五个子任务。第一项任务是建立铁路基础设施多准则性能优化的概率基础。一份广泛的文件正在编制中，不仅考虑铁路结构(桥梁)，还考虑铁路基础设施的各个方面，包括斜坡、堤防和轨道。到目前为止，该文件的进展包括结构和土方工程的系统分析指南，以及基于概率的铁路基础设施疲劳评估的性能。

第二项任务旨在说明如何将来自远程监测装置的信息纳入概率评估框架。提出了一种基于贝叶斯概率的更新算法。先验的“概率分布基于从监测/测试中得到的一些特定地点的信息的似然函数。结果是一个精炼的"后的分布(见图2)。

图2:来自测量的贝叶斯更新

图3:博因高架桥鸟瞰图

第三个任务是关于结构的评估。波恩高架桥的中心跨，爱尔兰铁路的主要结构之一，(图2)被选为案例研究桥梁。基于正在开发的指导方针，对结构进行了概率评估。该评估用于确定应力热点，用于仪器检测。在结构上安装了4个玫瑰形应变仪和4个三轴加速度计(图4)。目前可以在35天内进行测量，记录了724列火车通过事件。

这些数据已被用于结构的有限元(FE)模型的校准，在监测位置提供了良好的一致性。这允许对结构进行更准确的评估。在概率和确定性评估的背景下，该数据还用于计算关键元素的准确动态余量。已经证明，这种结构的动力学是非常低的。软件已经开发完成，可以在监测位置进行基于概率的疲劳分析，以计算每年的可靠性指标。

作为结构评估的一部分，土-结构相互作用模型的复杂任务正在被处理。桩基础单元通常使用Winkler模型(图6)建模，该模型将基础结构和周围的土壤建模为由相互独立和紧密间隔的弹簧支撑的梁。桥梁结构的激励(通过交通荷载)允许监测随时间的固有频率。自振频率的变化可用于监测桥梁冲刷的影响。对信号噪声和车速进行了研究，发现噪声对计算出的固有频率影响很小或没有影响。在接下来的几个月里，将研究动态循环荷载的影响以及土壤基质中的非线性。

图6:Winkler基础模型

第四项任务是土方工程的评价。工程边坡的崩塌有许多不同的方式，取决于哪个触发机制最先出现。例如，长时间的强降雨很可能引发浅层滑坡，而外部荷载的增加更有可能导致深层滑坡。因此，为了确保边坡具有足够的承载力，目前的做法要求对平面和旋转破坏机制进行校核。为了解决这一问题，建立了一种能够同时定位多个临界概率失稳面的边坡稳定性模型。通过将基于粒子群的多模态搜索算法与一阶可靠度法和完全可适应的非圆形滑动面相结合，实现了这一目标。这使得最终用户能够严格评估现有路堑或路堤的稳定性，并找到所有需要关注的领域，从而确保以最有效的方式进行修复工作。

图7:台北城外的山体滑坡

考虑到气候和交通的负荷需求都在增加，而且西欧大部分的铁路路堑和路堤已经老化，我们必须量化降雨增加对边坡稳定性的影响。一系列的脆弱性曲线已经被开发来描述工程边坡对不同强度和持续时间的降雨的脆弱性。通过对这些曲线的研究，我们有可能确定如果气候变化继续目前的趋势，现有的基础设施有多大可能会失败。

图8：脆弱性曲线——边坡破坏的可能性与降雨持续时间。

铁路基础设施的一个主要维修问题是轨道本身。作为第五项任务的一部分，在慕尼黑市附近选定了一段试验性的轨道，用于进行实地测量，并为进一步的数据处理和研究开发数值模型。选择的路段是一条老旧的常规有砟轨道，整体呈直线均匀(见图9)。在加载和卸载场景下，都进行了探地雷达和轨道几何测量。在加载和卸载情况下的纵向水平测量(图10)有显著差异，这表明沿试车段的轨道刚度质量可能起着重要作用。为建立轨道刚度影响模型，将有限元方法与多体仿真(MBS)相结合进行了仿真。轨道刚度用有限元法表示，而未加载的轨道几何形状用MBS模型表示为轨道激励。在加载场景下的轨道几何将通过车辆通过轨道时的动态响应来研究。