一种基于成本预算的重载铁路大机捣固维修决策方法与流程

本发明涉及轨道交通，尤其涉及一种基于成本预算的重载铁路大机捣固维修决策方法。

背景技术：

1、重载铁路具有列车轴重大、线路通过总重高等特点，其轨道的轨道几何形位的劣化速率较快，轨道质量保持时间较短。大机捣固作业作为成段消除轨道不平顺病害的有效手段，已成为中国重载铁路的重要维修方式，其维修经费也成为工务部门的重要支出。

2、目前重载铁路的大机捣固作业主要采用周期修模式，捣固区段主要依据年度及月度天窗计划进行安排，维修计划的制定主要基于工务人员经验，线路“过维修”、“欠维修”情况大量存在，导致维修计划的制定缺乏科学性和经济性，无法在综合考虑轨道状态与成本预算的前提下做出最具经济效益的维修计划，会导致维修不及时或维修资源的浪费。

3、大机捣固维修计划的制定应实现在给定预算成本下达到更好的捣固效果，因而需要研究一种基于成本预算研究捣固维修决策方法，将捣固计划安排在最需要维修的区段，在确定的成本预算下达到维修效果的最优化。

技术实现思路

1、为解决当前维修计划的制定方法无法在综合考虑轨道状态与成本预算的前提下做出最具经济效益的维修计划，会导致维修不及时或维修资源的浪费的技术问题，本发明提出了一种基于成本预算的重载铁路大机捣固维修决策方法。

2、第一方面，本发明实施例提供一种基于成本预算的重载铁路大机捣固维修决策方法，包括：

3、根据重载铁路全线路的轨道质量指数的历史累计分布情况，确定初始捣固标准的允许区间；

4、采用二分法迭代的方式，在初始捣固标准的允许区间内求解出捣固标准求解出的捣固标准满足预设的捣固标准的精度要求，且根据求解出的捣固标准计算出的捣固作业量最接近成本预算允许的捣固作业量；

5、基于迭代求解到的捣固标准，通过预建立的大机捣固维修决策模型，确定目标线路区段的大机捣固维修决策方案。

6、在一些实现方式中，采用二分法对捣固标准进行迭代求解的流程包括：

7、s21：为初始捣固标准的最小值inp1赋值、最大值inp3赋值；

8、s22：为中间捣固标准inp2赋值，inp2＝(inp1+inp3)/2；

9、s23：通过预建立的大机捣固维修决策模型，分别确定初始捣固标准的最小值inp1、最大值inp3、中间捣固标准inp2各自对应的大机捣固维修决策方案，大机捣固维修决策方案包括捣固作业量；初始捣固标准的最小值inp1、最大值inp3、中间捣固标准inp2各自对应的捣固作业量分别为y1＝f(inp1)、y2＝f(inp2)、y3＝f(inp3)；

10、s24：若(y0-y1)(y0-y3)>0，其中，y0为成本预算允许的捣固作业量，则返回步骤s21；

11、s25：若(y0-y1)(y0-y3)≤0，且(y0-y1)(y0-y2)>0，则令最大值inp3为当前中间捣固标准inp2的值；若(y0-y1)(y0-y3)≤0，且(y0-y1)(y0-y2)≤0，则令最小值inp1为当前中间捣固标准inp2的值；

12、步骤s26，若inp3-inp1<e1且|y2-y0|<e2，其中，e1表示捣固标准的精度要求的阈值，e2表示捣固作业量与成本预算允许的捣固作业量y0的允许误差，则捣固标准为inp2，完成迭代；否则返回步骤s22。

13、在一些实现方式中，所述大机捣固维修决策模型的建立流程包括：

14、将目标线路区段按预设定的间隔距离划分为若干个轨道单元并编号；

15、以初始捣固标准为基准，将目标线路区段中轨道质量指数大于捣固标准的轨道单元标记为初始捣固单元；

16、基于预设的约束条件和dbscan聚类算法建立初始的大机捣固维修决策模型，其中预设的约束条件包括以大机连续作业特点、线路台账分布、清筛相干性、预指定的必修区段和不修区段；

17、采用初始的大机捣固维修决策模型对目标线路区段的初始捣固单元进行合并和调整，得到大机捣固维修决策方案；

18、采用聚类效果评价指标对初始的大机捣固维修决策模型输出的大机捣固维修决策方案的聚类效果进行评价，并通过循环迭代方法，求解出聚类效果最优时大机捣固维修决策模型所采用的聚类参数；

19、基于求解出的聚类参数，建立最终的大机捣固维修决策模型。

20、在一些实现方式中，所述基于迭代求解到的捣固标准，通过预建立的大机捣固维修决策模型，确定目标线路区段的大机捣固维修决策方案，包括：

21、以迭代求解得到的捣固标准为基准，将目标线路区段中轨道质量指数大于捣固标准的轨道单元标记为初始捣固单元；

22、采用预建立的大机捣固维修决策模型对所述初始捣固单元进行合并和调整，得到目标线路区段的大机捣固维修决策方案。

23、在一些实现方式中，所述聚类参数包括ε邻域和minpts，所述ε邻域和minpts分别对应相邻捣固区段的最短间隔和大机作业连续作业距离。

24、在一些实现方式中，聚类效果评价指标采用的计算式如下：

25、

26、

27、

28、式中，gf表示聚类效果评价指标；stra(g)表示聚类结果的类内相似度；ster(g)表示聚类结果的类外相似度；α表示strd(g)和ster(g)的权重调节参数，α∈(0,1)；m表示聚类后大机捣固维修决策方案中捣固区段的组数，1≤i≤m；stra(gi)表示第i组捣固区段的类内相似度；r为第i组捣固区段包含轨道单元的个数；yi,j表示第i组捣固区段中第j个单元在全线路中的编号；表示第i组捣固区段中所有单元编号的均值；表示全线路所有簇中的均值。

29、在一些实现方式中，所述大机连续作业特点的约束条件为：两相邻捣固区段的间隔不得小于预给定值，若两相邻捣固区段之间的间隔小于预给定值，则将该两段捣固区段合并为一个连续的捣固区段；同一捣固区段包含的线路长度不得小于捣固机械在一个天窗内的连续作业距离；

30、所述线路台账分布的约束条件包括：对目标线路区段按照车站划分区间，根据不同区间内初始捣固单元的分布情况，采用对应的聚类参数进行区段合并与调整；对目标线路区段中包含有同一条需要维修的曲线路径的轨道单元，一次性进行维修；

31、所述清筛相干性的约束条件包括：对于同时需要捣固作业和清筛作业的轨道单元，仅安排清筛作业；

32、预指定的必修区段和不修区段的约束条件为：对于在天窗时间内预指定的必修区段，在天窗时间段内安排捣固作业；对于在天窗时间内预指定的不修区段，在天窗时间段内不安排维修作业。

33、第二方面，本发明实施例提供一种基于成本预算的重载铁路大机捣固维修决策装置，包括：

34、捣固标准计算模块，用于根据重载铁路全线路的轨道质量指数的历史累计分布情况，确定初始捣固标准的允许区间；并采用二分法迭代的方式，在初始捣固标准的允许区间内求解出捣固标准，求解出的捣固标准满足预设的捣固标准的精度要求，且根据求解出的捣固标准计算出的捣固作业量最接近成本预算允许的捣固作业量；

35、方案确定模块，用于基于迭代求解到的捣固标准，通过预建立的大机捣固维修决策模型，确定目标线路区段的大机捣固维修决策方案。

36、第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，实现如第一方面所述的方法。

37、第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和至少一个处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行时实现如第一方面所述的方法。

38、本发明的一个或多个实施例至少带来如下有益效果：

39、本发明通过基于以大机连续作业特点、线路台账分布、清筛相干性、预指定的必修区段和不修区段等约束条件和dbscan聚类算法建立初始的大机捣固维修决策模型，通过循环迭代方法，根据聚类效果评价指标gf确定最优的聚类参数，从而得到最终的大机捣固维修决策模型。进而根据历年全线路的轨道质量指数(track quality index，简称tqi)值分布情况，确定捣固标准的允许区间，并代入大机捣固维修决策模型中，得到对应的捣固作业量，然后通过预设置的捣固标准的精确度要求和与成本预算允许的捣固作业量的差距要求作为是否迭代的判断条件，以此采用二分法对捣固标准进行迭代求解，求解出的捣固标准满足预设的捣固标准的精度要求，且根据求解出的捣固标准计算出的捣固作业量最接近成本预算允许的捣固作业量。最后基于迭代求解到的捣固标准，再输入到大机捣固维修决策模型中，从而得到满足捣固精度要求和成本预算的目标线路区段的大机捣固维修决策方案。

40、与当前采用的周期维修方式相比，本技术方案的有益效果是：(1)改善当前大机捣固维修周期依赖经验制定的现状，减少“过维修，欠维修”等不利于轨道质量均衡的情况发生。(2)可在给定的成本预算范围内将捣固作业安排在最需要维修的区段，提高成本效益。