城市軌道交通固定資產更新改造技術條件研究

白文飛，韓 嵩，張 偉，孫全欣，安 茹

?

城市軌道交通固定資產更新改造技術條件研究

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. 北京市基礎設施投資有限公司，北京 100101；3. 北京市交通委員會，北京 100073；4. 北京交通大學交通運輸學院，北京 100044）

為加強城市軌道交通固定資產更新改造的科學管理，提出將實際使用壽命和以可靠性指標為判定標準的健康狀態作為其更新改造技術條件，并分別建立基于韋布爾-泊松過程的固定資產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健康狀態評定模型。最后，利用北京地鐵2號線鋼軌的傷損數據對提出的更新改造技術條件及評估模型進行實例驗證。結果表明，改進的更新改造技術條件及評估模型能夠對城市軌道交通固定資產的更新改造需求進行量化分析評定，在城市軌道交通固定資產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；更新改造；技術條件；韋布爾-泊松過程；壽命估計；健康狀態；可靠性指標

1 研究背景

近年來城市軌道交通得到了快速發展，隨著線網規模不斷擴大，線路運營年限不斷增加，城市軌道交通固定資產更新改造問題愈發凸顯。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，線網規模的不斷擴大給固定資產狀態維護增加了困難，安全運營形勢越來越嚴峻。目前，城市軌道交通固定資產更新改造技術條件主要包括固定資產的設計壽命和健康狀態兩類[1]，但存在設計壽命信息不完整、對資產實際使用狀態考慮不足以及健康狀態指標不完善等問題[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條件，為更加科學合理地分配使用更新改造資金提供依據，更好地滿足安全運營需求，成為亟待解決的問題。

對于固定資產更新改造技術條件的研究，相關學者進行了大量的工作。Kleine等[3]提出將固定資產健康狀態作為更新改造的技術條件，并分別基于Markov-chain建立了固定資產健康狀態評定和預測模型；Caetano和Teixeira[4]建立了固定資產可用度評估模型，并利用固定資產可用度作為更新改造的判定標準；Andrews等[5]提出依據固定資產的狀態和維修成本來確定其是否需要進行更新改造，并指出當固定資產的狀態使其維修成本高于更新改造成本時，應進行更新改造；Durango-Cohen和Madanat[6]提出依據固定資產的狀態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更新改造決策模型；Guler[7]提出依據固定資產的剩余壽命確定資產的更新周期，并基于韋布爾分布建立了資產剩余壽命評估模型。

由于城市軌道交通資產健康狀態指標不完善等問題，上述研究難以在中國的城市軌道交通資產更新管理工作中進行實際應用。雖然國內也有不少學者針對城市軌道交通固定資產更新改造問題進行了研究，例如李永亮和王耀[8]分析總結了目前北京市城市軌道交通資產管理存在的主要問題，并給出了相應的對策建議；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管理模式及其演變過程的基礎上提出了更新改造資金核算的方法。但是相關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進行財政補貼，缺少對城市軌道交通固定資產更新改造技術條件的研究。

本研究針對城市軌道交通固定資產更新改造管理現狀，提出以實際使用壽命和可靠性指標為判定標準的健康狀態作為城市軌道交通固定資產更新改造技術條件，并分別建立相應的評估模型，解決現有技術條件存在的主要問題，使新的技術條件更加科學合理，更便于城市軌道交通固定資產更新改造管理的實際操作。

2 評估模型

2.1 固定資產使用壽命估計模型

其中

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

2.2 固定資產健康狀態評定模型

通過評定固定資產健康狀態是否滿足安全運營需要，可判定是否對資產進行更新改造。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健康狀態評定模型對其健康狀態進行評定，其中不同類型資產的指標閾值不一致，應根據實際管理情況設定。

2.2.1 平均故障率

平均故障率指資產在一定時間范圍內單位時間發生故障的比率，反映了資產在一定時間范圍內的故障強度[12]。

2.2.2 平均故障間隔時間

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

2.2.3 平均可用度

平均可用度指資產使用一定時間范圍內，處于正常使用狀態的時間比例，反映了資產在規定時間內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在一段時間范圍內的平均故障率、平均故障間隔時間和平均可用度，根據各類固定資產修理規則中設定的資產使用的安全閾值，可以對固定資產的健康狀態進行評定，只要3個指標中有1個指標的值超過了設定的安全閾值，即可認為該資產的健康狀態不滿足安全運營需求，需要對其進行更新改造。

3 案例分析

鋼軌是一類重要的軌道交通固定資產，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更新改造技術條件及評估模型進行實例驗證。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據來分析其使用壽命和健康狀態，判定其更新改造需求。

北京市地方標準《城市軌道交通設施養護維修技術規范》規定，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更新改造技術條件評估模型對每個鋼軌單元的剩余壽命和健康狀態進行分析。

根據《北京地鐵工務維修規則》[14]，當線路上的鋼軌出現重傷時，應適當降低線路允許速度，并及時更換重傷鋼軌。因此，將鋼軌單元出現重傷時算作鋼軌單元故障。參考《鐵路線路修理規則》[15]的規定：當鋼軌累計疲勞重傷平均達到2~4根/km時，應安排更換，設定北京地鐵的每個鋼軌單元累計疲勞重傷達到3根時，應安排更新改造。

3.1 使用壽命估計結果

根據北京地鐵的鋼軌更新改造標準和2008年1月到2016年4月的鋼軌疲勞傷損檢測數據，選取了2號線上行全部的23個達到更新改造標準的鋼軌單元，即累計發生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，并與實際壽命進行了對比，具體結果如表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果

由表1可以看到，所有的鋼軌單元使用壽命估計結果誤差均小于2年，并且82.61%的鋼軌單元使用壽命估計結果誤差小于1年。依據《北京市軌道交通固定資產更新改造項目財政專項資金管理暫行辦法》[16]的規定，北京地鐵線路管理部門對需要更新改造的固定資產應提前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更新改造實際管理工作的需要，準確估計固定資產的更新周期，避免了原有按照固定資產設計壽命進行更新改造管理時對實際使用狀態考慮不足的問題，為科學安排固定資產更新改造計劃提供了決策支持。

3.2 健康狀態指標計算

根據北京地鐵2008年1月到2016年4月的鋼軌疲勞傷損檢測數據，2號線上行右股總共有33個鋼軌單元發生過疲勞重傷，論文選取上行右股發生過重傷的全部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，具體結果如表2所示。

根據每個鋼軌單元累計疲勞重傷達到3根時，應安排更新改造，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的健康狀態已達到更新改造條件，北京地鐵線路管理部門應及時對該鋼軌單元進行更新改造；剩余鋼軌單元健康狀態未達到更新改造條件。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健康狀態評定模型能夠定量判定固定資產的更新改造需求。

表2 北京地鐵2號線上行右股鋼軌單元健康狀態指標計算結果

續表

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 結論

本文提出了將實際使用壽命和以可靠性指標為判定標準的健康狀態作為城市軌道交通固定資產更新改造技術條件，并分別建立了基于韋布爾—泊松過程的固定資產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健康狀態評定模型。利用北京地鐵2號線上行鋼軌傷損數據，在將線路上的鋼軌劃分成多個鋼軌單元的基礎上，對本文提出的更新改造技術條件及評估模型進行了驗證，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，分析了鋼軌單元的更新改造周期和需求。結果表明，本文提出的城市軌道交通固定資產更新改造技術條件及評估模型，與原有技術條件只能定性分析判定固定資產更新改造需求相比更加科學合理，能夠明確定量的分析判定，解決了原有技術條件存在的壽命信息不完整、對實際使用狀態考慮不足以及健康狀態難以量化評定的問題。在城市軌道交通固定資產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安排固定資產更新改造計劃提供決策支持。

[1] 城市軌道交通設施養護維修技術規范: DB11/T 718- 2016[S]. 北京: 北京市質量技術監督局, 2016: 22-23.

Code for maintenance of urban rail transit facility: DB11/ T 718-2016[S]. Beijing: Beijing Bureau of Quality and Technical Supervision, 2016: 22-23.

[2] LIU Zhili, BAI Yun, WU Yanling. Decision-making method on rail transit infrastructure renovation project[C]// 2nd international conference on management science and engineering. Advances in artificial intelligence, Chengdu, 2011: 1-6.

[3] KLEINER Y. Scheduling inspection and renewal of large infrastructure assets[J]. Journal of infrastructure systems, 2001, 4(7): 136-143.

[4] CAETANO L F, TEIXEIRA P F. Availability approach to optimizing railway track renewal operations[J]. Journal of transportation engineering, 2013, 139(9): 941-948.

[5] ANDREWS J, PRESCOTT D, DE ROZIèRES F. A stochastic model for railway track asset management[J]. Reliability engineering and system safety, 2014, 130: 76- 84.

[6] DURANGO-COHEN P L, MADANAT S M. Optimiza-tion of inspection and maintenance decisions for infrastructure facilities under performance model uncertainty: A quasi- bayes approach[J]. Transportation research part A: policy and practice, 2008, 42(8): 1074-1085.

[7] GULER H. Decision support system for railway track maintenance and renewal management[J]. Journal of computing in civil engineering, 2013, 27(3): 292-306.

[8] 李永亮, 王耀. 北京市城市軌道交通資產管理問題及對策研究[J]. 交通運輸系統工程與信息, 2012, 12(2): 194- 197.

LI Yongliang, WANG Yao. Problems and recommendations of Beijing metro asset management[J]. Journal of trans-portation systems engineering and information technology, 2012, 12(2): 194-197.

[9] 田振清. 典型城市軌道交通固定資產更新改造補貼模式分析[J]. 交通運輸系統工程與信息, 2011, 11(3): 169- 175.

TIAN Zhenqing. Analysis on subsidies modes of capital asset replacement in urban rail system[J]. Journal of transportation systems engineering and information tech-nology, 2011, 11(3): 169-175.

[10] 楊亦慧. 城市軌道交通更新改造資金核算模式研究[D].北京: 北京交通大學, 2011.

YANG Yihui. The study on capital accouting model of innovation and reformation of urban railway[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011.

[11] 吳燕伶. 城市軌道交通固定資產更新改造補貼激勵機制研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2011.

WU Yanling. Incentive contract on renewal and recons-truction subsidy of fixed-asset in urban railway system[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011.

[12] 曹晉華, 程侃. 可靠性數學引論[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 2-6.

CAO Jinhua, CHENG Kan. Introduction to reliability mathe-matics [M]. Beijing: Higher Education Press, 2006: 2-6.

[13] 張樹人. 北京地鐵既有線路更新改造工程管理實踐[J]. 現代城市軌道交通, 2008(6): 10-13.

ZHANG Shuren. Management practice of existing lines renewal project in beijing metro[J]. Modern urban transit, 2008(6): 10-13.

[14] 北京地鐵工務維修規則: QB(J)BDY(A)XL003-2015[A]. 北京: 北京市地鐵運營有限公司, 2015.

Beijing metro track maintenance rules: QB(J)BDY(A) XL003-2015[A]. Beijing: Beijing Metro Operation Co. LTD, 2015.

[15] 鐵路線路修理規則: 鐵運[2006] 146號[A]. 北京: 中國鐵道部出版社, 2006.Rules of railway track maintenance: [2006] No.146[A]. Beijing: China Railway Publishing House, 2006.

[16] 北京市軌道交通固定資產更新改造項目財政專項資金管理暫行辦法: 京財經 [2010] 1881號[A]. 北京: 北京市財政局, 2010.

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設施管理，wfbai@bjtu.edu.cn

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