中國鐵路接觸網數字化發展策略與實踐

吳積欽 楊 佳 關金發 劉 濤

(1.西南交通大學, 成都 610031;2.中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

為適應日益發展的技術和服務，2017年9月，歐洲鐵路行業協會(UNIEF)在其發表的關于鐵路數字化的意見書中指出，鐵路必須在可靠性、安全性和運營連續性等方面保持高標準，數字化技術是實現該目標的重要手段[1]。為此，歐洲鐵路行業協會提出了歐洲鐵路運輸管理系統(ERTMS)開發和基礎設施預測性維修兩大重點舉措，并以此作為推動歐洲鐵路數字化發展、提高鐵路安全可靠水平的重要抓手。

針對接觸網，意見書建議將依靠技術創新、標準強化以及新經濟模式實現更進一步的資產管理[2]。具體措施為通過軟件設計與開發等方式，把各自為政的多個檢測、監測系統整合起來，實現信息的無縫對接，并在此基礎上開展大數據分析，提高對養護維修復雜環境的模擬能力，以更準確的參數設置對接觸網養修過程進行更精確的描述，從反應性維修、預防性維修逐漸轉變為預測性維修，即實現基于資產狀況及診斷的短時預報與預測，并據此開展風險性決策。

截止2019年底，中國鐵路營業里程超過13.9萬km，其中電氣化鐵路里程達到10.0萬km(含3.5萬km高速鐵路)[3]。無論是發展的廣度還是深度，中國鐵路接觸網的數字化均有著廣闊的發展前景。

近年來，數字化技術不斷應用于接觸網的系統設計、詳細設計、施工管理與運營維修。接觸網專業的學者們也在數字化技術方面做了一些研究。文獻[4]深入探討和研究了在接觸網設計階段建立接觸網零部件三維BIM族庫。文獻[5] 分析了高速鐵路接觸網全壽命周期BIM技術的應用現狀；文獻[6]利用BIM技術研究了接觸網施工應用平臺；文獻[7]提出一種智能化的接觸網檢測系統，并研究了從日常巡檢到數據管理的綜合解決方案；文獻[8]研究了基于數字化的接觸網故障定位系統；文獻[9-11]在三維技術、綜合參數測量和數字化平臺建設實踐方面均取得了有效的成果。

但目前，我國鐵路接觸網的數字化發展遇到無法逾越的瓶頸：接觸網系統指標、零部件載荷和零部件壽命三者之間缺少可以信賴的定量關系，既無法推進接觸網由功能性設計向可靠性設計過渡，也無法推動接觸網由初級預防性維修進入高級預防性維修，更遑論向預測性維修轉變。

本文對歐洲鐵路接觸網數字化的技術基礎，尤其是對EN 50119-2013《鐵路應用-固定設施-電力架空接觸網》進行分析，挖掘該標準對接觸網系統指標、零部件載荷、零部件壽命之間的定量規定，找出中國與歐洲鐵路接觸網技術差距及形成差距的原因，并在此基礎提出中國鐵路接觸網的數字化發展策略。

1 接觸網數字化是大勢所趨

接觸網沿鐵路線布置，是特殊的配電線路，其中接觸懸掛兼做電氣列車受電弓的機械滑道，由數量較多的零部件組成。為確保接觸網在現行使用環境下保持其設計功能，維修部門需定期對接觸網進行技術診斷，即在盡可能不拆卸接觸網的情況下，根據接觸網設備測得的和外部可辨認的特征求出并評價其狀態。可測得的參數為接觸網處于靜止狀態的結構參數或工作狀態下的弓網性能參數。外部可辨認的特征主要針對組成接觸網的各類零部件、裝置、線材等，透過這些物項的表面情況，評價其本質特征。掌握接觸網結構狀態與零部件工況的對應關系，就可依據測得的結構參數評價零部件的載荷(載流量為負荷)，依據零部件的外部特征，可評價零部件的抗載荷能力。零部件承受的載荷及其抗載荷能力確定后，接觸網診斷就可判斷出零部件是否需要更換以及如何更換。

在接觸網設計、施工、零部件制造、維修等過程中，將涉及零部件載荷與抗載荷能力等復雜多變的信息轉變為可度量的數字、數據，再以這些數字、數據建立起適當的數字化模型，轉變為一系列二進制代碼，存入計算機內部，進行統一處理，這就是接觸網數字化的基本過程。數字化是接觸網實現智能化、可視化的基礎。

數字化的接觸網，可根據定期獲取的檢測監測數據、零部件的外部特征實施接觸網自動診斷，及時跟蹤接觸網的技術狀態，對接觸網實行健康管理，從預防性維修逐漸過渡到預測性維修，并能確保接觸網在其壽命周期內實現資產價值的最大化和運行效能的最優化。

2 可靠性設計是歐洲鐵路接觸網數字化的基礎

接觸網于1889年誕生于第二次工業革命的發源地德國，130余年來，德國在接觸網的基礎研究方面取得了豐碩成果。19世紀50年代，德國大規模修建電氣化鐵路，并同時開始接觸網標準化設計工作。由SIEMENS、AEG、ABB等公司聯合，先后開發了Re75、Re100、Re160和Re200系列接觸網。70年代中期，在總結前4種標準懸掛的基礎上，又研制了Re250系列標準接觸網懸掛系統。90年代初，又開發了Re330系列接觸網。隨著歐洲一體化的推進，在歐洲和世界范圍內代表著德國意向的德國標準化協會(DIN)，將德國在接觸網領域的豐富積淀體現在歐洲弓網系統標準體系中。從歐洲弓網系統標準體系可發現接觸網從功能設計到可靠性設計的逐漸演進，這些工作既為接觸網全壽命周期管理提供了技術保障，也成為了歐洲鐵路推進接觸網數字化發展的基礎。

關于接觸網的設計壽命，EN 50119-2013《鐵路應用-基礎設施-電力牽引架空接觸網》中規定，買方可提出系統所需的設計壽命，系統包含了與基礎設施相關設備的壽命、消耗性零部件(如接觸線)的磨耗以及承受交變應力零部件的疲勞壽命。

接觸線磨耗與承受交變應力零部件的疲勞壽命取決于弓網接觸力與接觸線抬升。接觸網設備的設計應滿足受電弓與接觸線之間最大允許接觸力，并應考慮車輛最大允許速度時的空氣動力影響。

接觸力的值隨不同受電弓和架空接觸網系統的組合而變化。仿真或測量出的接觸線和滑板之間接觸力的值不應超過表1所給出的范圍。

表1 接觸力范圍表

關于接觸網的結構，EN 50119-2013《鐵路應用-基礎設施-電力牽引架空接觸網》，在其預期使用壽命內，架空接觸網結構應以這種方式進行設計和施工：在一個確定的條件下，以可接受的可靠性水平和一個經濟的方式實現規定的能力，這涉及可靠性要求的各個方面；如果在確定的零部件中發生故障，則不會發生漸進崩潰，這涉及安全性要求的各個方面；在施工和維修過程中，不容易造成人身傷害或生命損失，這涉及人身安全性要求的各個方面。

架空接觸網的設計、施工和維修應充分考慮公共安全、耐久性、魯棒性、可維修性和環境因素等。接觸網系統的設備、裝置(零部件)的設計使用壽命應至少與招標說明書中所要求的整個接觸網的使用壽命相同。

關于系統指標與零部件疲勞壽命的定量關系，以吊弦為例進行說明。接觸懸掛的結構形狀應遵循弓網相互作用性能要求，接觸懸掛的結構形狀很大程度上取決于吊弦的長度與間距。吊弦吊著接觸線，采用心形環和各種形式的吊弦線夾固定在承力索或彈性吊索上。吊弦設計是導電型的，特別適用于短路電流大的系統，因而吊弦線的兩端也用耳形導線接頭與吊弦線夾相連接，并用螺栓固定。吊弦采用截面為10 mm2的銅鎂合金絞線整體吊弦，帶雞心環結構，以承力索吊弦線夾和接觸線吊弦線夾帶制動墊片。靜止狀態下的吊弦承受其兩側各1/2吊弦間距的接觸線自重。

受電弓沿接觸懸掛高速滑行過程中，接觸懸掛的結構形狀會發生改變，吊弦承受的靜態力載荷變小，甚至為0，直至吊弦主線撓曲。受電弓離開后，吊弦會遭受接觸線下落帶來的沖擊載荷，經過一段時間的自由振動，吊弦受力恢復到僅承受靜態力。

在這一系列過程中，吊弦應力與應變均出現變化。吊弦主線的工程應力為最大載荷與主線標稱截面積之商。多次載荷作用導致吊弦失效的情況稱為疲勞。導致疲勞斷裂的載荷作用次數稱為疲勞壽命，疲勞壽命對應的載荷值稱為吊弦的疲勞強度。材料的S-N曲線如圖1所示。

圖1 材料的S-N曲線圖

吊弦的疲勞壽命受制于承受的交變應力和疲勞強度兩個方面的因素。接觸網振動導致吊弦產生交變應力，接觸網的振動規律由系統設計方案、施工質量、受電弓運行狀況所賦予。吊弦的疲勞強度則由吊弦的材料、制作工藝等因素決定。吊弦的疲勞強度應與振動規律相符。疲勞強度一定的整體吊弦，可通過優化接觸網的振動規律延長其疲勞壽命。貫穿于接觸網質量控制過程的吊弦交變應力與疲勞強度維持過程如圖2所示。

圖2 貫穿于接觸網質量控制過程的吊弦交變應力與疲勞強度維持圖

由圖2可以看出，吊弦的疲勞壽命由用戶指定，因為每通過1架受電弓，吊弦承受1次交變應力，所以吊弦的壽命用弓架次表示，通常為不少于200萬弓架次。在受電弓運行性能一定的前提下，吊弦承受的交變應力由接觸網的系統參數所決定，而系統參數是接觸網系統工程師在一定的經濟、技術條件下綜合選取的結果。制作工藝符合規定要求是吊弦滿足疲勞強度的必要條件。交變應力譜用于在專用試驗裝置上，對擬使用的吊弦進行加速疲勞檢驗，符合規定壽命次數后的吊弦才能應用于接觸網。接觸網的預期結構形狀由吊弦長度和安裝位置所決定，偏離預期的結構形狀會使吊弦的交變應力變大，增加的程度反映在動態驗收結果上，符合預期的接觸網施工質量才能使動態特性與動態設計保持一致。歸根結底，只有將吊弦的實際交變應力維持在設計范圍內，吊弦的疲勞強度才能滿足規定的使用壽命要求。

吊弦必須進行機械疲勞試驗，根據EN 50119-2013《鐵路應用-基礎設施-電力牽引架空接觸網》規定，此試驗由1個交變載荷和壓縮循環組成，如圖3所示。吊弦應與其專用線夾一起進行試驗，對其正常應用的最低要求進行試驗。

1.半個循環—吊弦壓縮；2.半個循環—吊弦受力，3.壓縮；4.受力圖3 吊弦機械疲勞試驗循環示例

壓縮振幅C應在20～200 mm之間指定，吊弦中的力FL應在100～400 N之間指定。循環頻率應在0.5～10 Hz之間，應執行最少 2 000 000個循環。吊弦不應在指定循環次數之前斷裂。吊弦疲勞試驗的具體參數，應由接觸網系統設計依據具體設計方案在規定范圍內指定。滿足此要求的吊弦，按照要求安裝且通過靜態、動態驗收后，可認為壽命能夠滿足設計要求，不需定期維護。若定期檢測中診斷出某吊弦工況超出規定，應及時干預。

3 中國鐵路接觸網數字化發展瓶頸

中國電氣化鐵路建設起步于寶成鐵路寶鳳段，寶鳳段接觸網系統設計采用當時世界上最先進的供電制式，是在前蘇聯專家幫助下完成的[12]。1958年3月完成初步設計，同年5月通過前蘇聯交通部鑒定，1959年1月完成施工設計， 1961年8月15日交付運營。

寶鳳段電氣化建成后的60年來，中國的電氣化鐵路發生了翻天覆地的變化，時至今日，伴隨電氣化鐵路設計水平演進的TB 10009-2016《鐵路電力牽引供電設計規范》發布修訂4版，但未曾出現涉及接觸網壽命的約束性條款。

現行TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》規定接觸網系統設計使用年限不宜小于30 a。各零部件使用年限與外界環境和工況引起的疲勞或腐蝕有關，接觸線使用年限應根據磨耗確定，均不應少于200萬弓架次。

2001年建成通車的哈爾濱-大連電氣化鐵路是系統引進德國牽引供電技術及設備的第一條電氣化鐵路。哈大鐵路接觸網的建造以建立在國際及德國標準基礎上的德聯邦鐵路專業標準和西門子公司的標準圖為準。接觸網設備的使用壽命應達到70 a，承受動態變化應力荷載的零部件使用壽命不少于150萬弓架次，接觸線磨耗不應超過標稱截面積的20%。

2008年8月1日建成通車的京津城際鐵路是中國大陸第一條高標準、設計時速350 km的高速鐵路。京津城際鐵路接觸網系統由Siemens按照EN 50119-2001 標準要求提供設計方案。

征稿內容： 自然災害(特別是地質災害)與人為災害防治，生態環境、資源環境和地質環境保護，水文地質與工程地質，巖土工程與工程勘察，與本學科有關的邊緣和交叉學科等方面的優秀論文，最新科技成果，新理論、新方法、新技術研討，及工程技術經驗總結，新成就、新動向方面的綜述、述評，新書刊、新設備評介等。

按照歐洲標準設計的接觸網，遵循可靠性設計原則。按照中國標準設計的接觸網，實現功能不是問題，但如何定量分配零部件的工齡，從設計部門到維修部門，均無法給出肯定的答復。形成這一困局的根源在于，寶鳳段電氣化鐵路建設初期，中國的干線鐵路接觸網設計和施工幾乎完全依賴于前蘇聯的技術援助，關鍵時期蘇方撤走專家，中國的工程技術人員只能依據設計圖紙進行逆向仿制，雖然解決了接觸網的“有無”問題，但對于眾多技術細節，知其然而不知其所以然。盡管經歷了哈大鐵路、京津城際鐵路等接觸網先進技術的熏陶，可受制于既有的思維慣性，在中國鐵路大量的工程實踐中，接觸網設計始終沒能蛻變到量化的可靠性設計層面。

接觸網系統指標與零部件壽命缺少對應關系，利用外觀檢查與參數實測診斷接觸網零部件的技術狀態就沒了依據，實現接觸網的定量狀態修、建立接觸網的數字化模型更無從談起。

4 夯實中國鐵路接觸網數字化發展基礎

重復歐洲鐵路接觸網發展之路已無必要，但吸收歐洲鐵路接觸網系統先進的發展理念，有利于促進中國鐵路接觸網在人才培養、基礎理論、關鍵技術、裝備制造等方面的持續進步，關鍵在于：

4.1 樹立全壽命周期理念

接觸網作為鐵路龐大基礎設施的一部分，建成并投入運營是階段目標，在壽命周期內可靠運行才是終極目的。接觸網全壽命周期設計意味著設計接觸網(器材)不僅要設計接觸網(器材)的功能和結構，而且要設計接觸網(器材)的施工、運行、維修，直到回收再利用的全過程。

為實現全壽命周期管理要求，接觸網需遵循可靠性設計原則，即在規定時間和條件(正常設計、正常施工和正常維修條件)下，完成預定功能(包含安全性、適用性、耐久性、抗連續倒塌等)的能力、使用可靠度度量即完成“預定功能”的概率度量。可參照歐洲接觸網標準體系要求，對接觸網的安全性、適用性和耐久性等進行量化，并在設計、施工、維修等階段實施可靠度分配，建立接觸網系統指標與零部件壽命的定量關系。

設計階段建立的定量關系，零部件制造和檢驗服務于這種定量關系，施工階段維持這種定量關系，也就賦予了接觸網的固有能力。到了維修階段，通過定期查看零部件外觀判斷零部件的抗載荷能力，通過檢測接觸網系統指標評估零部件的載荷。獲取了零部件的載荷與抗載荷能力，就可實現接觸網的預防性維修，直至預測性維修。

基于全壽命周期理念進行設計、施工、維修的接觸網，也就具備了數字化的前提條件。

4.2 完善質量控制措施

圖4 接觸網的質量控制過程圖

從圖4可以看出，按照用戶需求以及采用的標準，確定接觸網在規定時間、規定條件下應該完成的預定能力。這個能力包含了安全性、適用性、耐久性、魯棒性等定量可靠性指標。

使用可信賴的受電弓-接觸網動態仿真系統，而不是依靠過去的經驗，獲取擬采用的接觸網系統方案的可靠性指標與用戶需求相符。該環節的質量控制依據為用戶合同和設計標準。

滿足用戶需求與設計標準后，根據系統方案完成接觸網的詳細設計。本環節需要解決接觸網各零部件的載荷(電氣為負荷)、交變載荷以及零部件抗載荷能力的確定問題。在規定壽命期內，零部件抗載荷能力的衰減規律也應確定。因為不確定因素的存在，按概率論確定有關數值。詳細設計資料不僅為施工安裝提供依據，也是接觸網靜態驗收的依據。

接觸網施工的主要任務是將經過質量認證的零部件按設計要求進行精密裝配。安裝過程中，零部件承受載荷與設計目標值的偏差應保持在設計范圍內，零部件抗載荷能力也不應受到過多影響。

對全部接觸網工程進行檢查，并使用專用設備對靜止狀態下的接觸網進行測量，以證實竣工后的接觸網結構尺寸符合施工設計文件要求，這一環節稱為靜態驗收。靜態驗收的目的是確認零部件的載荷與抗載荷能力符合設計要求。

通過靜態驗收的接觸網，送電可確認其電氣完整性。利用專用設備對弓網動態性能參數進行測量評估，以證實弓網動態性能滿足技術標準要求，這一環節稱為動態驗收。動態驗收是對弓網仿真系統可信賴程度的檢驗。動態驗收符合要求的接觸網，可認為承受交變載荷的零部件壽命處于設計規定的時間內。

投入運營的接觸網，可定期查看零部件外觀確認抗載荷能力，通過檢測監測參數，評價零部件承受的載荷，掌握抗載荷能力與荷載演變規律后，即可判斷接觸網設備的服役狀態。

形成閉環的質量反饋控制，即設計對用戶合同和系列標準負責，施工對設計文件負責，靜態驗收確認施工質量，動態驗收確認設計質量，才能確保接觸網建設、維修中的各環節相互制約、相互促進。

以可靠性為中心設計、施工的接觸網，才能實施以可靠性為中心的維修，接觸網數字化的物質條件也就完全具備了。

4.3 建立健全標準體系

伴隨著長期的工程實踐，中國鐵路接觸網標準體系逐步得到建立健全，如圖5所示。

圖5 中國鐵路接觸網標準體系圖

現有標準體系中，TB/T 1456-2004《受電弓特性與試驗》采用了歐洲標準EN 50206-1998，歐洲版本為EN 50206-2010。TB/T 3271-2011《受電弓與接觸網相互作用準則》采用了歐洲標準EN 50367-2006，歐洲現行版本為EN 50206-2016。中國干線鐵路涉及接觸網的設計規范有3個，分別是TB 10009-2016《牽引供電設計規范》、TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》和GB/T 32578-2016《軌道交通-地面裝置-電力牽引架空接觸網》，其中GB/T 32578-2016采用的IEC 60913-2013，由歐洲標準EN 50119-2009轉化而來。

涉及到接觸網零部件的標準有3個，分別是TB/T 2073-2010《接觸網零部件技術條件》、TB/T 2074-2010《接觸網零部件試驗方法》和TB/T 2075-2010《接觸網零部件》，這3個標準存在的主要問題是有關規定與實際接觸網設計指標無關，即滿足了這3個標準要求的零部件，不一定能滿足實際接觸網的運行要求。

接觸網施工與驗收的3個標準為TB 10758-2018《高速鐵路電力牽引工程驗收標準》、TB 10760-2013《高速鐵路靜態驗收技術規范》和TB 10761-2013《高速鐵路動態驗收技術規范》，與接觸網設計標準無法形成有機整體，動態驗收關鍵參數(如弓網接觸力)的評估與設計標準不一致，有些驗收參數(如硬點)在設計標準內沒有出處。

綜上所述，中國鐵路接觸網的設計、施工、工程驗收、零部件制造和檢驗等標準，雖然解決了各環節標準的“有無”問題，但作為整體的接觸網，其設計、施工和零部件等標準卻條塊分割，相互間缺乏邏輯，聯系整體性完全無法體現。

建立健全中國鐵路接觸網的標準體系，確保各標準按其內在聯系形成科學的有機整體，既是實現全壽命周期管理和完善質量控制的需要，更是接觸網數字化發展的關鍵所在。

5 結束語

中國鐵路接觸網經過60年的發展，已經初步具備了從功能設計到可靠性設計發生系統性質變的物質條件。借鑒歐洲鐵路接觸網發展的先進經驗，可在推進接觸網設計、施工與維修等環節的閉環質量控制與標準體系優化的過程中，逐步實現接觸網的設計數字化、施工數字化、零部件制造與檢驗數字化，各環節有機地融合成一個整體，能夠有力地促進接觸網的數字化建設，全壽命周期管理的目標就有了實現的可能。接觸網數字化為可視化與智能化打下夯實的基礎，從而實現預測性維修。