本发明涉及轨道维修领域，具体地，涉及一种有砟轨道捣固维修分析方法及系统。
背景技术：
目前我国列车运行速度的提高导致运行密度和通过重量加大，加速了轨道几何状态恶化，使线路养护维修的作业量不断增加，运输需求和线路养护之间的矛盾日益突出。轨道维修工作很大部分目的是保持和恢复轨道的平顺性。应用大型捣固机械(简称大机)对线路进行捣固维修是成段消除有砟轨道中、长波高低、轨向等轨道不平顺病害的有效手段。在我国既有干线、高速有砟线路及重载铁路上，都采用了大型捣固机械作为长区段维修的主要方法。由于大型捣固机械价格昂贵，且捣固维修作业需要投入大量的人力和物力资源，其维修经费也成为铁路工务部门的重要支出之一。目前，我国铁路工务部门主要采用固定周期进行大型捣固机械的平推式维修作业，其作业计划的上报和制定会根据工务现场人员的经验评定，对资源的合理配置也缺少全面的考虑，整个决策过程在科学性和经济性方面有所欠缺，导致“过维修”、“欠维修”现象较为严重，不利于轨道质量的保持和维修的经济性。
技术实现要素：
本发明实施例的主要目的在于提供一种有砟轨道捣固维修分析方法及系统，以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种有砟轨道捣固维修分析方法，包括：
根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解；
判断解是否满足约束条件；
将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段；
根据初始解构成初始解空间；
按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；
将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同；
将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解；
比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解；
比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解；
根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
本发明实施例还提供一种有砟轨道捣固维修分析系统，包括：
解生成模块，用于根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解；
判断模块，用于判断解是否满足约束条件；
初始解模块，用于将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段；
初始解空间模块，用于根据初始解构成初始解空间；
解空间分块模块，用于按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；
迭代模块，用于将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同；
局部最优解模块，用于将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解；
初始块空间最优解模块，用于比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解；
全局最优解模块，用于比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解；
确定模块，用于根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解；
判断解是否满足约束条件；
将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段；
根据初始解构成初始解空间；
按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；
将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同；
将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解；
比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解；
比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解；
根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解；
判断解是否满足约束条件；
将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段；
根据初始解构成初始解空间；
按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；
将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同；
将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解；
比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解；
比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解；
根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
本发明实施例的有砟轨道捣固维修分析方法及系统先将满足约束条件的解设为初始解，根据初始解构成初始解空间，再按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；然后将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解并判断其是否满足约束条件，将满足约束条件的解设为修改解，根据修改解计算得到多个综合质量成本，将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解，在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同，接着将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解，比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解，最后比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解，并根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段，以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中有砟轨道捣固维修分析方法的流程图；
图2是本发明实施例中得到综合质量成本的流程图；
图3是本发明实施例中轨道捣固质量指数随时间变化的示意图；
图4是本发明实施例中其中一种实施例的全局最优解表格；
图5是图4的色阶图；
图6是本发明实施例中有砟轨道捣固维修分析系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
鉴于目前的维修作业对资源的合理配置缺少全面的考虑，不利于轨道质量的保持和维修的经济性，本发明实施例提供一种有砟轨道捣固维修分析方法，可以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。以下结合附图对本发明进行详细说明。
图1是本发明实施例中有砟轨道捣固维修分析方法的流程图。如图1所示，有砟轨道捣固维修分析方法包括：
s101：根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解。
s102：判断解是否满足约束条件。
s103：将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段。
s104：根据初始解构成初始解空间。
s105：按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间。
s106：将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同。
s107：将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解。
s108：比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解。
s109：比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解。
s110：根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
由图1所示的流程可知，本发明实施例的有砟轨道捣固维修分析方法先将满足约束条件的解设为初始解，根据初始解构成初始解空间，再按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；然后将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解并判断其是否满足约束条件，将满足约束条件的解设为修改解，根据修改解计算得到多个综合质量成本，将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解，在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同，接着将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解，比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解，最后比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解，并根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段，以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。
图2是本发明实施例中得到综合质量成本的流程图。如图2所示，根据修改解计算得到多个综合质量成本具体包括：
s201：根据修改解确定修改解对应的维修区段及维修时间段；
s202：根据维修时间段得到轨道捣固质量指数；
s203：根据维修区段得到每个维修时间段对应的维修区段的个数；
s204：创建综合质量成本模型；
s205：输入轨道捣固质量指数、每个维修区段对应的维修成本、每个维修时间段对应的维修区段的个数和比重参数至综合质量成本模型中，得到综合质量成本。
其中，每个维修区段为200米，轨道捣固质量指数(mtqi,machinetampingqualityindex)为200m维修区段的左高低标准差、右高低标准差、左轨向标准差、右轨向标准差、三角坑标准差和水平标准差的和。
图3是本发明实施例中轨道捣固质量指数随时间变化的示意图。如图3所示，图3的纵轴为轨道捣固质量指数，横轴为时间，黑色实线为历史数据，黑色虚线为预测数据，t1为历史时间段，t2为预测时间段。具体实施时，可以将历史时间段的轨道捣固质量指数作为历史数据，根据历史数据来计算预测出预测时间段的轨道捣固质量指数。如图3所示，轨道捣固质量指数会随着时间增长，工作人员需要在轨道捣固质量指数超出维修作业标准(预设轨道捣固质量指数标准)之前对区段的进行维修。在优化作业时间进行维修作业之后，该区段的轨道捣固质量指数明显降低，进入了新的养护维修周期。
s203中的综合质量成本模型如下：
其中，z为综合质量成本，
一实施例中，约束条件包括：
1、每个维修区段在每个维修时间段的轨道捣固质量指数均小于预设轨道捣固质量指数标准：
2、每个维修时间段中的最远维修区段与最近维修区段的差小于预设里程。
每次进行大机作业时，轨道养护机械不可能进行大范围的移动，因此需要对轨道养护机械。由于大机作业是不改变方向的，则要求每个维修时间段中的最远维修区段与最近维修区段的差小于预设里程。
3、当维修区段在第一预设区段时，维修时间段在第一预设时间段。
在进行更换钢轨等大修作业时，需要对被指定的维修区段在指定的维修时间段内进行大机作业。因此，当维修区段在第一预设区段时，最佳维修时间段为第一预设时间段。
4、当维修区段在第二预设区段时，维修时间段不在第二预设时间段：对指定的某维修区段在指定的某维修时间段不进行大机作业。
5、每个维修时间段对应的维修区段的个数小于预设维修区段。
6、每个维修区段对应的维修时间段的个数小于预设维修时间段。具体实施时，可以设定每个维修区段在一年的维修时间内最多被维修一次。
本发明基于实测数据的应用举例如下：
以某重载铁路的2016年的50km线路的轨道捣固质量指数mtqi实测数据为基础，对轨道维修进行2017年36旬(1年)的维修计划进行制定和优化。首先将50km划分为250组mtqi区段，将其编号为no.1～no.250。综合质量成本模型如下：
约束条件及其他参数设置如下：
1、比重参数λ分别设定为0，0.8，1，以验证不同的维修经济成本比重下的最优解。
比重参数可以有效平衡轨道质量的改善和维修的经济性。当比重参数增加时，维修成本的比重增加，则在满足约束的条件下需要维修的区段数减少；当比重参数减小时，轨道质量的改善比重增加，则在满足约束的条件下需要维修的区段数增加。
2、设定在所有维修区段(mtqi区段)不进行维护的旬(维修时间段)为第2，3，4，5，6，16，17，18，19，20，21，31，32，33，34，35，36维修时间段。
3、预设维修区段为50，即每个维修时间段对应的维修区段的个数小于50个，每旬最多维修里程10km。
4、每个初始块空间的局部最优解的个数为15。
5、预设轨道捣固质量指数标准为12。
6、每个维修时间段中的最远维修区段与最近维修区段的差小于预设里程10km。
7、每个维修区段对应的维修时间段的个数小于2，即每个维修区段在1年内最多被允许维修1次。
图4是本发明实施例中其中一种实施例的全局最优解表格。当比重参数为0.8时，对应的最小综合质量成本为1482.855，此时需要维修213个区段，全局最优解如图4所示。图5是图4的色阶图。如图5所示，横轴为维修区段，纵轴为维修时间段(旬)。浅色代表不维修，深色代表维修。
每公里的维修成本为2.5万元，每个维修区段为0.2公里，共213个维修区段，因此本实施例的初步维修成本为2.5*213*0.2＝106.5万元。实际维修计划可在此优化维修计划基础上结合自身作业安排进行修订，费用也发生部分变化。且本方法在处理器上的平均运行时长为347.9954秒，速度较快，可以满足现场的决策需要。
综上，本发明实施例的有砟轨道捣固维修分析方法可以确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段，以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种有砟轨道捣固维修分析系统，由于该系统解决问题的原理与有砟轨道捣固维修分析方法相似，因此该系统的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
图6是本发明实施例中有砟轨道捣固维修分析系统的结构框图。如图6所示，有砟轨道捣固维修分析系统包括：
解生成模块，用于根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解；
判断模块，用于判断解是否满足约束条件；
初始解模块，用于将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段；
初始解空间模块，用于根据初始解构成初始解空间；
解空间分块模块，用于按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；
迭代模块，用于将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同；
局部最优解模块，用于将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解；
初始块空间最优解模块，用于比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解；
全局最优解模块，用于比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解；
确定模块，用于根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
在其中一种实施例中，迭代模块具体包括：
确定单元，用于根据修改解确定修改解对应的维修区段及维修时间段；
轨道捣固质量指数单元，用于根据维修时间段得到轨道捣固质量指数；
维修区段单元，用于根据所述维修区段得到每个维修时间段对应的维修区段的个数；
综合质量成本模型单元，用于创建综合质量成本模型；
综合质量成本单元，用于输入轨道捣固质量指数、每个维修区段对应的维修成本、每个维修时间段对应的维修区段的个数和比重参数至综合质量成本模型中，得到综合质量成本。
在其中一种实施例中，综合质量成本模型如下：
其中，z为综合质量成本，
在其中一种实施例中，约束条件包括：
每个维修区段在每个维修时间段的轨道捣固质量指数均小于预设轨道捣固质量指数标准；
每个维修时间段中的最远维修区段与最近维修区段的差小于预设里程；
当维修区段在第一预设区段时，维修时间段在第一预设时间段；
当维修区段在第二预设区段时，维修时间段不在第二预设时间段；
每个维修时间段对应的维修区段的个数小于预设维修区段；
每个维修区段对应的维修时间段的个数小于预设维修时间段。
综上，本发明实施例的有砟轨道捣固维修分析系统可以确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段，以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解；
判断解是否满足约束条件；
将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段；
根据初始解构成初始解空间；
按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；
将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同；
将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解；
比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解；
比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解；
根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
综上，本发明实施例的计算机设备可以确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段，以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
根据全部维修区段及维修区段对应的维修时间段生成多个解；
判断解是否满足约束条件；
将满足约束条件的解设为初始解，初始解包括两个维修决策参数：维修区段及维修区段对应的维修时间段；
根据初始解构成初始解空间；
按照维修区段对初始解空间进行分块，生成多个初始块空间；
将每个初始块空间中的初始解作为实时解，并进行第一次迭代：对实时解中的其中一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与实时解对应的解；判断与实时解对应的解是否满足约束条件；将满足约束条件的解设为修改解；根据修改解计算得到多个综合质量成本；将该多个综合质量成本中的最小值对应的修改解作为实时解；在进行下一次迭代时，对该实时解中的另一个维修决策参数进行多次更改，依次得到多个与该实时解对应的修改解；前后两次迭代更改的维修决策参数不同；
将经过多次迭代处理后的实时解作为每个初始解对应的局部最优解；
比较每个局部最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的局部最优解作为初始块空间的最优解；
比较每个初始块空间的最优解对应的综合质量成本的大小，选择该综合质量成本的最小值对应的初始块空间的最优解作为全局最优解；
根据全局最优解确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段。
综上，本发明实施例的计算机可读存储介质可以确定全局最优维修区段和全局最优维修时间段，以兼顾轨道质量的改善程度及维修的经济性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。