常艷艷,劉仍奎,王福田,陳云峰
(1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044;2.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,北京 100044;3.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部,甘肅 蘭州 730000)
受運(yùn)輸組織、地理環(huán)境等因素的影響,蘭新線軌道不平順狀態(tài)變化較快,搗固周期較短,管理者需要對(duì)線路質(zhì)量變化做出快速響應(yīng)。以搗固作業(yè)為例,中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司管轄的蘭新線長(zhǎng)度為985.5 km,該段線路每年搗固一遍,重點(diǎn)地段甚至搗固兩遍,搗固工作量大。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鐵路軌道幾何狀態(tài)劣化規(guī)律建模問題進(jìn)行過(guò)研究,這些模型可以分為確定性模型[1]、隨機(jī)性模型[1]和機(jī)器學(xué)習(xí)類模型。
確定性模型是指利用回歸分析方法以及軌道幾何狀態(tài)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù),建立軌道幾何狀態(tài)與運(yùn)行時(shí)間或通過(guò)總重之間的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)確定的函數(shù)關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)軌道幾何劣化狀態(tài)和維修周期。文獻(xiàn)[2-3]使用多元統(tǒng)計(jì)分析方法建立軌道幾何狀態(tài)劣化模型。文獻(xiàn)[4]對(duì)兩次搗固之間的軌道幾何劣化趨勢(shì)進(jìn)行線性擬合。文獻(xiàn)[5]按照軌道特征,將荷蘭鐵路線路劃分為不等長(zhǎng)的軌道區(qū)段,針對(duì)每個(gè)軌道區(qū)段,分別建立軌道幾何狀態(tài)的線性劣化模型。文獻(xiàn)[6]建立了高低標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的線性劣化模型。文獻(xiàn)[7]建立了多階段線性模型來(lái)預(yù)測(cè)軌道高低不平順。文獻(xiàn)[8]使用灰色理論,對(duì)軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。
隨機(jī)性模型是指將軌道幾何狀態(tài)劣化過(guò)程視為一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,通?;谲壍缼缀螤顟B(tài)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù),利用Markov過(guò)程、Gamma過(guò)程、Weibull分布等概率性方法構(gòu)建軌道幾何狀態(tài)劣化預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[9]使用伽馬過(guò)程建立高低標(biāo)準(zhǔn)差的長(zhǎng)期劣化模型。文獻(xiàn)[10]同時(shí)考慮高低、軌向這兩項(xiàng)軌道幾何參數(shù),并使用二元伽馬過(guò)程建立軌道幾何狀態(tài)劣化模型。文獻(xiàn)[11]采用貝葉斯方法建立軌道幾何生命周期的長(zhǎng)期劣化模型,并考慮軌道幾何狀態(tài)劣化的不確定性。文獻(xiàn)[12]提出了一種分層貝葉斯方法來(lái)建立軌道幾何劣化的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[13]利用馬爾可夫隨機(jī)過(guò)程建立軌道幾何劣化模型,并評(píng)估軌道剩余壽命。文獻(xiàn)[14-15]利用馬爾可夫模型研究適用于不同軌道區(qū)段的資產(chǎn)管理策略。
近年來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)類模型逐漸被用于預(yù)測(cè)軌道幾何狀態(tài)。文獻(xiàn)[16]分別采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,來(lái)預(yù)測(cè)軌道高低標(biāo)準(zhǔn)差。文獻(xiàn)[17]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)軌道幾何不平順參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。目前機(jī)器學(xué)習(xí)類模型在軌道幾何狀態(tài)劣化規(guī)律建模領(lǐng)域的應(yīng)用較少,通常需要用大量歷史數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證。
本文根據(jù)蘭新線軌道幾何狀態(tài)劣化較快的實(shí)際情況,針對(duì)其軌道幾何狀態(tài)短期變化的管理需求,以確定性模型為基礎(chǔ),融合隨機(jī)性模型的優(yōu)勢(shì),考慮軌道幾何狀態(tài)預(yù)測(cè)的不確定性,提出了一種改進(jìn)的針對(duì)200 m軌道區(qū)段的個(gè)性化的軌道幾何狀態(tài)劣化短期預(yù)測(cè)模型。
本文的研究結(jié)果,可以輔助鐵路工務(wù)管理者準(zhǔn)確把握軌道狀態(tài)劣化趨勢(shì),科學(xué)編制搗固計(jì)劃,對(duì)實(shí)現(xiàn)軌道安全和修理成本的雙重控制具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
模型主要研究?jī)纱螕v固維修之間,不同軌道單元區(qū)段k的軌道幾何狀態(tài)yk隨時(shí)間x的劣化規(guī)律,其模型框架可描述為
yk=f(x,rk,εk)
(1)
式中:yk為軌道幾何狀態(tài);x為劣化時(shí)間;rk為劣化率;εk為不確定性參數(shù)。
(1)研究對(duì)象
本文根據(jù)空間位置,將蘭新線鐵路軌道劃分為K個(gè)等長(zhǎng)的200 m軌道單元區(qū)段,將每一個(gè)200 m軌道單元區(qū)段作為研究對(duì)象,充分考慮不同空間位置軌道幾何狀態(tài)劣化的差異,針對(duì)每個(gè)區(qū)段進(jìn)行個(gè)性化建模。由于受到多種因素的影響,每一個(gè)軌道單元區(qū)段k的劣化規(guī)律均不相同。為了使模型準(zhǔn)確,僅利用該區(qū)段自身的歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)擬合該區(qū)段的軌道幾何狀態(tài)劣化規(guī)律,即式(1)中rk和εk的確定僅與軌道單元區(qū)段k的歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)有關(guān),與其他區(qū)段無(wú)關(guān)。這樣,每一個(gè)軌道單元區(qū)段都有一個(gè)僅適用于自己的劣化模型,則蘭新線軌道幾何狀態(tài)劣化規(guī)律將由K個(gè)軌道幾何劣化模型構(gòu)成的模型庫(kù)來(lái)描述,通過(guò)Matlab編程開發(fā),可計(jì)算得到每個(gè)區(qū)段的模型參數(shù)。
(2)軌道幾何狀態(tài)yk
函數(shù)的因變量yk表示軌道幾何狀態(tài),本文選擇軌道質(zhì)量指數(shù)TQI來(lái)代表軌道幾何狀態(tài)yk,單位為mm。
(3)劣化時(shí)間x
函數(shù)的自變量x表示距上次搗固維修的劣化時(shí)間,單位為d。
(4)劣化率rk
參數(shù)rk表示軌道單元區(qū)段k的劣化率,用來(lái)衡量?jī)纱螕v固維修之間,軌道單元區(qū)段k的劣化速率。為了充分考慮不同軌道單元區(qū)段TQI劣化的差異性,同時(shí)由于不同空間位置處的軌道單元區(qū)段之間劣化過(guò)程是相互獨(dú)立的,因此本文從空間位置角度出發(fā),針對(duì)不同的軌道區(qū)段k,利用該區(qū)段兩次搗固維修之間的TQI檢測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)極大似然估計(jì)方法來(lái)估計(jì)該軌道單元區(qū)段的劣化率rk。
(5)不確定性參數(shù)εk
由于多種隨機(jī)因素的綜合作用,軌道幾何狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果具有不確定性。TQI預(yù)測(cè)值的不確定性是指軌道單元區(qū)段k的TQI預(yù)測(cè)值yk與TQI的實(shí)際檢測(cè)值Ik之間存在誤差,由誤差序列εk的概率分布來(lái)度量。通過(guò)在模型中增加隨機(jī)變量εk來(lái)考慮TQI預(yù)測(cè)值的不確定性。
將蘭新線劃分為K個(gè)軌道單元區(qū)段,對(duì)于某個(gè)軌道單元區(qū)段k,假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為tNow,軌道單元區(qū)段k自大修以來(lái)共進(jìn)行過(guò)m次搗固,搗固時(shí)刻分別為{D(1),D(2),…,D(m)},對(duì)應(yīng)m個(gè)搗固周期,分別為{Tk,1,Tk,2,…,Tk,m},當(dāng)前所處的搗固周期為Tk,m+1,下一次搗固時(shí)間為D(m+1),Tk,m+1=D(m+1)-D(m),見圖1。根據(jù)文獻(xiàn)[18]的結(jié)論,短期內(nèi)軌道幾何狀態(tài)劣化通常呈現(xiàn)出線性特征,因此,軌道單元區(qū)段k在當(dāng)前周期Tk,m+1內(nèi)的軌道幾何狀態(tài)劣化模型為
yk=ak+rkx+εkx∈(0,D(m+1)-D(m))
(2)
式中:ak為當(dāng)前周期Tk,m+1的劣化初始值,即搗固之后第一次的檢測(cè)值;rk為當(dāng)前周期Tk,m+1的劣化率,由上一個(gè)搗固周期Tk,m已經(jīng)產(chǎn)生的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)所估計(jì)的劣化率來(lái)近似。參照文獻(xiàn)[1,12,19],假定εk服從正態(tài)分布,由上一個(gè)搗固周期Tk,m內(nèi)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際檢測(cè)值之間的偏差序列進(jìn)行估計(jì),然后利用該正態(tài)分布對(duì)當(dāng)前周期的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。
圖1 軌道單元區(qū)段k劣化趨勢(shì)
1.2.2 劣化率rk的計(jì)算
(3)
則樣本觀測(cè)值的似然函數(shù)為
(4)
(5)
1.2.3 不確定性參數(shù)εk的計(jì)算
(1)利用線性劣化模型yk=ak+rkx計(jì)算軌道單元區(qū)段k不同時(shí)刻j的TQI預(yù)測(cè)值為
(6)
(2)計(jì)算軌道單元區(qū)段k不同時(shí)刻j的預(yù)測(cè)偏差序列為
(7)
(3)將偏差序列εk進(jìn)行擬合,則可以得到蘭新線軌道單元區(qū)段k的TQI預(yù)測(cè)偏差的正態(tài)分布,即
(8)
(9)
(10)
本文以蘭新線下行K600+000—K800+000里程范圍內(nèi)的1 000個(gè)200 m軌道單元區(qū)段為研究對(duì)象,采集了該里程范圍內(nèi)2015年4月至2018年8月的1 284條搗固維修數(shù)據(jù)及132次軌檢車檢測(cè)數(shù)據(jù),針對(duì)每個(gè)200 m區(qū)段,利用其自身的檢測(cè)數(shù)據(jù),建立適用于該區(qū)段的軌道幾何狀態(tài)劣化模型,在建立Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上,使用Matlab編程開發(fā),計(jì)算模型參數(shù),對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。
以蘭新線下行K600+000—K800+000里程范圍內(nèi)的每一個(gè)軌道單元區(qū)段2018年8月之前的最后一個(gè)搗固周期為研究對(duì)象,記為Q,將該搗固周期的上一個(gè)周期記為Q-1,分別對(duì)每個(gè)區(qū)段在Q周期內(nèi)的劣化規(guī)律進(jìn)行了建模,參數(shù)估計(jì)結(jié)果如下。
2.1.1 TQI劣化率rk估計(jì)結(jié)果
根據(jù)Q-1周期內(nèi)的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù),利用公式(5),采用Matlab輔助計(jì)算,可得到不同軌道單元區(qū)段在Q-1周期內(nèi)的TQI劣化率,并以此來(lái)近似Q周期內(nèi)的劣化率rk,結(jié)果見圖2。
圖2中橫坐標(biāo)為軌道單元區(qū)段編號(hào),縱坐標(biāo)為不同軌道單元區(qū)段在Q周期內(nèi)的TQI劣化率rk。由圖2可知,折線圖波動(dòng)比較明顯,即不同軌道單元區(qū)段的TQI劣化率rk差異較大,這種差異是由于不同軌道單元區(qū)段所處的線路特征(坡度、曲線、橋梁、隧道、岔區(qū)等)不同,地質(zhì)特征(戈壁、黃土等)不同,氣候特征(風(fēng)沙、嚴(yán)寒等)不同,施工質(zhì)量不同,列車通過(guò)總重不同等多種因素造成的。這說(shuō)明本文提出的以每一個(gè)200 m軌道單元區(qū)段為研究對(duì)象,分別利用每個(gè)區(qū)段自身的歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行個(gè)性化建模這種方法的科學(xué)性和必要性,該方法充分考慮了影響每個(gè)軌道單元區(qū)段劣化過(guò)程的所有因素的綜合作用。
以圖中軌道單元區(qū)段K660+000為例,其劣化率rk為0.019 mm/d,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料,該區(qū)段地質(zhì)類型為砂、礫、黃土狀黏質(zhì)砂土,容易發(fā)生沉降,其坡度為5.6‰,曲線半徑為3 500 m,這些因素綜合作用,導(dǎo)致該區(qū)段線路狀態(tài)變化較快,劣化率較大,該計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。
圖2 蘭新線下行K600+000—K800+000全部區(qū)段Q周期的TQI劣化率bk估計(jì)結(jié)果
2.1.2 TQI不確定性參數(shù)εk估計(jì)結(jié)果
同樣根據(jù)軌道單元區(qū)段Q-1周期的檢測(cè)數(shù)據(jù),利用上文得到的不同軌道單元區(qū)段的TQI劣化率rk,劣化初始值ak(本文選擇軌道單元區(qū)段k在某搗固周期內(nèi)第一次實(shí)際檢測(cè)值作為區(qū)段k在該周期的劣化初始值),將其代入線性劣化模型中,即可得到不同區(qū)段在Q周期的TQI回歸值。再根據(jù)Q周期TQI回歸值與實(shí)際檢測(cè)值之間的差值,計(jì)算不同區(qū)段的預(yù)測(cè)偏差序列εk。利用K-S檢驗(yàn)方法,對(duì)1 000個(gè)區(qū)段的偏差序列εk進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見圖3。橫坐標(biāo)為軌道單元編號(hào),縱坐標(biāo)為p值,紅色橫線代表顯著性水平α=0.05。結(jié)果表明,在0.05的顯著性水平下,所有區(qū)段的偏差序列均服從正態(tài)分布。由圖3可知,大部分軌道區(qū)段的p值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯著性水平0.05,說(shuō)明這些區(qū)段的偏差序列εk高度服從正態(tài)分布。最后利用式(9)及式(10)估計(jì)不同區(qū)段TQI預(yù)測(cè)偏差序列的概率分布參數(shù),即正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差和均值,結(jié)果見圖4。
圖3 蘭新線下行K600+000—K800+000全部區(qū)段Q周期的TQI不確定性參數(shù)εk正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果
圖4 蘭新線下行K600+000—K800+000全部區(qū)段Q周期的TQI不確定性參數(shù)εk估計(jì)結(jié)果
由圖4可知,不確定性參數(shù)εk的均值及標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較明顯,圖4(b)中部分軌道單元區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)差較大,說(shuō)明這些區(qū)段的軌道幾何狀態(tài)劣化不確定性較高,若直接用線性模型進(jìn)行擬合會(huì)造成較大誤差。提出在線性劣化模型的基礎(chǔ)上增加不確定性參數(shù)εk,成功減小了預(yù)測(cè)誤差,提高了模型的精確性。
在2.1節(jié)中模型參數(shù)估計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上,為了檢驗(yàn)本文提出的模型對(duì)蘭新線實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)的擬合效果,對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。擬合優(yōu)度(Goodness of Fit)是指回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度,本文選擇可決系數(shù)R2作為度量擬合優(yōu)度的指標(biāo),R2的值越接近1,說(shuō)明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好;反之,R2的值越小,說(shuō)明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越差[20]。蘭新線下行K600+000—K800+000范圍內(nèi)1 000個(gè)軌道單元區(qū)段的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果見圖5。
圖5 蘭新線下行K600+000—K800+000全部區(qū)段TQI回歸直線擬合優(yōu)度
對(duì)圖5中蘭新線下行K600+000—K800+000范圍內(nèi)1 000個(gè)軌道單元區(qū)段的擬合優(yōu)度的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見圖6。橫坐標(biāo)為R2范圍,縱坐標(biāo)為不同范圍對(duì)應(yīng)的比例,即處于不同R2范圍內(nèi)的軌道單元區(qū)段個(gè)數(shù)與樣本總數(shù)的比值。結(jié)果表明,約93%的軌道單元區(qū)段的R2大于0.9,說(shuō)明整體擬合效果較好。
圖6 蘭新線下行K600+000—K800+000全部區(qū)段TQI回歸直線擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)分布圖
2.2.2 典型軌道單元區(qū)段預(yù)測(cè)結(jié)果分析
為了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性及有效性,作者選取4個(gè)典型的軌道單元區(qū)段,對(duì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀說(shuō)明,具體見圖7。
蘭新線4個(gè)軌道單元區(qū)段Q周期內(nèi)TQI隨時(shí)間的劣化趨勢(shì)見圖7,橫坐標(biāo)為自搗固之后的劣化時(shí)間,縱坐標(biāo)為不同軌道單元區(qū)段的TQI。星狀點(diǎn)為軌道單元區(qū)段TQI的實(shí)際檢測(cè)值,直線為根據(jù)實(shí)際檢測(cè)值擬合出的回歸直線,圓圈是對(duì)回歸直線的調(diào)整,即在回歸值的基礎(chǔ)上增加了不確定性參數(shù)之后的預(yù)測(cè)值,b代表不同區(qū)段的劣化率。
由圖7可知,這4個(gè)軌道單元區(qū)段的TQI劣化過(guò)程呈現(xiàn)出顯著差異,即不同區(qū)段的初始值及劣化率均不相同,這是由于不同區(qū)段的空間位置不同,影響其劣化的因素不同,導(dǎo)致每個(gè)區(qū)段的劣化規(guī)律均不相同,說(shuō)明了針對(duì)每個(gè)區(qū)段進(jìn)行個(gè)性化建模的必要性;不同軌道單元區(qū)段的實(shí)際檢測(cè)值與回歸直線之間存在偏差,僅僅用線性回歸進(jìn)行擬合會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果不夠精確。增加不確定性參數(shù)εk對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行調(diào)整之后,預(yù)測(cè)結(jié)果更接近真實(shí)值,證明了本文提出的預(yù)測(cè)模型的精確性和有效性。
圖7 蘭新線4個(gè)軌道單元區(qū)段TQI檢測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比
本文以蘭新線為研究對(duì)象,將線路劃分為若干個(gè)等長(zhǎng)的200 m軌道單元區(qū)段,針對(duì)蘭新線軌道幾何狀態(tài)短期變化的管理需求,創(chuàng)新性地提出了一種改進(jìn)的針對(duì)200 m區(qū)段的軌道幾何狀態(tài)劣化短期預(yù)測(cè)個(gè)性化建模方法。
模型利用每個(gè)軌道單元區(qū)段兩次搗固之間自身的歷史檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)單元區(qū)段分別單獨(dú)建立適用于自身的軌道幾何劣化模型,實(shí)現(xiàn)了針對(duì)每個(gè)軌道單元區(qū)段的個(gè)性化建模;其次通過(guò)在原有確定性模型的基礎(chǔ)上,增加不確定性參數(shù),消除了軌道幾何劣化的不確定性影響,提高了模型的預(yù)測(cè)精度。
本文提出了一種基于空間位置的模型參數(shù)標(biāo)定方法。不同于既有的建模方法,本方法考慮到不同軌道單元區(qū)段之間劣化過(guò)程是相互獨(dú)立的,因此僅利用每個(gè)區(qū)段自身的歷史檢測(cè)數(shù)據(jù),建立了適用于該區(qū)段的軌道幾何劣化模型,實(shí)現(xiàn)了針對(duì)每個(gè)軌道單元區(qū)段的個(gè)性化建模;其次通過(guò)在原有確定性模型的基礎(chǔ)上,增加不確定性參數(shù),考慮了軌道幾何劣化的不確定性影響,提高了模型的預(yù)測(cè)精度。
為了驗(yàn)證模型的有效性,作者選取蘭新線下行K600+000—K800+000里程范圍內(nèi)1 000個(gè)軌道單元區(qū)段作為研究對(duì)象,針對(duì)每個(gè)區(qū)段2018年8月之前最后一個(gè)搗固周期的劣化規(guī)律進(jìn)行建模研究,利用Matlab編程開發(fā),計(jì)算了每個(gè)區(qū)段的模型參數(shù),并對(duì)這1 000個(gè)模型參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明約93%的軌道單元區(qū)段線性回歸的可決系數(shù)大于0.9,說(shuō)明模型整體擬合效果較好。在此基礎(chǔ)上,作者選取了4個(gè)典型的軌道區(qū)段,對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的直觀說(shuō)明,結(jié)果表明增加不確定性參數(shù)εk,消除了軌道幾何劣化的不確定性影響,可以提高模型的預(yù)測(cè)精度。
本文的研究成果,可以作為今后鐵路智能運(yùn)維管理信息系統(tǒng)建設(shè)的一個(gè)模塊,輔助鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理者準(zhǔn)確把握軌道狀態(tài)劣化規(guī)律,科學(xué)預(yù)測(cè)搗固周期,合理安排搗固維修計(jì)劃和軌道狀態(tài)檢測(cè)計(jì)劃。