時(shí)光明 白 磊 高培正 袁 健 丁 明

(1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司線路分公司，100082，北京；2.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司智慧運(yùn)維中心，100070，北京∥第一作者，高級(jí)工程師)

城市軌道交通線路的曲線健康狀態(tài)評(píng)定結(jié)果，是制定曲線維修策略的重要依據(jù)。不科學(xué)的健康評(píng)定方法將導(dǎo)致不合理的維修活動(dòng)。如何科學(xué)地綜合評(píng)定城市軌道交通線路曲線健康狀態(tài)，對(duì)維修計(jì)劃的優(yōu)化編制具有重要的意義。

根據(jù)GB/T 39559.4—2020《城市軌道交通設(shè)施運(yùn)營監(jiān)測與評(píng)價(jià)方法 第4部分：軌道和路基》，在實(shí)際運(yùn)維過程中，線路曲線質(zhì)量狀態(tài)評(píng)定是從靜態(tài)不平順(或靜態(tài)幾何尺寸超限)、動(dòng)態(tài)不平順(或動(dòng)態(tài)幾何尺寸超限)、曲線圓順性(或曲線正矢)和曲線磨耗等4個(gè)維度評(píng)價(jià)曲線質(zhì)量的好壞。上述評(píng)定指標(biāo)的相應(yīng)檢測手段的檢測周期較長，且不同檢測手段的檢測周期不同，這導(dǎo)致上述4個(gè)維度的曲線狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)較難在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)獲得。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)城市軌道交通線路曲線健康狀態(tài)的綜合評(píng)定研究較少，多側(cè)重研究曲線鋼軌的使用壽命評(píng)估[1-5]、曲線鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)與曲線鋼軌病害治理[6-12]等相關(guān)問題。本文提出一種新的基于振動(dòng)與噪聲響應(yīng)的城市軌道交通線路曲線健康狀態(tài)評(píng)定模型(VNB-CHEM)。該評(píng)定模型綜合利用輪軌接觸作用下的車輛響應(yīng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)曲線健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確評(píng)定。相應(yīng)的檢測裝置(線路質(zhì)量檢測儀)可通過人員攜帶放置或安裝在城市軌道交通電客車上，對(duì)全線路曲線健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)定，有助于把握曲線質(zhì)量的劣化過程，掌握其狀態(tài)劣化規(guī)律。根據(jù)曲線健康狀態(tài)好壞，及時(shí)安排維修活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)維修任務(wù)的制定更具針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)維修資源的合理分配。

本文的2個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是：從曲線設(shè)備的基本作用出發(fā)，利用輪軌接觸作用下的車輛響應(yīng)指標(biāo)，評(píng)估曲線設(shè)備健康狀況；不同于傳統(tǒng)評(píng)定方法，VNB-CHEM可實(shí)現(xiàn)對(duì)線路曲線健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)定。

1 傳統(tǒng)的城市軌道交通線路曲線健康狀態(tài)評(píng)定方法

在我國城市軌道交通實(shí)際運(yùn)維過程中，線路曲線狀態(tài)評(píng)定是以線路上單個(gè)曲線為分析對(duì)象，利用各類檢查方式獲得的數(shù)據(jù)，從靜態(tài)不平順、動(dòng)態(tài)不平順、曲線圓順性和曲線磨耗等4個(gè)維度對(duì)曲線設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行的分析和評(píng)價(jià)，如圖1所示。曲線狀態(tài)評(píng)定的數(shù)據(jù)源包括軌檢車檢測數(shù)據(jù)、軌檢儀檢測數(shù)據(jù)、鋼軌波磨檢測儀檢測數(shù)據(jù)、人工線路檢查數(shù)據(jù)和曲線正矢檢查數(shù)據(jù)等。

圖1 城市軌道交通線路曲線狀態(tài)分析流程圖

曲線設(shè)備不同維度下的病害等級(jí)劃分不同。動(dòng)態(tài)不平順的病害等級(jí)劃分為4級(jí)，包括Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)；靜態(tài)不平順等級(jí)劃分為3級(jí)，包括作業(yè)驗(yàn)收、計(jì)劃維修和臨時(shí)補(bǔ)修；曲線圓順性(或曲線正矢)的病害等級(jí)劃分為2級(jí)，包括作業(yè)驗(yàn)收和日常保持。曲線磨耗主要有側(cè)面磨耗、垂直磨耗和波浪形磨耗等不同形式。曲線磨耗屬于一種鋼軌傷損病害類型，鋼軌傷損等級(jí)劃分為3級(jí)，包括輕傷、重傷和折斷。

GB/T 39559.4—2020規(guī)定的曲線檢測周期較長，且不同檢測方式的檢測周期不同，詳見表1。這導(dǎo)致上述4個(gè)維度的曲線狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)較難在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)獲得。

表1 城市軌道交通線路不同曲線狀態(tài)的檢測周期

2 VNB-CHEM構(gòu)建

不同于傳統(tǒng)的城市軌道交通線路曲線健康狀態(tài)評(píng)定方法，本文提出以客車車體通過曲線過程中的振動(dòng)響應(yīng)和客室內(nèi)噪聲為評(píng)定指標(biāo)，來綜合評(píng)價(jià)曲線設(shè)備健康狀態(tài)，基于此構(gòu)建VNB-CHEM，計(jì)算確定曲線健康指數(shù)HCHI。該模型有兩部分構(gòu)成：振動(dòng)響應(yīng)和客室內(nèi)噪聲評(píng)定指標(biāo)的建立；綜合評(píng)定指標(biāo)的計(jì)算。

2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

1)加速度有效值：不良的軌道平順性、圓順性和曲線鋼軌磨耗是加劇接觸振動(dòng)的主要原因，導(dǎo)致過大的沖擊加速度，加劇車輛輪軌動(dòng)力作用，使車輛異常振動(dòng)，可能造成軌道彈條的折斷、扣件脫落，對(duì)車輛底部關(guān)鍵零部件等造成沖擊傷害等。采用振動(dòng)加速度有效值衡量車體的振動(dòng)響應(yīng)，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：

EV——垂直加速度有效值；

EH——水平加速度有效值；

yV——垂直加速度信號(hào)值；

yH——水平加速度信號(hào)值；

x——信號(hào)采樣間距，設(shè)為0.25 m；

l——曲線全長。

2)噪聲有效值：客室內(nèi)噪聲與曲線磨耗嚴(yán)重程度存在正相關(guān)性，嚴(yán)重的鋼軌磨耗會(huì)顯著增大客室內(nèi)噪聲，客室內(nèi)惡劣的聲學(xué)環(huán)境會(huì)降低服務(wù)質(zhì)量。本文采用聲壓級(jí)Lp描述客室內(nèi)噪聲的強(qiáng)弱，其單位是dB，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：

p——有聲音與無聲音時(shí)的大氣壓強(qiáng)差值，Pa；

p0——基準(zhǔn)聲壓，取值為2×10-5Pa。

噪聲有效值EP采用聲壓級(jí)的均值描述車輛在經(jīng)過曲線時(shí)客室內(nèi)的整體噪聲情況，其計(jì)算公式為：

(4)

2.2 綜合評(píng)定指標(biāo)的計(jì)算

為整體評(píng)價(jià)曲線的健康狀態(tài)，本文從列車通過曲線過程中的振動(dòng)和噪聲響應(yīng)角度出發(fā)，提出以HCHI綜合評(píng)價(jià)曲線健康的好壞，其計(jì)算公式為：

HCHI=αEV+βEH+γEP

(5)

式中：

α,β,γ——系數(shù)，取值需根據(jù)實(shí)際情況確定。

2.3 HCHI應(yīng)用場景

1)為有效評(píng)價(jià)曲線整體健康狀態(tài)，需綜合考慮實(shí)際養(yǎng)護(hù)維修能力和水平以及歷史檢測維修數(shù)據(jù)，選取符合線路實(shí)際情況的曲線健康評(píng)價(jià)基準(zhǔn)值Hbase。當(dāng)HCHI>Hbase時(shí)，表明曲線整體健康狀態(tài)較差，應(yīng)盡快安排維修活動(dòng)。

2)可根據(jù)HCHI的大小，由高到低對(duì)管轄范圍內(nèi)的曲線健康狀況的“好”和“壞”進(jìn)行排序。根據(jù)排序結(jié)果，同時(shí)考慮管理部門的養(yǎng)護(hù)維修能力，確定出需要維修的曲線設(shè)備集，為合理制定維修計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 實(shí)例背景

北京地鐵1號(hào)線始建于1965年，從1971年開始逐步開通試運(yùn)營。北京地鐵1號(hào)線西起蘋果園站，東至四惠東站，全長31.04 km。本文實(shí)例驗(yàn)證采用北京地鐵1號(hào)線上行線2020年12月14日的檢測數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證VNB-CHEM的有效性。檢測數(shù)據(jù)通過線路質(zhì)量智能檢測儀測得。該質(zhì)量智能檢測儀可實(shí)現(xiàn)在地下隧道環(huán)境下里程的自主定位與檢測數(shù)據(jù)的自動(dòng)校準(zhǔn)。

3.2 結(jié)果分析

為降低不同指標(biāo)量綱的影響，本文對(duì)計(jì)算出的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.2.1 不同指標(biāo)的相關(guān)性分析

圖2是北京地鐵1號(hào)線上行線全部曲線不同里程位置的EH、EV、EP和HCHI的分布情況。分析圖2可知：

圖2 北京地鐵1號(hào)線上行全部曲線不同里程位置的EH、EV、EP和HCHI的分布情況

1)EH與EV隨里程位置的變化趨勢一致，EH與EV的皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)ρH,V為0.70，其計(jì)算公式為：

(6)

式中：

cov(EH,EV)——EH與EV的協(xié)方差；

σEH,σEV——分別為EH和EV的標(biāo)準(zhǔn)差。

2)EH、EV與EP隨里程位置的變化趨勢相關(guān)性較低。其中，EH與EP的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.21，EV與EP的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.08。

3.2.2 基于TOP N的薄弱設(shè)備分析

表2為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的整體健康狀態(tài)較差的前10條曲線的狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)數(shù)據(jù)。其中，α=0.25，β=0.25，γ=0.50。由表2可見：qx0170曲線的HCHI值為最高值，其整體健康狀態(tài)相對(duì)較差，需重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)將其納入維修計(jì)劃；qx0164曲線的EP值為最高值，該曲線為小半徑曲線；qx0126曲線的EH值為最高值；qx0169曲線的EV值為最高值。由對(duì)比分析可知，雖然qx0164曲線、qx0126曲線和qx0169曲線的某一狀態(tài)指標(biāo)值相對(duì)是最高值，但qx0170曲線的整體健康狀態(tài)相對(duì)而言更差些，需及時(shí)維修。

表2 北京地鐵1號(hào)線中整體健康狀態(tài)較差的前10條曲線的指標(biāo)數(shù)據(jù)

3.2.3 基于狀態(tài)指標(biāo)相對(duì)大小的病害原因初判

qx0168曲線的EH值較大、EP值較小，EH-EP差值在全部曲線中最大；qx0169曲線的EV值較大、EP值較小，EV-EP差值在全部曲線中最大。這說明qx0168曲線和qx0169曲線的平順性、圓順性病害相對(duì)嚴(yán)重。

qx0155曲線的EP值較大、EH值較小、EV值較小，EP-EH差值在全部曲線中最大，EP-EV差值在全部曲線中最大。這說明qx0155曲線的磨耗病害相對(duì)嚴(yán)重。

綜上所述，本文實(shí)例驗(yàn)證以每條曲線為基本評(píng)定對(duì)象，計(jì)算其HCHI值，并依據(jù)HCHI值進(jìn)行倒序排列，可快速確定健康狀態(tài)較差的曲線。運(yùn)維部門可據(jù)此及時(shí)安排相應(yīng)的檢查活動(dòng)對(duì)病害原因進(jìn)行復(fù)核，并針對(duì)性地組織維修活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)維修資源的合理分配。同時(shí)，通過分析EV-EP值和EH-EP值的相對(duì)大小，可初步判斷曲線的主要病害類型，可幫助現(xiàn)場人員有針對(duì)性地上道復(fù)核曲線病害原因。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于車體振動(dòng)與噪聲響應(yīng)的城市軌道交通線路曲線健康狀態(tài)評(píng)定模型VNB-CHEM。研究建立了振動(dòng)響應(yīng)和客室內(nèi)噪聲的評(píng)定指標(biāo)EH、EV和EP，由此構(gòu)建了曲線健康指數(shù)HCHI。采用北京地鐵1號(hào)線的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型VNB-CHEM的有效性。模型VNB-CHEM已開始在北京地鐵測試使用，將根據(jù)用戶反饋不斷完善模型VNB-CHEM。如何基于車輛的振動(dòng)與噪聲響應(yīng)快速判斷線路上鋼軌異常波磨，將是下一步的研究方向。