張 偉

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

1 軌道不平順質(zhì)量指數(shù)概述

1.1 軌道不平順

如果線路中有些鋼軌的形狀發(fā)生了變化以及所在的位置與鋼軌理想位置存在幾何尺寸的偏差,那么我們稱這些現(xiàn)象為軌道不平順。

列車運行過程中,軌道不平順會對列車產(chǎn)生三個不同方向的沖擊力作用,因此依據(jù)沖擊力的不同傳遞方向可以將軌道不平順分為垂直、橫向和復合不平順三種大類。但是目前的測量技術不能準確的計算出軌道在每個方向的幾何絕對位置的值,所以一般采用左高低不平順、右高低不平順、左軌向不平順、右軌向不平順、水平不平順、軌距不平順和三角坑不平順這七項參數(shù)來描述軌道的幾何不平順值[1]。

1.2 軌道不平順質(zhì)量指數(shù)

為了更好的評估和分析軌道線路的整體平順性、提升軌道設備表現(xiàn),合理的編制軌道線路的維修計劃,科學的指導現(xiàn)場維保的作業(yè),鐵路總公司在2009年發(fā)布了《既有線軌道不平順質(zhì)量指數(shù)標準及管理暫行辦法》,使用軌道不平順質(zhì)量指數(shù)(簡稱TQI)評價軌道線路的運營表現(xiàn),它是一種采用數(shù)學統(tǒng)計方法描述區(qū)段軌道整體質(zhì)量狀態(tài)的綜合指標和評價方法,運用TQI評價和管理軌道狀態(tài),是對單一幅值扣分評判軌道質(zhì)量方法的補充[2]。

TQI的物理意義是軌道線路左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平和三角坑的連續(xù)性測量數(shù)據(jù)的計算結果,該計算數(shù)值的大小與軌道狀態(tài)平順性緊密相關,表示200 m區(qū)段軌道平順狀態(tài)離散的程度,即TQI數(shù)值越大表示軌道的平順程度越差,波動性也越大,各單項線路不平順的統(tǒng)計值同樣也反映出軌道狀態(tài)的平順程度[3]。

我國軌道不平順質(zhì)量指數(shù)的計算方法如下

(1)

(2)

(3)

式中:σi為各項幾何偏差的標準差;i=1,2,…,7分別為左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑等;xij為指在200樣m單元區(qū)段中各項幾何偏差的幅值:j=1,2,…,n;i=1,2,…,7。n為采樣點的個數(shù)(200 m單元區(qū)段中n=800)。

2 TQI指標體系在實際應用中存在的問題

軌道幾何不平順的數(shù)據(jù)是由綜合檢測車采集得到的,由于檢測軟件和硬件的不完善,實測數(shù)據(jù)通常會有一些誤差。傳感器采集到的一些檢測值和實際的公里標對應不上,這樣的公里標和檢測數(shù)據(jù)的差異叫里程漂移。檢測里程不夠準確會導致檢測數(shù)據(jù)和歷史存在偏差,這樣計算出來的TQI就不存在可比性。

另外,目前采取的從整公里開始每隔200 m計算一次TQI方法不能全面反映線路的軌道質(zhì)量,例如:2021年8月份軌檢儀推檢地鐵十四號線上行K18+800～K19+000的TQI值為7.89,上行K19+000～K19+200的TQI值為7.47,均沒有超過管理值,但是K18+875～K19+075的檢測數(shù)據(jù)經(jīng)計算得TQI為8.39,超過管理值(京港地鐵TQI管理值為8),所以僅僅靠軌檢儀TQI報表中的數(shù)據(jù)不能夠做到全面反映軌道質(zhì)量的狀態(tài)。

3 采用高頻拓展TQI評價軌道整體質(zhì)量

3.1 檢測數(shù)據(jù)預處理—里程校正

為了減小軌道檢測車的檢測數(shù)據(jù)里程漂移的誤差,主要方法有人工校正、GPS里程校驗、地面應答器校驗等[4]。軌道檢測車目前采用的GPS定位系統(tǒng)是每隔20 km的整公里處進行校驗,校對的間隔很大,對于校驗間隔內(nèi)的里程漂移問題沒有很好的解決。

根據(jù)軌檢測的歷史檢測數(shù)據(jù)分析,在沒有進行綜合維修的情況下,軌道狀態(tài)是逐漸惡化的,而表現(xiàn)在各項軌道不平順參數(shù)上是緩慢的增加。也就是對于某個采樣點某時刻的高低不平順值為x(i),如果在滿足這兩次采樣的時間間隔不是太遠的情況下,對于采樣點下一次采樣的高低不平順值為x1(i);可以認為x(i)-x1(i)≈0,這就為里程校驗提供了理論支撐。

選取北京地鐵十四號線2021年5月份上行K18+200～K19+200這1 km的動檢數(shù)據(jù)中的左高低不平順數(shù)據(jù)為里程校驗的標準數(shù)據(jù),選取北京地鐵十四號線2021年8月份軌檢儀推檢數(shù)據(jù)為里程待校驗數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗認為里程漂移的誤差在50 m之內(nèi),所以對2021年8月份的檢測數(shù)據(jù)這1 km前后分別加上了50 m的檢測數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)偏差量,通過計算兩次檢測數(shù)據(jù)的絕對差值之和,計算結果最小的一組就是應該調(diào)整后的數(shù)據(jù)序列。

設標準數(shù)據(jù)序列為

X(i)={x(1),x(2),…,x(n)},n=4 000

(4)

待校驗的數(shù)據(jù)序列為

Y(i)={y(1),y(2),…,y(n)},n=4 000

(5)

序列Y(i)中的前200個數(shù)據(jù)為北京地鐵十四號線2021年8月份上行行線K18+150～K18+200這50 m的軌距檢測數(shù)據(jù),后200個數(shù)據(jù)為京津線2021年8月份下行線K19+200～K19=250這50 m的軌距檢測數(shù)據(jù)。定義里程偏差量j∈[0,400],j為整數(shù)。通過調(diào)整j的值,來分別計算兩組數(shù)據(jù)序列的絕對差值之和Δ(j)

(6)

在Δ(j)中,最小值對應的j就是待校驗數(shù)據(jù)的里程偏移量,如果j<200,則說明待校驗數(shù)據(jù)整體里程標延后;如果j>200,則說明待校驗數(shù)據(jù)整體里程標超前;如果j=200,則說明待校驗數(shù)據(jù)里程標沒有漂移。試驗結果如圖1所示。偏移量j=4,誤差距離為1 m,所以處理后的數(shù)據(jù)起點公里標應為K18+201。

圖2 高頻拓展TQI示意圖

3.2 構建高頻拓展TQI

高頻拓展TQI即取區(qū)段計算長度為200 m,計算該范圍內(nèi)的標準差,然后每隔0.125 m移動一次窗,連續(xù)計算全線范圍內(nèi)的TQI,繪制里程-TQI折線圖,這樣可以揭示出更多更具體的局部波動部位,從而找出超管理值或質(zhì)量不良地段進行針對性的維修。借助EXCEL宏功能構建高頻拓展TQI如下。

%高頻拓展TQI%

L_Surf=x(:,1);L_Surf=cell2mat(L_Surf);%讀取左高低數(shù)據(jù)%

R_Surf=x(:,2);R_Surf=cell2mat(R_Surf);%讀取右高低數(shù)據(jù)%

L_Align=x(:,3);L_Align=cell2mat(L_Align);%讀取左軌向數(shù)據(jù)%

R_Align=x(:,4);R_Align=cell2mat(R_Align);%讀取右軌向數(shù)據(jù)%

Gauge=x(:,5);Gauge=cell2mat(Gauge);%讀取軌距數(shù)據(jù)%

Level=x(:,6);Level=cell2mat(Level);%讀取水平數(shù)據(jù)%;

Twist=x(:,7);Twist=cell2mat(Twist);%讀取三角坑數(shù)據(jù)%;

km=x(1:length(L_Surf)-801,1);km=cell2mat(km);meter=x(1:length(L_Surf)-801,2);meter=cell2mat(meter);

licheng=km+0.001*meter;licheng=licheng';%讀取里程數(shù)據(jù)%

%計算各項指標的標準差%

for i=1:length(L_Surf)-801

stL_Surf(i)=std(L_Surf(i:i+800),1);

end

for i=1:length(R_Surf)-801

stR_Surf(i)=std(R_Surf(i:i+800),1);

end

for i=1:length(L_Align)-801

stL_Align(i)=std(L_Align(i:i+800),1);

end

for i=1:length(R_Align)-801

stR_Align(i)=std(R_Align(i:i+800),1);

end

for i=1:length(Gauge)-801

stGauge(i)=std(Gauge(i:i+800),1);

end

for i=1:length(Level)-801

stLevel(i)=std(Level(i:i+800),1);

end

for i=1:length(Twist)-801

stTwist(i)=std(Twist(i:i+800),1);

end

Std=stL_Surf+stR_Surf+stL_Align+stR_Align+stGauge+stLevel+stTwist;

plot(licheng,Std)

datacursormode on

以2021年8月份北京地鐵14號線上行K17+200～K26+200檢測數(shù)據(jù)為例,下圖為該區(qū)段檢測數(shù)據(jù)的高頻拓展TQI和軌檢儀的報表中TQI數(shù)據(jù)進行對比,經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn),K18+875～K19+000、K24+850～K25+150范圍內(nèi)線路的TQI超過管理

值8,而軌檢儀的報表中的TQI數(shù)據(jù)只顯示出K25+000超過管理值8。

圖3為局部放大的TQI對比圖,可以看出K24+850～K25+125處的軌道不平順程度波動較大,這些波動是依靠高頻拓展TQI的高數(shù)據(jù)密度來展現(xiàn)的,它是軌檢儀TQI報表中數(shù)據(jù)密度的800倍,這樣就不會造成某些超管理值地段或軌道狀態(tài)不良地段的遺漏。

圖3 高頻拓展TQI局部示意圖

4 高頻拓展TQI輔助維修決策

將TQI計算拓展頻率設置為0.125 m,確保線路不平順計算數(shù)據(jù)顆粒度足夠小,真實體現(xiàn)軌道線路的實際狀態(tài)。

根據(jù)歷史TQI檢測數(shù)據(jù),建立預測軌道線路狀態(tài)的非線性劣化趨勢模型,分析不同道床形式下軌道線路狀態(tài)劣化周期,合理確定維修介入時間點、維修標準。

根據(jù)高頻拓展TQI數(shù)據(jù)精準確定軌道維修最小維修單元,合理安排維修區(qū)域。

結合高頻拓展TQI數(shù)據(jù)波形圖,采用“削峰填谷”的原則,編制數(shù)字化精確維修方案,實現(xiàn)軌道線路維修由“經(jīng)驗型”向“數(shù)字型”轉變。

5 總結與展望

利用高頻拓展TQI可以更全面、準確地反映軌道質(zhì)量狀態(tài),查找設備的薄弱地段,為維修輔助決策提供了有力的數(shù)據(jù)基礎,提高維修的針對性。另外TQI的計算長度可以不僅僅局限于200 m,根據(jù)具體情況可以計算100～500 m內(nèi)的TQI。

如果需要判斷幾何尺寸不平順和波長的內(nèi)在關系,就需要利用軌道不平順譜,它是從波長或頻率的角度反映軌道不平順的一種方法,未來要結合軌道不平順譜和現(xiàn)場實際情況給出針對性的維修方案。例如北京地鐵十四號線西段高低不平順的現(xiàn)狀與歷史對比,變化最明顯的是波長6.5 m和16 m的不平順,其原因是橋梁梁體的上拱徐變,導致軌面高低的周期性變化。如果要降低線路的平均高低TQI,應該從2.8、6.5、16、32 m這些波長對應的病害入手分析。

同時,使用軌道質(zhì)量指數(shù)TQI指導軌道線路的維保工作和峰值管理,加上前期地鐵軌道設備養(yǎng)護維修相關經(jīng)驗,可以總結一套“運用高頻拓展TQI指導軌道設備養(yǎng)護維修的決策方案”,指導軌道設備養(yǎng)護維修,以及制訂長期的運維計劃。