基于車體振動與噪聲響應的城市軌道交通線路曲線健康狀態評定模型*

時光明 白 磊 高培正 袁 健 丁 明

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

城市軌道交通線路的曲線健康狀態評定結果，是制定曲線維修策略的重要依據。不科學的健康評定方法將導致不合理的維修活動。如何科學地綜合評定城市軌道交通線路曲線健康狀態，對維修計劃的優化編制具有重要的意義。

根據GB/T 39559.4—2020《城市軌道交通設施運營監測與評價方法 第4部分：軌道和路基》，在實際運維過程中，線路曲線質量狀態評定是從靜態不平順(或靜態幾何尺寸超限)、動態不平順(或動態幾何尺寸超限)、曲線圓順性(或曲線正矢)和曲線磨耗等4個維度評價曲線質量的好壞。上述評定指標的相應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，這導致上述4個維度的曲線狀態評定指標數據較難在同一時間節點獲得。

目前，國內外專家學者對城市軌道交通線路曲線健康狀態的綜合評定研究較少，多側重研究曲線鋼軌的使用壽命評估[1-5]、曲線鋼軌廓形優化設計與曲線鋼軌病害治理[6-12]等相關問題。本文提出一種新的基于振動與噪聲響應的城市軌道交通線路曲線健康狀態評定模型(VNB-CHEM)。該評定模型綜合利用輪軌接觸作用下的車輛響應指標，實現曲線健康狀態的實時性準確評定。相應的檢測裝置(線路質量檢測儀)可通過人員攜帶放置或安裝在城市軌道交通電客車上，對全線路曲線健康狀態進行實時評定，有助于把握曲線質量的劣化過程，掌握其狀態劣化規律。根據曲線健康狀態好壞，及時安排維修活動，實現維修任務的制定更具針對性，實現維修資源的合理分配。

本文的2個創新點是：從曲線設備的基本作用出發，利用輪軌接觸作用下的車輛響應指標，評估曲線設備健康狀況；不同于傳統評定方法，VNB-CHEM可實現對線路曲線健康狀態的實時評定。

1 傳統的城市軌道交通線路曲線健康狀態評定方法

在我國城市軌道交通實際運維過程中，線路曲線狀態評定是以線路上單個曲線為分析對象，利用各類檢查方式獲得的數據，從靜態不平順、動態不平順、曲線圓順性和曲線磨耗等4個維度對曲線設備狀態進行的分析和評價，如圖1所示。曲線狀態評定的數據源包括軌檢車檢測數據、軌檢儀檢測數據、鋼軌波磨檢測儀檢測數據、人工線路檢查數據和曲線正矢檢查數據等。

圖1 城市軌道交通線路曲線狀態分析流程圖

曲線設備不同維度下的病害等級劃分不同。動態不平順的病害等級劃分為4級，包括Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級；靜態不平順等級劃分為3級，包括作業驗收、計劃維修和臨時補修；曲線圓順性(或曲線正矢)的病害等級劃分為2級，包括作業驗收和日常保持。曲線磨耗主要有側面磨耗、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，鋼軌傷損等級劃分為3級，包括輕傷、重傷和折斷。

GB/T 39559.4—2020規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。這導致上述4個維度的曲線狀態評定指標數據較難在同一時間節點獲得。

表1 城市軌道交通線路不同曲線狀態的檢測周期

2 VNB-CHEM構建

不同于傳統的城市軌道交通線路曲線健康狀態評定方法，本文提出以客車車體通過曲線過程中的振動響應和客室內噪聲為評定指標，來綜合評價曲線設備健康狀態，基于此構建VNB-CHEM，計算確定曲線健康指數HCHI。該模型有兩部分構成：振動響應和客室內噪聲評定指標的建立；綜合評定指標的計算。

2.1 指標體系的構建

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的主要原因，導致過大的沖擊加速度，加劇車輛輪軌動力作用，使車輛異常振動，可能造成軌道彈條的折斷、扣件脫落，對車輛底部關鍵零部件等造成沖擊傷害等。采用振動加速度有效值衡量車體的振動響應，其計算公式為：

(1)

(2)

式中：

EV——垂直加速度有效值；

EH——水平加速度有效值；

yV——垂直加速度信號值；

yH——水平加速度信號值；

x——信號采樣間距，設為0.25 m；

l——曲線全長。

2)噪聲有效值：客室內噪聲與曲線磨耗嚴重程度存在正相關性，嚴重的鋼軌磨耗會顯著增大客室內噪聲，客室內惡劣的聲學環境會降低服務質量。本文采用聲壓級Lp描述客室內噪聲的強弱，其單位是dB，其計算公式為：

(3)

式中：

p——有聲音與無聲音時的大氣壓強差值，Pa；

p0——基準聲壓，取值為2×10-5Pa。

噪聲有效值EP采用聲壓級的均值描述車輛在經過曲線時客室內的整體噪聲情況，其計算公式為：

(4)

2.2 綜合評定指標的計算

為整體評價曲線的健康狀態，本文從列車通過曲線過程中的振動和噪聲響應角度出發，提出以HCHI綜合評價曲線健康的好壞，其計算公式為：

HCHI=αEV+βEH+γEP

(5)

式中：

α,β,γ——系數，取值需根據實際情況確定。

2.3 HCHI應用場景

1)為有效評價曲線整體健康狀態，需綜合考慮實際養護維修能力和水平以及歷史檢測維修數據，選取符合線路實際情況的曲線健康評價基準值Hbase。當HCHI>Hbase時，表明曲線整體健康狀態較差，應盡快安排維修活動。

2)可根據HCHI的大小，由高到低對管轄范圍內的曲線健康狀況的“好”和“壞”進行排序。根據排序結果，同時考慮管理部門的養護維修能力，確定出需要維修的曲線設備集，為合理制定維修計劃奠定基礎。

3 實例驗證

3.1 實例背景

北京地鐵1號線始建于1965年，從1971年開始逐步開通試運營。北京地鐵1號線西起蘋果園站，東至四惠東站，全長31.04 km。本文實例驗證采用北京地鐵1號線上行線2020年12月14日的檢測數據，以驗證VNB-CHEM的有效性。檢測數據通過線路質量智能檢測儀測得。該質量智能檢測儀可實現在地下隧道環境下里程的自主定位與檢測數據的自動校準。

3.2 結果分析

為降低不同指標量綱的影響，本文對計算出的各項指標數據進行了標準化處理。

3.2.1 不同指標的相關性分析

圖2是北京地鐵1號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)相關系數ρH,V為0.70，其計算公式為：

(6)

式中：

cov(EH,EV)——EH與EV的協方差；

σEH,σEV——分別為EH和EV的標準差。

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

3.2.2 基于TOP N的薄弱設備分析

表2為標準化處理后的整體健康狀態較差的前10條曲線的狀態評定指標數據。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，其整體健康狀態相對較差，需重點關注，應將其納入維修計劃；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。由對比分析可知，雖然qx0164曲線、qx0126曲線和qx0169曲線的某一狀態指標值相對是最高值，但qx0170曲線的整體健康狀態相對而言更差些，需及時維修。

表2 北京地鐵1號線中整體健康狀態較差的前10條曲線的指標數據

3.2.3 基于狀態指標相對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、圓順性病害相對嚴重。

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嚴重。

綜上所述，本文實例驗證以每條曲線為基本評定對象，計算其HCHI值，并依據HCHI值進行倒序排列，可快速確定健康狀態較差的曲線。運維部門可據此及時安排相應的檢查活動對病害原因進行復核，并針對性地組織維修活動，實現維修資源的合理分配。同時，通過分析EV-EP值和EH-EP值的相對大小，可初步判斷曲線的主要病害類型，可幫助現場人員有針對性地上道復核曲線病害原因。

4 結語

本文提出了一種基于車體振動與噪聲響應的城市軌道交通線路曲線健康狀態評定模型VNB-CHEM。研究建立了振動響應和客室內噪聲的評定指標EH、EV和EP，由此構建了曲線健康指數HCHI。采用北京地鐵1號線的實際檢測數據驗證了模型VNB-CHEM的有效性。模型VNB-CHEM已開始在北京地鐵測試使用，將根據用戶反饋不斷完善模型VNB-CHEM。如何基于車輛的振動與噪聲響應快速判斷線路上鋼軌異常波磨，將是下一步的研究方向。