軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價及應用

羅依夢，孟景輝，許慶陽，王曉東，楊樹忠，楊 吉

(中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081)

引言

我國鐵路正在快速發(fā)展，軌道電路作為列控系統(tǒng)的重要組成，在維護行車安全方面起著至關重要的作用[1]。目前我國采用微機監(jiān)測系統(tǒng)及動態(tài)檢測系統(tǒng)分別在靜態(tài)、動態(tài)條件下對軌道電路狀態(tài)進行測試評估[2]。在信號動態(tài)檢測中，主要是基于故障診斷的方式，通過判斷動態(tài)檢測各項指標是否超限對軌道電路動態(tài)運行質量進行定性描述，從而發(fā)現(xiàn)設備隱患，預防故障發(fā)生[3]。隨著信號動態(tài)檢測的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)場積累了大量的養(yǎng)護維修經(jīng)驗，僅依靠故障診斷的數(shù)據(jù)分析結果已不能滿足現(xiàn)場的需要。據(jù)統(tǒng)計，2020年全年軌道電路故障區(qū)段占執(zhí)行動態(tài)檢測區(qū)段數(shù)量不到萬分之一，故障樣本過少對軌道電路動態(tài)運行質量的趨勢性研究產(chǎn)生了阻礙。另一方面，故障/非故障的定性描述方式僅能從某一個側面對軌道電路運行狀態(tài)進行描述，無法全面、直觀地掌握軌道電路動態(tài)運行質量。因此，需要提出一套合理且適用于現(xiàn)場的軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價方法，通過量化指標對軌道電路的整體及各方面動態(tài)性能進行描述，提升動態(tài)檢測數(shù)據(jù)分析水平，為趨勢性、規(guī)律性研究提供支撐。

各專業(yè)基于動態(tài)檢測數(shù)據(jù)對設備進行狀態(tài)評價開展了大量研究，并取得了多項成果。工務方面，陳東生[4]利用Sigmoid 函數(shù)將各軌道平順性指標進行歸一化，基于層次分析法建立了高速鐵路軌道平順性綜合評價模型，提出軌道平順性指標(TCI)，實現(xiàn)了高速鐵路軌道不平順狀態(tài)評價。供電方面，自2016年起依托弓網(wǎng)動態(tài)檢測數(shù)據(jù)計算的接觸網(wǎng)運行質量指數(shù)(CQI)已在全路范圍內推廣使用[5]。在此基礎上，王婧等[6]依據(jù)CQI的應用分析對評價函數(shù)進行優(yōu)化，提出了接觸網(wǎng)動態(tài)性能指數(shù)(CDI)，使評價結果更客觀合理。通信方面，馬良德[7]建立了GSM-R服務質量評價體系，綜合檢測數(shù)據(jù)、接口監(jiān)測數(shù)據(jù)及網(wǎng)管數(shù)據(jù)提出GSM-R服務質量評價指數(shù)(GQI)，對列車通信網(wǎng)絡運行狀態(tài)進行評估描述。信號方面，王曉東[8]提取軌道電路傳輸特性參數(shù)進行變化規(guī)律分析，并在此基礎上，針對高速鐵路數(shù)據(jù)，建立了基于層次分析法的軌道電路動態(tài)檢測質量評價模型，實現(xiàn)了高速鐵路軌道電路動態(tài)運行質量的狀態(tài)評價[9]。

然而，既有軌道電路動態(tài)運行質量評價方法尚存在一些不足。一是特征指標選取不合理。例如：出入口電流指標評價中，該評價方法未考慮《普速鐵路信號維護規(guī)則》中相關要求；傳輸曲線變化量指標評價中，僅考慮了數(shù)據(jù)特征，未考慮軌道電路傳輸原理，特征指標無法與軌道電路實際傳輸性能的劣化相對應，缺乏合理性等。二是指標權重分配缺乏客觀性，未體現(xiàn)區(qū)分度。該評價方法采用專家打分法確定權重分配，受主觀影響較大，且在構建指標權重向量時，未充分考慮檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征，評價結果未體現(xiàn)足夠的區(qū)分度，無法體現(xiàn)設備狀態(tài)的變化，從而無法應用評價指標進行各類深入分析。針對上述問題，對評價模型的指標選取及權重分配進行了改進，提出高速、普速線路均適用的軌道電路動態(tài)運行質量評價方法。首先，基于動態(tài)檢測數(shù)據(jù)提取7項特征指標，對動態(tài)檢測中各類異常現(xiàn)象進行量化描述，根據(jù)各特征指標對應的權重形成綜合評價指標，以實現(xiàn)對軌道電路動態(tài)運行質量的直觀把控。針對指標權重分配不合理的問題，提出基于混合整數(shù)線性規(guī)劃(Mixed Integer Linear Programming，MILP)的權重優(yōu)化模型。結合典型線路動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，利用軌道電路動態(tài)運行質量指數(shù)(TEI)計算結果對軌道電路動態(tài)運行狀態(tài)影響因素展開分析。

1 軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價

1.1 軌道電路動態(tài)檢測

信號動態(tài)檢測系統(tǒng)搭載于檢測列車，在列車動態(tài)運行條件下實現(xiàn)軌道電路、補償電容、牽引回流等信號設備的狀態(tài)檢測[10]。信號動態(tài)檢測系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。

在檢測列車行進過程中，軌道電路被列車第一輪對分路，STM線圈通過電磁感應接收軌道電路鋼軌中傳輸?shù)碾娏餍盘枺瑢崿F(xiàn)動態(tài)條件下軌道電路的非接觸測量[11]。軌道電路動態(tài)檢測數(shù)據(jù)主要包括：4種載頻信號及工頻信號感應電壓、載頻頻率、低頻頻率、碼序等。軌道電路動態(tài)檢測各信號感應電壓曲線示意如圖2所示。

圖2 軌道電路信號感應電壓示意

動態(tài)檢測數(shù)據(jù)反映了軌道電路在動態(tài)條件下的工作狀態(tài)。正常情況下，載頻信號感應電壓曲線由發(fā)送端至接收端隨補償電容安裝位置呈現(xiàn)拱形下降趨勢，其余信號感應電壓應保持較低水平[12]。當軌道電路動態(tài)性能下降時，可通過觀察動態(tài)檢測各項參數(shù)呈現(xiàn)的異常現(xiàn)象進行判斷。常見的動態(tài)檢測異常現(xiàn)象包括以下4個方面。

(1)干擾：機車信號接收到本區(qū)段以外的不正常頻率信號，且該信號最高幅值大于臨界電壓、持續(xù)時間較長。干擾按照干擾信號的來源分為工頻干擾、鄰區(qū)段干擾、鄰線干擾[13]。

(2)感應電壓不連續(xù)：機車信號在本區(qū)段內瞬間或連續(xù)接收到本區(qū)段載頻信號幅值低于臨界電壓，嚴重時低頻碼序接收存在中斷[14]。

(3)傳輸電流超限：在入口或出口處載頻信號換算得到的鋼軌傳輸電流低于最小短路電流或站內電碼化區(qū)段傳輸電流高于最大限制電流[15-16]。

(4)補償電容失效：補償電容脈沖信號下降且補償電容位置對應的軌道電路感應信號曲線出現(xiàn)幅值降低[17]。

1.2 軌道電路綜合評價方法

1.2.1TEI計算方法

本文結合軌道電路動態(tài)檢測數(shù)據(jù)特征，以工頻干擾度、鄰區(qū)段干擾度、鄰線干擾度、入口電流、出口電流、感應電壓連續(xù)性及補償電容狀態(tài)7個特征指標，建立軌道電路動態(tài)運行質量評價指標體系，綜合計算得到軌道電路動態(tài)運行質量指數(shù)(TEI)，從而對軌道電路動態(tài)條件下的工作狀態(tài)進行描述。軌道電路動態(tài)運行質量評價指標體系各項特征指標及其含義見表1。

表1 特征指標及其含義

軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價方法以單個軌道電路區(qū)段作為最小評價單元，以綜合指標TEI反映軌道電路動態(tài)性能。TEI計算步驟如下。

步驟1 基于區(qū)段動態(tài)檢測數(shù)據(jù)提取特征指標j∈[1，7]，對于無法用實測值進行描述的指標，通過對實測值進行歸一化轉化為代表強度的特征指標。

步驟2 對特征指標Tj進行評價計算得到TEI分量teij，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡閾值函數(shù)Sigmoid函數(shù)將teij值域映射至[0，100]，Sigmoid函數(shù)形如式(1)[18]。式中，aj，bj為常量，用于規(guī)定評價函數(shù)曲線的形狀。

(1)

步驟3 采用基于MILP的權重分配模型確定TEI各分量teij對應的權重系數(shù)ρj。

TEI及其各分量不同評價結果代表的軌道電路動態(tài)運行質量等級如表2所示。

表2 軌道電路動態(tài)運行質量分值

1.2.2 權重分配

不同特征指標對軌道電路動態(tài)運行質量的影響程度難以量化描述，既有軌道電路動態(tài)運行質量評價方法采用專家打分法對各特征指標進行賦權[9]，但該方法受主觀影響較大，權重分配缺乏合理性，導致TEI無法合理量化軌道電路動態(tài)運行質量。因此，需要對現(xiàn)有的權重分配方式進行優(yōu)化，保證TEI與區(qū)段實際質量等級一致，使TEI可以更準確地描述軌道電路動態(tài)運行質量。

針對上述問題，本文基于混合整數(shù)線性規(guī)劃建立了軌道電路評價權重分配優(yōu)化模型。混合整數(shù)線性規(guī)劃模型是線性規(guī)劃模型的擴展，廣泛應用于現(xiàn)代決策問題，其本質是在相互關聯(lián)的多變量約束條件下，解決目標函數(shù)最優(yōu)化問題[19]。模型應用步驟如下：首先，選取典型區(qū)段作為訓練集，通過回放檢測數(shù)據(jù)、查閱檢測報告確認訓練集各區(qū)段軌道電路動態(tài)運行質量等級；然后將各區(qū)段TEI分量與質量等級作為模型輸入，利用分枝定界法[20]尋找模型全局最優(yōu)解，獲得最符合實際應用的指標權重向量。模型中所涉及參數(shù)及變量如表3所示。

表3 權重分配模型所用參數(shù)及變量

綜合指標TEI由其各分量評分加權計算，則對于區(qū)段i有

(2)

ρj表示各TEI分量的權重，應滿足

ρj≠0，?j∈J，

(3)

(4)

(5)

(6)

式(5)、式(6)表明，當且僅當TEIi與其所屬分值區(qū)間一致時，有ξi=0；其他任意情況下，ξi=1。

模型的目的是尋找最優(yōu)的權重向量，使得綜合指標可以更好地描述軌道電路動態(tài)運行質量，因此TEI分值應盡可能落在對應質量等級的分值區(qū)間內。據(jù)此，目標函數(shù)寫為

(7)

利用IBM CPLEX求解器對所提出的權重分配模型進行求解，模型輸入?yún)^(qū)段共計24個(包含正常區(qū)段以及存在各類異常現(xiàn)象的區(qū)段)，求解過程耗時3.06 s。根據(jù)模型求解結果，TEI計算公式如下

(8)

2 軌道電路動態(tài)性能分析

2.1 區(qū)段評價分析

應用本文所提出的軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價方法，對照動態(tài)檢測報告中上報的軌道電路問題，選取存在軌道電路異常現(xiàn)象的典型區(qū)段進行分析，各區(qū)段波形如圖3所示。

圖3 典型區(qū)段原始波形

本文改進后的軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價方法與文獻[9]所得TEI對比如表4所示。與TEI(采用文獻[9]方法)相比，TEI(本文方法)4個區(qū)段分數(shù)更具區(qū)分度，且分數(shù)更能反映區(qū)段實際軌道電路傳輸性能的優(yōu)劣。

表4 TEI優(yōu)化結果對比

4個區(qū)段所對應的軌道電路動態(tài)運行質量評價結果(本文方法)如表5所示。

表5 軌道電路動態(tài)運行質量評價結果(本文方法)

區(qū)段A檢測發(fā)現(xiàn)鄰線干擾信號幅值超過200 mV，區(qū)段內不存在其他軌道電路異常現(xiàn)象，鄰線干擾項評分為39.7，其余各項評分均接近滿分，綜合TEI評分87.85；區(qū)段B存在較大工頻干擾，且伴隨鄰線干擾信號，工頻干擾、鄰線干擾兩項評分較低，綜合TEI評分為71.06；區(qū)段C不存在干擾信號，但入口處機車接收到的感應信號幅值低于200 mV，入口電流、感應信號連續(xù)性評分僅為42.2、4.73，綜合TEI為59.73；區(qū)段D干擾信號、感應信號均正常，但當次檢測存在一個補償電容失效，補償電容狀態(tài)評價為80分，區(qū)段內存在一個補償電容失效是可容忍的，綜合TEI為98.57分。

2.2 影響因素分析

對某線路某月信號檢測軌道電路動態(tài)運行質量評價結果進行統(tǒng)計，研究不同線路條件、兩端絕緣節(jié)不同類型時TEI及其各分量的分布規(guī)律，分析影響軌道電路動態(tài)運行質量的外界因素。

2.2.1 線路條件

密度函數(shù)能夠描述變量在各個取值處的占比情況，不同線路條件下TEI的概率密度函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 TEI概率密度曲線(按線路條件統(tǒng)計)

圖5所示為不同線路條件下軌道電路區(qū)段TEI各分量分布情況。結合圖4、圖5可以看出，隧道位置區(qū)段TEI分數(shù)稍低于橋梁。結合實際情況分析，由于長大隧道內部環(huán)境復雜，維護困難，易受干擾信號串擾，位于隧道內的區(qū)段鄰線、鄰區(qū)段干擾分數(shù)較低。

圖5 TEI分量分布(按線路條件統(tǒng)計)

2.2.2 軌下道床

不同道床類型下TEI的概率密度函數(shù)曲線如圖6所示。

圖6 TEI概率密度曲線(按軌下道床統(tǒng)計)

圖7所示為不同道床類型的軌道電路區(qū)段TEI各分量分布情況。結合圖6、圖7可以看出，無砟軌道區(qū)段TEI分數(shù)整體高于有砟軌道區(qū)段。結合線路條件分析，有砟軌道道砟易發(fā)生漏泄，絕緣下降導致相鄰區(qū)段載頻信號幅值有所上升，因此相較無砟區(qū)段TEI稍低。

圖7 TEI分量分布(按軌下道床統(tǒng)計)

2.2.3 區(qū)段兩端絕緣節(jié)

區(qū)段兩端不同絕緣節(jié)類型的軌道電路區(qū)段TEI概率密度曲線如圖8所示。

圖8 TEI概率密度曲線(按絕緣節(jié)類型統(tǒng)計)

圖9所示為兩端不同絕緣節(jié)類型的軌道電路區(qū)段TEI各分量分布情況。結合圖8、圖9可以看出，兩端均為機械絕緣節(jié)的區(qū)段感應信號連續(xù)性相比其他情況稍差，導致該類型區(qū)段綜合TEI稍低；發(fā)送端為電氣絕緣節(jié)的區(qū)段干擾信號相關TEI分值較低，無論其接收端絕緣節(jié)為何種類型。

圖9 TEI分量分布(按絕緣節(jié)類型統(tǒng)計)

3 結論

本文在既有評價方法的基礎上進行改進，提出適用于現(xiàn)場的、易于實現(xiàn)的軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價方法，同時結合某線路動態(tài)檢測數(shù)據(jù)，對評價方法的結果展開分析。

通過區(qū)段評價結果可知，相比現(xiàn)有軌道電路動態(tài)運行質量綜合評價方法，改進的評價方法更具合理性，且具備足夠的區(qū)分度。改進的TEI可以準確地描述軌道電路實際運行狀態(tài)，從而改變目前針對軌道電路以檢測問題為導向的定性描述現(xiàn)狀，轉為以綜合評價指標對各類軌道電路動態(tài)檢測問題進行定量分析，滿足現(xiàn)場實際需求。

通過影響因素分析結果，得出以下結論。

(1)按照線路條件區(qū)分，隧道內部區(qū)段更易產(chǎn)生鄰線鄰區(qū)段干擾，teiLX、teiLQD偏低影響TEI，導致該類型區(qū)段軌道電路動態(tài)運行質量低于橋梁區(qū)段。

(2)按照軌下道床類型區(qū)分，石砟鋪墊的區(qū)段更易產(chǎn)生鄰區(qū)段干擾信號串入，teiLQD偏低影響TEI，導致該類型區(qū)段軌道電路動態(tài)運行質量低于無砟區(qū)段。

(3)按照區(qū)段兩端絕緣節(jié)類型區(qū)分，發(fā)送端為機械絕緣節(jié)、接收端為電氣絕緣節(jié)的區(qū)段軌道電路動態(tài)運行質量最好，送受兩端均為機械絕緣節(jié)的區(qū)段感應信號幅值較低、連續(xù)性稍差；發(fā)送端為電氣絕緣節(jié)的區(qū)段則更易受到非本區(qū)段載頻信號串擾。