軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)方法及應(yīng)用

趙正陽 王冰 李洋， 王文斌 麻全周

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081；2.天津智能軌道交通研究院有限公司，天津 301700

軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力是評(píng)價(jià)高速鐵路、城市軌道交通等線路的軌道施工質(zhì)量及服役狀態(tài)的重要指標(biāo)。目前，針對(duì)軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)和輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析與評(píng)價(jià)方法的研究已取得諸多成果。文獻(xiàn)［1-4］對(duì)軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用開展了研究。文獻(xiàn)［5-7］圍繞輪軌力開展了數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用研究。文獻(xiàn)［8］建立車輛-軌道動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)軌道不平順輸入和車輛動(dòng)力響應(yīng)輸出進(jìn)行了相干分析。文獻(xiàn)［9］通過車輛-軌道垂向振動(dòng)系統(tǒng)模型，研究確定了不同速度下影響車體振動(dòng)的軌道不平順最不利波長。

上述研究大多聚焦于軌道某特殊區(qū)段或特殊位置，缺乏對(duì)軌道全線路的軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析研究。輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)無法有效校準(zhǔn)，導(dǎo)致軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)無法對(duì)齊里程，二者的關(guān)聯(lián)性分析也無法全面開展。為解決全線路里程對(duì)齊問題，更好地實(shí)現(xiàn)軌道狀態(tài)綜合評(píng)定，準(zhǔn)確地進(jìn)行軌道質(zhì)量識(shí)別，本文開展軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)方法的研究，并進(jìn)行兩類檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析。

1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)方法

軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方式分為統(tǒng)一采集與分散采集兩種模式。針對(duì)不同的采集模式采用不同的方法進(jìn)行里程校準(zhǔn)和統(tǒng)一。

1.1 統(tǒng)一采集模式

統(tǒng)一采集模式，即軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力兩種檢測(cè)設(shè)備的里程信息由同一套編碼器獲得，可直接實(shí)現(xiàn)兩類檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程統(tǒng)一。軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)已具備成熟的里程校準(zhǔn)算法［10-11］，因此可利用成熟的高精度動(dòng)態(tài)軌檢數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)方法［11］，實(shí)現(xiàn)兩類動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)。具體計(jì)算流程見圖1。

圖1 統(tǒng)一采集模式下里程校準(zhǔn)流程

在統(tǒng)一采集模式下兩類檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程是統(tǒng)一的，因此可先行校準(zhǔn)軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程，再將輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程與之同步，實(shí)現(xiàn)里程數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。

如圖2所示，開展軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)時(shí)，首先依據(jù)檢測(cè)任務(wù)確定檢測(cè)范圍；隨后剔除由車輛、傳感器導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)干擾，并正式開展校準(zhǔn)工作。主要誤差中的車輪半徑測(cè)量誤差與車輛滑動(dòng)摩擦誤差可視為均勻誤差，按比例進(jìn)行縮放校準(zhǔn)，長短鏈誤差則根據(jù)線路竣工數(shù)據(jù)給出的長短鏈對(duì)里程進(jìn)行二次計(jì)算校準(zhǔn)。

圖2 軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)流程

由于輪軌力與軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程采用相同的速度里程編碼器計(jì)算得出，故可采用如下方法對(duì)輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程進(jìn)行校準(zhǔn)。

設(shè)軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)前后分別為G{g1，g2，…，g n}和H{h1，h2，…，h n}，輪軌力檢測(cè)數(shù) 據(jù) 里 程 校 準(zhǔn) 前 后 分 別 為L{l1，l2，…，l m}和K{k1，k2，…，k m}。其中g(shù)i（i=1～n）、hi（i=1～n）、lj（j=1～m）、k j（j=1～m）為對(duì)應(yīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄的里程數(shù)據(jù)，m=n。對(duì)于第j個(gè)輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程l j有

計(jì)算可得全部輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)后為K0。

1.2 分散采集模式

分散采集模式，即軌道動(dòng)態(tài)幾何與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程由兩套不同的速度里程編碼器計(jì)算而得。在分散采集模式中，軌道幾何狀態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無法對(duì)輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行里程映射。為實(shí)現(xiàn)輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)，本文采用特殊區(qū)段、線路要素與檢測(cè)波形關(guān)聯(lián)分析的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

線路中輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)在道岔、圓曲線的直緩點(diǎn)與緩直點(diǎn)、焊縫等關(guān)鍵位置的波形變化較明顯，其中道岔處波形峰值最大，圓曲線次之，焊縫處波形峰值最小。因此，將輪軌力校準(zhǔn)方法分為三種，隨方法升級(jí)精度不斷提升。具體里程校準(zhǔn)流程見圖3。

圖3 分散采集模式下里程校準(zhǔn)流程

1）基于道岔的初步校準(zhǔn)

針對(duì)輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)，由于道岔處數(shù)據(jù)波動(dòng)幅值最明顯，可先利用道岔對(duì)里程數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校準(zhǔn)。利用臺(tái)賬道岔范圍，選取該范圍前后100 m的數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)可視化觀察可得到波形數(shù)據(jù)峰值里程B{b1，b2，…，b q}與道岔接頭里程D{d1，d2，…，d p}。設(shè)輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)后為K1{k1，k2，…，k m}，則有

計(jì)算可得初步校準(zhǔn)后輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程K1。

2）基于圓曲線的二次校準(zhǔn)

圓曲線的里程校準(zhǔn)步驟與道岔相似。從基礎(chǔ)臺(tái)賬中找出圓曲線的直緩點(diǎn)和緩直點(diǎn)，設(shè)直緩點(diǎn)與緩直點(diǎn)臺(tái)賬里程分別為Yzh與Yhz，圓曲線峰值特征點(diǎn)為Dzh與Dhz，以K1為輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)前里程，即取L=K1，輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后里程為K2{k1，k2，…，k m}，則有

計(jì)算可得初步校準(zhǔn)后輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程K2。

3）基于焊縫的精細(xì)校準(zhǔn)

通過道岔、圓曲線等特征進(jìn)行里程校準(zhǔn)后，得到初步校準(zhǔn)的輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程，進(jìn)一步利用焊縫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化校準(zhǔn)。首先采用頻譜分析、帶通濾波等操作實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)。頻譜分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在300～400 Hz頻段有較強(qiáng)分量，對(duì)該頻段進(jìn)行帶通濾波能夠使焊縫數(shù)據(jù)特征更為明顯。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行350～400 Hz的帶通濾波處理。同時(shí)獲取該頻率范圍內(nèi)的焊縫臺(tái)賬，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化觀察，可得到波 形 數(shù) 據(jù) 峰 值 里 程B{b1，b2，…，b q}與 焊 縫 里 程H{h1，h2，…，h q}，q為該100 m查詢的焊縫數(shù)量。則校準(zhǔn)偏差R表達(dá)式為

以K2為輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)前里程，即取L=K2，輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后里程為K3{k1，k2，…，k m}，則有

計(jì)算可得初步校準(zhǔn)后輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程K3。

2 校準(zhǔn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證

選用某地鐵線路動(dòng)態(tài)軌道幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)、輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)與圓曲線、道岔、焊縫、長短鏈等數(shù)據(jù)，對(duì)兩種里程校準(zhǔn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證統(tǒng)一采集模式里程校準(zhǔn)精度時(shí)，以線路圓曲線臺(tái)賬為基準(zhǔn)，對(duì)比校準(zhǔn)后軌道幾何超高與圓曲線臺(tái)賬的重合度。若校準(zhǔn)后的超高曲線拐點(diǎn)與圓曲線關(guān)鍵點(diǎn)重合，則證明里程校準(zhǔn)較為準(zhǔn)確。

對(duì)于分散采集模式，軌道幾何里程校準(zhǔn)精度驗(yàn)證方法與統(tǒng)一采集模式驗(yàn)證方法相同。輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)由于無法直接與臺(tái)賬對(duì)齊驗(yàn)證，需采用間接驗(yàn)證方法。基于統(tǒng)一采集模式下里程校準(zhǔn)方法的驗(yàn)證結(jié)果，通過對(duì)比同期輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)一采集模式校準(zhǔn)后的里程與分散采集模式下校準(zhǔn)里程的差異，驗(yàn)證分散采集時(shí)輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)方法的精度。

2.1 統(tǒng)一采集模式下里程校準(zhǔn)方法驗(yàn)證

統(tǒng)一采集模式下軌道動(dòng)態(tài)幾何與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程可以由同一套設(shè)備得到，結(jié)果相同，因此可通過驗(yàn)證軌道動(dòng)態(tài)幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)里程精度來驗(yàn)證統(tǒng)一采集模式下里程校準(zhǔn)方法的精度。從基礎(chǔ)臺(tái)賬信息上獲取圓曲線特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，再獲取軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果中的超高檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比校準(zhǔn)前后里程數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖4。

圖4 軌道幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

選取12期檢測(cè)結(jié)果，每期10個(gè)區(qū)段，共120個(gè)區(qū)段對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。將其誤差驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行可視化處理（精度0.01 m），結(jié)果見圖5。可知：主要誤差分布于0.25～0.35 m，且最大誤差不超過0.60 m。

圖5 統(tǒng)一采集模式下軌道幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)的誤差分布

2.2 分散采集模式下里程校準(zhǔn)方法驗(yàn)證

1）基于道岔的初步校準(zhǔn)

基于道岔臺(tái)賬信息確定道岔范圍，并將全線路的輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)波峰與道岔關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)齊，依次完成全線路輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)（簡稱方法一）。選取某線路K8+806處道岔及前后100 m范圍內(nèi)校準(zhǔn)前以及統(tǒng)一采集模式、分散采集模式校準(zhǔn)后輪軌左側(cè)垂向力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程信息，繪制成波形圖，見圖6。可以看出，以統(tǒng)一采集模式下里程校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，基于道岔的輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程校準(zhǔn)方法能有效提升里程定位精度。

圖6 分散采集模式下基于道岔的里程校準(zhǔn)

2）圓曲線校準(zhǔn)

在道岔里程校準(zhǔn)基礎(chǔ)上，從基礎(chǔ)臺(tái)賬中找出圓曲線的特征點(diǎn)，針對(duì)全線路輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)開展基于圓曲線的里程校準(zhǔn)（簡稱方法二）。選取K8+975.288處的圓曲線臺(tái)賬，曲線半徑1 300 m，超高150 mm。提取該里程前后50 m范圍內(nèi)校準(zhǔn)前以及統(tǒng)一采集模式、分散采集模式校準(zhǔn)后的輪軌左側(cè)垂向力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程信息，繪制成波形圖，見圖7。可以看出，方法二能進(jìn)一步提升里程定位精度。

圖7 分散采集模式下基于道岔及圓曲線的里程校準(zhǔn)

3）焊縫精細(xì)校準(zhǔn)

在道岔和圓曲線里程校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用焊縫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化校準(zhǔn)。針對(duì)全線路輪軌力開展頻譜分析及帶通濾波，結(jié)合焊縫臺(tái)賬信息進(jìn)行全線路輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程校準(zhǔn)（簡稱方法三）。

該線路K8+706—K8+806范圍內(nèi)共包含5個(gè)焊縫，里程分別為K8+706、K8+731、K8+756、K8+781、K8+806。選取該里程校準(zhǔn)前以及統(tǒng)一采集模式、分散采集模式校準(zhǔn)后里程輪軌左側(cè)垂向力檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程信息，在350～400 Hz進(jìn)行帶通濾波處理并繪制波形圖，見圖8。可以看出：采用方法三結(jié)合焊縫進(jìn)行校準(zhǔn)可獲得更高的校準(zhǔn)精度，校準(zhǔn)后誤差進(jìn)一步減小。

圖8 分散采集模式下基于道岔、圓曲線及焊縫的里程校準(zhǔn)

4）里程校準(zhǔn)方法效果驗(yàn)證

為對(duì)比三種校準(zhǔn)方法的優(yōu)劣，選取12期輪軌力數(shù)據(jù)，每期數(shù)據(jù)選擇3個(gè)道岔區(qū)、10個(gè)曲線區(qū)及10個(gè)焊縫區(qū)段數(shù)據(jù)，采用上述方法進(jìn)行里程校準(zhǔn)，并繪制誤差分布散點(diǎn)圖，見圖9。可知：采用方法一、二、三分別可將里程誤差降低至10 m內(nèi)、5 m內(nèi)、2 m內(nèi)。

圖9 不同里程校準(zhǔn)方法誤差分布

3 數(shù)據(jù)綜合分析應(yīng)用案例

將本文里程校準(zhǔn)方法應(yīng)用到軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)可視化展示軟件中，服務(wù)于運(yùn)維工作。

3.1 問題根本原因分析

軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出不同的特征與關(guān)聯(lián)狀態(tài)時(shí)，問題的根本原因和維修處置策略不同。通過可視化展示軟件直觀展示數(shù)據(jù)波形，可輔助分析車輛運(yùn)行狀態(tài)異常的根本原因。

案例一：軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)異常，輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)無異常。說明該處軌道存在長波不平順問題，需通過軌道精調(diào)進(jìn)行修復(fù)。

案例二：軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)無異常，輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)異常。例如，軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)未見異常，但輪軸橫向力、左脫軌系數(shù)、右減載率、右脫軌系數(shù)等檢測(cè)數(shù)據(jù)異常，說明可能為鋼軌焊縫高低接頭問題或鋼軌內(nèi)部核傷，需關(guān)聯(lián)鋼軌探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

案例三：軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)均異常。這時(shí)要查看、分析軌道狀態(tài)與車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合研判，可在一定程度上減少誤判，有利于軌道運(yùn)行狀態(tài)與車輛運(yùn)行狀態(tài)的全方位評(píng)價(jià)。

3.2 相關(guān)病害輔助分析

針對(duì)鋼軌焊縫、鋼軌探傷等多種靜態(tài)檢查手段的數(shù)據(jù)，可通過可視化展示軟件快速檢索病害和傷損位置，輔助用戶對(duì)病害、傷損進(jìn)行深入分析。

案例四：鋼軌焊縫位移超限。例如，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)某線路下行K9+300處左股焊縫位移超限。通過對(duì)數(shù)據(jù)可視化，發(fā)現(xiàn)該焊縫處軌道幾何平順度較好，但左軌垂向力峰值達(dá)90 kN，超出右軌10 kN，需密切關(guān)注該處焊縫變化情況，提早制定整修方案，防止因焊縫處位移過大產(chǎn)生過大拉力而導(dǎo)致斷軌。

案例五：鋼軌探傷綜合分析。例如，現(xiàn)場(chǎng)探傷作業(yè)定位到某線路上行K22+125處出現(xiàn)鋼軌灰斑，傷損達(dá)3～4 dB，屬于鋼軌傷損重傷級(jí)別。通過可視化展示軟件讀取近期軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)傷損處軌道幾何平順度較好，但輪軸橫向力及左股垂向力均較大，說明該處內(nèi)部傷損已嚴(yán)重影響受力狀態(tài)，需進(jìn)行換軌處理。

4 結(jié)語

本文針對(duì)兩種采集模式下的軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)提出了兩種里程校準(zhǔn)方法。在統(tǒng)一采集模式下，可先校準(zhǔn)軌道動(dòng)態(tài)幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)里程，再將輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行里程同步，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)里程的校準(zhǔn)。在分散采集模式下，軌道幾何里程校準(zhǔn)與統(tǒng)一采集模式下相同，輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)里程可采用道岔、圓曲線、焊縫數(shù)據(jù)三階段逐步校準(zhǔn)。選取某線路的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，證明了該算法的可行性與校準(zhǔn)精確度。將本文里程校準(zhǔn)方法應(yīng)用到軌道動(dòng)態(tài)幾何狀態(tài)與輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)可視化展示軟件中，能夠發(fā)現(xiàn)更深層次的病害問題，進(jìn)一步證明了本方法的有效性與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。