利用高頻拓展TQI輔助維修決策

張 偉

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

1 軌道不平順質量指數概述

1.1 軌道不平順

如果線路中有些鋼軌的形狀發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,那么我們稱這些現象為軌道不平順。

列車運行過程中,軌道不平順會對列車產生三個不同方向的沖擊力作用,因此依據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來描述軌道的幾何不平順值[1]。

1.2 軌道不平順質量指數

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,合理的編制軌道線路的維修計劃,科學的指導現場維保的作業,鐵路總公司在2009年發布了《既有線軌道不平順質量指數標準及管理暫行辦法》,使用軌道不平順質量指數(簡稱TQI)評價軌道線路的運營表現,它是一種采用數學統計方法描述區段軌道整體質量狀態的綜合指標和評價方法,運用TQI評價和管理軌道狀態,是對單一幅值扣分評判軌道質量方法的補充[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性測量數據的計算結果,該計算數值的大小與軌道狀態平順性緊密相關,表示200 m區段軌道平順狀態離散的程度,即TQI數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計值同樣也反映出軌道狀態的平順程度[3]。

我國軌道不平順質量指數的計算方法如下

(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(200 m單元區段中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據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,實測數據通常會有一些誤差。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據的差異叫里程漂移。檢測里程不夠準確會導致檢測數據和歷史存在偏差,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的檢測數據經計算得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報表中的數據不能夠做到全面反映軌道質量的狀態。

3 采用高頻拓展TQI評價軌道整體質量

3.1 檢測數據預處理—里程校正

為了減小軌道檢測車的檢測數據里程漂移的誤差,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,對于校驗間隔內的里程漂移問題沒有很好的解決。

根據軌檢測的歷史檢測數據分析,在沒有進行綜合維修的情況下,軌道狀態是逐漸惡化的,而表現在各項軌道不平順參數上是緩慢的增加。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的動檢數據中的左高低不平順數據為里程校驗的標準數據,選取北京地鐵十四號線2021年8月份軌檢儀推檢數據為里程待校驗數據,根據現場經驗認為里程漂移的誤差在50 m之內,所以對2021年8月份的檢測數據這1 km前后分別加上了50 m的檢測數據。調節偏差量,通過計算兩次檢測數據的絕對差值之和,計算結果最小的一組就是應該調整后的數據序列。

設標準數據序列為

X(i)={x(1),x(2),…,x(n)},n=4 000

(4)

待校驗的數據序列為

Y(i)={y(1),y(2),…,y(n)},n=4 000

(5)

序列Y(i)中的前200個數據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的軌距檢測數據,后200個數據為京津線2021年8月份下行線K19+200～K19=250這50 m的軌距檢測數據。定義里程偏差量j∈[0,400],j為整數。通過調整j的值,來分別計算兩組數據序列的絕對差值之和Δ(j)

(6)

在Δ(j)中,最小值對應的j就是待校驗數據的里程偏移量,如果j<200,則說明待校驗數據整體里程標延后;如果j>200,則說明待校驗數據整體里程標超前;如果j=200,則說明待校驗數據里程標沒有漂移。試驗結果如圖1所示。偏移量j=4,誤差距離為1 m,所以處理后的數據起點公里標應為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即取區段計算長度為200 m,計算該范圍內的標準差,然后每隔0.125 m移動一次窗,連續計算全線范圍內的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);%讀取左高低數據%

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

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

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

Gauge=x(:,5);Gauge=cell2mat(Gauge);%讀取軌距數據%

Level=x(:,6);Level=cell2mat(Level);%讀取水平數據%;

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

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';%讀取里程數據%

%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檢測數據為例,下圖為該區段檢測數據的高頻拓展TQI和軌檢儀的報表中TQI數據進行對比,經過計算發現,K18+875～K19+000、K24+850～K25+150范圍內線路的TQI超過管理

值8,而軌檢儀的報表中的TQI數據只顯示出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的高數據密度來展現的,它是軌檢儀TQI報表中數據密度的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據顆粒度足夠小,真實體現軌道線路的實際狀態。

根據歷史TQI檢測數據,建立預測軌道線路狀態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劣化周期,合理確定維修介入時間點、維修標準。

根據高頻拓展TQI數據精準確定軌道維修最小維修單元,合理安排維修區域。

結合高頻拓展TQI數據波形圖,采用“削峰填谷”的原則,編制數字化精確維修方案,實現軌道線路維修由“經驗型”向“數字型”轉變。

5 總結與展望

利用高頻拓展TQI可以更全面、準確地反映軌道質量狀態,查找設備的薄弱地段,為維修輔助決策提供了有力的數據基礎,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,根據具體情況可以計算100～500 m內的TQI。

如果需要判斷幾何尺寸不平順和波長的內在關系,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,使用軌道質量指數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護維修相關經驗,可以總結一套“運用高頻拓展TQI指導軌道設備養護維修的決策方案”,指導軌道設備養護維修,以及制訂長期的運維計劃。