張文軒，王婧，楊志鵬，汪海瑛

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

近年來，我國在高速鐵路領(lǐng)域取得了一系列舉世矚目的成就。為實現(xiàn)2016年《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“八縱八橫”的目標(biāo)，我國高鐵仍將處在快速發(fā)展期。日益龐大的高鐵網(wǎng)絡(luò)為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了重要的支持和保障，同時也給運營管理單位帶來了巨大的安全壓力。鐵路部門各層面都在積極探索科學(xué)有效的養(yǎng)護(hù)維修管理方式，在經(jīng)濟(jì)、高效的基礎(chǔ)上，保障高鐵系統(tǒng)的安全性與可靠性。

牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵路的重要組成部分，中國鐵路總公司從2012年開始構(gòu)建高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）。經(jīng)過6年多的不斷發(fā)展，6C系統(tǒng)已在各鐵路局集團(tuán)公司廣泛使用，信息化建設(shè)也逐步完善，設(shè)備履歷、檢測數(shù)據(jù)、故障維修等信息均可通過網(wǎng)絡(luò)共享[1]?，F(xiàn)代化檢測監(jiān)測手段極大地提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了養(yǎng)護(hù)維修成本[2]。與此同時，如何利用已有數(shù)據(jù)，更好地發(fā)揮海量檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的作用，成了新的研究熱點。目前，接觸網(wǎng)檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)主要通過對各檢測參數(shù)的閾值判斷，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的局部缺陷，但檢測數(shù)據(jù)利用率較低，加之高速鐵路施工質(zhì)量逐步提高，眾多高速鐵路接觸網(wǎng)只能檢測出少量或幾乎無局部缺陷。因此，利用積累的海量數(shù)據(jù)對接觸網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行整體評價是當(dāng)前的研究趨勢之一。

部分研究成果如下：在調(diào)研和統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，利用可信度理論分別實現(xiàn)對牽引供電系統(tǒng)和接觸網(wǎng)可靠性的模糊評估[3]；在綜合分析現(xiàn)場實際情況的基礎(chǔ)上，采用可靠性分析中的狀態(tài)空間法、網(wǎng)絡(luò)法等建立了接觸網(wǎng)可靠性模型[4]；基于故障樹分析法建立了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性模型[5]。此類研究評價結(jié)果反映的是接觸網(wǎng)的可靠性，難以直接用于指導(dǎo)接觸網(wǎng)設(shè)備的管理和維修。以指導(dǎo)維修為目的的研究則更注重現(xiàn)場應(yīng)用，例如利用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，根據(jù)接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)及各參數(shù)的評價閾值，建立接觸網(wǎng)健康狀態(tài)的綜合評估模型[6]。該評估方法綜合了安全性評價指標(biāo)、平順性評價指標(biāo)、受流性評價指標(biāo)3類指標(biāo)，并以《接觸網(wǎng)運行檢修規(guī)程》為量化評價的主要依據(jù)，但該方法與接觸網(wǎng)局部評價的大部分功能重合，且影響因素眾多、應(yīng)用場景不明確，仍為局部評價，不能進(jìn)行區(qū)段性的整體評價，不便于推廣使用。

在此，從現(xiàn)場實際應(yīng)用需求出發(fā)，根據(jù)接觸網(wǎng)完成施工后的聯(lián)調(diào)聯(lián)試、正式運營后的動態(tài)檢測、日常養(yǎng)護(hù)維修、三級修等不同應(yīng)用場景，以及不同的數(shù)據(jù)特性，研究提出便于現(xiàn)場使用、具有較強針對性、用于指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修的接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量評價方法，并結(jié)合接觸網(wǎng)局部評價，構(gòu)建新的接觸網(wǎng)質(zhì)量評價體系，可進(jìn)一步完善從狀態(tài)評估到維修決策的管理流程。

1 接觸網(wǎng)局部評價

采用接觸網(wǎng)檢測參數(shù)的閾值評價接觸網(wǎng)局部狀態(tài)的方法相對成熟，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對判斷接觸網(wǎng)的幾何位置、弓網(wǎng)關(guān)系、受流質(zhì)量等應(yīng)檢測的參數(shù)，以及各參數(shù)應(yīng)滿足的范圍都作出了明確要求。

目前，我國廣泛使用的檢測數(shù)據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)主要有：TB/T 3271—2011《軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》、TG/GD 124—2015《高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》。其他大多數(shù)國家采用IEC 62486—2010《軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》（TB/T 3271—2011修改采用IEC 62486—2010）、IRS 70019《軌道交通固定設(shè)備接觸網(wǎng)互通性評價》等。局部評價常用檢測項目及用途見表1。

通過表1中的檢測項目可診斷出接觸網(wǎng)的局部缺陷，對有缺陷的處所進(jìn)行調(diào)整，便可獲得更好的接觸網(wǎng)質(zhì)量狀態(tài)。采用局部評價發(fā)現(xiàn)一跨內(nèi)接觸線高差缺陷見圖1，采用局部評價發(fā)現(xiàn)最小弓網(wǎng)接觸力和燃弧缺陷見圖2（圖中灰色曲線為維修整治前波形，彩色曲線為維修整治后波形）。

表1 接觸網(wǎng)局部評價常用檢測項目及用途

圖1 采用局部評價發(fā)現(xiàn)一跨內(nèi)接觸線高差缺陷

圖2 采用局部評價發(fā)現(xiàn)最小弓網(wǎng)接觸力和燃弧缺陷

這種局部評價方式關(guān)注接觸網(wǎng)“點”的缺陷，注重發(fā)現(xiàn)并消除接觸網(wǎng)的安全隱患。但隨著高鐵的快速發(fā)展，依靠局部評價方式發(fā)現(xiàn)的缺陷越來越少。因此，僅依靠局部評價已無法滿足指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修的需求。同時，隨著高鐵網(wǎng)絡(luò)的日益擴(kuò)大，為了實現(xiàn)根據(jù)接觸網(wǎng)實際狀態(tài)實施預(yù)防性狀態(tài)維修的目標(biāo)，為合理制定維修策略、分配維修資源提供依據(jù)，接觸網(wǎng)運營管理部門對接觸網(wǎng)質(zhì)量分區(qū)段評價的需求日益迫切。

2 接觸網(wǎng)區(qū)段評價

接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量評價關(guān)注接觸網(wǎng)“線”的區(qū)段整體狀態(tài)，通過對影響接觸網(wǎng)質(zhì)量的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，獲得設(shè)備整體區(qū)段質(zhì)量狀態(tài)的量化描述，進(jìn)而指導(dǎo)接觸網(wǎng)設(shè)備的維修管理。其目的不是消除缺陷，而是提高接觸網(wǎng)性能、優(yōu)化弓網(wǎng)關(guān)系、延長接觸網(wǎng)運行壽命，并指導(dǎo)維修決策。

根據(jù)不同的應(yīng)用場景，接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量評價方法規(guī)定了2個參數(shù)，分別為接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量指數(shù)（Catenary Static Quality Index，CQI）和弓網(wǎng)運行質(zhì)量指數(shù)（Catenary Pantograph Operational Index，CPOI）。

接觸網(wǎng)CQI主要應(yīng)用于新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試、日常養(yǎng)護(hù)維修、接觸網(wǎng)三級修等需要對接觸網(wǎng)進(jìn)行精修調(diào)整的場景，用來表征接觸網(wǎng)靜態(tài)位置與目標(biāo)位置的偏離距離，是一個距離當(dāng)量（單位：mm）。CQI由拉出值靜態(tài)測量值與目標(biāo)值的偏差、一跨內(nèi)接觸線高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、定位點高度距其前后2定位點高度連線的垂直距離3個分量加權(quán)求和獲得。

部分線路CQI在不同區(qū)間的占比見圖3，選取3條不同速度等級的典型線路進(jìn)行說明，接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量的優(yōu)劣可通過CQI在不同區(qū)間的占比以及平均CQI進(jìn)行區(qū)分。而在實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同速度等級的要求，優(yōu)先消除CQI較大的錨段，控制CQI大值的占比。例如圖3中300 km/h線路1的接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量最優(yōu)，CQI幾乎全部分布在0～20 mm；而200 km/h線路1的接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量明顯比300 km/h線路1和250 km/h線路1差，其中還存在8.7%的錨段CQI>40 mm，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整。

圖3 部分線路CQI在不同區(qū)間的占比

接觸網(wǎng)CPOI主要在動態(tài)檢測中評價接觸網(wǎng)的動態(tài)運行性能，用來表征接觸網(wǎng)動態(tài)運行質(zhì)量與理想狀態(tài)的差異。CPOI由4個分別以拉出值、接觸線高度、弓網(wǎng)接觸力、燃弧率為變量的logsig函數(shù)加權(quán)求和獲得，CPOI無量綱，數(shù)值范圍為0～10。

部分線路CPOI在不同區(qū)間的占比見圖4，選取4條不同速度等級的典型線路進(jìn)行說明。與CQI類似，弓網(wǎng)運行質(zhì)量的優(yōu)劣可通過CPOI在不同區(qū)間的占比及平均CPOI進(jìn)行區(qū)分，同時可根據(jù)實際情況優(yōu)先消除CPOI較大的錨段。300 km/h線路2中，0≤CPOI<1的錨段占比最大，為94.5%，說明該線路弓網(wǎng)動態(tài)運行質(zhì)量整體優(yōu)于其他線路，同時該線路2≤CPOI<3的錨段占比為1%，而250 km/h線路2中無CPOI>2的錨段，該現(xiàn)象也說明，CPOI所反映的弓網(wǎng)動態(tài)運行質(zhì)量不僅與接觸線幾何位置相關(guān)，同時也與受速度影響較大的接觸網(wǎng)動態(tài)特性相關(guān)。而對于接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量較差、運行速度較高的250 km/h線路3，則出現(xiàn)了CPOI>5的錨段，表明該線路弓網(wǎng)動態(tài)運行質(zhì)量有待提高。

圖4 部分線路CPOI在不同區(qū)間的占比

接觸網(wǎng)的局部評價和區(qū)段評價各有側(cè)重，又有所關(guān)聯(lián)，兩者相結(jié)合，可對接觸網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行更為全面、多角度的反映，應(yīng)在接觸網(wǎng)質(zhì)量評價中綜合考慮。

3 接觸網(wǎng)質(zhì)量評價應(yīng)用

接觸網(wǎng)區(qū)段評價不僅能宏觀地反映接觸網(wǎng)的整體質(zhì)量，更好地滿足管理需求，還可作為現(xiàn)場維修的指導(dǎo)依據(jù)，以提高養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量。

3.1 優(yōu)化接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量

優(yōu)化接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量對提升弓網(wǎng)受流質(zhì)量有著重要作用。以250 km/h線路4為例，該線路接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量整體較好，CQI均為0～20 mm，可選擇CQI值較大的錨段優(yōu)先進(jìn)行優(yōu)化（見圖5）。其中CQI最大的錨段波形見圖6，可以看出，該錨段的拉出值偏差明顯偏大，定位點相對高度可進(jìn)一步縮小。

圖5 250 km/h線路4部分區(qū)段CQI

圖6 250 km/h線路4接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量較差錨段波形

3.2 提高弓網(wǎng)運行質(zhì)量

以200 km/h線路3為例，其弓網(wǎng)運行質(zhì)量較差，維修前，該線路80%以上錨段CPOI大于1。經(jīng)過集中整治，線路CPOI明顯下降（見圖7），部分錨段調(diào)整效果良好（見圖8）。該錨段CPOI降幅接近1，但仍存在部分錨段調(diào)整效果不理想，需繼續(xù)調(diào)整。

圖7 200 km/h線路3維修前后CPOI

圖8 200 km/h線路3維修前后波形

4 結(jié)束語

接觸網(wǎng)局部評價能發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)“點”的缺陷，進(jìn)而消除安全隱患；接觸網(wǎng)區(qū)段評價能夠量化描述接觸網(wǎng)的整體質(zhì)量，為現(xiàn)場維修提供決策依據(jù)，同時也可滿足管理方面的需求。將接觸網(wǎng)局部及區(qū)段評價相結(jié)合，構(gòu)成完整的接觸網(wǎng)評價體系。該體系不僅可為完善“檢測監(jiān)測—狀態(tài)評估—維修決策”的管理體系提供強有力的理論支撐，還可降低養(yǎng)護(hù)維修成本，對基礎(chǔ)設(shè)施管理單位經(jīng)濟(jì)、高效地安全運營意義重大。