張 偉

(北京京港地鐵有限公司,北京 100068)

1 軌道不平順質(zhì)量指數(shù)概述

1.1 軌道不平順

如果線路中有些鋼軌的形狀發(fā)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(xiàn)象為軌道不平順。

列車運(yùn)行過程中,軌道不平順會對列車產(chǎn)生三個不同方向的沖擊力作用,因此依據(jù)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(fù)合不平順三種大類。但是目前的測量技術(shù)不能準(zhǔn)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(xiàng)參數(shù)來描述軌道的幾何不平順值[1]。

1.2 軌道不平順質(zhì)量指數(shù)

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(shè)備表現(xiàn),合理的編制軌道線路的維修計劃,科學(xué)的指導(dǎo)現(xiàn)場維保的作業(yè),鐵路總公司在2009年發(fā)布了《既有線軌道不平順質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)及管理暫行辦法》,使用軌道不平順質(zhì)量指數(shù)(簡稱TQI)評價軌道線路的運(yùn)營表現(xiàn),它是一種采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法描述區(qū)段軌道整體質(zhì)量狀態(tài)的綜合指標(biāo)和評價方法,運(yùn)用TQI評價和管理軌道狀態(tài),是對單一幅值扣分評判軌道質(zhì)量方法的補(bǔ)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(xù)性測量數(shù)據(jù)的計算結(jié)果,該計算數(shù)值的大小與軌道狀態(tài)平順性緊密相關(guān),表示200 m區(qū)段軌道平順狀態(tài)離散的程度,即TQI數(shù)值越大表示軌道的平順程度越差,波動性也越大,各單項(xiàng)線路不平順的統(tǒng)計值同樣也反映出軌道狀態(tài)的平順程度[3]。

我國軌道不平順質(zhì)量指數(shù)的計算方法如下

(1)

(2)

(3)

式中:σi為各項(xiàng)幾何偏差的標(biāo)準(zhǔn)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(qū)段中各項(xiàng)幾何偏差的幅值:j=1,2,…,n;i=1,2,…,7。n為采樣點(diǎn)的個數(shù)(200 m單元區(qū)段中n=800)。

2 TQI指標(biāo)體系在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題

軌道幾何不平順的數(shù)據(jù)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(shí)測數(shù)據(jù)通常會有一些誤差。傳感器采集到的一些檢測值和實(shí)際的公里標(biāo)對應(yīng)不上,這樣的公里標(biāo)和檢測數(shù)據(jù)的差異叫里程漂移。檢測里程不夠準(zhǔn)確會導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)據(jù)不能夠做到全面反映軌道質(zhì)量的狀態(tài)。

3 采用高頻拓展TQI評價軌道整體質(zhì)量

3.1 檢測數(shù)據(jù)預(yù)處理—里程校正

為了減小軌道檢測車的檢測數(shù)據(jù)里程漂移的誤差,主要方法有人工校正、GPS里程校驗(yàn)、地面應(yīng)答器校驗(yàn)等[4]。軌道檢測車目前采用的GPS定位系統(tǒng)是每隔20 km的整公里處進(jìn)行校驗(yàn),校對的間隔很大,對于校驗(yàn)間隔內(nèi)的里程漂移問題沒有很好的解決。

根據(jù)軌檢測的歷史檢測數(shù)據(jù)分析,在沒有進(jìn)行綜合維修的情況下,軌道狀態(tài)是逐漸惡化的,而表現(xiàn)在各項(xiàng)軌道不平順參數(shù)上是緩慢的增加。也就是對于某個采樣點(diǎn)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(yuǎn)的情況下,對于采樣點(diǎn)下一次采樣的高低不平順值為x1(i);可以認(rèn)為x(i)-x1(i)≈0,這就為里程校驗(yàn)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(shù)據(jù)中的左高低不平順數(shù)據(jù)為里程校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),選取北京地鐵十四號線2021年8月份軌檢儀推檢數(shù)據(jù)為里程待校驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為里程漂移的誤差在50 m之內(nèi),所以對2021年8月份的檢測數(shù)據(jù)這1 km前后分別加上了50 m的檢測數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)偏差量,通過計算兩次檢測數(shù)據(jù)的絕對差值之和,計算結(jié)果最小的一組就是應(yīng)該調(diào)整后的數(shù)據(jù)序列。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)序列為

X(i)={x(1),x(2),…,x(n)},n=4 000

(4)

待校驗(yàn)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),后200個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。定義里程偏差量j∈[0,400],j為整數(shù)。通過調(diào)整j的值,來分別計算兩組數(shù)據(jù)序列的絕對差值之和Δ(j)

(6)

在Δ(j)中,最小值對應(yīng)的j就是待校驗(yàn)數(shù)據(jù)的里程偏移量,如果j<200,則說明待校驗(yàn)數(shù)據(jù)整體里程標(biāo)延后;如果j>200,則說明待校驗(yàn)數(shù)據(jù)整體里程標(biāo)超前;如果j=200,則說明待校驗(yàn)數(shù)據(jù)里程標(biāo)沒有漂移。試驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)起點(diǎn)公里標(biāo)應(yīng)為K18+201。

圖2 高頻拓展TQI示意圖

3.2 構(gòu)建高頻拓展TQI

高頻拓展TQI即取區(qū)段計算長度為200 m,計算該范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差,然后每隔0.125 m移動一次窗,連續(xù)計算全線范圍內(nèi)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(zhì)量不良地段進(jìn)行針對性的維修。借助EXCEL宏功能構(gòu)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(shù)據(jù)%

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

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

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

Gauge=x(:,5);Gauge=cell2mat(Gauge);%讀取軌距數(shù)據(jù)%

Level=x(:,6);Level=cell2mat(Level);%讀取水平數(shù)據(jù)%;

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

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(shù)據(jù)%

%計算各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)為例,下圖為該區(qū)段檢測數(shù)據(jù)的高頻拓展TQI和軌檢儀的報表中TQI數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn),K18+875～K19+000、K24+850～K25+150范圍內(nèi)線路的TQI超過管理

值8,而軌檢儀的報表中的TQI數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)密度來展現(xiàn)的,它是軌檢儀TQI報表中數(shù)據(jù)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(tài)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(shè)置為0.125 m,確保線路不平順計算數(shù)據(jù)顆粒度足夠小,真實(shí)體現(xiàn)軌道線路的實(shí)際狀態(tài)。

根據(jù)歷史TQI檢測數(shù)據(jù),建立預(yù)測軌道線路狀態(tài)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(tài)劣化周期,合理確定維修介入時間點(diǎn)、維修標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)高頻拓展TQI數(shù)據(jù)精準(zhǔn)確定軌道維修最小維修單元,合理安排維修區(qū)域。

結(jié)合高頻拓展TQI數(shù)據(jù)波形圖,采用“削峰填谷”的原則,編制數(shù)字化精確維修方案,實(shí)現(xiàn)軌道線路維修由“經(jīng)驗(yàn)型”向“數(shù)字型”轉(zhuǎn)變。

5 總結(jié)與展望

利用高頻拓展TQI可以更全面、準(zhǔn)確地反映軌道質(zhì)量狀態(tài),查找設(shè)備的薄弱地段,為維修輔助決策提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),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(jù)具體情況可以計算100～500 m內(nèi)的TQI。

如果需要判斷幾何尺寸不平順和波長的內(nèi)在關(guān)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(jié)合軌道不平順譜和現(xiàn)場實(shí)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(xiàn)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(dǎo)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(yīng)該從2.8、6.5、16、32 m這些波長對應(yīng)的病害入手分析。

同時,使用軌道質(zhì)量指數(shù)TQI指導(dǎo)軌道線路的維保工作和峰值管理,加上前期地鐵軌道設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修相關(guān)經(jīng)驗(yàn),可以總結(jié)一套“運(yùn)用高頻拓展TQI指導(dǎo)軌道設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修的決策方案”,指導(dǎo)軌道設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修,以及制訂長期的運(yùn)維計劃。