轨道几何质量综合量化评价方法

陶 凯，王 巍，赵志荣，刘国跃

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；2.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011；3.朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350；4.北京铁科英迈技术有限公司，北京 100044）

轨道是铁路行车的基础，轨道平顺性状态对列车行车安全性、乘客旅行舒适性等起着关键作用，尤其是高速铁路，对轨道平顺性要求极为严格。科学评价轨道综合状态对保障铁路运输安全畅通、合理控制养护维修成本具有重要意义。

随着我国铁路特别是高速铁路运营里程的快速增加，轨道检测的任务越来越越重，轨道检测设备也越来越多样化。这使得积累的检测数据越来越多，加之大数据技术的迅猛发展，必然要采用多来源、多特性的检测数据综合评价轨道几何质量状态。

按照故障预测与健康管理（PHM，Prognostic and Health Management）技术的设计思路，本文对检测数据的来源进行梳理，归纳了检测数据预处理与特征提取的要点，分析轨道质量评价的指标体系，给出了各项指标的权重。采用该指标体系的轨道几何质量综合量化评价结果可为制订线路养护维修计划和跟踪作业质量提供依据。

1 检测数据及预处理

1.1 检测数据来源和内容

轨道检测设备有多种形式。周期性动态检测装备有综合检测车、轨道检查车和综合巡检车；运营列车或机车搭载的有车载式和便携式线路检查仪；现场人工操作的小型检查仪器有轨道检查仪和轨道测量仪等。此外，轨道状态检查还有人工添乘检查和人工现场观测。

铁路维修部门制订周期性检测计划，综合运用上述设备，形成轨道检测体系，全面动态掌握线路的轨道几何质量。对于高速铁路和主要干线，每月综合检测车或轨道检查车至少全覆盖检测2 次；每周线路检查仪（车载式和便携式）和人工添乘每种方式至少全覆盖检测2次。

检测数据分为轨道几何局部偏差、区段质量病害、轨道结构缺陷，以及车辆动态响应等。各类轨道检测数据构成轨道质量评价的数据源。

1.2 检测数据预处理

轨道检测数据受检测设备状态、检测速度、机车型号、检测人员、自然环境等因素的影响会出现无效数据，须加以甄别。

常见的无效数据包括里程误差较大数据、受雨雪干扰或电磁干扰引起的区段或局部幅值异常数据、瞬间风速或高速会车引起的列车横向振动等。

为了客观评价轨道几何质量，必须剔除上述无效数据。采用的方法如采用“轨道检测波形数据综合分析系统”软件对轨道检查车或综合检测车产生的轨道几何检测波形与偏差进行里程校正，对无效数据予以标识；采用重复性分析方法筛选线路检查仪检测数据中由轨道质量引起的检测偏差；采用专业算法分析综合检测车轴箱加速度检测数据得出轨道冲击指数等［1-4］。

检测数据经过预处理后可以满足轨道质量评价的要求。检测数据分类及质量见表1。

表1 检测数据分类及质量

2 轨道质量评价方法

轨道质量综合量化评价方法的主要步骤包括：设备单元划分（网格化）、单元质量评价和单元质量分级。

2.1 设备单元划分

单元管理是当前铁路维修部门应用于轨道管理的重要方法。按照轨道质量评价结果用途，设备单元划分方法主要有4种：

1）按照设备资产信息划分。如依据桥梁的每跨或每个同半径曲线的起止里程划分单元，能够横向比较同类型设备服役状态，也可以长期跟踪具体设备服役状态的动态变化。

2）按照维修方式划分。综合考虑天窗内轨道几何精调作业区段长度和区段轨道几何质量评价长度，将线路正线划分为首尾相接的一系列单元。以人工精调作业为主要维修方式时每个单元的长度宜为100 m；以大机捣固作业为主要维修方式时每个单元长度宜为200 m或更长甚至1 000 m［5］。

3）按照关注对象划分。如对于长期关注的某路桥过渡段，或需要跟踪分析的轨道精调具体区段，按照所关注区段的实际起止里程将其划分为1个单元。

4）按照线路正线班组管界划分，常用于考核评价负责同线路维修班组的线路养护成绩。

维修或者管理部门需要根据不同的使用目的，采用适当的单元划分方法。

2.2 单元质量评价

综合考虑纳入维修部门管理的检测数据、检测周期、数据质量（完整性和有效性）等因素，结合现场维修作业单元管理思路，提出了适用于铁路正线的轨道质量综合量化评价模型。建议初期评价权重系数按图1 的基准设置，后续根据现场应用反馈情况予以调整［6-7］。

图1 轨道质量综合量化评价指标的权重分配

从检测项目来看，轨道几何检测数据主要通过综合检测车、轨道检查车、轨道检查仪以及人工现场检查测量获取；轨道结构检测数据主要通过综合巡检车的轨道巡检检测和人工现场观测的方式获取；动态响应检测数据主要通过综合检测列车的加速度检测、线路检查仪、人工添乘检查的人体感觉获取。依据层次分析法的研究［8］轨道几何（局部偏差和区段质量）占50%，轨道结构占20%，动态响应占30%。

从数据质量来看，综合检测车、综合巡检车、线路检查仪的检测数据能够覆盖全部正线，检测周期稳定、数据质量可靠，是轨道质量评价的重要数据来源，检测指标权重占80%，其他检测指标占20%，见表2。

表2 铁路正线轨道质量综合量化评价权重

维修部门可以根据线路特征和维修历史经验，设置各项评价指标的分级扣分值。如轨道几何局部偏差采用既有轨道检测扣分规则，即Ⅰ级偏差扣1分，Ⅱ级偏差扣5分，Ⅲ级偏差扣100分，Ⅳ级偏差扣301分；轨道几何区段质量、轨道结构和动态响应扣分参照轨道几何局部偏差扣分。轨道几何区段质量采用TQI（Track Quality Index）为评价指标分级扣分，其管理标准建议值见表3。实践中也可将正线每公里划分为5段200 m 的连续单元。当单元TQI 高于Ⅲ级管理值时，该单元即为Ⅲ级单元。

2.3 单元质量分级

按照单元质量综合量化评价结果，将正线单元按质量划分为3个等级：Ⅰ级为质量优良单元，Ⅱ级为质量合格单元，Ⅲ级为质量失格单元。中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所的许贵阳和刘金朝提出利用聚类方法对同类型单元质量进行分级，将单元按照质量扣分的相近程度分为3 级。实践中可在该方法的基础上，结合车间维修作业能力，综合考虑单元质量的分级方法。

表3 轨道质量指数管理标准建议值

3 典型应用

单元质量综合量化评价方法是实现线路“状态修”的重要决策依据，可以准确筛选出需要优先纳入维修计划的轨道几何质量不良单元，可在轨道精调作业的保质期内动态跟踪作业区段轨道几何质量变化情况。这有助于避免“过度修”、实现“精准修”，有效控制养护维修成本。

3.1 合理安排维修

在编制线路维修保养计划时，将Ⅱ级单元列入维修计划并适时维修，将Ⅲ级单元优先列入维修计划并及时维修。

采用本文介绍的综合量化评价方法对朔黄线2018 年轨道状态进行评价，共划分2 900 个单元。评价结果表明，2018 年Ⅲ级失格单元有609 处。设备维护部门针对每个失格单元，综合单元设备特征、各项检测数据和历史维修记录，详细分析了单元质量不良成因和质量恶化趋势，并结合现场维修作业经验，合理制订了维修计划和维修方案。部分单元评价及维修情况见表4，可见，基于轨道质量综合量化评价结果，可以做到提前安排维修，有效预防轨道质量恶化，使轨道状态逐步得到提升并最终实现检修有重点，成本有控制。

3.2 跟踪作业质量

维修作业前后的单元质量综合量化评价结果，可以真实反映维修作业质量改善效果和保持能力，如图2所示。

表4 朔黄线部分单元轨道质量评分及维修情况

图2 某线路单元质量变化趋势

从图2 中可看出，该单元在4 月份进行了一次维修，维修后的单元质量提高至优良等级。随着时间的推移，单元质量逐渐降低，9 月份单元质量再次失格。从该单元质量长期维修与恶化的变化趋势可分析得出，维修作业保质期为3 个月，上次维修的4～5 个月后单元质量恶化失格，需要再次维修。由此可见，长期跟踪分析单元质量综合量化评价结果，不仅可以真实反映维修作业质量改善效果和保持能力，还可分析得出维修干预的最佳时间节点。

4 结语

本文提出的轨道几何质量综合量化评价方法全面考虑了检测数据的各种来源和数据的完整性、有效性，同时针对不同用途可采取不同的线路单元划分方式。该方法便于维修部门依据线、桥、隧设备特征和维修方式调整各分项评价指标的权重系数，使得单元质量综合评价结果更符合现场实际情况。实际应用表明，该方法能准确筛选出需优先维修的线路轨道质量不良单元，从而有利于制订经济合理的维修计划，做到“状态修”和“精准修”，使得维修成本可控。