利用高频拓展TQI辅助维修决策

张 伟

(北京京港地铁有限公司,北京 100068)

1 轨道不平顺质量指数概述

1.1 轨道不平顺

如果线路中有些钢轨的形状发生了变化以及所在的位置与钢轨理想位置存在几何尺寸的偏差,那么我们称这些现象为轨道不平顺。

列车运行过程中,轨道不平顺会对列车产生三个不同方向的冲击力作用,因此依据冲击力的不同传递方向可以将轨道不平顺分为垂直、横向和复合不平顺三种大类。但是目前的测量技术不能准确的计算出轨道在每个方向的几何绝对位置的值,所以一般采用左高低不平顺、右高低不平顺、左轨向不平顺、右轨向不平顺、水平不平顺、轨距不平顺和三角坑不平顺这七项参数来描述轨道的几何不平顺值[1]。

1.2 轨道不平顺质量指数

为了更好的评估和分析轨道线路的整体平顺性、提升轨道设备表现,合理的编制轨道线路的维修计划,科学的指导现场维保的作业,铁路总公司在2009年发布了《既有线轨道不平顺质量指数标准及管理暂行办法》,使用轨道不平顺质量指数(简称TQI)评价轨道线路的运营表现,它是一种采用数学统计方法描述区段轨道整体质量状态的综合指标和评价方法,运用TQI评价和管理轨道状态,是对单一幅值扣分评判轨道质量方法的补充[2]。

TQI的物理意义是轨道线路左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平和三角坑的连续性测量数据的计算结果,该计算数值的大小与轨道状态平顺性紧密相关,表示200 m区段轨道平顺状态离散的程度,即TQI数值越大表示轨道的平顺程度越差,波动性也越大,各单项线路不平顺的统计值同样也反映出轨道状态的平顺程度[3]。

我国轨道不平顺质量指数的计算方法如下

(1)

(2)

(3)

式中:σi为各项几何偏差的标准差;i=1,2,…,7分别为左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑等;xij为指在200样m单元区段中各项几何偏差的幅值:j=1,2,…,n;i=1,2,…,7。n为采样点的个数(200 m单元区段中n=800)。

2 TQI指标体系在实际应用中存在的问题

轨道几何不平顺的数据是由综合检测车采集得到的,由于检测软件和硬件的不完善,实测数据通常会有一些误差。传感器采集到的一些检测值和实际的公里标对应不上,这样的公里标和检测数据的差异叫里程漂移。检测里程不够准确会导致检测数据和历史存在偏差,这样计算出来的TQI就不存在可比性。

另外,目前采取的从整公里开始每隔200 m计算一次TQI方法不能全面反映线路的轨道质量,例如:2021年8月份轨检仪推检地铁十四号线上行K18+800～K19+000的TQI值为7.89,上行K19+000～K19+200的TQI值为7.47,均没有超过管理值,但是K18+875～K19+075的检测数据经计算得TQI为8.39,超过管理值(京港地铁TQI管理值为8),所以仅仅靠轨检仪TQI报表中的数据不能够做到全面反映轨道质量的状态。

3 采用高频拓展TQI评价轨道整体质量

3.1 检测数据预处理—里程校正

为了减小轨道检测车的检测数据里程漂移的误差,主要方法有人工校正、GPS里程校验、地面应答器校验等[4]。轨道检测车目前采用的GPS定位系统是每隔20 km的整公里处进行校验,校对的间隔很大,对于校验间隔内的里程漂移问题没有很好的解决。

根据轨检测的历史检测数据分析,在没有进行综合维修的情况下,轨道状态是逐渐恶化的,而表现在各项轨道不平顺参数上是缓慢的增加。也就是对于某个采样点某时刻的高低不平顺值为x(i),如果在满足这两次采样的时间间隔不是太远的情况下,对于采样点下一次采样的高低不平顺值为x1(i);可以认为x(i)-x1(i)≈0,这就为里程校验提供了理论支撑。

选取北京地铁十四号线2021年5月份上行K18+200～K19+200这1 km的动检数据中的左高低不平顺数据为里程校验的标准数据,选取北京地铁十四号线2021年8月份轨检仪推检数据为里程待校验数据,根据现场经验认为里程漂移的误差在50 m之内,所以对2021年8月份的检测数据这1 km前后分别加上了50 m的检测数据。调节偏差量,通过计算两次检测数据的绝对差值之和,计算结果最小的一组就是应该调整后的数据序列。

设标准数据序列为

X(i)={x(1),x(2),…,x(n)},n=4 000

(4)

待校验的数据序列为

Y(i)={y(1),y(2),…,y(n)},n=4 000

(5)

序列Y(i)中的前200个数据为北京地铁十四号线2021年8月份上行行线K18+150～K18+200这50 m的轨距检测数据,后200个数据为京津线2021年8月份下行线K19+200～K19=250这50 m的轨距检测数据。定义里程偏差量j∈[0,400],j为整数。通过调整j的值,来分别计算两组数据序列的绝对差值之和Δ(j)

(6)

在Δ(j)中,最小值对应的j就是待校验数据的里程偏移量,如果j<200,则说明待校验数据整体里程标延后;如果j>200,则说明待校验数据整体里程标超前;如果j=200,则说明待校验数据里程标没有漂移。试验结果如图1所示。偏移量j=4,误差距离为1 m,所以处理后的数据起点公里标应为K18+201。

图2 高频拓展TQI示意图

3.2 构建高频拓展TQI

高频拓展TQI即取区段计算长度为200 m,计算该范围内的标准差,然后每隔0.125 m移动一次窗,连续计算全线范围内的TQI,绘制里程-TQI折线图,这样可以揭示出更多更具体的局部波动部位,从而找出超管理值或质量不良地段进行针对性的维修。借助EXCEL宏功能构建高频拓展TQI如下。

%高频拓展TQI%

L_Surf=x(:,1);L_Surf=cell2mat(L_Surf);%读取左高低数据%

R_Surf=x(:,2);R_Surf=cell2mat(R_Surf);%读取右高低数据%

L_Align=x(:,3);L_Align=cell2mat(L_Align);%读取左轨向数据%

R_Align=x(:,4);R_Align=cell2mat(R_Align);%读取右轨向数据%

Gauge=x(:,5);Gauge=cell2mat(Gauge);%读取轨距数据%

Level=x(:,6);Level=cell2mat(Level);%读取水平数据%;

Twist=x(:,7);Twist=cell2mat(Twist);%读取三角坑数据%;

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';%读取里程数据%

%计算各项指标的标准差%

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月份北京地铁14号线上行K17+200～K26+200检测数据为例,下图为该区段检测数据的高频拓展TQI和轨检仪的报表中TQI数据进行对比,经过计算发现,K18+875～K19+000、K24+850～K25+150范围内线路的TQI超过管理

值8,而轨检仪的报表中的TQI数据只显示出K25+000超过管理值8。

图3为局部放大的TQI对比图,可以看出K24+850～K25+125处的轨道不平顺程度波动较大,这些波动是依靠高频拓展TQI的高数据密度来展现的,它是轨检仪TQI报表中数据密度的800倍,这样就不会造成某些超管理值地段或轨道状态不良地段的遗漏。

图3 高频拓展TQI局部示意图

4 高频拓展TQI辅助维修决策

将TQI计算拓展频率设置为0.125 m,确保线路不平顺计算数据颗粒度足够小,真实体现轨道线路的实际状态。

根据历史TQI检测数据,建立预测轨道线路状态的非线性劣化趋势模型,分析不同道床形式下轨道线路状态劣化周期,合理确定维修介入时间点、维修标准。

根据高频拓展TQI数据精准确定轨道维修最小维修单元,合理安排维修区域。

结合高频拓展TQI数据波形图,采用“削峰填谷”的原则,编制数字化精确维修方案,实现轨道线路维修由“经验型”向“数字型”转变。

5 总结与展望

利用高频拓展TQI可以更全面、准确地反映轨道质量状态,查找设备的薄弱地段,为维修辅助决策提供了有力的数据基础,提高维修的针对性。另外TQI的计算长度可以不仅仅局限于200 m,根据具体情况可以计算100～500 m内的TQI。

如果需要判断几何尺寸不平顺和波长的内在关系,就需要利用轨道不平顺谱,它是从波长或频率的角度反映轨道不平顺的一种方法,未来要结合轨道不平顺谱和现场实际情况给出针对性的维修方案。例如北京地铁十四号线西段高低不平顺的现状与历史对比,变化最明显的是波长6.5 m和16 m的不平顺,其原因是桥梁梁体的上拱徐变,导致轨面高低的周期性变化。如果要降低线路的平均高低TQI,应该从2.8、6.5、16、32 m这些波长对应的病害入手分析。

同时,使用轨道质量指数TQI指导轨道线路的维保工作和峰值管理,加上前期地铁轨道设备养护维修相关经验,可以总结一套“运用高频拓展TQI指导轨道设备养护维修的决策方案”,指导轨道设备养护维修,以及制订长期的运维计划。