軌道幾何質(zhì)量綜合量化評價方法

陶 凱，王 巍，趙志榮，劉國躍

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.國家能源投資集團有限責(zé)任公司，北京 100011；3.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350；4.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100044）

軌道是鐵路行車的基礎(chǔ)，軌道平順性狀態(tài)對列車行車安全性、乘客旅行舒適性等起著關(guān)鍵作用，尤其是高速鐵路，對軌道平順性要求極為嚴格。科學(xué)評價軌道綜合狀態(tài)對保障鐵路運輸安全暢通、合理控制養(yǎng)護維修成本具有重要意義。

隨著我國鐵路特別是高速鐵路運營里程的快速增加，軌道檢測的任務(wù)越來越越重，軌道檢測設(shè)備也越來越多樣化。這使得積累的檢測數(shù)據(jù)越來越多，加之大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，必然要采用多來源、多特性的檢測數(shù)據(jù)綜合評價軌道幾何質(zhì)量狀態(tài)。

按照故障預(yù)測與健康管理（PHM，Prognostic and Health Management）技術(shù)的設(shè)計思路，本文對檢測數(shù)據(jù)的來源進行梳理，歸納了檢測數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征提取的要點，分析軌道質(zhì)量評價的指標體系，給出了各項指標的權(quán)重。采用該指標體系的軌道幾何質(zhì)量綜合量化評價結(jié)果可為制訂線路養(yǎng)護維修計劃和跟蹤作業(yè)質(zhì)量提供依據(jù)。

1 檢測數(shù)據(jù)及預(yù)處理

1.1 檢測數(shù)據(jù)來源和內(nèi)容

軌道檢測設(shè)備有多種形式。周期性動態(tài)檢測裝備有綜合檢測車、軌道檢查車和綜合巡檢車；運營列車或機車搭載的有車載式和便攜式線路檢查儀；現(xiàn)場人工操作的小型檢查儀器有軌道檢查儀和軌道測量儀等。此外，軌道狀態(tài)檢查還有人工添乘檢查和人工現(xiàn)場觀測。

鐵路維修部門制訂周期性檢測計劃，綜合運用上述設(shè)備，形成軌道檢測體系，全面動態(tài)掌握線路的軌道幾何質(zhì)量。對于高速鐵路和主要干線，每月綜合檢測車或軌道檢查車至少全覆蓋檢測2 次；每周線路檢查儀（車載式和便攜式）和人工添乘每種方式至少全覆蓋檢測2次。

檢測數(shù)據(jù)分為軌道幾何局部偏差、區(qū)段質(zhì)量病害、軌道結(jié)構(gòu)缺陷，以及車輛動態(tài)響應(yīng)等。各類軌道檢測數(shù)據(jù)構(gòu)成軌道質(zhì)量評價的數(shù)據(jù)源。

1.2 檢測數(shù)據(jù)預(yù)處理

軌道檢測數(shù)據(jù)受檢測設(shè)備狀態(tài)、檢測速度、機車型號、檢測人員、自然環(huán)境等因素的影響會出現(xiàn)無效數(shù)據(jù)，須加以甄別。

常見的無效數(shù)據(jù)包括里程誤差較大數(shù)據(jù)、受雨雪干擾或電磁干擾引起的區(qū)段或局部幅值異常數(shù)據(jù)、瞬間風(fēng)速或高速會車引起的列車橫向振動等。

為了客觀評價軌道幾何質(zhì)量，必須剔除上述無效數(shù)據(jù)。采用的方法如采用“軌道檢測波形數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)”軟件對軌道檢查車或綜合檢測車產(chǎn)生的軌道幾何檢測波形與偏差進行里程校正，對無效數(shù)據(jù)予以標識；采用重復(fù)性分析方法篩選線路檢查儀檢測數(shù)據(jù)中由軌道質(zhì)量引起的檢測偏差；采用專業(yè)算法分析綜合檢測車軸箱加速度檢測數(shù)據(jù)得出軌道沖擊指數(shù)等［1-4］。

檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后可以滿足軌道質(zhì)量評價的要求。檢測數(shù)據(jù)分類及質(zhì)量見表1。

表1 檢測數(shù)據(jù)分類及質(zhì)量

2 軌道質(zhì)量評價方法

軌道質(zhì)量綜合量化評價方法的主要步驟包括：設(shè)備單元劃分（網(wǎng)格化）、單元質(zhì)量評價和單元質(zhì)量分級。

2.1 設(shè)備單元劃分

單元管理是當(dāng)前鐵路維修部門應(yīng)用于軌道管理的重要方法。按照軌道質(zhì)量評價結(jié)果用途，設(shè)備單元劃分方法主要有4種：

1）按照設(shè)備資產(chǎn)信息劃分。如依據(jù)橋梁的每跨或每個同半徑曲線的起止里程劃分單元，能夠橫向比較同類型設(shè)備服役狀態(tài)，也可以長期跟蹤具體設(shè)備服役狀態(tài)的動態(tài)變化。

2）按照維修方式劃分。綜合考慮天窗內(nèi)軌道幾何精調(diào)作業(yè)區(qū)段長度和區(qū)段軌道幾何質(zhì)量評價長度，將線路正線劃分為首尾相接的一系列單元。以人工精調(diào)作業(yè)為主要維修方式時每個單元的長度宜為100 m；以大機搗固作業(yè)為主要維修方式時每個單元長度宜為200 m或更長甚至1 000 m［5］。

3）按照關(guān)注對象劃分。如對于長期關(guān)注的某路橋過渡段，或需要跟蹤分析的軌道精調(diào)具體區(qū)段，按照所關(guān)注區(qū)段的實際起止里程將其劃分為1個單元。

4）按照線路正線班組管界劃分，常用于考核評價負責(zé)同線路維修班組的線路養(yǎng)護成績。

維修或者管理部門需要根據(jù)不同的使用目的，采用適當(dāng)?shù)膯卧獎澐址椒ā?/p>

2.2 單元質(zhì)量評價

綜合考慮納入維修部門管理的檢測數(shù)據(jù)、檢測周期、數(shù)據(jù)質(zhì)量（完整性和有效性）等因素，結(jié)合現(xiàn)場維修作業(yè)單元管理思路，提出了適用于鐵路正線的軌道質(zhì)量綜合量化評價模型。建議初期評價權(quán)重系數(shù)按圖1 的基準設(shè)置，后續(xù)根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用反饋情況予以調(diào)整［6-7］。

圖1 軌道質(zhì)量綜合量化評價指標的權(quán)重分配

從檢測項目來看，軌道幾何檢測數(shù)據(jù)主要通過綜合檢測車、軌道檢查車、軌道檢查儀以及人工現(xiàn)場檢查測量獲取；軌道結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)主要通過綜合巡檢車的軌道巡檢檢測和人工現(xiàn)場觀測的方式獲取；動態(tài)響應(yīng)檢測數(shù)據(jù)主要通過綜合檢測列車的加速度檢測、線路檢查儀、人工添乘檢查的人體感覺獲取。依據(jù)層次分析法的研究［8］軌道幾何（局部偏差和區(qū)段質(zhì)量）占50%，軌道結(jié)構(gòu)占20%，動態(tài)響應(yīng)占30%。

從數(shù)據(jù)質(zhì)量來看，綜合檢測車、綜合巡檢車、線路檢查儀的檢測數(shù)據(jù)能夠覆蓋全部正線，檢測周期穩(wěn)定、數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，是軌道質(zhì)量評價的重要數(shù)據(jù)來源，檢測指標權(quán)重占80%，其他檢測指標占20%，見表2。

表2 鐵路正線軌道質(zhì)量綜合量化評價權(quán)重

維修部門可以根據(jù)線路特征和維修歷史經(jīng)驗，設(shè)置各項評價指標的分級扣分值。如軌道幾何局部偏差采用既有軌道檢測扣分規(guī)則，即Ⅰ級偏差扣1分，Ⅱ級偏差扣5分，Ⅲ級偏差扣100分，Ⅳ級偏差扣301分；軌道幾何區(qū)段質(zhì)量、軌道結(jié)構(gòu)和動態(tài)響應(yīng)扣分參照軌道幾何局部偏差扣分。軌道幾何區(qū)段質(zhì)量采用TQI（Track Quality Index）為評價指標分級扣分，其管理標準建議值見表3。實踐中也可將正線每公里劃分為5段200 m 的連續(xù)單元。當(dāng)單元TQI 高于Ⅲ級管理值時，該單元即為Ⅲ級單元。

2.3 單元質(zhì)量分級

按照單元質(zhì)量綜合量化評價結(jié)果，將正線單元按質(zhì)量劃分為3個等級：Ⅰ級為質(zhì)量優(yōu)良單元，Ⅱ級為質(zhì)量合格單元，Ⅲ級為質(zhì)量失格單元。中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所的許貴陽和劉金朝提出利用聚類方法對同類型單元質(zhì)量進行分級，將單元按照質(zhì)量扣分的相近程度分為3 級。實踐中可在該方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合車間維修作業(yè)能力，綜合考慮單元質(zhì)量的分級方法。

表3 軌道質(zhì)量指數(shù)管理標準建議值

3 典型應(yīng)用

單元質(zhì)量綜合量化評價方法是實現(xiàn)線路“狀態(tài)修”的重要決策依據(jù)，可以準確篩選出需要優(yōu)先納入維修計劃的軌道幾何質(zhì)量不良單元，可在軌道精調(diào)作業(yè)的保質(zhì)期內(nèi)動態(tài)跟蹤作業(yè)區(qū)段軌道幾何質(zhì)量變化情況。這有助于避免“過度修”、實現(xiàn)“精準修”，有效控制養(yǎng)護維修成本。

3.1 合理安排維修

在編制線路維修保養(yǎng)計劃時，將Ⅱ級單元列入維修計劃并適時維修，將Ⅲ級單元優(yōu)先列入維修計劃并及時維修。

采用本文介紹的綜合量化評價方法對朔黃線2018 年軌道狀態(tài)進行評價，共劃分2 900 個單元。評價結(jié)果表明，2018 年Ⅲ級失格單元有609 處。設(shè)備維護部門針對每個失格單元，綜合單元設(shè)備特征、各項檢測數(shù)據(jù)和歷史維修記錄，詳細分析了單元質(zhì)量不良成因和質(zhì)量惡化趨勢，并結(jié)合現(xiàn)場維修作業(yè)經(jīng)驗，合理制訂了維修計劃和維修方案。部分單元評價及維修情況見表4，可見，基于軌道質(zhì)量綜合量化評價結(jié)果，可以做到提前安排維修，有效預(yù)防軌道質(zhì)量惡化，使軌道狀態(tài)逐步得到提升并最終實現(xiàn)檢修有重點，成本有控制。

3.2 跟蹤作業(yè)質(zhì)量

維修作業(yè)前后的單元質(zhì)量綜合量化評價結(jié)果，可以真實反映維修作業(yè)質(zhì)量改善效果和保持能力，如圖2所示。

表4 朔黃線部分單元軌道質(zhì)量評分及維修情況

圖2 某線路單元質(zhì)量變化趨勢

從圖2 中可看出，該單元在4 月份進行了一次維修，維修后的單元質(zhì)量提高至優(yōu)良等級。隨著時間的推移，單元質(zhì)量逐漸降低，9 月份單元質(zhì)量再次失格。從該單元質(zhì)量長期維修與惡化的變化趨勢可分析得出，維修作業(yè)保質(zhì)期為3 個月，上次維修的4～5 個月后單元質(zhì)量惡化失格，需要再次維修。由此可見，長期跟蹤分析單元質(zhì)量綜合量化評價結(jié)果，不僅可以真實反映維修作業(yè)質(zhì)量改善效果和保持能力，還可分析得出維修干預(yù)的最佳時間節(jié)點。

4 結(jié)語

本文提出的軌道幾何質(zhì)量綜合量化評價方法全面考慮了檢測數(shù)據(jù)的各種來源和數(shù)據(jù)的完整性、有效性，同時針對不同用途可采取不同的線路單元劃分方式。該方法便于維修部門依據(jù)線、橋、隧設(shè)備特征和維修方式調(diào)整各分項評價指標的權(quán)重系數(shù)，使得單元質(zhì)量綜合評價結(jié)果更符合現(xiàn)場實際情況。實際應(yīng)用表明，該方法能準確篩選出需優(yōu)先維修的線路軌道質(zhì)量不良單元，從而有利于制訂經(jīng)濟合理的維修計劃，做到“狀態(tài)修”和“精準修”，使得維修成本可控。