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

軌道是鐵路行車的基礎，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鍵作用，尤其是高速鐵路，對軌道平順性要求極為嚴格。科學評價軌道綜合狀態(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，軌道檢測的任務越來越越重，軌道檢測設備也越來越多樣化。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)。

按照故障預測與健康管理（PHM，Prognostic and Health Management）技術的設計思路，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重。采用該指標體系的軌道幾何質(zhì)量綜合量化評價結果可為制訂線路養(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)及預處理

1.1 檢測數(shù)據(jù)來源和內(nèi)容

軌道檢測設備有多種形式。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、軌道結構缺陷，以及車輛動態(tài)響應等。各類軌道檢測數(shù)據(jù)構成軌道質(zhì)量評價的數(shù)據(jù)源。

1.2 檢測數(shù)據(jù)預處理

軌道檢測數(shù)據(jù)受檢測設備狀態(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 設備單元劃分

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

1）按照設備資產(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備服役狀態(tài)，也可以長期跟蹤具體設備服役狀態(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）按照關注對象劃分。如對于長期關注的某路橋過渡段，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?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。建議初期評價權重系數(shù)按圖1 的基準設置，后續(xù)根據(jù)現(xiàn)場應用反饋情況予以調(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；軌道結構檢測數(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%，軌道結構占20%，動態(tài)響應占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)量綜合量化評價權重

維修部門可以根據(jù)線路特征和維修歷史經(jīng)驗，設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、軌道結構和動態(tài)響應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。中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設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上，結合車間維修作業(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。評價結果表明，2018 年Ⅲ級失格單元有609 處。設備維護部門針對每個失格單元，綜合單元設備特征、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)量綜合量化評價結果，可以做到提前安排維修，有效預防軌道質(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的最佳時間節(jié)點。

4 結語

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、隧設備特征和維修方式調(diào)整各分項評價指標的權重系數(shù)，使得單元質(zhì)量綜合評價結果更符合現(xiàn)場實際情況。實際應用表明，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。