1、滑动标准差在轨道几何区段状态评价中的应用 杨飞 赵钢 尤明熙 刘维桢 中国铁道科学研究院基础设施检测研究所 摘 要： 轨道质量指数 TQI 为左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑各单项标准差的和。各单项项目的标准差直接体现了此项几何不平顺的输入能量, 表现为此项几何不平顺的离散程度, 当它的值越大时, 表明轨道状态较差, 对车辆的激励能量大。针对目前分段标准差计算方式不能完全反映轨道质量状态最差的区段、评判结果存在离散性等缺点, 提出利用滑动标准差计算方式对轨道区段状态进行评价的方法。通过研究确定合适的计算长度 200 m 和移动步长 20 m, 并利用京沪线 910 月份检测数
2、据进行试用, 结果表明:滑动标准差不仅能够找到轨道质量状态最差的区段, 还能找出更多超出管理值标准的区段, 且在识别不良区段的起止位置 (长度) 和评判结果一致性方面, 也明显好于目前的分段标准差计算方式。关键词： 轨道几何; 状态评价; 滑动标准差; 移动步长; 评判结果; 作者简介：杨飞 (1985) , 男, 助理研究员, 硕士研究生, E-mail:。收稿日期：2017-03-24基金：国家重点基础研究发展计划 (973) 课题 (2013CB036205) Application of Slip Standard Deviation in the Evaluation of Trac
3、k GeometryYANG Fei ZHAO Gang YOU Ming-xi LIU Wei-zhen Infrastructure Inspection Research Institute, China Academy of Railway Sciences; Abstract： The track quality index TQI is the sum of the standard deviation of left height, right height, left track alignment, right track alignment, gauge, horizont
4、al level and twist. The standard deviation of each item directly reflects the input energy of the geometric irregularity, showing the degree of dispersion of geometric irregularity. The bigger the input, the poorer the track state, and the larger the excitation energy. In view of the shortcomings of
5、 the current standard deviation calculation method, which can not fully reflect the worst state of the track quality, and the dispersion of the evaluation results, a method for evaluating the state of track using the slip standard deviation calculation method is put forward. Research suggests that t
6、he suitable calculation length is 200 m and the moving step length is 20 m, which are applied for trial with test data of 9 10 month from Beijing Shanghai railway line. The results show that the slip standard deviation can not only find the worst section of track quality state, but also find more se
7、ctions exceeding standard management limit and it is also better than the current standard deviation calculation in identifying the start and stop position ( length) and in consisting with the evaluation results, Keyword： Track geometry; State evaluation; Slip standard deviation; Moving step length;
8、 Evaluation result; Received： 2017-03-24轨道几何不平顺是影响列车运行安全性和舒适性的主要因素, 因此, 对轨道几何状态的评估十分重要, 它是决策轨道几何不平顺是否需要维护的重要依据。随着我国铁路速度不断提高, 对轨道不平顺的重视程度也随之提高, 各种类型的轨道不平顺的检测与识别技术和基于不同理论并考虑不同因素的预测方法得到了广泛的研究与应用, 为轨道不平顺的评价研究提供技术支撑1-7。目前对轨道不平顺的评价主要有局部幅值评价、区段评价 (轨道质量指数 TQI) 、轨道不平顺功率谱以及综合评价轨道-车辆系统动态特性的广义能量法等。局部幅值评价可以根据等级标
9、准快速发现局部幅值较大对列车行驶有安全隐患的病害;区段评价 (轨道质量指数 TQI) 反映区段轨道不平顺的离散程度;轨道不平顺功率谱能同时提供幅值和波长两方面信息, 多用于车辆的测试试验;广义能量法是将车辆动力学响应与轨道不平顺联系起来, 考虑了不同波长成份不平顺对能量的贡献。由于轨道不平顺功率谱和广义能量法的复杂性, 我国目前轨检车检测、现场的养护维修仍主要采用局部幅值评价和区段评价的方法, 这两种方法对我国铁路的轨道不平顺质量提高起到了很大的作用, 轨道几何大值偏差个数和平均 TQI 逐年下降, 线路总体质量状态呈上升趋势8-13。近些年我国对局部幅值标准的研究较多, 比如在武广、京沪高铁
10、无砟线路, 厦深有砟线路上都进行了预设局部不平顺的实车提速试验, 对局部幅值标准体系进行了完善, 但对于区段评价研究较少14-15。由于区段评价方法是在 20 世纪 90 年代提出的, 限于当时的计算能力, 其主要采用沿线路纵向 200 m 分段计算的方式, 但从现场的应用来看, 这种方式已越来越不满足现代铁路“精准修”的思想, 比如沿线路纵向 200 m 分段计算的方式有以下缺点: (1) 区段质量差的某段线路可能被分开成两个区段进行计算, 从而造成两个区段的计算结果都不超标, 但实际上不能体现线路最差状态; (2) 每次检测时里程可能存在误差, 分段计算的方式由于两次区段选取的数据不一致,
11、 从而造成结果无对应性等。因此, 本文采用滑动标准差的方式对这种方法进行改进, 以提高现场养护维修的指导性。1 滑动标准差的提出我国采用综合检测列车或轨道检查车对线路的轨道几何进行检测, 检测内容普遍包括左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑项目, 其按照0.25 m 的距离等间距进行采样, 每项标准差按下式计算式中 N计算单元采样点的个数;计算单元中不平顺项目连续采样点峰值的算术平均值, mm。轨道质量指数 TQI 为左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑各单项标准差之和。式中, i为左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑的单项标准差, mm。各单项项目的
12、标准差直接体现了此项几何不平顺的输入能量, 表现为此项几何不平顺的离散程度, 当它的值越大时, 表明轨道状态较差, 对车辆的激励能量大。它与功率谱密度有以下的关系式中 1, 2轨道不平顺波长范围;Si不平顺项目的功率谱密度 PSD;V轨道不平顺波长。利用目前沿线路纵向 200 m 分段标准差分段计算方式 (图 1, N 取 200 m) 和滑动标准差 (图 2, N 取 200 m, M 取 50 m) 计算方式, 得出京九线 K780 范围标准差对比如图 3 所示。图 1 标准差分段计算方式 下载原图图 2 滑动标准差计算方式 下载原图图 3 分段计算标准差和滑动标准差对比 下载原图从图 3
13、 可以看出, 目前沿线路纵向 200 m 分段标准差计算方式并不能完全反映轨道质量状态最差的区段, 其与滑动标准差计算方式相比, 仅左高低标准差而言, 差异最大就达到 0.20.4 mm, 这会形成对管理值超限的判断能力不足, 很难找到实际的超限处所, 对现场的指导性下降。此外, 由于检测数据里程往往带有一定的偏差性, 200 m 区段标准差分段计算方式也会造成评价结果的离散性, 对区段标准差的规律研究造成困难。2 滑动标准差的计算方法对于滑动轨道几何标准差的计算, 计算长度 N 和移动长度 M 是比较重要的两个参数。计算长度如果选取的过短, 将会影响到轨道不平顺的统计特征, 且不满足截断误差
14、小于 1%的要求, 因此, 一般要求计算长度应保证大于轨道不平顺波长的 4 倍 (我国的高低和轨向采用 1.542 m 波长) , 文献9也从便于现场使用和管理方面提出标准差的计算长度应不小于 200m。国外的区段评价方法计算长度普遍在 200500m, 如英国、荷兰采用 200 m, 法国采用 300 m, 美国采用 0.2英里 (约 320 m) 等。因此, 计算长度 N 仍采用目前使用的 200 m 固定长度。移动长度 M 也不能太短, 太短两个相邻的标准差计算结果基本一致, 且计算量会大幅增加, 也不能太长, 太长不能够完全反映轨道质量状态波动性, 难以找到最差的区段。运用以下方法寻找
15、合适的移动长度 M: (1) 先以 0.25 m (检测数据最小间隔) 移动步长计算滑动标准差, 作为基准; (2) 再以 2.5 m 的倍数作为移动步长循环计算各自的滑动标准差; (3) 将 (2) 中的滑动标准差与 (1) 中的基准相减 (由于移动步长不一致造成的标准差数量不同, 用内插方式补全) , 将其差值称为标准差差异; (4) 将差值的累计 97 百分位数与阈值 0.1 mm 相比较, 最接近阈值 0.1 mm 的移动步长为合适的移动步长。阈值 0.1 mm 是根据轨道检测系统精度制定的, 我国的标准差应用只保留到小数点的后一位。以下各取每条线路 10 km 进行计算。所取线路的基
16、准标准差的最大值见表 1。表 1 所取线路区段的基准标准差的最大值 mm 下载原表 从表 1 和图 4图 6 可以看出, 所取区段最大标准差与标准差差异之间有很好的相关性, 最大标准差越大, 标准差差异越大。上面所取线中大秦线标准差最大, 最大为 3.03 mm, 标准差差异也最大, 当移动步长为 20 m 时, 已非常接近差异阙值 0.1 mm。高速铁路由于平顺性非常好, 标准差差异表现的不明显。图 7 是从我国普速铁路中随机选取的共 30 万 km 正线线路的单项标准差累计分布, 可以看出, 99.9%的标准差都小于 3, 因此, 选取 20 m 作为移动步长计算比较合适。图 4 京九线各
17、移动步长标准差差异累计分布 下载原图图 5 普速铁路各移动步长标准差差异累计 97 百分位数 下载原图图 6 高速铁路各移动步长标准差差异累计 97 百分位数 下载原图图 7 普速线路单项标准差 (高低/轨向) 的累计分布 下载原图3 方法应用效果利用上述的方法对京沪线 9 月份检测数据 K1370K1400 区段进行试用。对此区段分别进行分段计算标准差和滑动标准差计算, 计算的结果见图 8。图 8 京沪线 K1370K1400 区段两种方法计算结果 下载原图按照 160 km/h 的区段均值管理值 1.5 进行评判, 其中 K1370-K1400 评判结果见表 2。从表 2 可以看出, 滑动
18、计算的方法共找出 6 处超标区段, 比分段计算方法多出2 处, 且在识别不良区段的起止位置 (长度) 方面, 也优于分段计算方法, 利用滑动计算的方法更有利于现场维修人员降低区段轨道质量指数 (TQI) 。表 2 评判结果 下载原表 再对此区段 10 月份检测数据进行分段计算标准差和滑动标准差计算。910 月现场未进行养护维修作业, 但 10 月份轨检车检测里程与 9 月份相差 75 m 左右, 计算的结果和 9 月份对比如图 9、图 10 所示。图 9 分段计算法 9 月和 10 月结果对比 下载原图图 1 0 滑动计算法 9 月和 10 月结果对比 下载原图从图 9、图 10 可以看出,
19、由于检测里程偏差, 分段计算法计算出的两次结果有一定的差异, 不仅仅体现在里程上, 还体现在检测结果波形和幅值上, 比如在K1395 左右, 9 月份检测结果超限, 10 月份检测结果未超限, 造成了评判结果的离散性, 对现场人员的维修指导和考核不利;而滑动计算法计算出的两次结果除了里程有所误差外, 波形和幅值完全一致, 保证了评判结果的准确性, 也为里程的相关性修正奠定了基础。4 结论轨道质量指数 TQI 为左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑各单项标准差的和。各单项项目的标准差直接体现了此项几何不平顺的输入能量, 表现为此项几何不平顺的离散程度, 其值越大, 表明轨道状态较差
20、, 对车辆的激励能量大。针对目前分段标准差计算方式不能完全反映轨道质量状态最差的区段、评判结果存在离散性等缺点, 提出了利用滑动标准差计算方式对轨道区段状态进行评价的方法。通过研究确定了合适的计算长度 200 m 和移动步长 20 m, 并利用京沪线 910 月份检测数据进行了试用, 结果表明:滑动标准差不仅能够找到轨道质量状态最差的区段, 还能找出更多的超管理值标准区段, 且在识别不良区段的起止位置 (长度) 和评判结果一致性方面, 也明显好于目前的分段标准差计算方式, 对现场的指导性更强。参考文献1谭社会.高速铁路无砟轨道线路动静态检测数据均值差异性研究J.铁道标准设计, 2017, 61
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