車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)稱重穩(wěn)定性分析

李旭偉，秦 菊，李甫永，譚佳豐，陳天柱

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)是我國(guó)鐵路車輛運(yùn)行安全防范與預(yù)警系統(tǒng)(5T)的重要裝備。該系統(tǒng)通過(guò)設(shè)在軌道上的高平順性框架式測(cè)試平臺(tái)，采用全新的“移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)的新方法”以及橫向力連續(xù)測(cè)量方法，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)車輛運(yùn)行過(guò)程中輪軌間的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛裝載的超偏載狀態(tài)、車輛運(yùn)行狀態(tài)以及車輪踏面損傷的識(shí)別、評(píng)判。TPDS稱重檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)TPDS各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障，稱重檢測(cè)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性對(duì)TPDS各項(xiàng)功能檢測(cè)的精度至關(guān)重要。本文從稱重檢測(cè)角度出發(fā)，利用全路聯(lián)網(wǎng)TPDS隨機(jī)檢測(cè)的砝碼車數(shù)據(jù)，采用正態(tài)分布的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)TPDS稱重檢測(cè)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 TPDS稱重檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法

TPDS檢測(cè)的車輛重量是受諸多因素影響的隨機(jī)變量，通過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，證明其服從典型的正態(tài)分布。根據(jù)正態(tài)分布與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的知識(shí)，如果 TPDS檢測(cè)的砝碼車重量誤差

式中 X——砝碼車稱重檢測(cè)誤差。

μ——均值，描述X分布的集中位置。

σ——標(biāo)準(zhǔn)偏差，描述X分布的分散程度。

當(dāng)TPDS檢測(cè)的車輛重量最大允許誤差為3%時(shí)，隨機(jī)檢測(cè)的車輛重量合格(即滿足最大誤差范圍)的概率為

因此，求出各TPDS探測(cè)站隨機(jī)檢測(cè)的砝碼車重量誤差均值和重量誤差的方差并借助標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，即可估算出各TPDS探測(cè)站檢測(cè)車輛重量合格的概率。本文根據(jù)檢測(cè)的車輛重量合格概率來(lái)評(píng)判各TPDS探測(cè)站稱重檢測(cè)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

2 TPDS年度內(nèi)稱重穩(wěn)定性分析

以已知標(biāo)準(zhǔn)重量的T6DK，T6FK，T7砝碼車為對(duì)象，以其2010年度通過(guò)TPDS各探測(cè)站實(shí)際檢測(cè)的結(jié)果為樣本，分析TPDS的稱重檢測(cè)準(zhǔn)確度及年度內(nèi)稱重穩(wěn)定性。

2010年度全路有砝碼車通過(guò)，且通過(guò)輛次≥5次的TPDS探測(cè)站共有56個(gè)，各探測(cè)站檢測(cè)砝碼車的平均誤差、誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差詳見表1。將TPDS對(duì)車輛稱重檢測(cè)合格的概率分級(jí)，其中概率≥95%的分級(jí)為優(yōu)秀，概率≥85%，且 ＜95%的分級(jí)為良好，概率 ＜85%的分級(jí)為差，檢測(cè)合格概率分布見圖1。以TPDS稱重檢測(cè)的合格概率做Y軸、誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差做X軸繪制XY散點(diǎn)圖，如圖2。

從表1、圖 1及圖2可以看出:① 被檢測(cè)的56個(gè)TPDS探測(cè)站中，有49個(gè)探測(cè)站(占全部探測(cè)站的88%)稱重檢測(cè)的誤差合格率為優(yōu)秀，4個(gè)探測(cè)站(占全部探測(cè)站的7%)為良好，3個(gè)探測(cè)站(占全部探測(cè)站的5%)為差，說(shuō)明絕大部分TPDS探測(cè)站稱重檢測(cè)的誤差合格率能夠滿足TPDS系統(tǒng)最大稱重檢測(cè)誤差的要求，但個(gè)別探測(cè)站檢測(cè)合格率較低，設(shè)備狀態(tài)較差。②TPDS稱重檢測(cè)的離散度即標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，TPDS稱重檢測(cè)穩(wěn)定性越差、檢測(cè)合格概率越低。

表1 2010年度各TPDS探測(cè)站檢測(cè)砝碼車情況

圖1 車輛稱重檢測(cè)合格概率分布

3 不同年度TPDS稱重檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

圖2 車輛稱重檢測(cè)合格概率與標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

以已知標(biāo)準(zhǔn)重量的 T6DK，T6FK，T7砝碼車為對(duì)象，以2008年、2009年和2010年度每年各TPDS探測(cè)站實(shí)際檢測(cè)的砝碼車平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差為樣本，分析TPDS各探測(cè)站稱重檢測(cè)穩(wěn)定性情況。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 2008年—2010年度各TPDS探測(cè)站年度檢測(cè)砝碼車情況

將2008年—2010年各TPDS探測(cè)站年度車輛稱重檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分級(jí)，其中標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1%的分級(jí)為優(yōu)秀，標(biāo)準(zhǔn)偏差＞1%，且≤2%的分級(jí)為良好，標(biāo)準(zhǔn)偏差＞2%的分級(jí)為差，各探測(cè)站標(biāo)準(zhǔn)差分布見圖3。

圖3 各TPDS探測(cè)站年度稱重檢測(cè)誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

從表2和圖3可以看出，被檢測(cè)的40個(gè)TPDS探測(cè)站中，對(duì)于連續(xù)3年的年度稱重檢測(cè)的誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差有35個(gè)探測(cè)站(占全部探測(cè)站的87%)為優(yōu)秀，有4個(gè)探測(cè)站(占全部探測(cè)站的10%)為良好，有1個(gè)探測(cè)站(占全部探測(cè)站的3%)為差，說(shuō)明絕大部分 TPDS探測(cè)站稱重檢測(cè)的誤差離散度較小，系統(tǒng)較穩(wěn)定，但個(gè)別TPDS探測(cè)站稱重檢測(cè)的誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

4 結(jié)論及原因分析

通過(guò)對(duì)各TPDS探測(cè)站稱重檢測(cè)一年內(nèi)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及連續(xù)三年內(nèi)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析可以得出如下結(jié)論:

1)絕大部分TPDS探測(cè)站具有良好的稱重檢測(cè)準(zhǔn)確性及系統(tǒng)穩(wěn)定性，其根本原因在于:① 從測(cè)試原理上，TPDS采用了“移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)的新方法”。該方法可以連續(xù)檢測(cè)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)車輪垂直力增減變化過(guò)程數(shù)據(jù)的平均值，而不像傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)輪軌垂直力測(cè)試方法(單點(diǎn)輪重檢測(cè))，只檢測(cè)波動(dòng)過(guò)程的某個(gè)瞬時(shí)值，因此，TPDS稱重檢測(cè)準(zhǔn)確度較高;② 從設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上，TPDS采用了平順性和穩(wěn)定性好、抗扭曲能力強(qiáng)的高平順性的框架式軌道測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)一方面可最大限度地消除普通軌道不平順引起的車輛浮沉、點(diǎn)頭、側(cè)滾等振動(dòng)形成的“附加動(dòng)荷增量”;另一方面也可有效地減小普通軌道扭曲產(chǎn)生的“輪重轉(zhuǎn)移”，從而保證了稱重檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2)個(gè)別TPDS探測(cè)站稱重準(zhǔn)確性及系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，其原因可能在于:① TPDS高平順性測(cè)試平臺(tái)維修養(yǎng)護(hù)不利，TPDS安裝區(qū)段線路要求滿足方向不平順＜4 mm，高低不平順 ＜3 mm，軌距誤差為 -1 mm～+3 mm，三角坑(基長(zhǎng)2.4 m)＜4 mm，無(wú)空吊板現(xiàn)象，軌道部件和道床、路基狀態(tài)須嚴(yán)格按照我國(guó)時(shí)速200～250 km/h線路養(yǎng)護(hù)維修規(guī)范進(jìn)行維修，但個(gè)別TPDS安裝區(qū)段長(zhǎng)期缺乏養(yǎng)護(hù)維修，造成測(cè)試平臺(tái)指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求，使測(cè)試平臺(tái)根本起不到消除“附加動(dòng)荷增量”和“輪重轉(zhuǎn)移”的作用，從而導(dǎo)致稱重的準(zhǔn)確性降低，穩(wěn)定性差;②“TPDS設(shè)備檢修維護(hù)管理規(guī)程”要求對(duì)系統(tǒng)輪軌力測(cè)試核心部件傳感器的狀態(tài)進(jìn)行定期檢測(cè)、對(duì)整套系統(tǒng)定期標(biāo)定，但個(gè)別TPDS探測(cè)站因施工組織等原因，無(wú)法保證按時(shí)檢測(cè)、標(biāo)定。

目前，全路安裝的TPDS數(shù)量已接近100套，而且按照鐵道部的規(guī)劃TPDS的數(shù)量在逐年增加，為更好地實(shí)現(xiàn)TPDS的各項(xiàng)功能，充分發(fā)揮TPDS保障鐵路行車安全的作用，建議以TPDS檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，加強(qiáng)對(duì)TPDS測(cè)試平臺(tái)的養(yǎng)護(hù)維修，并根據(jù)“TPDS設(shè)備檢修維護(hù)管理規(guī)程”要求定期對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

［1］潘振，馮毅杰.貨車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)設(shè)置框架式測(cè)試平臺(tái)的必要性分析［J］.鐵道建筑，2008(8):103-105.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函［2007］776號(hào) TPDS、TADS、TFDS設(shè)備檢修維護(hù)管理規(guī)程［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.