淺析基于統(tǒng)計過程控制的鐵路軌道故障檢測

吳遙

摘 要：本文提出了一種基于統(tǒng)計過程控制的鐵路軌道故障檢測，首先，對現(xiàn)有的鐵路線路進行狀態(tài)評定并提取線路特征參數(shù)，然后，建立鐵路線路狀態(tài)參數(shù)進行模式預測，最后，利用SPC預測診斷模型的重要工具控制圖來進行線路維修策略的選擇。

關(guān)鍵詞：SPC;TQI;維修策略;狀態(tài)監(jiān)控

1.背景

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代鐵路也有著快速的發(fā)展，因為鐵路線路規(guī)模的不斷擴大，鐵路軌道檢測技術(shù)也是越來越向著智能化、自動化、精密化、多樣化發(fā)展。這樣一定程度減輕了監(jiān)測工人的檢修強度，同時也取得了不錯的經(jīng)濟以及社會效益。所以說為了建立更加完善的鐵路線路的監(jiān)測技術(shù)，完善鐵路軌道安全運行迫在眉睫[1]。隨著鐵路運營速度的提高和監(jiān)測水平的發(fā)展，鐵路設(shè)備維修管理理論的研究和實踐也得到了重視和發(fā)展。世界各國對鐵路線路的維修方法進行了積極的探索和實踐，并對不同等級線路的檢測和維修標準進行完善。尤其在發(fā)達國家，所形成的一套較為成熟的維修管理體系和檢修技術(shù)，是值得借鑒的。[2]

本文提出了一種利用統(tǒng)計過程控制（SPC）的鐵路軌道的故障檢測。首先，對現(xiàn)有的鐵路線路進行狀態(tài)評定并提取線路特征參數(shù)，然后，建立鐵路線路狀態(tài)參數(shù)（TQI）進行模式預測，最后，利用SPC預測診斷模型進行線路維修策略的選擇。

2.統(tǒng)計過程控制

SPC即統(tǒng)計過程控制[3]，它應用統(tǒng)計技術(shù)對過程中的各個階段進行評估和監(jiān)控，是保證產(chǎn)品和服務滿足要求的一種質(zhì)量管理工具，在分析產(chǎn)品的工藝狀態(tài)、預報和識別生產(chǎn)過程中可能存在的問題等方面有顯著的效果。而統(tǒng)計過程控制（SPC）用于狀態(tài)監(jiān)測的核心方法是控制圖。他利用統(tǒng)計的手段將監(jiān)測的統(tǒng)計特性繪制成具有中心線（CL）、上控制限（UCL）、下控制限（LCL）的圖表，跟蹤過程特性，并記錄、評估過程是否受控，從而實施監(jiān)測和預防。

控制圖由Shewhart在20世紀20年代開發(fā)，Shewhart控制圖用于監(jiān)測單變量，然而Shewhart控制圖在對微小變化不敏感的局限性，累計和控制圖（CUSUM）和指數(shù)加權(quán)移動平均值（EWMA）被踢出來克服shewhart控制圖的局限性。而且對于過程的監(jiān)控不能僅僅憑借單一的特征量，因為，它們之間的變量需要獨立同分布（iid），所以對于單變量控制圖應用在多變量問題中會誤導監(jiān)測結(jié)果。

隨著數(shù)據(jù)采集和實時在線監(jiān)控技術(shù)的飛速發(fā)展，促進了對過程的分析、監(jiān)控和診斷的多元統(tǒng)計過程控制的發(fā)展。多元統(tǒng)計過程控制（MSPC）方法最早是由Hotellings首先提出的控制圖。后來又發(fā)展了MCUSUM和MEWMA作為CUSUM和EWMA的拓展。

而Hotellings? 控制圖在工業(yè)實踐中應用廣泛。通常情況下，控制圖針對個變量下的進行計算：

其中，是平均值，是協(xié)差陣。

對每批樣本量為n的m批樣本數(shù)據(jù)，第k批數(shù)據(jù)中第j個變量測試數(shù)據(jù)的均值和樣本的方差為：

式中第k批數(shù)據(jù)中第j個變量的第i個觀察值。

第k批數(shù)據(jù)中第j個和第h個變量之間的協(xié)方差為：

再將統(tǒng)計量xjk 、Sjk2和Sjhk2對m批數(shù)據(jù)求均值，對p個變量，得：

樣本協(xié)方差 個均值為：

3. 鐵路線路狀態(tài)參數(shù)設(shè)定

設(shè)備的動態(tài)評定分為均值管理和峰值管理兩種。均值管理主要通過對軌道狀態(tài)的7個幾何參數(shù)（左、右高低，水平，三角坑，左右方向和軌距）進行全面的分析。均值管理主要是通過對軌道的整體不平順，從而引入?yún)?shù)，軌道質(zhì)量指數(shù)（TQI），通過根據(jù)軌道等級根據(jù)先驗知識來設(shè)定TQI的指標，也稱為管理值，如下表。

通過對均值管理的主要指標（TQI），來反映統(tǒng)計區(qū)內(nèi)軌道的幾何參數(shù)的綜合平順性，一般是每200m軌道狀態(tài)離散程度的度量。TQI越大，軌道的平順性就越差，幾何參數(shù)的波動也會越大。軌道狀態(tài)的各單項指標的統(tǒng)計量可以反映幾何尺寸狀態(tài)參數(shù)的離散程度。

4.建立控制圖與故障檢測

在實際情況下，鐵路線路的狀態(tài)以及變化，是通過使用軌距、左軌向、右高低、水平的綜合指數(shù)TQI來表示，來建立單變量控制圖，當然，也可以綜合四個變量來進行多元統(tǒng)計分析，這里我們主要介紹單變量控制圖。

根據(jù)設(shè)備管理的需要，可以利用TQI作為一維變量來建立單變量控制圖，根據(jù)此控制圖來監(jiān)測線路設(shè)備的變化情況，從而確定線路的修養(yǎng)模式和時機。對于一條線路，其軌道質(zhì)量狀態(tài)的標準是一致的，每一條所采集的樣本點也是任意的。為保證抽樣數(shù)據(jù)的代表性，控制統(tǒng)計誤差，不失一般性，對一條線的軌檢數(shù)據(jù)，按照剔除受進出站影響的數(shù)據(jù)，其他按線路長度比例隨機抽取的原則，采集抽樣。首要，需要對數(shù)據(jù)進行檢驗，看其是否符合高斯分布。其次，對每月的數(shù)據(jù)進行偏峰度檢驗，同時計算出峰度和偏度作為特征值進行監(jiān)測;第三，需要計算控制限來進行監(jiān)控。這樣我們就可以根據(jù)軌距、左軌向、右高低、水平下的特征指數(shù)來建立均值-標準差控制圖。根據(jù)控制圖來觀測質(zhì)量波動，來檢查軌道是否有故障。因為，通過建立管理控制圖，來指導軌道的日常修理。

當然，采用何種控制圖，主要取決于設(shè)備維修管理的方便，同時也可考慮其檢測異常狀態(tài)的效率。因此，對不同的管理需要和使用層次，可以選擇不同的控制圖。一般情況下，單變量的統(tǒng)計控制圖比較直觀的反映了軌道質(zhì)量單項和綜合指標的變化，較貼近現(xiàn)場管理需求，監(jiān)測效率高、指向性好，具有較強的實用性。因此，在實際的設(shè)備維修管理中，宜首先采用單變量統(tǒng)計控制圖。

通過對軌檢車檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立適用于不同維修方式的Shewhart控制圖，可以較好地監(jiān)測線路綜合質(zhì)量狀態(tài)和單項軌道質(zhì)量指數(shù)的變化情況，找到線路設(shè)備狀況異常的地點和時間，確定合理維修的方式和時機，實現(xiàn)根據(jù)軌道質(zhì)量狀態(tài)的預防性維修，改變既有的固定周期和項目的維修管理現(xiàn)狀，保證設(shè)備養(yǎng)修資源的合理流向。

從使用效果看，此種維修策略的實現(xiàn)，既可以有效改善線路的整體質(zhì)量狀態(tài)，實現(xiàn)均衡修理;也可以減少因維修策略不合理造成的過修或欠修，降低欠修和過修造成的設(shè)備質(zhì)量風險和資源浪費，從而節(jié)約維修成本，取得較好的經(jīng)濟效益。通過在荊門橋工段維修管理的實踐，基于狀態(tài)監(jiān)測的預防性維修策略有效改善了傳統(tǒng)維修計劃管理的缺陷，保證了維修資的科學配置和合理流向，實現(xiàn)了設(shè)備質(zhì)量的均衡控制和有序改善，驗證了 SPC 控制圖的效果。

5.結(jié)論

隨著鐵路路網(wǎng)的不斷擴大，以及設(shè)備的數(shù)目越來越多，在一條線路上也存在各種各樣的結(jié)構(gòu)類型，維修策略也會因之不同。那么根據(jù)自身的質(zhì)量狀態(tài)，去選擇不同的維修策略，對目前的線路的維修就日益重要。本文提出了一種利用檢測到的軌道特征質(zhì)量的數(shù)據(jù)來進行統(tǒng)計分析，建立shewhart控制圖，根據(jù)控制圖來實施相對應的維修策略，從而保證合理利用修養(yǎng)資源、提高維修的準確性、減低維修的成本。

參考文獻：

[1]? 劉國強， 顏穎. 國內(nèi)外高速鐵路線路養(yǎng)護維修分析[J]. 中國鐵路， 2006， （10）：57-59.

[2]? 孫韶峰.德國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的管理與維修[J]. 中國鐵路， 2005， （12）：29-32.

[3]? 賈新章等.統(tǒng)計過程控制理論與實踐――SPC、Cpk、DOE、MSA、PPM技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社：中國，2017.