軌道質(zhì)量指數(shù)檢測一致性分析

程朝陽， 李穎， 劉正毅， 魏世斌

（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）

0 引言

軌道質(zhì)量指數(shù)［1］（TQI）是動檢車、軌檢車通過軌道檢測系統(tǒng)采集并計算200 m單元區(qū)段水平、左高低、右高低、左軌向、右軌向、三角坑和軌距7項軌道幾何不平順幅值的標(biāo)準(zhǔn)差。單項幾何不平順幅值的標(biāo)準(zhǔn)差稱為單項指數(shù)，單項指數(shù)之和稱為評價單元區(qū)段軌道平順性綜合質(zhì)量狀態(tài)的軌道質(zhì)量指數(shù)。TQI采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計法描述區(qū)段軌道整體質(zhì)量狀態(tài)，表示隨機不平順的幅值偏離基線的離散程度［2］，反映的是區(qū)段軌道的質(zhì)量狀態(tài)。

隨著高速鐵路的建設(shè)和鐵路里程的增加，軌檢車動態(tài)檢查手段在日常養(yǎng)護維修中發(fā)揮越來越重要的作用［3］。我國目前使用的軌檢車主要采用慣性基準(zhǔn)法［4］。慣性基準(zhǔn)法是利用慣性原理獲得測量基準(zhǔn)的現(xiàn)代檢測方法，通常包括慣性位移法（即振動質(zhì)量法）、軸向加速度積分法、彈簧系統(tǒng)加速度積分與位移相加法。目前只有第3種方法被大部分國家的現(xiàn)代軌檢車普遍應(yīng)用，成為實用化的“慣性基準(zhǔn)法”。此方法由加速度傳感器測出車體加速度，經(jīng)兩次積分求得車體對其慣性基準(zhǔn)線的位移；相對位移傳感器測出車體與軸箱間的相對位移，二者的代數(shù)和即為高低或軌向不平順［5］。

針對聯(lián)調(diào)聯(lián)試［6］同一線路不同速度級的TQI檢測值隨檢測速度上升出現(xiàn)變化以及不同型號軌道檢測系統(tǒng)TQI之間存在的差異，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司研發(fā)了全新的數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)［7］，該系統(tǒng)基于構(gòu)架的檢測模型算法并利用激光攝像組件替代高低拉線位移計，傳感器集成度高，數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強，測量精度高，穩(wěn)定性強，該系統(tǒng)現(xiàn)處于試運行階段。分析目前運用于動檢車、軌檢車的A型軌道檢測系統(tǒng)和僅用于軌檢車的B型及數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)檢出的TQI實測數(shù)據(jù)，并從傳感器采集的原始數(shù)據(jù)以及算法原理上對比分析，找出了影響TQI檢測一致性的主要因素，同時驗證了數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)的可靠性。

1 TQI統(tǒng)計分析

新開通的HS和ZW鐵路正線除少數(shù)站采用有砟軌道外，其余區(qū)間正線和緊鄰正線的到發(fā)線均采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，岔區(qū)采用道岔軌枕埋入式無砟軌道。HS線及ZW線不同速度級TQI變化及不同速度級高低、水平、三角坑標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢見圖1、圖2。

圖1 HS線TQI隨速度變化圖

對比HS、ZW線聯(lián)調(diào)聯(lián)試最高檢測速度與最低檢測速度檢測結(jié)果，其軌向、軌距隨速度變化不明顯，高低、水平、三角坑變化較為明顯；動檢車在速度＜300 km/h時，平均TQI差異不大；當(dāng)速度＞300 km/h時，平均TQI增加較快。當(dāng)檢測車速度從180 km/h上升至380 km/h時，TQI平均值增加量分別為0.32 mm、0.30 mm。

2 日常巡檢TQI統(tǒng)計分析

統(tǒng)計2018年A型、B型軌道檢測系統(tǒng)及數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)的實測TQI數(shù)值，按照工務(wù)段、行別進行歸類，并對比分析不同型號軌道檢測系統(tǒng)TQI數(shù)值的離散程度及波動性。

圖2 ZW線TQI隨速度變化圖

2.1 數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)TQI統(tǒng)計分析

依據(jù)表1結(jié)果，數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)安裝于CRH1A型運營動車組，對管內(nèi)高鐵區(qū)段進行日常檢測。TQI變化范圍＜1.00，離散程度不大于0.14。

表1 數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)TQI統(tǒng)計

2.2 某A型軌道檢測系統(tǒng)TQI統(tǒng)計分析

2018年，在CRH2A、CRH380BJ、CRH380AJ、CRH2C型動車組安裝了A型軌道檢測系統(tǒng)后，對管內(nèi)5條線路檢測得的TQI數(shù)值進行匯總見表2。依據(jù)表2結(jié)果，A型軌道檢測系統(tǒng)TQI極差超過1.50，均方差超過0.60，變異范圍和離散程度均大于數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)。

2.3 某A型、B型及數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)TQI一致性對比分析

表1及表2分別統(tǒng)計了數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)、A型軌道檢測系統(tǒng)不同線路的TQI檢出值，為消除線路狀況對TQI檢出值的影響［8］，統(tǒng)計某鐵路局集團公司管內(nèi)2018年3個工務(wù)段使用A型、B型及數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)檢測出的TQI數(shù)值，統(tǒng)計結(jié)果見表3、圖3。

表2 某A型軌道檢測系統(tǒng)TQI統(tǒng)計

根據(jù)表3、圖3可得出以下結(jié)論：

（1）對比A型、B型軌道檢測系統(tǒng)，數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)檢測的TQI值極差、均方差、離散系數(shù)均較小，表明離散程度小，數(shù)據(jù)受干擾少，系統(tǒng)穩(wěn)定。

（2）B型車的TQI數(shù)值極差、均方差小于A型車，故B型車的離散程度較A型車低。

表3 2018年某鐵路局集團公司管內(nèi)TQI統(tǒng)計

3 TQI一致性原因分析

目前用于聯(lián)調(diào)聯(lián)試和日常監(jiān)測的A型軌道檢測系統(tǒng)高低不平順主分量由拉線位移計產(chǎn)生的位移信號和加速度計產(chǎn)生的加速度信號合成；數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)高低不平順主分量由激光攝像組件產(chǎn)生的位移信號和加速度計產(chǎn)生的加速度信號合成。2種位移傳感器在位移測量原理上存在區(qū)別，受到的影響因素也不相同。

圖3 A型、B型及數(shù)字式系統(tǒng)TQI檢測值離散系數(shù)圖

3.1 檢測原理及原始信號分析

A型軌道檢測系統(tǒng)高低檢測項的主分量傳感器拉線位移計固定于車體和軸箱之間，用于測量車體和軸箱之間的位移量變化，受側(cè)向風(fēng)和軸箱［9］振動較大，且A型系統(tǒng)未對拉線位移計作平滑操作，原理示意見圖4。

圖4 高低檢測項原理

現(xiàn)以CRH380B-002動車組于某高鐵線路先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試高低拉線位移計不同速度級的實測數(shù)據(jù)為例進行分析（見圖5）。

通過高低拉線位移計功率譜曲線波形圖可以發(fā)現(xiàn)：

（1） 拉線位移計的高頻噪聲隨著列車行駛速度不同而存在分層現(xiàn)象，說明拉線位移計的高頻噪聲與列車振動有關(guān)。

（2） 拉線位移計和激光攝像組件的幅度譜與列車行駛速度有關(guān)，列車行駛的速度不同，響應(yīng)特性［7］亦不同，符合慣性基準(zhǔn)法測量原理。

（3） 通過分析拉線位移計信號的頻譜可知，2.5 m波段引起的高頻成分幅值隨速度增加而增大，是線路TQI平均值增大的主要因素。

圖5 拉線位移計功率譜曲線

3.2 原始信號噪聲處理

為濾除高低拉線位移計的高頻噪聲，利用平均周期圖法，將拉線位移計觀測到的N點數(shù)據(jù)序列x（n）分為L段，每段長度為M。然后對其每段分別計算其周期圖［10］，取各個周期圖的平均值作為功率譜的估值?：

其次將高頻噪聲部分在頻域中置零，最后進行逆傅里葉變換，獲得去噪后的拉線位移計數(shù)據(jù)（見圖6）。

如圖6所示，已濾除拉線位移計高頻噪聲，將去噪后的數(shù)據(jù)重新寫入軌道檢測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)文件，進行重放操作，二者TQI數(shù)據(jù)一致性增強。

4 結(jié)論

在統(tǒng)計分析了3種不同類型軌道檢測系統(tǒng)采集的TQI數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對不同的TQI數(shù)據(jù)離散程度和波動性進行分析，并依據(jù)傳感器原始數(shù)據(jù)和軌道檢測模型算法對A型和數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)的TQI一致性原因進行剖析，找出其差異的主要原因是高低拉線位移計的高頻噪聲，同時也驗證了數(shù)字式軌道檢測系統(tǒng)的可靠性。

圖6 拉線位移計去噪前后頻譜圖