基于TQI-T的高速铁路道岔区轨道几何不平顺状态评价方法.pdf
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1、第 20 卷 第 8 期2023 年 8 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 8August 2023基于TQI-T的高速铁路道岔区轨道几何不平顺状态评价方法秦航远1,杨飞1,孙宪夫1,刘维桢2(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所,北京 100081;2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044)摘要:高速道岔的轨道几何不平顺状态直接影响其服役性能,较大的道岔区段轨道几何不平顺可能导致列车过岔时通过性能下降,出现晃车、抖车等现象,影响旅客的乘坐舒适性,然而现
2、有基于TQI的轨道几何均值管理标准在道岔区的应用效果仍有待提高。针对道岔区轨道几何不平顺评价问题,采用基于区段道岔定位指数与置信系数的道岔精确定位方法,实现轨道几何检测数据中道岔关键结构的精确定位,同时综合考虑CN系列道岔动态轨距优化对轨距与轨向检测数据的影响,根据CN系列道岔各岔枕设计轨距加宽值与实测值之差计算实际轨距与轨向不平顺,提出基于道岔区轨道质量指数(TQI-T)的高速铁路道岔轨道几何不平顺评价方法,针对性评价高速铁路道岔区段轨道几何不平顺状态。经实测数据验证,基于区段道岔定位指数与置信系数的道岔精确定位技术能够综合考虑岔区前后多组道岔相互位置关系,快速确定各组道岔尖心轨尖端里程,同
3、时,相比现有TQI评价方式,TQI-T能够更为精确地对道岔及其前后一定范围内轨道几何不平顺进行针对性评价,将同组道岔历次轨道几何评价结果方差降低50%。综上,基于TQI-T的高速铁路道岔区轨道几何不平顺状态评价方法具有更好的准确性和一致性,可为道岔区轨道几何不平顺整治工作提供科学指导。关键词:道岔评价;轨道几何不平顺;里程定位;数据分析中图分类号:U226.8 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)08-2785-09Evaluation method of track geometry irregularity in turnout a
4、rea of high speed railway based on TQI-TQIN Hangyuan1,YANG Fei1,SUN Xianfu1,LIU Weizhen2(1.Infrastructure Inspection Research Institute,China Academy of Railway Sciences Group Co.,Ltd.,Beijing 100081,China;2.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing
5、100044,China)Abstract:The track geometric irregularity of high-speed turnout has a direct impact on its service performance.The large geometric irregularity of the track in the turnout section may lead to the decline of the passing performance of the train when passing through the turnout,resulting
6、in shaking,jittering and other phenomena,affecting the comfort of passengers.However,the application effect of the existing track geometric mean-value management standard based on TQI in the turnout area still needs to be improved.Aiming at the evaluation of 收稿日期:2022-09-15基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(
7、J2021G013)通信作者:杨飞(1985),男,山东枣庄人,副研究员,从事检测监测技术研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221783铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月track geometric irregularity in the turnout section,the accurate positioning method of turnout based on the Section Turnout Positioning Index and Confidence Coefficient was adopted to r
8、ealize the accurate positioning of the key structure of turnout in the track geometric inspection data.The influence of CN series turnout with FAKOP on the track gauge and track alignment inspection data was comprehensively considered,and the actual gauge and track alignment irregularity was calcula
9、ted according to the difference between the CN series of turnouts each sleeper design gauge widening value and the measured value.Thus the Track Quality Index of Turnout(TQI-T)was put forward as an evaluation method of high-speed railway turnout track geometric irregularity.Verified by the measured
10、data,the accurate turnout positioning technology based on the Section Turnout Positioning Index and Confidence Coefficient can comprehensively consider the mutual position relationship of multiple groups of turnouts in a section of track,and quickly determine the mileage of each group of turnouts.At
11、 the same time,compared with the existing TQI evaluation methods,TQI-T can more accurately evaluate the track geometric irregularities in the turnout area,and reduce the variance of every track geometry evaluation results of the same turnout by 50%.Therefore,the TQI-T based evaluation method for tra
12、ck geometric irregularities in turnout area of high-speed railway has better accuracy and consistency,which can provide scientific guidance for the maintenance of track geometric irregularities in turnout area.Key words:turnout evaluation;track geometric irregularity;mileage positioning;data analysi
13、s 作为轨道结构中的薄弱环节,高速道岔是高速铁路轨道状态管理中的重要一环。其中,高速道岔的轨道几何不平顺状态直接影响其服役性能,较大的道岔区段轨道几何不平顺可能导致列车过岔时通过性能下降,出现晃车、抖车等现象,影响旅客的乘坐舒适性。当前,我国高速铁路动态轨道几何不平顺评价标准主要有峰值管理标准与均值管理标准,其中均值管理标准即使用当前国内外常用的轨道质量指数(Track Quality Index,TQI)作为评价指标1。在TQI算法研究方面,我国最早于1991年开始使用TQI作为轨道状态管理依据2。魏世斌等3详细介绍了轨道质量指数的研究和应用情况。周正等1在TQI计算中提出将满足部分条件的检
14、测波形作为噪声处理的方法,有效提高了 TQI 计算精度。杨飞等4提出了滑动标准差TQI计算方法,有效提高了利用TQI识别超标区段的效果和一致性。LASISI等5提出了一种将轨道安全性与轨道质量相结合的混合轨道质量指数,并评估了基于时间的相关参数对轨道质量的影响。WANG等6提出了基于激励因子的动态综合评估方法来评估高速铁路轨道的几何状态。在指导线路养护维修等应用方面,许玉德等7计算了既有线的TQI及各单项不平顺,并统计了其分布特性,科学评估了既有线路的轨道状态。王俊文8详细阐述了TQI 的应用现状,并提出建立基于 TQI 的“天窗修”专家决策系统,用于指导我国铁路养护维修。朱芳草等9提出了基于
15、灰色理论的轨道质量指数定量预测方法。赵玉林等10提出了基于改进非等时距灰色组合模型的轨道质量指数预测方法,该模型较传统灰色模型有着更高的准确性。赖思成等11基于灰色区间理论,对重载铁路轨道质量指数进行了预测。FALAMARZI 等12以有轨电车为研究对象,提出了针对有轨电车的TQI评价指标。XIAO等13采用TQI等一系列指标比较了聚氨酯道床与无砟轨道区段的轨道几何状态。SADEGHI等14采用神经网络手段建立了轨道几何缺陷与轨道结构问题之间的相关性关系。CHOI等15采用基于荷载的轨道不平顺分析技术对有砟线路轨道几何与轮轨力动态检测数据和现场测量数据进行对比分析,证明了轨道不平顺与轮轨相互作
16、用力之间的相关性。目前,TQI主要用于评价正线区段的轨道几何状态,在道岔区段动态轨道几何状态研究方面,王峰等16通过比较国内外新建客运专线道岔轨道几何静、动态验收标准,给出了我国新建客运专线道岔轨道几何尺寸验收标准建议值。刘芳17针对性提出了增加横向约束以控制桥上无缝道岔轨道稳2786第 8 期秦航远,等:基于TQI-T的高速铁路道岔区轨道几何不平顺状态评价方法定性的方法并在现场实地进行了验证。全顺喜等1819系统性研究了道岔区几何不平顺控制方法和其对行车安全性与平稳性的影响。然而,TQI在道岔区段的应用效果仍不理想,主要存在以下2个方面问题:一是TQI计算时需将轨道按照等里程间隔划分单元,长
17、度为200 m,这会导致道岔区附近的各轨道单元可能同时包含1至2组道岔的部分或全部区段,无法对某一组道岔进行针对性评价;二是针对存在动态轨距优化的CN系列道岔,由于轨距加宽区段的轨距与轨向存在由结构设计特性所导致的检测数据大值,导致包含该道岔的轨道单元TQI计算结果过大,无法准确反应其真实轨道状态。综上,基于道岔精确定位技术,综合考虑CN系列道岔尖轨区段轨距加宽影响,提出基于道岔区轨道质量指数(Track Quality Index of Turnout,TQI-T)的高速道岔轨道几何不平顺评价方法,针对性评价道岔区段轨道几何不平顺状态,为道岔区轨道几何不平顺整治工作提供科学指导。1 基于区段
18、道岔定位指数与置信系数的道岔精确定位方法在道岔尖轨与心轨尖端位置,由于钢轨刨切及组合廓形的影响,轨道几何检测系统在此处往往存在一定程度的检测数据小幅跳变现象。以此现象为特征,设计相关算法对其进行针对性精确提取,提出基于区段道岔定位指数与置信系数的道岔精确定位方法,详细算法如下所示:1)采用基于曲线信息的绝对里程修正算法,对实测轨道几何检测数据进行里程修正,详细修正算法可参照文献20。2)根据实测轨距与计算轨距求得实测与计算轨距偏差量g。3)对g进行滤波,滤除其趋势项,保留高频成分gh。4)按照公式(1)计算gh的移动有效值Sg。Sg(i)=r=ii+K-1Dg2h(r)K i=12N-K+1(
19、1)其中:N为采样点总数,K为窗长。5)将Sg除以其平均值,得到道岔定位指数Ig及其归一化指数Ig0:Ig(i)=Sg()iSg()i i=12N-K+1(2)Ig0(i)=Ig()iIgmax i=12N-K+1(3)其中:Igmax为分析区段内道岔定位指数最大值。6)根据道岔台账尖轨尖里程信息,将相隔一定里程范围内道岔划分为同一区段,分别提取各区段轨道几何检测数据。7)根据某一区段内各组道岔的台账尖轨尖端里程信息lk(k=1,M,M为该区段内道岔总组数,k按照各组道岔尖轨尖端里程从小到大依次递增),提取其前后一定范围内lk-d,lk+d的道岔定位指数 Ig(i)及里程数据 m(i),其中i
20、|m(i)lk-d,lk+d,d为提取区段长度之半,提取其中道岔定位指数最大值点Ig(ikj),Ig0(ikj)及对应里程mkj=m(ikj),其中ikj为道岔定位指数最大值点对应采样点编号。8)根据公式(4)计算Ig(ikj)对应置信系数ckj:ckj=c0Ig0(ikj)11+e-()aIg()ikj+b(4)其中:c0为确定性系数,当ikj附近存在与其相隔一定距离以上的次大值点ikjsec,使得:Ig(ikjsec)0.5Ig(ikj)(5)则c0取1/2,否则c0取1;参数a和b则根据预设数值反解方程得到,文中暂定:11+e-()5a+b=0.511+e-()20a+b=0.95(6)
21、通过上述方程解得a和b数值。9)根据道岔台账中辙叉号信息,按照各辙叉号道岔所对应的尖轨尖端与心轨尖端间距d0,提取距离mjk+d0前后一定范围内的道岔定位指数Ig(i)及里程数据 m(i),i|m(i)mkj+d0-d,mkj+d0+d,提取其中道岔定位指数最大值点Ig(ikx1),Ig0(ikx1)及对应里程m(ikx1),其中ikx1为第1备选心轨尖里程对应采样点编号。10)计算Ig(ikx1)对应置信系数ckx1:ckx1=c0Ig0(ikx1)11+e-()aIg()ikx1+b(7)2787铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月其中相关参数参照步骤8中定义。11)提取距
22、离mkj-d0前后一定范围内的道岔定位 指 数Ig(i)及 里 程 数 据 m(i),i|m(i)mkj-d0-d,mkj-d0+d,提取其中道岔定位指数最大值点Ig(ikx2)及对应里程m(ikx2),其中ikx2为第2备选心轨尖里程对应采样点编号。12)计算Ig(ikx2)对应置信系数ckx2:ckx2=c0Ig0(ikx2)11+e-()aIg()ikx2+b(8)其中相关参数参照步骤8中定义。13)对该区段 M 组道岔的心轨尖端定位里程m(ikx1)和m(ikx2)(k=1,M)进行分析:若m(ik+1x2)=m(ikx1),且ck+1x2和ckx1均大于所设阈值,则对比ck+1x1和
23、ckx2,当ck+1x1ckx2时,则第k组道岔所确定心轨尖端里程为m(ikx1),记为mkx,里程系数 ok=1,第 k+1组道岔所确定心轨尖端里程为m(ik+1x1),记为mk+1x,里程系数ok+1=1;反之,则第k组道岔所确定心轨尖端里程为m(ikx2),记为mkx,里程系数ok=-1,第k+1组道岔所确定心轨尖端里程为m(ik+1x2),记为mk+1x,里程系数ok+1=-1。14)针对该区段未出现步骤 13 中情况各组道岔,对比其ckx1与ckx2的大小,若ckx1与ckx2差值大于所设阈值,则取其中较大数值所对应的里程为心轨尖端实测里程,记为mkx,当ckx1ckx2时,里程系数
24、o=1,当ckx1Nslp或r0时,drm=0.6 m,当r=0时则代表第1根岔枕与岔前接头间距,记m0slp为0 km,同时记各岔枕处轨距与直基本轨与曲基本轨侧轨向理论值分别为Grslp,Ar1和Arr,此处假设左股Ar1对应直基本轨。4)提取待分析型号道岔心轨尖端对应里程mx0,以辙叉号为18的CN系列道岔为例,该型号道岔第93与94号岔枕中间位置对应心轨尖端,则该型号道岔心轨尖距岔前接头里程mx0为:mx0=m93slp+d94m2(12)5)对各岔枕处里程mrslp进行平移,使mx0与待分析道岔实测心轨尖端里程mkx对齐,并按照实测各采样点里程对Grslp,Ar1和Arr进行插值重排,
25、生成各实测采样点处的理论轨距及左右股轨向G(i),Al0(i)和Ar0(i),i=k1,k1+1,k2,其中k1为该组道岔及其前后延拓区段内第1个采样点编号,k2为最后一个采样点编号。6)对Al0(i)及Ar0(i),i=k1,k1+1,k2进行带通滤波,滤波波长参考目前高速综合检测列车轨道几何检测系统的中波轨向波长范围,为防止边际效应,滤波前需对Al0(i)及Ar0(i),i=k1,k1+1,k2前后进行补零延拓,记滤波后得到的理论轨向为Al(i)及Ar(i),i=k1,k1+1,k2。2788第 8 期秦航远,等:基于TQI-T的高速铁路道岔区轨道几何不平顺状态评价方法7)根据文献21中方
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