论文部分内容阅读
摘要：随着高速发展的铁路运输，快速重载列车的普遍开行导致了增加线路的维修次数，轨道状态的恶化，而逐渐递增的铁路运营里程也使轨道线路养护人员的工作量大幅度提高，这提出了严峻的挑战对铁路工务部门。进行预测轨道不平顺的发展对轨道质量状态的恶化情况可以监控，从而提高科学管理水平、合理安排维修计划，保证线路的平顺性和安全性。本论文对轨道不平顺质量指数TQI(Track Quality Index，简称TQI)的定义和计算方法进行叙述，并列举影响TQI几种常见因素，分析其对TQI的影响，最终建议管理者理性看待TQI，合理的做出对线路的整体评价。
关键词：轨道不平顺质量指数；TQI；轨检车
中图分类号：U213文献标识码： A
引言
轨道不平顺质量指数(以下简称TQI)-是采用数学统计方法描述区段轨道整体质量状态的综合指标和评价方法。轨道动态几何检测数据-指的是由轨道检查车通过检测系统（1型、2型、3型轨检车主要采用弦测法，4型轨检车主要采用惯性基准法，5型轨检车主要采用激光摄像系统，6型轨检车采用激光高速数字摄像系统；以及转向架上的加速度计或装置于车体轴箱，光电编码器。）所采集并计算得出的轨距、高低、水平、轨向、曲线超高、三角坑等车体加速度和轨道几何数据、车辆运行速度等数据。
一、轨道不平顺质量指数概述
（一）、TQI定义
采用数学统计方法描述区段轨道整体质量状态的评价方法和综合指标就是轨道不平顺质量指数(TQI)。运用TQI管理和评价轨道状态，是单一幅值扣分评判轨道质量方法的补充，为科学制定线路维修计划，提高轨道检测数据综合应用水平，提供科学依据来保证轨道状态的均衡发展。
（二）、TQI的物理意义
TQI是高低、轨向、轨距、水平和三角坑的动态检测数据的统计结果，该值的大小与轨道状态平顺性密切相关，表明200m区段轨道状态离散的程度，即数值越大，表明轨道的平顺程度越差、波动性也越大。各单项轨道不平顺的统计值，同样也反映出该项轨道状态的平顺程度。
（三）、TQI的应用
TQI能综合评价线路整体质量，合理编制区段线路的综合维修计划，指导整修和大机作业，提高轨道状态维修的科学性、经济性、合理性，使维修管理更加科学化。
（四）、TQI的计算方法
TQI值是左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平和三角坑等七项几何不平顺在200m区段的标准差之和，具体计算方法详见修规，此处不再描述。
（五）、TQI及各单项标准差的管理值。
既有线路不同速度等级及高速铁路轨道不平顺200m单元区段TQI及单项标准差管理标准见表1。
表1 200m区段轨道不平顺质量指数管理标准（单位：mm）
注：除注明外，适用于轨道不平顺波长为42米以下。
二、轨道动态几何检测数据与TQI之间的比较
轨道动态几何检测数据：对于轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级超限采用峰值管理法，进行有效的管理。从轨道的舒适度指标和几何尺寸指标的角度，评定轨道的质量的评定方法以1km为单位计算总扣分的方式。轨检车数据采集原理：车辆每行进一英尺（约254mm，俗称1m4个点），计算机采集一次各检测项目，当某项连续三次采集量计算机统计为一处超限，都超过最低级超限界限值时，并该处超限的幅值取最大采集量值，该处超限长度的起终点为最低级超限起终点，如图1中A、B、C、D分别表示四个采集点，1、2、3分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级超限界限值，由采集原理得知，此处计算机将统计为一处病害： L表示超限长度，B点的幅值为该超限幅值，该超限为Ⅲ级超限。
图1超限峰值与超限长度示意图
TQI：衡量线路区段整体不平顺的方法，通常采用均值管理法。这种方法是被测轨道区段中测量并记录全部测点的幅值，作为轨道状态的一个元素所有幅值都参与运算，同时还选择进行加权计算对若干单项几何参数的指数，从而获得综合指数，即对轨道区段的质量状态用统计特征值来评价。
三、影响轨道不平顺质量指数的几个因素
由于TQI是以所有的检测数据进行分析计算得来的，即便是人工干预中判断为无效的数据也一样计入，这就会出现轨检车平均扣分有时和TQI不对应的情况。从检测角度来看有以下几种情况影响TQI数据的准确性。
（一）、阳光干扰和设备故障导致TQI增加
在实际检测中，有时会出现阳光干扰设备的情况。轨检车检测时，激光照射钢轨断面，然后高速摄像头采集图像，最终经过分析软件处理后形成检测数据。在整个检测中光源和光强都是相对固定的，当阳光穿过遮阳板下面的缝隙射到钢轨上时，突然间大幅度增加了光强，摄像头采集的图像就发生变化，如图2所示，这些特殊情况引起的超限轨检车工作人员会进行人工干预，最终不计入扣分之内，但会计入TQI，如果检测时阳光较强，且线路曲线较多，阳光干扰持续时间长，会造成TQI的较大幅度增加。设备故障时指在检测过程中因为检测系统的某部分电子元件故障或者是检测的摄像头松动等原因，导致检测数据失真，对应显示为不正常的波形，如图3所示。这些不正常的波形在编辑系统上会产生短距离的多处大峰值超限，轨检车工作人员会将其删除，不计入扣分，但同样TQI会计入，如果是较长时间出现设备故障，会大大影响TQI的准确性。
图2 阳光干扰
图3 设备故障
（二）、道岔区段出现无效的轨距轨向等超限导致TQI增加
轨检车（GJ-5型，目前全路基本采用此型号轨检车，以下不再说明）通过普通道岔（可动心轨道岔不受影响，除外），列车通过岔心有害空间时，激光照射在有害空间，摄像头成像会发现突变，对应波形如图4圈点部分所示，编辑系统计算机显示为大峰值超限，检测人员人工干预时会逐个删除，但会计入TQI，如果是检测时多次侧向经过道岔或者连续经过岔群，对TQI的影响会更加明显。
图4道岔区段
（三）、某段线路检测速度较低，无超限数据，整体TQI降低
GJ-5型轨检车是采用惯性基准法、非接触式测量方式进行检测。当检测速度低于35km/h时，轨检车检测系统不再输出检测数据，波形显示为全直线，对应的TQI也会降低。如果检测的是速度较低的支线或者货物线，对应的TQI也就较低。有时在普通线路检测时，由于行车调度安排或者线路设备故障导致轨检车低速运行，TQI会比正常速度检测时低不少。
四、TQI发展变化特征及其建模思路
（一）、TQI序列的变化特征
对TQI的发展变化，国内外学者进行长期研究后发现，轨道在相邻的两次维修期间，下沉量较大发生在经过维修后初期，在此特殊时期过后，大致呈线性增长趋势的TQI发展恶化。本文通过对大量数据的统计计算，得到沪宁高铁线在2010-2011年期间上行K100.2-K100.4的TQI变化波形图，如图5所示。
图5 K100.2-K100.4在2010-2011年期间的TQI变化波形图
从图中可以明显看到，除了线性恶化趋势以外，还有随机波动成分。出现这种变化特征主要是由于在运营过程中，受众多复杂因素的综合影响，随着时间的推移，轨道线性恶化是必然趋势，但各种因素对轨道影响作用的不确定性以及相互之间的此消彼长，使得TQI序列随时间的变化过程中还含有沿趋势线随机波动的成分。
线路在相邻的两次维修作业期间，轨道不平顺呈现出沿趋势发展曲线上下波动的发展态势，其波动的幅度随影响因素的随机作用而不同并将这种发展规律过程归纳为图6所示。
图6维修周期内轨道质量状态的然发展规律
（二）、TQI序列的灰色区间预测模型
GM(1，1)模型得到一个连续的时间函数为相应函数，从初值一直延伸到未来任何一个时刻的值理论上它可以预测出，但是随着时间的推移，进入并影响系统会不断的有一些扰动因素，故GM(1，1)僅能对后面一两个数据预测，对相隔更远的数据具有大体上规划意义而不具有具体的预测意义。考虑到未来新因素，新环境以及随机扰动的影响作用等，本文在GM(1，1)预测模型的分析与建立基础上，应用灰平面理论预测数据的取值范围，对数据的随机波动以及发展趋势更好的反映。
结束语
综上所述，作为工务工作者，在利用TQI评判线路动态质量时，一定要充分分析检测时的具体情况，评估以上几种因素对TQI产生的影响，客观的对线路状况进行评价，这样才能发挥TQI的作用，更好的指导现场工区的维修作业。
参考文献
[1]詹贤东.LaserailTM3000断面和几何测量系统设备操作和维护手册[S].铁道部基础设施检测中心，2006.
[2]铁道部运输局.既有线轨道不平顺质量指数标准及管理暂行办法[S].2009.
关键词：轨道不平顺质量指数；TQI；轨检车
中图分类号：U213文献标识码： A
引言
轨道不平顺质量指数(以下简称TQI)-是采用数学统计方法描述区段轨道整体质量状态的综合指标和评价方法。轨道动态几何检测数据-指的是由轨道检查车通过检测系统（1型、2型、3型轨检车主要采用弦测法，4型轨检车主要采用惯性基准法，5型轨检车主要采用激光摄像系统，6型轨检车采用激光高速数字摄像系统；以及转向架上的加速度计或装置于车体轴箱，光电编码器。）所采集并计算得出的轨距、高低、水平、轨向、曲线超高、三角坑等车体加速度和轨道几何数据、车辆运行速度等数据。
一、轨道不平顺质量指数概述
（一）、TQI定义
采用数学统计方法描述区段轨道整体质量状态的评价方法和综合指标就是轨道不平顺质量指数(TQI)。运用TQI管理和评价轨道状态，是单一幅值扣分评判轨道质量方法的补充，为科学制定线路维修计划，提高轨道检测数据综合应用水平，提供科学依据来保证轨道状态的均衡发展。
（二）、TQI的物理意义
TQI是高低、轨向、轨距、水平和三角坑的动态检测数据的统计结果，该值的大小与轨道状态平顺性密切相关，表明200m区段轨道状态离散的程度，即数值越大，表明轨道的平顺程度越差、波动性也越大。各单项轨道不平顺的统计值，同样也反映出该项轨道状态的平顺程度。
（三）、TQI的应用
TQI能综合评价线路整体质量，合理编制区段线路的综合维修计划，指导整修和大机作业，提高轨道状态维修的科学性、经济性、合理性，使维修管理更加科学化。
（四）、TQI的计算方法
TQI值是左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平和三角坑等七项几何不平顺在200m区段的标准差之和，具体计算方法详见修规，此处不再描述。
（五）、TQI及各单项标准差的管理值。
既有线路不同速度等级及高速铁路轨道不平顺200m单元区段TQI及单项标准差管理标准见表1。
表1 200m区段轨道不平顺质量指数管理标准（单位：mm）
注：除注明外，适用于轨道不平顺波长为42米以下。
二、轨道动态几何检测数据与TQI之间的比较
轨道动态几何检测数据：对于轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级超限采用峰值管理法，进行有效的管理。从轨道的舒适度指标和几何尺寸指标的角度，评定轨道的质量的评定方法以1km为单位计算总扣分的方式。轨检车数据采集原理：车辆每行进一英尺（约254mm，俗称1m4个点），计算机采集一次各检测项目，当某项连续三次采集量计算机统计为一处超限，都超过最低级超限界限值时，并该处超限的幅值取最大采集量值，该处超限长度的起终点为最低级超限起终点，如图1中A、B、C、D分别表示四个采集点，1、2、3分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级超限界限值，由采集原理得知，此处计算机将统计为一处病害： L表示超限长度，B点的幅值为该超限幅值，该超限为Ⅲ级超限。
图1超限峰值与超限长度示意图
TQI：衡量线路区段整体不平顺的方法，通常采用均值管理法。这种方法是被测轨道区段中测量并记录全部测点的幅值，作为轨道状态的一个元素所有幅值都参与运算，同时还选择进行加权计算对若干单项几何参数的指数，从而获得综合指数，即对轨道区段的质量状态用统计特征值来评价。
三、影响轨道不平顺质量指数的几个因素
由于TQI是以所有的检测数据进行分析计算得来的，即便是人工干预中判断为无效的数据也一样计入，这就会出现轨检车平均扣分有时和TQI不对应的情况。从检测角度来看有以下几种情况影响TQI数据的准确性。
（一）、阳光干扰和设备故障导致TQI增加
在实际检测中，有时会出现阳光干扰设备的情况。轨检车检测时，激光照射钢轨断面，然后高速摄像头采集图像，最终经过分析软件处理后形成检测数据。在整个检测中光源和光强都是相对固定的，当阳光穿过遮阳板下面的缝隙射到钢轨上时，突然间大幅度增加了光强，摄像头采集的图像就发生变化，如图2所示，这些特殊情况引起的超限轨检车工作人员会进行人工干预，最终不计入扣分之内，但会计入TQI，如果检测时阳光较强，且线路曲线较多，阳光干扰持续时间长，会造成TQI的较大幅度增加。设备故障时指在检测过程中因为检测系统的某部分电子元件故障或者是检测的摄像头松动等原因，导致检测数据失真，对应显示为不正常的波形，如图3所示。这些不正常的波形在编辑系统上会产生短距离的多处大峰值超限，轨检车工作人员会将其删除，不计入扣分，但同样TQI会计入，如果是较长时间出现设备故障，会大大影响TQI的准确性。
图2 阳光干扰
图3 设备故障
（二）、道岔区段出现无效的轨距轨向等超限导致TQI增加
轨检车（GJ-5型，目前全路基本采用此型号轨检车，以下不再说明）通过普通道岔（可动心轨道岔不受影响，除外），列车通过岔心有害空间时，激光照射在有害空间，摄像头成像会发现突变，对应波形如图4圈点部分所示，编辑系统计算机显示为大峰值超限，检测人员人工干预时会逐个删除，但会计入TQI，如果是检测时多次侧向经过道岔或者连续经过岔群，对TQI的影响会更加明显。
图4道岔区段
（三）、某段线路检测速度较低，无超限数据，整体TQI降低
GJ-5型轨检车是采用惯性基准法、非接触式测量方式进行检测。当检测速度低于35km/h时，轨检车检测系统不再输出检测数据，波形显示为全直线，对应的TQI也会降低。如果检测的是速度较低的支线或者货物线，对应的TQI也就较低。有时在普通线路检测时，由于行车调度安排或者线路设备故障导致轨检车低速运行，TQI会比正常速度检测时低不少。
四、TQI发展变化特征及其建模思路
（一）、TQI序列的变化特征
对TQI的发展变化，国内外学者进行长期研究后发现，轨道在相邻的两次维修期间，下沉量较大发生在经过维修后初期，在此特殊时期过后，大致呈线性增长趋势的TQI发展恶化。本文通过对大量数据的统计计算，得到沪宁高铁线在2010-2011年期间上行K100.2-K100.4的TQI变化波形图，如图5所示。
图5 K100.2-K100.4在2010-2011年期间的TQI变化波形图
从图中可以明显看到，除了线性恶化趋势以外，还有随机波动成分。出现这种变化特征主要是由于在运营过程中，受众多复杂因素的综合影响，随着时间的推移，轨道线性恶化是必然趋势，但各种因素对轨道影响作用的不确定性以及相互之间的此消彼长，使得TQI序列随时间的变化过程中还含有沿趋势线随机波动的成分。
线路在相邻的两次维修作业期间，轨道不平顺呈现出沿趋势发展曲线上下波动的发展态势，其波动的幅度随影响因素的随机作用而不同并将这种发展规律过程归纳为图6所示。
图6维修周期内轨道质量状态的然发展规律
（二）、TQI序列的灰色区间预测模型
GM(1，1)模型得到一个连续的时间函数为相应函数，从初值一直延伸到未来任何一个时刻的值理论上它可以预测出，但是随着时间的推移，进入并影响系统会不断的有一些扰动因素，故GM(1，1)僅能对后面一两个数据预测，对相隔更远的数据具有大体上规划意义而不具有具体的预测意义。考虑到未来新因素，新环境以及随机扰动的影响作用等，本文在GM(1，1)预测模型的分析与建立基础上，应用灰平面理论预测数据的取值范围，对数据的随机波动以及发展趋势更好的反映。
结束语
综上所述，作为工务工作者，在利用TQI评判线路动态质量时，一定要充分分析检测时的具体情况，评估以上几种因素对TQI产生的影响，客观的对线路状况进行评价，这样才能发挥TQI的作用，更好的指导现场工区的维修作业。
参考文献
[1]詹贤东.LaserailTM3000断面和几何测量系统设备操作和维护手册[S].铁道部基础设施检测中心，2006.
[2]铁道部运输局.既有线轨道不平顺质量指数标准及管理暂行办法[S].2009.