王斌， 王婧， 楊志鵬， 汪海瑛

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

自2008年京津城際鐵路開通至今，我國高速鐵路已經(jīng)歷了10余年的快速發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。牽引供電系統(tǒng)作為高速鐵路的動(dòng)力來源，具有舉足輕重的作用，一旦發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸中斷，甚至可能嚴(yán)重影響運(yùn)輸計(jì)劃。接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的核心組成部分，無備用且容易發(fā)生故障，其動(dòng)態(tài)性能備受運(yùn)營單位的重視［1-2］。通過研究近10年來我國典型高速鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的變化規(guī)律，可以更加全面地了解高速鐵路接觸網(wǎng)的安全狀況與發(fā)展趨勢，明確高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)營維護(hù)的重點(diǎn)，提升運(yùn)營維護(hù)效率，對保障高速鐵路接觸網(wǎng)的安全運(yùn)營和持續(xù)穩(wěn)定具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)概述

采用何種數(shù)據(jù)對研究高速鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的變化規(guī)律至關(guān)重要。由于過去10年間接觸網(wǎng)的運(yùn)行維修規(guī)則發(fā)生過多次變化，導(dǎo)致長期以來積累的缺陷數(shù)據(jù)因不具備一致性而無法使用。而高速綜合檢測列車的接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)具有起步早、覆蓋范圍廣、檢測周期短、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、存儲(chǔ)規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)，因此，以高速綜合檢測列車接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對近10年來典型高速鐵路接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。由于1年內(nèi)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整較少，且各檢測項(xiàng)目在1年內(nèi)的檢測波形變化不大，所以僅在每年中挑選一、二次具有代表性的檢測數(shù)據(jù)用于分析。

接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的原始檢測項(xiàng)目較多，且多個(gè)檢測項(xiàng)目之間具有較高的相關(guān)性，文獻(xiàn)[3]以原始檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用相關(guān)性分析［4］和決策樹算法［5-6］，去除冗余的檢測項(xiàng)目，以拉出值、接觸線高度、弓網(wǎng)接觸力和燃弧時(shí)間4個(gè)檢測項(xiàng)目，對弓網(wǎng)關(guān)系和受流質(zhì)量的影響程度構(gòu)建評價(jià)函數(shù)模型，采用層次分析法［7-8］確定各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，得出關(guān)于接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的綜合指標(biāo)值，即接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能評價(jià)指標(biāo)（Catenary Dynamic Index，CDI），用于綜合反映和定量評價(jià)接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能，其計(jì)算公式如下［9］：

式中：n為評價(jià)單元內(nèi)包含的跨數(shù)；i為評價(jià)單元內(nèi)跨的位置標(biāo)識(shí)；fSi為跨內(nèi)拉出值評價(jià)函數(shù)；fHi為跨內(nèi)接觸線高度評價(jià)函數(shù)；fFi為跨內(nèi)接觸力評價(jià)函數(shù)；fA為評價(jià)單元內(nèi)燃弧評價(jià)函數(shù)。

CDI取值范圍為0～10，無量綱，不同評價(jià)結(jié)果代表的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量見表1。以CDI計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對接觸網(wǎng)在近10年內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。由于早期接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)無燃弧檢測項(xiàng)目，故在計(jì)算相應(yīng)CDI時(shí)不考慮燃弧評價(jià)分量，并將拉出值、接觸線高度、弓網(wǎng)接觸力評價(jià)分量的權(quán)重分別設(shè)為0.2、0.4、0.4。

表1 不同評價(jià)結(jié)果代表的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量

2 典型線路選擇

為研究不同速度等級、懸掛類型、材質(zhì)和張力的接觸網(wǎng)在近10年內(nèi)動(dòng)態(tài)性能的變化規(guī)律，選擇6條開通時(shí)間久，且在速度等級和接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)上具有代表性的線路進(jìn)行分析，所選線路信息見表2。為方便表述，在此將“線路A在a鐵路局集團(tuán)公司的區(qū)段”描述為“線路A-a”，其他線路均與此類似。

表2 所選典型線路信息

3 典型線路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能分析

3.1 統(tǒng)計(jì)分析

密度函數(shù)能夠描述變量在各個(gè)取值處的占比情況，在變量分布未知時(shí)，通常用核密度估計(jì)法擬合變量的密度函數(shù)。表2中所選典型線路歷年CDI值的核密度函數(shù)見圖1，可以看出，各條線路的CDI值主要分布于0～2，結(jié)合表1可知，所選典型線路的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在近10年中均處于優(yōu)良狀態(tài)。

分別計(jì)算所選典型線路歷年CDI值的平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、10%分位數(shù)、90%分位數(shù)、偏度、峰度（見表3）。

由表3可知，各條線路CDI值的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.5，表明各線路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在各年間的穩(wěn)定性較好。相較于其他線路，線路B和線路C的10%和90%分位數(shù)均較小，且偏度和峰度值均較大，表明這2條線路的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能較其他各條線路更優(yōu)。除上述2條線路外，其余各條線路的偏度均接近于0，且峰度接近于3，近似正態(tài)分布，表明這些線路的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能總體在優(yōu)良狀態(tài)內(nèi)波動(dòng)。

圖1 所選典型線路歷年CDI值的核密度函數(shù)

表3 所選典型線路歷年CDI值的描述性統(tǒng)計(jì)量

3.2 聚類分析

將CDI值的平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、10%分位數(shù)、90%分位數(shù)、峰度、偏度共6個(gè)指標(biāo)作為度量所選典型線路CDI分布情況的特征向量，并利用該特征向量對所選典型線路進(jìn)行聚類。

采用K-means算法［10］對所選典型線路進(jìn)行聚類，并將聚類結(jié)果按標(biāo)準(zhǔn)化特征向量依次繪制到平行坐標(biāo)系中（見圖2），該坐標(biāo)系每1條軸線代表1個(gè)特征，軸線上的取值范圍從對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化特征的最小值到最大值均勻分布。

由圖2可以看出，平行坐標(biāo)系的直觀分類結(jié)果與采用K-means算法得到的聚類結(jié)果完全吻合，所選典型線路被劃分為3類：第1類為線路A和F；第2類為線路B和C；第3類為線路D和E。其中，第2類各條線路CDI值的10%分位數(shù)、90%分位數(shù)、平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差均小于或等于其他2類，但偏度和峰度均大于其他2類，表明第2類線路的CDI值整體較小且分布在較小的區(qū)間內(nèi)，即第2類線路的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能最優(yōu)。第1類與第3類線路CDI值的偏度和峰度類似，但第1類線路CDI值的10%分位數(shù)、90%分位數(shù)、平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差均小于第3類，表明第1類線路CDI值的分布區(qū)間與第3類類似，但前者在數(shù)值上整體小于后者，即第1類線路的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于第3類線路。

結(jié)合表2的線路信息可以看出，上述3類線路的接觸網(wǎng)在懸掛方式、接觸線張力和承力索張力上也存在顯著區(qū)別。其中，第1類線路的接觸網(wǎng)懸掛類型均為簡單鏈型懸掛，第2類和第3類線路的接觸網(wǎng)懸掛類型均為彈性鏈型懸掛，且第2類線路的接觸線及承力索張力均大于第3類線路。

綜上分析，彈性鏈型懸掛且接觸線及承力索張力較大線路的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于簡單鏈型懸掛或接觸線及承力索張力較小的線路。

圖2 所選典型線路的聚類結(jié)果

3.3 趨勢分析

所選典型線路各年CDI平均數(shù)變化見圖3，其縱坐標(biāo)軸范圍均為［0，2］?？梢钥闯?，各條線路各年CDI平均數(shù)均保持在優(yōu)良狀態(tài)內(nèi)波動(dòng)，無明顯上升或下降趨勢。因此，各條線路各年的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能均處于總體穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3中線路D-d1各年CDI平均數(shù)在優(yōu)良狀態(tài)內(nèi)的波動(dòng)最大（標(biāo)準(zhǔn)差最大），因此以線路D-d1為例，對所選典型線路各年CDI平均數(shù)發(fā)生波動(dòng)的原因進(jìn)行分析。線路D-d1的CDI箱線圖見圖4。

圖3 所選典型線路各年CDI平均數(shù)變化

圖4 線路D-d1的CDI箱線圖

由圖4可以看出，線路D-d1的CDI變化趨勢可以粗略地劃分為上升和下降2個(gè)階段：2016年之前CDI均值一直處于緩慢上升階段，而2016年之后CDI均值開始持續(xù)下降。造成這種現(xiàn)象的原因在于：隨著線路運(yùn)行及通車數(shù)量的增加，接觸網(wǎng)設(shè)備的質(zhì)量在頻繁振動(dòng)中逐漸降低，導(dǎo)致CDI均值在2016年之前持續(xù)增加；d1局在2015年7—11月對線路D-d1的接觸網(wǎng)進(jìn)行過多處錨段關(guān)節(jié)調(diào)整，且2016年之后每年都會(huì)對該區(qū)段進(jìn)行多次針對性的接觸網(wǎng)狀態(tài)維修，導(dǎo)致CDI均值在2016年之后持續(xù)下降。

箱線圖中，矩形箱的長度在2018年之前變化不大，但2018年之后顯著減小，表明2018年之后，線路D-d1各位置處的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能差異性相較于之前有明顯下降，其主要原因在于d1局2018年間對線路D-d1進(jìn)行過接觸網(wǎng)三級修。

4 維修對接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響

d1局在2018年組織對線路D-d1進(jìn)行接觸網(wǎng)三級修，以接觸網(wǎng)三級修為例分析維修對接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

4.1 接觸網(wǎng)三級修前后CDI總體差異性對比

線路D-d1三級修前后CDI在不同區(qū)間的占比見表4，可以看出，三級修完成后CDI在區(qū)間0.5～1.0內(nèi)的占比由17.37%提升至65.05%，在區(qū)間1.0～1.5內(nèi)的占比由57.89%下降至30.11%，在區(qū)間1.5～2.0內(nèi)的占比由18.95%下降至3.32%。因此，從總體分布來看，接觸網(wǎng)三級修會(huì)對CDI產(chǎn)生顯著影響。

表4 線路D-d1三級修前后CDI在不同區(qū)間的占比 %

4.2 接觸網(wǎng)三級修前后CDI局部差異性分析

線路D-d1的CDI值在時(shí)間和里程平面上的投影見圖5?？梢钥闯?，K630.000—K640.000區(qū)段（區(qū)域a）及K610.000—K620.000區(qū)段 （區(qū)域b） 內(nèi)的CDI自2015年10月開始逐漸降低，且在2018年三級修前后有明顯變化。

圖5 線路D-d1的CDI值在時(shí)間和里程平面上的投影

在 K630.000—K640.000和 K610.000—K620.000區(qū)段內(nèi)，接觸網(wǎng)三級修前后接觸線高度及拉出值的部分檢測波形分別見圖6和圖7，圖中灰色線條為2018年3月的檢測波形，黑色線條為2019年1月的檢測波形?？梢钥闯觯壭尥瓿珊蠼佑|線高度平順性較之前有明顯提升。因此，從局部檢測波形來看，CDI的變化情況與接觸線高度的調(diào)整效果相符。

圖6 線路D-d1在區(qū)段K630.000—K640.000三級修前后檢測波形對比

圖7 線路D-d1在區(qū)段K610.000—K620.000三級修前后檢測波形對比

綜上分析，接觸網(wǎng)三級修會(huì)對接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能造成顯著影響。對其他維修類型采用類似方法進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示：CDI值在調(diào)整前后有顯著變化的情況包括接觸懸掛裝置調(diào)整、分相或錨段調(diào)整、補(bǔ)償裝置調(diào)整；CDI值在調(diào)整前后無顯著變化的情況包括隔離開關(guān)調(diào)整、其他調(diào)整（如防污改造、絕緣護(hù)套整治等）。

5 結(jié)論

以高速綜合檢測列車接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合維修數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析、聚類分析、趨勢分析和對比分析等大數(shù)據(jù)分析方法，對所選6條典型線路的CDI值在近10年內(nèi)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。第一，所選線路CDI值的10%分位數(shù)與90%分位數(shù)均處于0～2，且標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.5，即所選線路的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在近10年內(nèi)總體穩(wěn)定；第二，將各條線路CDI值的平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等6項(xiàng)統(tǒng)計(jì)量作為特征向量對線路進(jìn)行聚類，聚類結(jié)果與線路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)分類吻合，表明不同結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能之間存在優(yōu)劣性差異；第三，通過對比分析各條線路逐年CDI值的變化趨勢與接觸網(wǎng)維修節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)各年間接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能上存在的微小差異主要與接觸網(wǎng)維修有關(guān)，且不同類型的維修會(huì)對接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能造成不同程度的影響。由此可見，對接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，能夠?yàn)榫S修提供決策基礎(chǔ)，是開展“以檢定修”的重要保障。