羅依夢，孟景輝，許慶陽，王曉東，楊樹忠，楊 吉

(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)

引言

我國鐵路正在快速發(fā)展，軌道電路作為列控系統(tǒng)的重要組成，在維護(hù)行車安全方面起著至關(guān)重要的作用[1]。目前我國采用微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)分別在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)條件下對軌道電路狀態(tài)進(jìn)行測試評估[2]。在信號動(dòng)態(tài)檢測中，主要是基于故障診斷的方式，通過判斷動(dòng)態(tài)檢測各項(xiàng)指標(biāo)是否超限對軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行定性描述，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，預(yù)防故障發(fā)生[3]。隨著信號動(dòng)態(tài)檢測的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)場積累了大量的養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)，僅依靠故障診斷的數(shù)據(jù)分析結(jié)果已不能滿足現(xiàn)場的需要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全年軌道電路故障區(qū)段占執(zhí)行動(dòng)態(tài)檢測區(qū)段數(shù)量不到萬分之一，故障樣本過少對軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量的趨勢性研究產(chǎn)生了阻礙。另一方面，故障/非故障的定性描述方式僅能從某一個(gè)側(cè)面對軌道電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行描述，無法全面、直觀地掌握軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量。因此，需要提出一套合理且適用于現(xiàn)場的軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量綜合評價(jià)方法，通過量化指標(biāo)對軌道電路的整體及各方面動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行描述，提升動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)分析水平，為趨勢性、規(guī)律性研究提供支撐。

各專業(yè)基于動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評價(jià)開展了大量研究，并取得了多項(xiàng)成果。工務(wù)方面，陳東生[4]利用Sigmoid 函數(shù)將各軌道平順性指標(biāo)進(jìn)行歸一化，基于層次分析法建立了高速鐵路軌道平順性綜合評價(jià)模型，提出軌道平順性指標(biāo)(TCI)，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路軌道不平順狀態(tài)評價(jià)。供電方面，自2016年起依托弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)計(jì)算的接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)(CQI)已在全路范圍內(nèi)推廣使用[5]。在此基礎(chǔ)上，王婧等[6]依據(jù)CQI的應(yīng)用分析對評價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能指數(shù)(CDI)，使評價(jià)結(jié)果更客觀合理。通信方面，馬良德[7]建立了GSM-R服務(wù)質(zhì)量評價(jià)體系，綜合檢測數(shù)據(jù)、接口監(jiān)測數(shù)據(jù)及網(wǎng)管數(shù)據(jù)提出GSM-R服務(wù)質(zhì)量評價(jià)指數(shù)(GQI)，對列車通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估描述。信號方面，王曉東[8]提取軌道電路傳輸特性參數(shù)進(jìn)行變化規(guī)律分析，并在此基礎(chǔ)上，針對高速鐵路數(shù)據(jù)，建立了基于層次分析法的軌道電路動(dòng)態(tài)檢測質(zhì)量評價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量的狀態(tài)評價(jià)[9]。

然而，既有軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)方法尚存在一些不足。一是特征指標(biāo)選取不合理。例如：出入口電流指標(biāo)評價(jià)中，該評價(jià)方法未考慮《普速鐵路信號維護(hù)規(guī)則》中相關(guān)要求；傳輸曲線變化量指標(biāo)評價(jià)中，僅考慮了數(shù)據(jù)特征，未考慮軌道電路傳輸原理，特征指標(biāo)無法與軌道電路實(shí)際傳輸性能的劣化相對應(yīng)，缺乏合理性等。二是指標(biāo)權(quán)重分配缺乏客觀性，未體現(xiàn)區(qū)分度。該評價(jià)方法采用專家打分法確定權(quán)重分配，受主觀影響較大，且在構(gòu)建指標(biāo)權(quán)重向量時(shí)，未充分考慮檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征，評價(jià)結(jié)果未體現(xiàn)足夠的區(qū)分度，無法體現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的變化，從而無法應(yīng)用評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行各類深入分析。針對上述問題，對評價(jià)模型的指標(biāo)選取及權(quán)重分配進(jìn)行了改進(jìn)，提出高速、普速線路均適用的軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)方法。首先，基于動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)提取7項(xiàng)特征指標(biāo)，對動(dòng)態(tài)檢測中各類異?，F(xiàn)象進(jìn)行量化描述，根據(jù)各特征指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重形成綜合評價(jià)指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量的直觀把控。針對指標(biāo)權(quán)重分配不合理的問題，提出基于混合整數(shù)線性規(guī)劃(Mixed Integer Linear Programming，MILP)的權(quán)重優(yōu)化模型。結(jié)合典型線路動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)，利用軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)(TEI)計(jì)算結(jié)果對軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)影響因素展開分析。

1 軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量綜合評價(jià)

1.1 軌道電路動(dòng)態(tài)檢測

信號動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)搭載于檢測列車，在列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)軌道電路、補(bǔ)償電容、牽引回流等信號設(shè)備的狀態(tài)檢測[10]。信號動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。

在檢測列車行進(jìn)過程中，軌道電路被列車第一輪對分路，STM線圈通過電磁感應(yīng)接收軌道電路鋼軌中傳輸?shù)碾娏餍盘枺瑢?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下軌道電路的非接觸測量[11]。軌道電路動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)主要包括：4種載頻信號及工頻信號感應(yīng)電壓、載頻頻率、低頻頻率、碼序等。軌道電路動(dòng)態(tài)檢測各信號感應(yīng)電壓曲線示意如圖2所示。

圖2 軌道電路信號感應(yīng)電壓示意

動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)反映了軌道電路在動(dòng)態(tài)條件下的工作狀態(tài)。正常情況下，載頻信號感應(yīng)電壓曲線由發(fā)送端至接收端隨補(bǔ)償電容安裝位置呈現(xiàn)拱形下降趨勢，其余信號感應(yīng)電壓應(yīng)保持較低水平[12]。當(dāng)軌道電路動(dòng)態(tài)性能下降時(shí)，可通過觀察動(dòng)態(tài)檢測各項(xiàng)參數(shù)呈現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行判斷。常見的動(dòng)態(tài)檢測異?，F(xiàn)象包括以下4個(gè)方面。

(1)干擾：機(jī)車信號接收到本區(qū)段以外的不正常頻率信號，且該信號最高幅值大于臨界電壓、持續(xù)時(shí)間較長。干擾按照干擾信號的來源分為工頻干擾、鄰區(qū)段干擾、鄰線干擾[13]。

(2)感應(yīng)電壓不連續(xù)：機(jī)車信號在本區(qū)段內(nèi)瞬間或連續(xù)接收到本區(qū)段載頻信號幅值低于臨界電壓，嚴(yán)重時(shí)低頻碼序接收存在中斷[14]。

(3)傳輸電流超限：在入口或出口處載頻信號換算得到的鋼軌傳輸電流低于最小短路電流或站內(nèi)電碼化區(qū)段傳輸電流高于最大限制電流[15-16]。

(4)補(bǔ)償電容失效：補(bǔ)償電容脈沖信號下降且補(bǔ)償電容位置對應(yīng)的軌道電路感應(yīng)信號曲線出現(xiàn)幅值降低[17]。

1.2 軌道電路綜合評價(jià)方法

1.2.1TEI計(jì)算方法

本文結(jié)合軌道電路動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)特征，以工頻干擾度、鄰區(qū)段干擾度、鄰線干擾度、入口電流、出口電流、感應(yīng)電壓連續(xù)性及補(bǔ)償電容狀態(tài)7個(gè)特征指標(biāo)，建立軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系，綜合計(jì)算得到軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)(TEI)，從而對軌道電路動(dòng)態(tài)條件下的工作狀態(tài)進(jìn)行描述。軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系各項(xiàng)特征指標(biāo)及其含義見表1。

表1 特征指標(biāo)及其含義

軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量綜合評價(jià)方法以單個(gè)軌道電路區(qū)段作為最小評價(jià)單元，以綜合指標(biāo)TEI反映軌道電路動(dòng)態(tài)性能。TEI計(jì)算步驟如下。

步驟1 基于區(qū)段動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)提取特征指標(biāo)j∈[1，7]，對于無法用實(shí)測值進(jìn)行描述的指標(biāo)，通過對實(shí)測值進(jìn)行歸一化轉(zhuǎn)化為代表強(qiáng)度的特征指標(biāo)。

步驟2 對特征指標(biāo)Tj進(jìn)行評價(jià)計(jì)算得到TEI分量teij，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閾值函數(shù)Sigmoid函數(shù)將teij值域映射至[0，100]，Sigmoid函數(shù)形如式(1)[18]。式中，aj，bj為常量，用于規(guī)定評價(jià)函數(shù)曲線的形狀。

(1)

步驟3 采用基于MILP的權(quán)重分配模型確定TEI各分量teij對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)ρj。

TEI及其各分量不同評價(jià)結(jié)果代表的軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量等級如表2所示。

表2 軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量分值

1.2.2 權(quán)重分配

不同特征指標(biāo)對軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量的影響程度難以量化描述，既有軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)方法采用專家打分法對各特征指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)[9]，但該方法受主觀影響較大，權(quán)重分配缺乏合理性，導(dǎo)致TEI無法合理量化軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量。因此，需要對現(xiàn)有的權(quán)重分配方式進(jìn)行優(yōu)化，保證TEI與區(qū)段實(shí)際質(zhì)量等級一致，使TEI可以更準(zhǔn)確地描述軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量。

針對上述問題，本文基于混合整數(shù)線性規(guī)劃建立了軌道電路評價(jià)權(quán)重分配優(yōu)化模型?；旌险麛?shù)線性規(guī)劃模型是線性規(guī)劃模型的擴(kuò)展，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代決策問題，其本質(zhì)是在相互關(guān)聯(lián)的多變量約束條件下，解決目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化問題[19]。模型應(yīng)用步驟如下：首先，選取典型區(qū)段作為訓(xùn)練集，通過回放檢測數(shù)據(jù)、查閱檢測報(bào)告確認(rèn)訓(xùn)練集各區(qū)段軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量等級；然后將各區(qū)段TEI分量與質(zhì)量等級作為模型輸入，利用分枝定界法[20]尋找模型全局最優(yōu)解，獲得最符合實(shí)際應(yīng)用的指標(biāo)權(quán)重向量。模型中所涉及參數(shù)及變量如表3所示。

表3 權(quán)重分配模型所用參數(shù)及變量

綜合指標(biāo)TEI由其各分量評分加權(quán)計(jì)算，則對于區(qū)段i有

(2)

ρj表示各TEI分量的權(quán)重，應(yīng)滿足

ρj≠0，?j∈J，

(3)

(4)

(5)

(6)

式(5)、式(6)表明，當(dāng)且僅當(dāng)TEIi與其所屬分值區(qū)間一致時(shí)，有ξi=0；其他任意情況下，ξi=1。

模型的目的是尋找最優(yōu)的權(quán)重向量，使得綜合指標(biāo)可以更好地描述軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量，因此TEI分值應(yīng)盡可能落在對應(yīng)質(zhì)量等級的分值區(qū)間內(nèi)。據(jù)此，目標(biāo)函數(shù)寫為

(7)

利用IBM CPLEX求解器對所提出的權(quán)重分配模型進(jìn)行求解，模型輸入?yún)^(qū)段共計(jì)24個(gè)(包含正常區(qū)段以及存在各類異?，F(xiàn)象的區(qū)段)，求解過程耗時(shí)3.06 s。根據(jù)模型求解結(jié)果，TEI計(jì)算公式如下

(8)

2 軌道電路動(dòng)態(tài)性能分析

2.1 區(qū)段評價(jià)分析

應(yīng)用本文所提出的軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量綜合評價(jià)方法，對照動(dòng)態(tài)檢測報(bào)告中上報(bào)的軌道電路問題，選取存在軌道電路異常現(xiàn)象的典型區(qū)段進(jìn)行分析，各區(qū)段波形如圖3所示。

圖3 典型區(qū)段原始波形

本文改進(jìn)后的軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量綜合評價(jià)方法與文獻(xiàn)[9]所得TEI對比如表4所示。與TEI(采用文獻(xiàn)[9]方法)相比，TEI(本文方法)4個(gè)區(qū)段分?jǐn)?shù)更具區(qū)分度，且分?jǐn)?shù)更能反映區(qū)段實(shí)際軌道電路傳輸性能的優(yōu)劣。

表4 TEI優(yōu)化結(jié)果對比

4個(gè)區(qū)段所對應(yīng)的軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)結(jié)果(本文方法)如表5所示。

表5 軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)結(jié)果(本文方法)

區(qū)段A檢測發(fā)現(xiàn)鄰線干擾信號幅值超過200 mV，區(qū)段內(nèi)不存在其他軌道電路異常現(xiàn)象，鄰線干擾項(xiàng)評分為39.7，其余各項(xiàng)評分均接近滿分，綜合TEI評分87.85；區(qū)段B存在較大工頻干擾，且伴隨鄰線干擾信號，工頻干擾、鄰線干擾兩項(xiàng)評分較低，綜合TEI評分為71.06；區(qū)段C不存在干擾信號，但入口處機(jī)車接收到的感應(yīng)信號幅值低于200 mV，入口電流、感應(yīng)信號連續(xù)性評分僅為42.2、4.73，綜合TEI為59.73；區(qū)段D干擾信號、感應(yīng)信號均正常，但當(dāng)次檢測存在一個(gè)補(bǔ)償電容失效，補(bǔ)償電容狀態(tài)評價(jià)為80分，區(qū)段內(nèi)存在一個(gè)補(bǔ)償電容失效是可容忍的，綜合TEI為98.57分。

2.2 影響因素分析

對某線路某月信號檢測軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究不同線路條件、兩端絕緣節(jié)不同類型時(shí)TEI及其各分量的分布規(guī)律，分析影響軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量的外界因素。

2.2.1 線路條件

密度函數(shù)能夠描述變量在各個(gè)取值處的占比情況，不同線路條件下TEI的概率密度函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 TEI概率密度曲線(按線路條件統(tǒng)計(jì))

圖5所示為不同線路條件下軌道電路區(qū)段TEI各分量分布情況。結(jié)合圖4、圖5可以看出，隧道位置區(qū)段TEI分?jǐn)?shù)稍低于橋梁。結(jié)合實(shí)際情況分析，由于長大隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，維護(hù)困難，易受干擾信號串?dāng)_，位于隧道內(nèi)的區(qū)段鄰線、鄰區(qū)段干擾分?jǐn)?shù)較低。

圖5 TEI分量分布(按線路條件統(tǒng)計(jì))

2.2.2 軌下道床

不同道床類型下TEI的概率密度函數(shù)曲線如圖6所示。

圖6 TEI概率密度曲線(按軌下道床統(tǒng)計(jì))

圖7所示為不同道床類型的軌道電路區(qū)段TEI各分量分布情況。結(jié)合圖6、圖7可以看出，無砟軌道區(qū)段TEI分?jǐn)?shù)整體高于有砟軌道區(qū)段。結(jié)合線路條件分析，有砟軌道道砟易發(fā)生漏泄，絕緣下降導(dǎo)致相鄰區(qū)段載頻信號幅值有所上升，因此相較無砟區(qū)段TEI稍低。

圖7 TEI分量分布(按軌下道床統(tǒng)計(jì))

2.2.3 區(qū)段兩端絕緣節(jié)

區(qū)段兩端不同絕緣節(jié)類型的軌道電路區(qū)段TEI概率密度曲線如圖8所示。

圖8 TEI概率密度曲線(按絕緣節(jié)類型統(tǒng)計(jì))

圖9所示為兩端不同絕緣節(jié)類型的軌道電路區(qū)段TEI各分量分布情況。結(jié)合圖8、圖9可以看出，兩端均為機(jī)械絕緣節(jié)的區(qū)段感應(yīng)信號連續(xù)性相比其他情況稍差，導(dǎo)致該類型區(qū)段綜合TEI稍低；發(fā)送端為電氣絕緣節(jié)的區(qū)段干擾信號相關(guān)TEI分值較低，無論其接收端絕緣節(jié)為何種類型。

圖9 TEI分量分布(按絕緣節(jié)類型統(tǒng)計(jì))

3 結(jié)論

本文在既有評價(jià)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出適用于現(xiàn)場的、易于實(shí)現(xiàn)的軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量綜合評價(jià)方法，同時(shí)結(jié)合某線路動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)，對評價(jià)方法的結(jié)果展開分析。

通過區(qū)段評價(jià)結(jié)果可知，相比現(xiàn)有軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量綜合評價(jià)方法，改進(jìn)的評價(jià)方法更具合理性，且具備足夠的區(qū)分度。改進(jìn)的TEI可以準(zhǔn)確地描述軌道電路實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，從而改變目前針對軌道電路以檢測問題為導(dǎo)向的定性描述現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)為以綜合評價(jià)指標(biāo)對各類軌道電路動(dòng)態(tài)檢測問題進(jìn)行定量分析，滿足現(xiàn)場實(shí)際需求。

通過影響因素分析結(jié)果，得出以下結(jié)論。

(1)按照線路條件區(qū)分，隧道內(nèi)部區(qū)段更易產(chǎn)生鄰線鄰區(qū)段干擾，teiLX、teiLQD偏低影響TEI，導(dǎo)致該類型區(qū)段軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量低于橋梁區(qū)段。

(2)按照軌下道床類型區(qū)分，石砟鋪墊的區(qū)段更易產(chǎn)生鄰區(qū)段干擾信號串入，teiLQD偏低影響TEI，導(dǎo)致該類型區(qū)段軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量低于無砟區(qū)段。

(3)按照區(qū)段兩端絕緣節(jié)類型區(qū)分，發(fā)送端為機(jī)械絕緣節(jié)、接收端為電氣絕緣節(jié)的區(qū)段軌道電路動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量最好，送受兩端均為機(jī)械絕緣節(jié)的區(qū)段感應(yīng)信號幅值較低、連續(xù)性稍差；發(fā)送端為電氣絕緣節(jié)的區(qū)段則更易受到非本區(qū)段載頻信號串?dāng)_。