基于综合检测车数据的锦华线大机捣固维修决策研究

Research on stamping maintenance of large machinery on Jinhua line based on comprehensive inspection vehicle data

摘要

以捣固为主的大型养路机械作业已成为有砟线路维修的最主要手段，能够有效改善线路不平顺性，保证列车安全、平稳运行。利用锦华线（锦赤线、赤大白线）综合检测车动态检测数据，结合现场实际，分析大型养护机械作业“轨道不平顺质量指数TQI（Track quality index）”变化规律，提出用于指导大机捣固维修作业的捣固维修质量指数MTQI（Maintenance track quality index），为锦华铁路（锦赤铁路、赤大白铁路）大机捣固维修作业精准施策、有的放矢提供科学依据，并对大机捣固维修计划编制提出创新性建议。

Abstract

The large machinery tamping has become the main means of ballast line maintenance, which can effectively improve the smoothness of the line and ensure the safe and stable operation of the train. This paper uses the dynamic detection data of the comprehensive inspection vehicle of Jinhua railway, combined with the actual situation of the site, to analyze the variation pattern of the TQI (track quality index) of the large maintenance machinery, and to propose the MTQI (maintenance track quality index) which can be used to guide the tamping maintenance, thus optimizing the tamping maintenance operation of large machinery of Jinhua railway. The paper also put forward some innovative suggestions for the preparation of large machinery tamping maintenance plan.

Graphical abstract

关键词

大机捣固 / 有砟线路 / 轨道不平顺质量指数（TQI） / 捣固维修质量指数（MTQI） / 维修计划

Key words

large machine tamping / ballasted line / track quality index / maintenance track quality index / maintenance plan

锦华铁路（锦赤铁路、赤大白铁路）全长627 km，自运营以来采用周期性平推式大机捣固维修作业模式。作业地段依靠人工添乘及现场人员经验决定，受人员技术水平限制，具有一定的盲目性。不科学的捣固作业不仅会增加捣固维修工作量及捣固作业成本，还可能造成对道砟的破坏。因此，锦华铁路工务专业亟需一种科学合理的方法指导大机捣固维修。针对大机捣固维修特点，一些专家学者已经进行过相关研究。许玉德等^[1]研究提出的大机捣固养护维修作业计划多目标决策模型，能够提供多个养护维修维护计划方案。徐伟昌^[2]研究了沪昆线浙赣段大机捣固作业区段的TQI数据，提出了以水平、左高低、右高低和三角坑4个单项指标之和作为大机捣固质量评价指标。本文立足于锦华线综合检测车轨道几何动态检测数据，通过对轨检数据以及历史维修数据的分析和诊断，做出线路维修的决策，科学合理编制维修计划，达到提高锦华铁路捣固作业维修质量和降低捣固作业成本的目的，对实现锦华铁路捣固作业的预防性维修和精细化管理有着重要意义。

1 捣固指数及管理标准研究

1.1 捣固前后检测数据分析

锦华铁路传统的养护维修计划及质量评价依靠车载式轨道检测仪、便携式添乘仪以及人工添乘等方式，这些检测手段受仪器灵敏程度及人员技术水平、养护维修经验等不确定因素影响，检测精度不高，对于线路养护维修指导存在一定盲目性^[3]。虽然在2021年4月锦华铁路引入了集探伤、轨检于一体的综合检测车，进入了工务数字化养护维修阶段，初步运用轨检数据中的重要指标“轨道不平顺质量指数TQI (Track quality index)”来评价区段的轨道不平顺程度，并取得了一定的优化成果，但是结合维修作业运用的实际情况，通过对捣固前后高低（左、右轨）、轨向（左、右轨）、水平、三角坑、轨距7个TQI单项的检测计算原理和线路大机捣固作业原理的研究发现，大机捣固维修对TQI每个单项的改善情况存在很大差异，说明用TQI来安排大机捣固计划和评价大机捣固质量是不够准确的。

为找出科学、合理的大机捣固维修评价指数，本文通过走访中国国家铁路集团有限公司各工务段，收集大量轨道动态检测数据和捣固维修信息，以弥补锦华铁路综合检测车投入运营时间短、数据量不足的缺陷。筛选出经历过大机捣固作业的区段，以TQI评价单元为依据，按照200 m为一个捣固维修作业单元，对比分析大机捣固前后检测数据变化规律，通过数据分析计算7项TQI单项指标轨道几何不平顺标准差的分布情况；通过捣固改善程度分析得出对大机捣固敏感的轨道几何项目^[4]。以横轴为TQI单项指标数值，纵轴为概率累积分布百分比，绘制累积分布图，如图1~图5所示。

1) 高低

由图1可知，在左、右高低相同的累积分布处，大机捣固作业后TQI数值更小，线路平顺程度明显提高，说明大机捣固作业能够有效改善线路的左、右高低。

2) 轨向

由图2可知，在左、右轨向相同的累积分布处，大机捣固作业后TQI数值更小，线路平顺程度明显提高，说明大机捣固作业能够有效改善线路的左、右轨向。

3) 水平

由图3可知，在水平相同的累积分布处，大机捣固作业TQI数值更小，线路平顺程度明显提高，说明大机捣固作业能够有效改善线路的水平。

4) 三角坑

由图4可知，在三角坑相同的累积分布处，大机捣固作业后TQI数值更小，线路平顺程度明显提高，说明大机捣固作业能够有效改善线路的三角坑。

5) 轨距

由图5可知，在轨距相同的累计分布处，大机捣固作业后TQI数值基本没有变化，说明大机捣固作业后线路轨距没有得到改善。

通过对比，大机捣固作业对TQI各单项标准差的影响存在差异。除轨距外，其他参数均得到了不同程度的改善^[5]。从维修地段大机捣固作业前后高低、轨向、水平、三角坑、轨距的累计积分图对比情况来看，捣固后高低、轨向、水平、三角坑4项在数值上总体分布趋于变小，表明大机捣固作业后高低、轨向、水平、三角坑均有所改善，其改善效果由大到小可大致排序为高低、三角坑、水平、轨向。轨距值的分布情况在捣固前后几乎无变化，说明轨距对大机捣固的敏感性较低，大机捣固作业对轨距改善效果不佳。因此，为了更准确地指导大机捣固维修管理，需要对TQI进行改良优化。

1.2 捣固维修质量指数

轨道几何标准差对大机捣固敏感性的分析表明，大机捣固对轨距的改善能力有限，即TQI中轨距项在大机捣固作业前后的分布情况几乎无变化。根据轨距、轨向的定义以及检测原理可知，轨向的偏差包含由轨道中心线引起的左轨向、右轨向的偏差和轨距的偏差引起的单股轨向偏差^[6]。根据大机捣固拨道作业原理，大机通过输入的拨道量和自动检测系统的补偿来进行拨道，作业后因轨距引起的轨向偏差几乎无变化，因轨道中心线偏差引起的轨向偏差会有所改善，而且轨道中心线偏差对左轨向、右轨向的影响基本一致，从图2中也能够得出这一结论。基于上述结论，剔除几乎无变化的轨距项和因轨距引起的单股轨向（取基准轨左轨向）偏差值，以水平、左高低、右高低、三角坑、右轨向5个单项指标之和得出适用于捣固维修的轨道质量评判指标——捣固维修轨道质量指数（Maintenance track quality index，MTQI），MTQI是基于轨检车检测的轨道质量指数TQI数据的统计分析，用来衡量轨道质量劣化发展达到大机捣固标准，直接用于大机捣固维修计划决策的一种新指标^[7]。作为设备状态变化规律与大机捣固作业二者相结合的评价指标，以便更科学地反映捣固前后线路设备状态变化规律，MTQI的计算公式如下：

MTQI={\delta }_{\mathrm{左高}\mathrm{低}}+{\delta }_{\mathrm{右高}\mathrm{低}}+{\delta }_{\mathrm{右轨}\mathrm{向}}+{\delta }_{\mathrm{水平}}+{\delta }_{\mathrm{三角}\mathrm{坑}}(1)

式中：δ{}_{\mathrm{左高}\mathrm{低}}、δ{}_{\mathrm{右高}\mathrm{低}}、δ{}_{\mathrm{右轨}\mathrm{向}}、δ{}_{\mathrm{水平}}、δ{}_{\mathrm{三角}\mathrm{坑}}分别为左高低、右高低、右轨向、水平、三角坑的200 mm评价单元的标准差，单位为mm。

1.3 确定捣固指数管理标准

我国现行《普速铁路线路维修规则》中TQI管理值是对国内相同等级线路的轨道质量指数TQI值进行统计分析，取满足80%累积分布的TQI值给出不同等级线路的轨道质量管理标准^[4]，见表1。从表1中可知，当前的管理标准是个范围，路局、工务段可根据线路的实际情况制定相应的管理标准，对某一条线路来说，一般采用统计全年每个200 m单元的轨道质量指数TQI累积分布情况，从而确定次年的TQI管理标准。本文采用相同的方法，取全年每个200 m单元的MTQI的80%累积分布值为捣固质量管理标准。为了确定锦华线2021年捣固指数管理标准，统计锦赤线和赤大白线2021年5月—11月共计7次轨检车的轨道质量指数TQI和捣固指数MTQI的累积分布，如图6~图9所示。具体分布情况如表2所示。由表2和图6、图7可知，在累计百分比为80%时，锦赤线TQI值为11.6 mm，MTQI值为9.3 mm。由表2和图8、图9可知，在累计百分比为80%时，赤大白线TQI值为12.81 mm，MTQI值为10.02 mm。

从以上图表中可以看出，锦赤线2021年满足80%累积分布的轨道质量指数TQI为11.6 mm，捣固指数为9.3 mm。赤大白线满足80%累积分布的轨道质量指数TQI为12.81 mm，取12.8 mm，捣固指数为10.02 mm，取10 mm。因此，确定2021年锦赤线轨道质量TQI管理标准为11.6 mm，捣固质量管理MTQI标准为9.3 mm，赤大白线轨道质量TQI管理标准为12.8 mm，捣固质量管理MTQI标准为10 mm，即锦赤线捣固指数MTQI达到9.3 mm及以上需要安排大机捣固维修，赤大白线捣固指数MTQI达到10 mm及以上需要安排大机捣固维修。

2 大机捣固方案优化

按照“状态修”的要求，在安排大机捣固维修计划时，尽可能减少“提前修”“过度修”的数量，以达到精准安排大机捣固维修计划及有限的大机捣固资源投入的效益最大化的目标，适应当前节支降耗、提质增效的要求^[7]。

本文采用直接计算捣固指数的捣固计划决策方法，以捣固指数MTQI为基础来确定锦赤线2021年6月份捣固维修决策优化方案。

1) 确定捣固单元

为了实行精准维修，需要大机作业车作业过程中停止作业，并运行至下一个作业区段。假设两个捣固区段间隔长度即转场距离为L_{\mathrm{1}}，转场间隔时间为t，在时间t内按照正常捣固作业能够完成的长度为L_{\mathrm{2}}。精准捣固维修的约束条件为：

当L_{\mathrm{2}}≥L_{\mathrm{1}}时不转场，即拉通捣固；当L_{\mathrm{2}}<L_{\mathrm{1}}时转场，即间隔捣固。因此，根据不同线路、不同捣固车作业实际情况，按照式(2)将计算得到的L_{\mathrm{2}}作为捣固最小长度，考虑捣固指数是200 m一个计算单元，取200 m的整数倍作为捣固指数计算单元，即捣固单元。

L_{\mathrm{2}}=t\times n_{\mathrm{1}}\times n_{\mathrm{2}}\times l_{\mathrm{0}}(2)

式中：t为转场间隔时长(min)，由捣固车作业人员熟练度决定；n_{\mathrm{1}}为每分钟下镐次数（次/min），由不同的捣固车设置决定；n_{\mathrm{2}}为每次下镐捣固轨枕根数（根/次），由不同的捣固车决定；l_{\mathrm{0}}为每根轨枕间距（m/根），由不同的线路区段决定。

锦赤线捣固车为09-3X型，捣固转场时收车和下一区段捣固前放车、试车需要10~15 min，每分钟下镐17次，每次捣固3根轨枕，轨枕间距0.6 m，根据式(2)计算最小捣固长度L_{\mathrm{2}}为：L_{\mathrm{2}}=12.5\times17\times3\times0.6=382.5 m。因此，为了达到精确捣固的目的，取整后确定锦赤线捣固区段的最小长度为400 m，即锦赤线捣固单元l=400 m。

2) 计算每个捣固单元的捣固指数

由于捣固指数MTQI以200 m为一个单元，但根据大型捣固机械作业特点，需对每400 m单元的捣固指数进行重新计算，取相邻两个200 m单元的MTQI的平均值作为400 m单元的捣固指数。因此，根据锦华铁路2021年5月27日综合检测车检测设备自动生成的数据，确定锦赤线2021年6月的捣固计划^[8]。运用Excel的高级筛选功能对检测数据进行筛选，由于上文计算出锦赤铁路MTQI超过9.3 mm时需要进行大机捣固作业，因此筛选出MTQI值大于等于9.3 mm地段，见表3。

对表3进行分析，起始里程和终止里程数据是由综合检测车里程定位系统自动采集生成，左轨向、右轨向、左高低、右高低、水平、轨距、三角坑值均是通过综合检测车走行部传感器自动采集，TQI值为综合检测车行程电脑将7项轨道单项参数的标准差之和进行计算得出，MTQI值将左轨向、轨距两项参数剔除后，对5项轨道单项参数的标准差之和计算得出。通过计算每200 m区段的MTQI值，从而依据捣固指数判断该区段是否需要列入大机捣固作业计划。

依据2021年5月27日的检测数据，结合大型捣固机械的实际作业特点，对需要大机捣固维修的地点进行整理分析，对相邻单元地段大型捣固机械来不及转场地段进行整合，对相邻捣固单元有一定距离，捣固机械可以进行转场地段进行划分，将200 m维修单元调整为400 m维修单元，以捣固指数MTQI大于9.3 mm为卡控标准，结合捣固单元的捣固指数计算和最小捣固单元间隔的分析得出2021年6月锦赤线需要大机捣固的地段统计表，见表4。

对表4进行分析，计算起始里程和计算终止里程是从表3中将200 m维修单元合并为400 m维修单元，从序号1开始，计算起始里程12 km+0 m和计算终止里程12 km+400 m，捣固地段长度为0.4 km，序号2中，计算起始里程14 km+0 m和计算终止里程14 km+400 m，两段的间隔距离为1.6 km，大于0.4 km，在序号1、2两个区段捣固机械具备转场条件，两段应分开列入维修计划中。序号2、3、4之间间隔距离为0 km，捣固机械不需要转场，将序号2、3、4中计算起始里程与计算终止里程合并成一个捣固维修区段，即将14 km+0 m至15 km+200 m列入维修计划，捣固长度1.2 km。以此类推制定完成6月份的捣固作业维修计划统计表。

基于捣固维修作业计划，结合线路及运输各方面实际条件，可根据MTQI值由大到小对大机捣固地段进行排序，分轻重缓急进行维修^[6]。从表4中可以得出6月份锦赤线需要纳入大机捣固计划的线路长度为28 km，原来依靠人工经验判断的大机捣固作业线路长度为42 km，将大机捣固维修精准度提高33%，从而达到不受技术人员经验影响，科学、合理选取捣固维修地段，彻底杜绝过维修或欠维修的目标，对充分利用综合检测车数据来指导大型捣固维修机械作业有一定的意义。

下一步将以该计算方法为基础，通过搜集大量检测数据，充分用于大数据分析技术，不断优化捣固指数MTQI管理值，结合不同的捣固机械实际情况，科学、合理地制定大机捣固维修计划。

3 结论

通过分析综合检测车数据，对比捣固作业对各TQI单项数值的影响情况，提出新的捣固指数指标，进而提出捣固质量管理标准，结合大机捣固设备类型、年度计划等进行捣固计划决策。主要结论如下：

1) 以锦华线TQI的统计分析为基础，提出了优化的捣固指数MTQI的概念和计算方法。通过捣固前、后的7个TQI单项的变化情况对比分析，左高低、右高低、三角坑、水平、左轨向、右轨向均有不同程度的明显改善，而轨距几乎无变化，说明轨距和由轨距引起的轨向偏差对于捣固质量管理和评价的真实性有一定的干扰。剔除大机捣固作业改变不明显的轨距和因轨距影响的单股轨向（取基准股左轨向），提出优化捣固指数MTQI的计算方法。

2) 以优化捣固指数MTQI为基础，统计分析确定锦华线2021年的捣固指数管理值^[9]。根据锦华线的轨道质量指数的概率累积分布统计，确定2021年锦赤线轨道质量TQI管理标准为11.6 mm，捣固指数MTQI管理标准为9.3 mm，赤大白线轨道质量TQI管理标准为12.8 mm，捣固指数MTQI管理标准为10 mm，即锦赤线捣固指数达到9.3 mm需要安排大机捣固维修，赤大白线捣固指数达到10 mm需要安排大机捣固维修。

3) 以锦华线捣固指数统计分析为基础，提出优化的锦华线大机精准捣固维修计划决策方法。根据锦华线大机类型及作业过程确定捣固单元，并计算全线每个捣固单元的捣固指数，将捣固指数与捣固质量管理标准进行对比，以锦赤线为例，提出2021年6月锦赤线需纳入捣固维修计划的地段，对锦华铁路机械化养护维修的精准实施具有一定的实际意义。

参考文献

[1] 许玉德, 赵梓含, 乔雨, 等. 大机捣固养修作业计划多目标决策模型[J]. 华东交通大学学报, 2019, 36(3):55-63.

[2] 徐伟昌. 大型养路机械捣固作业维修决策模型研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(1):152-157.

[3] 李仕毅. 基于灰色系统的神朔铁路捣固作业决策模型研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2019.

[4] 付宏贵. 基于轨检车数据的汉丹线大机捣固作业优化研究[D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2021.

[5] 毛帅. 京九线亳州至阜北区段轨道质量指数TQI分析及预测研究[D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2014.

[6] 徐菲. 基于动态检测数据的大机捣固最佳时机分析[D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2019.

[7] 李再帏, 练松良. 线路轨道状态时域与频域评价方法关系分析[J]. 铁道建筑, 2013(11):125-128.

[8] 李兵祖. 基于tanh函数的轨道平顺性分析评价[J]. 交通科技与经济, 2020, 22(5):72-80.

[9] 龙科. 轨道检查车检测数据的有效利用[J]. 铁道技术监督, 2013, 41(7):16-18, 20.