车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)称重稳定性分析

李旭伟，秦 菊，李甫永，谭佳丰，陈天柱

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)是我国铁路车辆运行安全防范与预警系统(5T)的重要装备。该系统通过设在轨道上的高平顺性框架式测试平台，采用全新的“移动垂直力综合检测的新方法”以及横向力连续测量方法，实时在线检测车辆运行过程中轮轨间的动力学参数，从而实现对车辆装载的超偏载状态、车辆运行状态以及车轮踏面损伤的识别、评判。TPDS称重检测是实现TPDS各项功能的基础数据保障，称重检测的准确度及稳定性对TPDS各项功能检测的精度至关重要。本文从称重检测角度出发，利用全路联网TPDS随机检测的砝码车数据，采用正态分布的概率论与数理统计的方法对TPDS称重检测的准确度和稳定性进行分析。

1 TPDS称重检测数据的统计分析方法

TPDS检测的车辆重量是受诸多因素影响的随机变量，通过大量数据统计分析，证明其服从典型的正态分布。根据正态分布与数据统计的知识，如果 TPDS检测的砝码车重量误差

式中 X——砝码车称重检测误差。

μ——均值，描述X分布的集中位置。

σ——标准偏差，描述X分布的分散程度。

当TPDS检测的车辆重量最大允许误差为3%时，随机检测的车辆重量合格(即满足最大误差范围)的概率为

因此，求出各TPDS探测站随机检测的砝码车重量误差均值和重量误差的方差并借助标准正态分布表，即可估算出各TPDS探测站检测车辆重量合格的概率。本文根据检测的车辆重量合格概率来评判各TPDS探测站称重检测的准确性及稳定性。

2 TPDS年度内称重稳定性分析

以已知标准重量的T6DK，T6FK，T7砝码车为对象，以其2010年度通过TPDS各探测站实际检测的结果为样本，分析TPDS的称重检测准确度及年度内称重稳定性。

2010年度全路有砝码车通过，且通过辆次≥5次的TPDS探测站共有56个，各探测站检测砝码车的平均误差、误差的标准偏差详见表1。将TPDS对车辆称重检测合格的概率分级，其中概率≥95%的分级为优秀，概率≥85%，且 ＜95%的分级为良好，概率 ＜85%的分级为差，检测合格概率分布见图1。以TPDS称重检测的合格概率做Y轴、误差标准偏差做X轴绘制XY散点图，如图2。

从表1、图 1及图2可以看出:① 被检测的56个TPDS探测站中，有49个探测站(占全部探测站的88%)称重检测的误差合格率为优秀，4个探测站(占全部探测站的7%)为良好，3个探测站(占全部探测站的5%)为差，说明绝大部分TPDS探测站称重检测的误差合格率能够满足TPDS系统最大称重检测误差的要求，但个别探测站检测合格率较低，设备状态较差。②TPDS称重检测的离散度即标准偏差越大，TPDS称重检测稳定性越差、检测合格概率越低。

表1 2010年度各TPDS探测站检测砝码车情况

图1 车辆称重检测合格概率分布

3 不同年度TPDS称重检测数据稳定性分析

图2 车辆称重检测合格概率与标准偏差分布

以已知标准重量的 T6DK，T6FK，T7砝码车为对象，以2008年、2009年和2010年度每年各TPDS探测站实际检测的砝码车平均误差、标准偏差为样本，分析TPDS各探测站称重检测稳定性情况。详细数据见表2。

表2 2008年—2010年度各TPDS探测站年度检测砝码车情况

将2008年—2010年各TPDS探测站年度车辆称重检测的标准偏差分级，其中标准偏差≤1%的分级为优秀，标准偏差＞1%，且≤2%的分级为良好，标准偏差＞2%的分级为差，各探测站标准差分布见图3。

图3 各TPDS探测站年度称重检测误差标准偏差分布

从表2和图3可以看出，被检测的40个TPDS探测站中，对于连续3年的年度称重检测的误差标准偏差有35个探测站(占全部探测站的87%)为优秀，有4个探测站(占全部探测站的10%)为良好，有1个探测站(占全部探测站的3%)为差，说明绝大部分 TPDS探测站称重检测的误差离散度较小，系统较稳定，但个别TPDS探测站称重检测的误差标准偏差较大，系统稳定性较差。

4 结论及原因分析

通过对各TPDS探测站称重检测一年内数据的准确性、稳定性以及连续三年内数据的稳定性分析可以得出如下结论:

1)绝大部分TPDS探测站具有良好的称重检测准确性及系统稳定性，其根本原因在于:① 从测试原理上，TPDS采用了“移动垂直力综合检测的新方法”。该方法可以连续检测较长一段时间内车轮垂直力增减变化过程数据的平均值，而不像传统的现场轮轨垂直力测试方法(单点轮重检测)，只检测波动过程的某个瞬时值，因此，TPDS称重检测准确度较高;② 从设备结构特点上，TPDS采用了平顺性和稳定性好、抗扭曲能力强的高平顺性的框架式轨道测试平台。该测试平台一方面可最大限度地消除普通轨道不平顺引起的车辆浮沉、点头、侧滚等振动形成的“附加动荷增量”;另一方面也可有效地减小普通轨道扭曲产生的“轮重转移”，从而保证了称重检测数据的准确性和稳定性。

2)个别TPDS探测站称重准确性及系统稳定性较差，其原因可能在于:① TPDS高平顺性测试平台维修养护不利，TPDS安装区段线路要求满足方向不平顺＜4 mm，高低不平顺 ＜3 mm，轨距误差为 -1 mm～+3 mm，三角坑(基长2.4 m)＜4 mm，无空吊板现象，轨道部件和道床、路基状态须严格按照我国时速200～250 km/h线路养护维修规范进行维修，但个别TPDS安装区段长期缺乏养护维修，造成测试平台指标不满足设计要求，使测试平台根本起不到消除“附加动荷增量”和“轮重转移”的作用，从而导致称重的准确性降低，稳定性差;②“TPDS设备检修维护管理规程”要求对系统轮轨力测试核心部件传感器的状态进行定期检测、对整套系统定期标定，但个别TPDS探测站因施工组织等原因，无法保证按时检测、标定。

目前，全路安装的TPDS数量已接近100套，而且按照铁道部的规划TPDS的数量在逐年增加，为更好地实现TPDS的各项功能，充分发挥TPDS保障铁路行车安全的作用，建议以TPDS检测数据为依据，加强对TPDS测试平台的养护维修，并根据“TPDS设备检修维护管理规程”要求定期对关键部件进行检测、对整套系统进行标定。

［1］潘振，冯毅杰.货车运行状态地面安全监测系统(TPDS)设置框架式测试平台的必要性分析［J］.铁道建筑，2008(8):103-105.

［2］中华人民共和国铁道部.铁运函［2007］776号 TPDS、TADS、TFDS设备检修维护管理规程［S］.北京:中国铁道出版社，2007.