铁路客车运行状态地面监测方法及验证*

田光荣, 于卫东, 刘茂朕, 张瑞芳,3, 肖 齐, 陆 航

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081;2 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所， 北京 100081;3 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

众所周知，空车蛇行失稳已然成为危及我国干线提速过程中行车安全的严重隐患，列车脱轨事故是危害铁路运输安全的严重事故。以轮轨力地面连续测量为基础的车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)在动态监测货车运行状态方面发挥了积极的作用，其中运行状态不良(横向稳定性)报警车辆年均扣修约1 200辆，为货车提速和达速奠定了坚实的基础。

目前对于货车的蛇行失稳监测主要依靠地面监测方法，而对于客车的蛇行失稳监测主要是依靠车载方式进行，主要原因在货车属无源系统。对于客车而言，目前主要是依靠客车运行安全监控系统(TCDS)，具体是通过在转向架构架上安装加速度传感器，实时采集构架的横向振动信号，并提取构架横向振动特征，通过全列横向对比及各交路数据纵向分析，当监测到构架在特定工况下的横向振动信号发生异常时，即判定该车构架横向振动状态关注。该方法是参照了UIC 518的相关规定。对于铁路客车地面监测而言，从数据对比性、检修经济性等多个方面考虑，可参考现行货车运行状态不良地面监测方法对客车的运行状态实施监控。国外针对客车转向架的稳定性监测也主要是依靠车载方式进行，标准参照UIC的规定。

利用大数据方法，对铁路客车运行状态监测数据进行深入分析，借鉴铁路货车运行状态监测技术的成熟经验，耦合以车载监测数据的分析，以多系统耦合分析技术来展开铁路客车运行状态不良的地面监测技术及评估方法的研究，为铁路客车安全运行提供保障，且进一步改善运维经济性，为铁路客车实现健康管理奠定基础。

1 客车运行状态地面监测基础分析

1.1 轮轨力地面监测技术运用效果

(1)轮轨力地面连续测量

对比国内外的轮轨力检测方法，为满足检测要求，项目组确定采用自主知识产权的TPDS轮轨力连续测试关键技术，包括轮轨垂向力和轮轨横向力两部分。“移动垂直力综合检测新方法”可在不增大轨枕间距、不恶化轨道平顺性的条件下即可大幅度增加有效检测区长度。因为采用了较长的高平顺性测试平台和连续测量轮轨垂直、横向荷载技术，从测试的轮轨力波形、量值大小可捕获蛇行失稳车辆的主要动力学特征。

(2)客车踏面损伤监测功能的运用

目前全路联网运用的TPDS设备已超过140套，覆盖了80%左右的客车(年监测2 500万辆次左右)，近年的探测总量变化趋势如图1所示。

TPDS探测客车踏面损伤及处理结果如图2所示(注：其中2014年左右TPDS开始探测客车，故处理数据量小，存在误差)，以2018年为例，TPDS踏面损伤报警处理率超过97%，其中根据TPDS报警旋修轮对年均超过20 000余条，其中多边形轮对约30%。客车踏面损伤报警功能的应用是客车A1修从20万km延长至30万km的重要保障措施之一，客车同时根据KMIS数据显示：近年来裂纹故障下降90%以上，且TPDS客车运用相关内容已纳入新版《铁路客车运用维修规程》。

图1 TPDS年探测客车数量

图2 TPDS探测客车踏面损伤报警辆数及处理轮数

1.2 探测基础分析

车辆蛇行时左右轮交替冲击钢轨，在一个蛇行周期内将出现两个幅值接近、方向相反的峰值，即：若在左右钢轨上连续测量横向力，只要测区长度大于半个蛇行波的长度，就可以得到一个正峰值或负峰值，扑捉到蛇行特征。考虑到货车蛇行波长8～9 m，TPDS测区长度设置为4.8 m即可发现处于蛇行失稳状态。TPDS长度设置的原则是有效测区长度大于0.5倍蛇行波长，其长度应根据监测对象的特性来设置，对于客货通用TPDS设备的测区长度，设置为6.0 m。

客车蛇行失稳主频在4～5 Hz，针对80～160 km/h的运行速度，客货通用TPDS设备的6 m测区长度是能够满足其蛇行失稳半波长的要求，如图3所示。

图3 蛇行波长变化关系

目前，客货通用TPDS设备接入了KMIS系统，通过车号识别设备，TPDS系统可以自动采集通过列车的车次和车号信息，将检测信息与车号匹配后，以车号为索引，可以实现车辆、轮位、轴位的精确定位，从而为车辆故障的跟踪监控奠定了基础。识别率见图4所示。

图4 2017年全路车号识别率分布

图4给出的是TPDS设备对客车车号的识别率的结果，可知全路TPDS设备基本上车号识别率在80%～100%之间，集中在90%～100%平均识别率为98.31%。

TPDS为了有效区分同一转向架的不同车轴，每个测试区长度设定为1.6 m，由2根测试轨枕、4只二维板式传感器、2对剪力传感器构成。为了检测货车转向架蛇行失稳，有效测试区长度共4.8 m，分为3个测区。为满足探测客车需求，客货通用TPDS设备测区长度增长到6 m，布置如图5所示。

图5 既有客货通用TPDS探测站测区布置图

综合以上分析可知，客货通用TPDS设备具备探测客车运行状态不良的基础，是可行的。

2 客车运行状态地面监测技术及评估方法

2.1 总体技术方案

TPDS探测客车运行状态不良的工作首先是针对性的进行物理层面的分析，也即适用于该项功能运用的分析，在此基础上通过客货通用TPDS探测设备收集到的客车通过数据(以轮轨横向力和垂向力为主，同时包含相关时间、速度和车号等基本信息)，基于大数据分析建立客车运行状态评判模型，并通过相关信息进行持续修正，在单次评分的基础上进行联网评判。

TPDS能实时在线地监测通过车辆轮轨间动力学参数，需要强调的是TPDS监测的是车辆通过高平顺监测平台时的轮轨相互作用。高平顺监测平台稳定的结构剔出了轨道不平顺对测试结果的影响，使监测结果更多地反映了车辆本身的特性。TPDS对货车运行状态的评判采用了美国FRA轨道安全标准中指标，运用实践表明结果科学合理，因此客车运行状态评判时继续沿用FRA的相关标准。

图6 技术路线示意图

2.2 运行状态不良评分策略总体技术方案

TPDS是利用地面固定设施对移动设备进行监测的安全设备，其特点是监测对象众多、监测频次高，但单次轮轨间相互作用的监测结果不可避免包含一定随机因素。在充分借鉴货车运行状态不良监测功能实践经验的基础上，提出客货通用TPDS设备探测客车运行状态不良的评判的基本原则是“分散检测、集中报警”，具体过程包括：①探测站数据采集；②参数计算；③探测站评分；④联网评判四4个步骤。

图7 TPDS客车运行状态不良监测及评判步骤

由图8中可以看出，在分析对象(50～180 km/h)的约6万客车通过数据样本中，通过速度较高且较为集中的范围是80～100 km/h、110～120 km/h，分别的占比约为44%、24%，故制定80 km/h为有效通过速度。单个TPDS探测站对通过速度大于80 km/h(有效通过)的客车进行运行状态评分，TPDS查询中心汇集了全路TPDS探测站评分，在此基础上对每辆客车进行运行状态的联网评判。TPDS联网评判采用了“滑动累加”的方法，“滑动累加”的窗口长度为7次有效通过，即对每辆客车采用其最近7次有效通过的运行状态评分之和作为该车运行状态联网评分，运行状态联网评分表征了该车近期的动力学性能。TPDS联网评判中滑动平均“窗口”长度的选取考虑两个因素，其一随机因素的剔出，TPDS探测站级评分及对应的运行状态积分不可避免包含随机因素，因此滑动平均窗口越长，联网积分包含的因素越少；其二数据的实效性，货车运行状态在一个动态变化过程中，太久的数据对表征目前的货车运行状态意义不大。但是对于客车而言，其有固定配属，检修有保障，且大部分时间运行在相对固定的区段，虽然目前全路近150套TPDS设备中仅约40余套为客货通用TPDS设备(注：目前正逐步技改为客货通用设备)，即具备探测客车运行状态不良的条件，但是从运用角度出发，7天的窗口函数是满足要求的。

对于货车的运行状态不良监测，前期的积分是110分，后期逐步修订为60分。对于铁路客车而言，从客货车辆速度差异、结构差异以及运用和维修差异入手考虑，其运行状态不良积分阈值初步分析确定为60分。

图8 客货通过TPDS设备客车通过主要速度分布

2.3 评判模型的建立

在充分总结货车运行状态不良TPDS评判方法及模型的基础上，结合客车的结构特点和运用实际，建立了客车运行状态不良评判模型，并利用现场测试数据进行修正。流程示意图如图9所示。

3 客车运行状态不良数据分析及验证

以某典型车载探测数据进行分析。该车在TCDS专家系统的横向和纵向比较中发现异常，即“构架横向振动状态关注”，如图10～图11所示，该车在同列中横向振动特征的对比结果，其幅值明显大于其他车辆，特别是速度级更高的区段。

图9 评判模型建立流程

图10 同列车构架横向振动特征对比

图11 同列车构架横向振动特征随速度变化趋势

图12 TPDS轮轨力监测数据

图12给出的是地面TPDS探测站测量得到的该车的轮轨力数据，从中可知该车轮轨横向力存在横向交替振荡特征，垂向力也有交替增减载的现象，符合蛇行失稳的特征定义。从这个角度出发，地面TPDS设备对于车辆横向失稳(运行状态不良)的监测与车载TCDS的监测结果在一定程度上是吻合的。

通过维修履历可知，该车A2修时一位转向架轮径差为4.5 mm(注：《客车运用维修规程》中的规定为≤10 mm)。轮径差过大，导致车辆横向振动加剧，同时也加剧了车轮磨耗(二位轴踏面圆周磨耗为3.5 mm和4.0 mm)。后续对该车更换了全部轮对，恢复上线后转向架横向振动特征恢复正常。

在更换轮对后地面TPDS设备的监测结果可知横向力和垂向力均正常。对比分析也可知，轮径差是造成转向架横向稳定性变差的原因之一。在更换轮对之后，由于轮径差和踏面圆周磨耗引起的轮轨力异常明显减小，最为显著的整个测区内横向力的变化趋势，其周期性往复振荡的趋势明显较小，可知在更换轮对之后车载构架横向加速度监测结果和地面轮轨力的监测结果均有效降低，二者具有较好的一致性。这与前期TPDS探测货车运行状态不良的维修策略是存在一致性。因此，针对TPDS客车运行状态不良报警的车辆，针对性的维修策略即为轮对旋修，后期将进一步通过仿真分析予以验证，同时将分析悬挂参数等的影响。

4 结 论

(1)从文中的对比分析结果可知，以轮轨力地面连续测量为基础的方法作为客车运行状态地面监测的技术手段是合理、可行的；

(2)以地面轮轨力为基础，在对客车单次通过探测站的运行状态进行有效评分的基础上，通过制定“分散监测、集中报警”的客车运行状态不良监测技术方案及评估方法是具备可实施性的，且通过车载振动测试等予以了有效验证；

(3)结合运行状态不良车辆的动力学指标分析、检修技术作业记录及仿真分析可知，轮径差和转向架一系横向定位刚度是影响客车运行状态不良的主要因素之一。