弓网运行质量指数评价函数优化研究

2020-11-03王婧张文轩王斌杨志鹏汪海瑛孙刚刘伟

中国铁路 2020年8期

王婧，张文轩，王斌，杨志鹏，汪海瑛，孙刚，刘伟

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京100081；2.中国铁路沈阳局集团有限公司工电检测所，辽宁沈阳110000；3.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司工电检测所，新疆乌鲁木齐830001）

0 引言

2016年9月，以高速弓网综合检测装置（1C）的检测数据为依据获得接触网运行质量指数（CQI）在全路范围内使用，该指数与“优良率”及“动态检测一级缺陷”反馈情况共同作为接触网设备质量的评价依据，服务于供电系统设备管理［1］。CQI充分利用1C装置检测数据，实现了对接触网区段质量的量化描述，并对未检测出缺陷的区段提供了维修指导建议。CQI的应用使采用1C检测数据评价接触网区段动态运行状态的方法获得了广泛认可，但在应用过程中也发现该指数存在部分不足，仍需继续完善。

CQI中各评价项目所占权重相等，对于受外部环境影响较大的燃弧分量而言，其在评价中所占权重较大，从而导致评价结果不够合理。另外，在构建各指标的评价函数时，CQI未充分考虑各项目检测数据的统计特征，导致评价指标缺乏足够的区分度。以CQI为基础，提出接触网动态性能指数（Catenary-pantograph Dynamic Index，CDI），该指数充分考虑各评价项目之间的差异性及数据特征，明确使用场景及评价对象，完善CQI存在的不足，使评价结果不仅更客观而且具有更合理的区分度。

1 评价函数选择

综合评价指数以弓网动态检测项目的检测数据为依据，各检测项目量纲各异，因此，需要对各个评价项目进行无量纲化处理［2］。常用的无量纲化方法包括：统计标准化、相对标准化和功效函数法等［3］。其中功效函数法通过为各个评价指标分别确定一定的满意值和不允许值，并以满意值为上限，以不允许值为下限，借助功效函数分别计算评价对象关于各个评价指标接近、达到或超过满意值的程度，即功效系数，并转化为相应的功效评分值，作为指标的评价值［4］。

用标准化方法进行指标无量纲化时无法使各指标评价值的变动范围保持一致，这为指标间的比较带来不便，而用功效系数法进行无量纲化处理可使指标评价值在预期范围内变化［5］。因此，采用功效函数法对评价指标作无量纲化处理。常见的功效函数包括线性、指数型、对数型功效函数等。与CQI相同，结合接触网专业的管理思路，以S型Logsig函数作为功效函数（见式（1）），该函数通过变化可以灵活地改变自变量范围及曲线形状。式中a、b、c、d为需确定的参数，通过调整参数a、b可控制函数在纵轴方向上的拉伸及平移，通过调整参数c、d可改变函数的单调性（c>0，单调增加；c<0，单调减少）并控制函数在横轴方向上的拉伸及平移。

采用Logsig函数构建各参评项目的评价函数，设评价结果为0表示该项目反映的接触网动态性能处于理想状态，评价结果越靠近10表示该项目反映的接触网动态性能偏离理想值的程度越大。不同评价结果所反映的接触网动态性能见表1。

表1 不同评价结果所反映的接触网动态性能

2 参数确定

为确保各项目评价结果的区分度，除应根据动态检测评价标准进行分析外，还须对各项目检测数据的分布范围进行统计研究。

2.1 拉出值

为保障受电弓滑板均匀磨耗，设计拉出值沿受电弓中心线左右布置。若跨内的最大拉出值过大，超过受电弓滑板工作范围，可能会导致受电弓脱离接触线，造成钻弓事故；若跨内的最大拉出值过小，则受电弓滑板与接触线摩擦的区域比较局限，往返多次后容易对受电弓滑板中心区域造成较严重的磨耗。在此，将跨内最大动态拉出值作为评价变量来构建拉出值的评价函数。

Logsig函数为单调函数，为分别考虑拉出值较小时对受电弓滑板的影响和拉出值较大时对行车安全的影响，拉出值评价函数应采用分段函数。

以综合检测车动态检测数据为基础，统计多条不同速度等级线路各跨内最大拉出值的分布情况（见图1）。由图可知，跨内最大拉出值主要分布在200～350 mm，占比超过80%。

图1 各跨内最大拉出值的分布情况

结合TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［6］中拉出值设计值及TG/GD 124—2015《高速铁路接触网运行维修规则》［7］中关于拉出值动态检测的规定，将拉出值评价函数以300 mm为分段位置，且令跨内最大拉出值为300 mm时的评价结果为0，即认为此时跨内的拉出值处于理想状态；令跨内最大拉出值为450 mm时评价结果为5，即认为此时跨内的拉出值状态应予以关注；令跨内最大拉出值为500 mm时评价结果为9，即认为此时跨内的拉出值状态差；在跨内最大拉出值较小时，出于保证受电弓滑板均匀磨耗的目的，同样需要对此时的拉出值状态进行关注，故令跨内最大拉出值为0时评价结果为4。

综上所述，设跨内最大动态拉出值为Smax，设拉出值评价函数为fS，在兼顾评价函数物理意义与连续性的条件下，经拟合得到的拉出值评价函数如下：

2.2 接触线高度

接触线高度的平顺性是影响弓网运行质量的主要因素之一［8］，所以接触线高度评价函数需要对接触线高度的平顺性状态作出评价。通常用于评价平顺性状态的统计量包括极差和标准差，但由于极差仅表示一组数据中最大值与最小值的变化范围，抗干扰能力较差；标准差表示一组数据中的所有值均参与计算，能更细致、精确地反映一组数据的波动性，在此，将跨内接触线高度标准差作为评价变量来构建接触线高度的评价函数。

TG/GD 124—2015中以“一跨内接触线高差”作为衡量接触线平顺性的项目，多条不同速度等级线路各跨内接触线高度极差（同“一跨内接触线高差”）与接触线高度标准差的对应关系见图2。

图2 各跨内接触线高度极差与接触线高度标准差的对应关系图

由图2可以看出，接触线高度极差与接触线高度标准差之间存在强相关关系。依据TG/GD 124—2015中规定的一跨内接触线高度极差缺陷值，使接触线高度极差为150 mm对应的跨内接触线高度标准差为45 mm时，接触线平顺性评价结果为8；接触线高度极差为100 mm对应的跨内接触线高度标准差为30 mm时，接触线平顺性评价结果为5。

此外，结合TB 10758—2010《高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》中对两相邻定位点接触线高度极差的规定，以及动态检测接触线的正常振动，可近似认为一跨内接触线高度标准差为10 mm时平顺性良好。统计我国不同速度等级典型线路各跨内接触线高度标准差小于10 mm的跨数占比（见表2）。

表2 各跨内接触线高度标准差小于10 mm的跨数占比

由表2可以看出，高速铁路接触线高度平顺性状态良好，多条线路跨内接触线高度标准差小于10 mm的跨数占比超过80%。因此，令跨内接触线高度标准差小于10 mm时接触线平顺性评价结果为0，在不影响状态评价的基础上，能显著提升接触线高度评价函数的区分度。

综上所述，设跨内接触线高度标准差为Hstd，设拉出值评价函数为fH，经拟合得到的接触线高度评价函数如下：

2.3 弓网接触力

通常在评价弓网接触力时采用最大/最小接触力和标准偏差两类指标。TG/GD 124—2015对最大/最小接触力的范围进行了明确规定，因此通过局部评价方法可以查找接触力局部缺陷。除局部大值缺陷外，接触力的波动程度同样影响弓网运行质量，因此，将跨内接触力标准差作为评价变量来构建接触力的评价函数。

设跨内接触力标准差为Fstd，接触力标准差不同的多个跨的接触力检测波形见图3。当跨内接触力标准差为40 N时，接触力波动明显；当跨内接触力标准差为60 N时，接触力波动剧烈。因此，令跨内接触力标准差为40 N时评价结果为4，令跨内接触力标准差为60 N时评价结果为9。

图3 接触力标准差不同的多个跨的接触力检测波形

考虑到速度增加时弓网接触力的正常波动，近似认为一跨内接触力标准差不大于10 N时，接触网状态优良，无需对其状态进行区分。我国不同速度等级典型线路各跨内接触力标准差小于10 N的跨数占比见表3。

表3 各跨内弓网接触力标准差小于10 N的跨数占比

由表3可以看出，对于所选的各条线路，平均有超过15%的跨内接触力标准差小于10 N。因此，若将跨内接触力标准差小于10 N的接触力评价结果均设为0，在不影响评价效果的基础上，能显著提升接触力评价函数的区分度。

综上所述，设接触力评价函数为fF，经拟合得到的接触力评价函数如下：

2.4 燃弧

TG/GD 124—2015中对燃弧率的要求较低，以数条高速铁路的动态验收试验数据分析结果为依据［6］，认为燃弧率大于或等于2%时应引起关注，即令此时的燃弧评价结果为4；而根据双弓重联试验数据可知燃弧率大于或等于3.5%时［9］，燃弧表征的弓网运行质量差，即令此时的燃弧评价结果为8。因此，设评价单元内的燃弧率为NQ，设燃弧评价函数为fA，经拟合得到的燃弧评价函数如下：