高速铁路典型线路接触网动态性能分析

王斌， 王婧， 杨志鹏， 汪海瑛

（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）

自2008年京津城际铁路开通至今，我国高速铁路已经历了10余年的快速发展，取得了举世瞩目的成就。牵引供电系统作为高速铁路的动力来源，具有举足轻重的作用，一旦发生故障会导致运输中断，甚至可能严重影响运输计划。接触网是牵引供电系统的核心组成部分，无备用且容易发生故障，其动态性能备受运营单位的重视［1-2］。通过研究近10年来我国典型高速铁路接触网动态性能的变化规律，可以更加全面地了解高速铁路接触网的安全状况与发展趋势，明确高速铁路接触网运营维护的重点，提升运营维护效率，对保障高速铁路接触网的安全运营和持续稳定具有重要意义。

1 数据概述

采用何种数据对研究高速铁路接触网动态性能的变化规律至关重要。由于过去10年间接触网的运行维修规则发生过多次变化，导致长期以来积累的缺陷数据因不具备一致性而无法使用。而高速综合检测列车的接触网检测系统具有起步早、覆盖范围广、检测周期短、数据格式统一、存储规范等优点，因此，以高速综合检测列车接触网检测系统的动态检测数据为基础，对近10年来典型高速铁路接触网的运行状态进行分析。由于1年内接触网结构调整较少，且各检测项目在1年内的检测波形变化不大，所以仅在每年中挑选一、二次具有代表性的检测数据用于分析。

接触网检测系统的原始检测项目较多，且多个检测项目之间具有较高的相关性，文献[3]以原始检测数据为基础，采用相关性分析［4］和决策树算法［5-6］，去除冗余的检测项目，以拉出值、接触线高度、弓网接触力和燃弧时间4个检测项目，对弓网关系和受流质量的影响程度构建评价函数模型，采用层次分析法［7-8］确定各项评价指标的权重系数，得出关于接触网动态性能的综合指标值，即接触网动态性能评价指标（Catenary Dynamic Index，CDI），用于综合反映和定量评价接触网动态性能，其计算公式如下［9］：

式中：n为评价单元内包含的跨数；i为评价单元内跨的位置标识；fSi为跨内拉出值评价函数；fHi为跨内接触线高度评价函数；fFi为跨内接触力评价函数；fA为评价单元内燃弧评价函数。

CDI取值范围为0～10，无量纲，不同评价结果代表的接触网动态性能质量见表1。以CDI计算结果为基础，对接触网在近10年内的动态性能进行分析。由于早期接触网检测系统无燃弧检测项目，故在计算相应CDI时不考虑燃弧评价分量，并将拉出值、接触线高度、弓网接触力评价分量的权重分别设为0.2、0.4、0.4。

表1 不同评价结果代表的接触网动态性能质量

2 典型线路选择

为研究不同速度等级、悬挂类型、材质和张力的接触网在近10年内动态性能的变化规律，选择6条开通时间久，且在速度等级和接触网结构上具有代表性的线路进行分析，所选线路信息见表2。为方便表述，在此将“线路A在a铁路局集团公司的区段”描述为“线路A-a”，其他线路均与此类似。

表2 所选典型线路信息

3 典型线路接触网动态性能分析

3.1 统计分析

密度函数能够描述变量在各个取值处的占比情况，在变量分布未知时，通常用核密度估计法拟合变量的密度函数。表2中所选典型线路历年CDI值的核密度函数见图1，可以看出，各条线路的CDI值主要分布于0～2，结合表1可知，所选典型线路的接触网动态性能在近10年中均处于优良状态。

分别计算所选典型线路历年CDI值的平均数、标准差、10%分位数、90%分位数、偏度、峰度（见表3）。

由表3可知，各条线路CDI值的标准差均小于0.5，表明各线路接触网动态性能在各年间的稳定性较好。相较于其他线路，线路B和线路C的10%和90%分位数均较小，且偏度和峰度值均较大，表明这2条线路的接触网动态性能较其他各条线路更优。除上述2条线路外，其余各条线路的偏度均接近于0，且峰度接近于3，近似正态分布，表明这些线路的接触网动态性能总体在优良状态内波动。

图1 所选典型线路历年CDI值的核密度函数

表3 所选典型线路历年CDI值的描述性统计量

3.2 聚类分析

将CDI值的平均数、标准差、10%分位数、90%分位数、峰度、偏度共6个指标作为度量所选典型线路CDI分布情况的特征向量，并利用该特征向量对所选典型线路进行聚类。

采用K-means算法［10］对所选典型线路进行聚类，并将聚类结果按标准化特征向量依次绘制到平行坐标系中（见图2），该坐标系每1条轴线代表1个特征，轴线上的取值范围从对应标准化特征的最小值到最大值均匀分布。

由图2可以看出，平行坐标系的直观分类结果与采用K-means算法得到的聚类结果完全吻合，所选典型线路被划分为3类：第1类为线路A和F；第2类为线路B和C；第3类为线路D和E。其中，第2类各条线路CDI值的10%分位数、90%分位数、平均数、标准差均小于或等于其他2类，但偏度和峰度均大于其他2类，表明第2类线路的CDI值整体较小且分布在较小的区间内，即第2类线路的接触网动态性能最优。第1类与第3类线路CDI值的偏度和峰度类似，但第1类线路CDI值的10%分位数、90%分位数、平均数、标准差均小于第3类，表明第1类线路CDI值的分布区间与第3类类似，但前者在数值上整体小于后者，即第1类线路的接触网动态性能优于第3类线路。

结合表2的线路信息可以看出，上述3类线路的接触网在悬挂方式、接触线张力和承力索张力上也存在显著区别。其中，第1类线路的接触网悬挂类型均为简单链型悬挂，第2类和第3类线路的接触网悬挂类型均为弹性链型悬挂，且第2类线路的接触线及承力索张力均大于第3类线路。

综上分析，弹性链型悬挂且接触线及承力索张力较大线路的接触网动态性能优于简单链型悬挂或接触线及承力索张力较小的线路。

图2 所选典型线路的聚类结果

3.3 趋势分析

所选典型线路各年CDI平均数变化见图3，其纵坐标轴范围均为［0，2］。可以看出，各条线路各年CDI平均数均保持在优良状态内波动，无明显上升或下降趋势。因此，各条线路各年的接触网动态性能均处于总体稳定状态。

图3中线路D-d1各年CDI平均数在优良状态内的波动最大（标准差最大），因此以线路D-d1为例，对所选典型线路各年CDI平均数发生波动的原因进行分析。线路D-d1的CDI箱线图见图4。

图3 所选典型线路各年CDI平均数变化

图4 线路D-d1的CDI箱线图

由图4可以看出，线路D-d1的CDI变化趋势可以粗略地划分为上升和下降2个阶段：2016年之前CDI均值一直处于缓慢上升阶段，而2016年之后CDI均值开始持续下降。造成这种现象的原因在于：随着线路运行及通车数量的增加，接触网设备的质量在频繁振动中逐渐降低，导致CDI均值在2016年之前持续增加；d1局在2015年7—11月对线路D-d1的接触网进行过多处锚段关节调整，且2016年之后每年都会对该区段进行多次针对性的接触网状态维修，导致CDI均值在2016年之后持续下降。

箱线图中，矩形箱的长度在2018年之前变化不大，但2018年之后显著减小，表明2018年之后，线路D-d1各位置处的接触网动态性能差异性相较于之前有明显下降，其主要原因在于d1局2018年间对线路D-d1进行过接触网三级修。

4 维修对接触网动态性能的影响

d1局在2018年组织对线路D-d1进行接触网三级修，以接触网三级修为例分析维修对接触网动态性能的影响。

4.1 接触网三级修前后CDI总体差异性对比

线路D-d1三级修前后CDI在不同区间的占比见表4，可以看出，三级修完成后CDI在区间0.5～1.0内的占比由17.37%提升至65.05%，在区间1.0～1.5内的占比由57.89%下降至30.11%，在区间1.5～2.0内的占比由18.95%下降至3.32%。因此，从总体分布来看，接触网三级修会对CDI产生显著影响。

表4 线路D-d1三级修前后CDI在不同区间的占比 %

4.2 接触网三级修前后CDI局部差异性分析

线路D-d1的CDI值在时间和里程平面上的投影见图5。可以看出，K630.000—K640.000区段（区域a）及K610.000—K620.000区段 （区域b） 内的CDI自2015年10月开始逐渐降低，且在2018年三级修前后有明显变化。

图5 线路D-d1的CDI值在时间和里程平面上的投影

在 K630.000—K640.000和 K610.000—K620.000区段内，接触网三级修前后接触线高度及拉出值的部分检测波形分别见图6和图7，图中灰色线条为2018年3月的检测波形，黑色线条为2019年1月的检测波形。可以看出，三级修完成后接触线高度平顺性较之前有明显提升。因此，从局部检测波形来看，CDI的变化情况与接触线高度的调整效果相符。

图6 线路D-d1在区段K630.000—K640.000三级修前后检测波形对比

图7 线路D-d1在区段K610.000—K620.000三级修前后检测波形对比

综上分析，接触网三级修会对接触网动态性能造成显著影响。对其他维修类型采用类似方法进行分析，分析结果显示：CDI值在调整前后有显著变化的情况包括接触悬挂装置调整、分相或锚段调整、补偿装置调整；CDI值在调整前后无显著变化的情况包括隔离开关调整、其他调整（如防污改造、绝缘护套整治等）。

5 结论

以高速综合检测列车接触网检测系统的动态检测数据为基础，并结合维修数据，采用统计分析、聚类分析、趋势分析和对比分析等大数据分析方法，对所选6条典型线路的CDI值在近10年内的变化规律进行研究。第一，所选线路CDI值的10%分位数与90%分位数均处于0～2，且标准差均小于0.5，即所选线路的接触网动态性能在近10年内总体稳定；第二，将各条线路CDI值的平均数、标准差等6项统计量作为特征向量对线路进行聚类，聚类结果与线路接触网结构分类吻合，表明不同结构的接触网动态性能之间存在优劣性差异；第三，通过对比分析各条线路逐年CDI值的变化趋势与接触网维修节点，发现各年间接触网动态性能上存在的微小差异主要与接触网维修有关，且不同类型的维修会对接触网动态性能造成不同程度的影响。由此可见，对接触网检测数据进行深入分析，能够为维修提供决策基础，是开展“以检定修”的重要保障。