轨道电路动态运行质量综合评价及应用

罗依梦，孟景辉，许庆阳，王晓东，杨树忠，杨 吉

(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)

引言

我国铁路正在快速发展，轨道电路作为列控系统的重要组成，在维护行车安全方面起着至关重要的作用[1]。目前我国采用微机监测系统及动态检测系统分别在静态、动态条件下对轨道电路状态进行测试评估[2]。在信号动态检测中，主要是基于故障诊断的方式，通过判断动态检测各项指标是否超限对轨道电路动态运行质量进行定性描述，从而发现设备隐患，预防故障发生[3]。随着信号动态检测的蓬勃发展，现场积累了大量的养护维修经验，仅依靠故障诊断的数据分析结果已不能满足现场的需要。据统计，2020年全年轨道电路故障区段占执行动态检测区段数量不到万分之一，故障样本过少对轨道电路动态运行质量的趋势性研究产生了阻碍。另一方面，故障/非故障的定性描述方式仅能从某一个侧面对轨道电路运行状态进行描述，无法全面、直观地掌握轨道电路动态运行质量。因此，需要提出一套合理且适用于现场的轨道电路动态运行质量综合评价方法，通过量化指标对轨道电路的整体及各方面动态性能进行描述，提升动态检测数据分析水平，为趋势性、规律性研究提供支撑。

各专业基于动态检测数据对设备进行状态评价开展了大量研究，并取得了多项成果。工务方面，陈东生[4]利用Sigmoid 函数将各轨道平顺性指标进行归一化，基于层次分析法建立了高速铁路轨道平顺性综合评价模型，提出轨道平顺性指标(TCI)，实现了高速铁路轨道不平顺状态评价。供电方面，自2016年起依托弓网动态检测数据计算的接触网运行质量指数(CQI)已在全路范围内推广使用[5]。在此基础上，王婧等[6]依据CQI的应用分析对评价函数进行优化，提出了接触网动态性能指数(CDI)，使评价结果更客观合理。通信方面，马良德[7]建立了GSM-R服务质量评价体系，综合检测数据、接口监测数据及网管数据提出GSM-R服务质量评价指数(GQI)，对列车通信网络运行状态进行评估描述。信号方面，王晓东[8]提取轨道电路传输特性参数进行变化规律分析，并在此基础上，针对高速铁路数据，建立了基于层次分析法的轨道电路动态检测质量评价模型，实现了高速铁路轨道电路动态运行质量的状态评价[9]。

然而，既有轨道电路动态运行质量评价方法尚存在一些不足。一是特征指标选取不合理。例如：出入口电流指标评价中，该评价方法未考虑《普速铁路信号维护规则》中相关要求；传输曲线变化量指标评价中，仅考虑了数据特征，未考虑轨道电路传输原理，特征指标无法与轨道电路实际传输性能的劣化相对应，缺乏合理性等。二是指标权重分配缺乏客观性，未体现区分度。该评价方法采用专家打分法确定权重分配，受主观影响较大，且在构建指标权重向量时，未充分考虑检测数据的统计特征，评价结果未体现足够的区分度，无法体现设备状态的变化，从而无法应用评价指标进行各类深入分析。针对上述问题，对评价模型的指标选取及权重分配进行了改进，提出高速、普速线路均适用的轨道电路动态运行质量评价方法。首先，基于动态检测数据提取7项特征指标，对动态检测中各类异常现象进行量化描述，根据各特征指标对应的权重形成综合评价指标，以实现对轨道电路动态运行质量的直观把控。针对指标权重分配不合理的问题，提出基于混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming，MILP)的权重优化模型。结合典型线路动态检测数据，利用轨道电路动态运行质量指数(TEI)计算结果对轨道电路动态运行状态影响因素展开分析。

1 轨道电路动态运行质量综合评价

1.1 轨道电路动态检测

信号动态检测系统搭载于检测列车，在列车动态运行条件下实现轨道电路、补偿电容、牵引回流等信号设备的状态检测[10]。信号动态检测系统组成及工作原理如图1所示。

在检测列车行进过程中，轨道电路被列车第一轮对分路，STM线圈通过电磁感应接收轨道电路钢轨中传输的电流信号，实现动态条件下轨道电路的非接触测量[11]。轨道电路动态检测数据主要包括：4种载频信号及工频信号感应电压、载频频率、低频频率、码序等。轨道电路动态检测各信号感应电压曲线示意如图2所示。

图2 轨道电路信号感应电压示意

动态检测数据反映了轨道电路在动态条件下的工作状态。正常情况下，载频信号感应电压曲线由发送端至接收端随补偿电容安装位置呈现拱形下降趋势，其余信号感应电压应保持较低水平[12]。当轨道电路动态性能下降时，可通过观察动态检测各项参数呈现的异常现象进行判断。常见的动态检测异常现象包括以下4个方面。

(1)干扰：机车信号接收到本区段以外的不正常频率信号，且该信号最高幅值大于临界电压、持续时间较长。干扰按照干扰信号的来源分为工频干扰、邻区段干扰、邻线干扰[13]。

(2)感应电压不连续：机车信号在本区段内瞬间或连续接收到本区段载频信号幅值低于临界电压，严重时低频码序接收存在中断[14]。

(3)传输电流超限：在入口或出口处载频信号换算得到的钢轨传输电流低于最小短路电流或站内电码化区段传输电流高于最大限制电流[15-16]。

(4)补偿电容失效：补偿电容脉冲信号下降且补偿电容位置对应的轨道电路感应信号曲线出现幅值降低[17]。

1.2 轨道电路综合评价方法

1.2.1TEI计算方法

本文结合轨道电路动态检测数据特征，以工频干扰度、邻区段干扰度、邻线干扰度、入口电流、出口电流、感应电压连续性及补偿电容状态7个特征指标，建立轨道电路动态运行质量评价指标体系，综合计算得到轨道电路动态运行质量指数(TEI)，从而对轨道电路动态条件下的工作状态进行描述。轨道电路动态运行质量评价指标体系各项特征指标及其含义见表1。

表1 特征指标及其含义

轨道电路动态运行质量综合评价方法以单个轨道电路区段作为最小评价单元，以综合指标TEI反映轨道电路动态性能。TEI计算步骤如下。

步骤1 基于区段动态检测数据提取特征指标j∈[1，7]，对于无法用实测值进行描述的指标，通过对实测值进行归一化转化为代表强度的特征指标。

步骤2 对特征指标Tj进行评价计算得到TEI分量teij，并利用神经网络阈值函数Sigmoid函数将teij值域映射至[0，100]，Sigmoid函数形如式(1)[18]。式中，aj，bj为常量，用于规定评价函数曲线的形状。

(1)

步骤3 采用基于MILP的权重分配模型确定TEI各分量teij对应的权重系数ρj。

TEI及其各分量不同评价结果代表的轨道电路动态运行质量等级如表2所示。

表2 轨道电路动态运行质量分值

1.2.2 权重分配

不同特征指标对轨道电路动态运行质量的影响程度难以量化描述，既有轨道电路动态运行质量评价方法采用专家打分法对各特征指标进行赋权[9]，但该方法受主观影响较大，权重分配缺乏合理性，导致TEI无法合理量化轨道电路动态运行质量。因此，需要对现有的权重分配方式进行优化，保证TEI与区段实际质量等级一致，使TEI可以更准确地描述轨道电路动态运行质量。

针对上述问题，本文基于混合整数线性规划建立了轨道电路评价权重分配优化模型。混合整数线性规划模型是线性规划模型的扩展，广泛应用于现代决策问题，其本质是在相互关联的多变量约束条件下，解决目标函数最优化问题[19]。模型应用步骤如下：首先，选取典型区段作为训练集，通过回放检测数据、查阅检测报告确认训练集各区段轨道电路动态运行质量等级；然后将各区段TEI分量与质量等级作为模型输入，利用分枝定界法[20]寻找模型全局最优解，获得最符合实际应用的指标权重向量。模型中所涉及参数及变量如表3所示。

表3 权重分配模型所用参数及变量

综合指标TEI由其各分量评分加权计算，则对于区段i有

(2)

ρj表示各TEI分量的权重，应满足

ρj≠0，∀j∈J，

(3)

(4)

(5)

(6)

式(5)、式(6)表明，当且仅当TEIi与其所属分值区间一致时，有ξi=0；其他任意情况下，ξi=1。

模型的目的是寻找最优的权重向量，使得综合指标可以更好地描述轨道电路动态运行质量，因此TEI分值应尽可能落在对应质量等级的分值区间内。据此，目标函数写为

(7)

利用IBM CPLEX求解器对所提出的权重分配模型进行求解，模型输入区段共计24个(包含正常区段以及存在各类异常现象的区段)，求解过程耗时3.06 s。根据模型求解结果，TEI计算公式如下

(8)

2 轨道电路动态性能分析

2.1 区段评价分析

应用本文所提出的轨道电路动态运行质量综合评价方法，对照动态检测报告中上报的轨道电路问题，选取存在轨道电路异常现象的典型区段进行分析，各区段波形如图3所示。

图3 典型区段原始波形

本文改进后的轨道电路动态运行质量综合评价方法与文献[9]所得TEI对比如表4所示。与TEI(采用文献[9]方法)相比，TEI(本文方法)4个区段分数更具区分度，且分数更能反映区段实际轨道电路传输性能的优劣。

表4 TEI优化结果对比

4个区段所对应的轨道电路动态运行质量评价结果(本文方法)如表5所示。

表5 轨道电路动态运行质量评价结果(本文方法)

区段A检测发现邻线干扰信号幅值超过200 mV，区段内不存在其他轨道电路异常现象，邻线干扰项评分为39.7，其余各项评分均接近满分，综合TEI评分87.85；区段B存在较大工频干扰，且伴随邻线干扰信号，工频干扰、邻线干扰两项评分较低，综合TEI评分为71.06；区段C不存在干扰信号，但入口处机车接收到的感应信号幅值低于200 mV，入口电流、感应信号连续性评分仅为42.2、4.73，综合TEI为59.73；区段D干扰信号、感应信号均正常，但当次检测存在一个补偿电容失效，补偿电容状态评价为80分，区段内存在一个补偿电容失效是可容忍的，综合TEI为98.57分。

2.2 影响因素分析

对某线路某月信号检测轨道电路动态运行质量评价结果进行统计，研究不同线路条件、两端绝缘节不同类型时TEI及其各分量的分布规律，分析影响轨道电路动态运行质量的外界因素。

2.2.1 线路条件

密度函数能够描述变量在各个取值处的占比情况，不同线路条件下TEI的概率密度函数曲线如图4所示。

图4 TEI概率密度曲线(按线路条件统计)

图5所示为不同线路条件下轨道电路区段TEI各分量分布情况。结合图4、图5可以看出，隧道位置区段TEI分数稍低于桥梁。结合实际情况分析，由于长大隧道内部环境复杂，维护困难，易受干扰信号串扰，位于隧道内的区段邻线、邻区段干扰分数较低。

图5 TEI分量分布(按线路条件统计)

2.2.2 轨下道床

不同道床类型下TEI的概率密度函数曲线如图6所示。

图6 TEI概率密度曲线(按轨下道床统计)

图7所示为不同道床类型的轨道电路区段TEI各分量分布情况。结合图6、图7可以看出，无砟轨道区段TEI分数整体高于有砟轨道区段。结合线路条件分析，有砟轨道道砟易发生漏泄，绝缘下降导致相邻区段载频信号幅值有所上升，因此相较无砟区段TEI稍低。

图7 TEI分量分布(按轨下道床统计)

2.2.3 区段两端绝缘节

区段两端不同绝缘节类型的轨道电路区段TEI概率密度曲线如图8所示。

图8 TEI概率密度曲线(按绝缘节类型统计)

图9所示为两端不同绝缘节类型的轨道电路区段TEI各分量分布情况。结合图8、图9可以看出，两端均为机械绝缘节的区段感应信号连续性相比其他情况稍差，导致该类型区段综合TEI稍低；发送端为电气绝缘节的区段干扰信号相关TEI分值较低，无论其接收端绝缘节为何种类型。

图9 TEI分量分布(按绝缘节类型统计)

3 结论

本文在既有评价方法的基础上进行改进，提出适用于现场的、易于实现的轨道电路动态运行质量综合评价方法，同时结合某线路动态检测数据，对评价方法的结果展开分析。

通过区段评价结果可知，相比现有轨道电路动态运行质量综合评价方法，改进的评价方法更具合理性，且具备足够的区分度。改进的TEI可以准确地描述轨道电路实际运行状态，从而改变目前针对轨道电路以检测问题为导向的定性描述现状，转为以综合评价指标对各类轨道电路动态检测问题进行定量分析，满足现场实际需求。

通过影响因素分析结果，得出以下结论。

(1)按照线路条件区分，隧道内部区段更易产生邻线邻区段干扰，teiLX、teiLQD偏低影响TEI，导致该类型区段轨道电路动态运行质量低于桥梁区段。

(2)按照轨下道床类型区分，石砟铺垫的区段更易产生邻区段干扰信号串入，teiLQD偏低影响TEI，导致该类型区段轨道电路动态运行质量低于无砟区段。

(3)按照区段两端绝缘节类型区分，发送端为机械绝缘节、接收端为电气绝缘节的区段轨道电路动态运行质量最好，送受两端均为机械绝缘节的区段感应信号幅值较低、连续性稍差；发送端为电气绝缘节的区段则更易受到非本区段载频信号串扰。