CN113968262A - 一种轨道单元状态在线测试与评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道单元状态在线测试与评估方法，通过数据自动分析方法，将轮轨力、振动和位移参数同步处理，同时评估测试轨道单元状态。本发明测试效率高，可机器在线对轮轨力、加速度和位移进行自动处理；自动处理范围广，自动处理轮轨力的同时，也可对加速度和位移进行同步处理；测试数据之间的对比性好，可对不同时间、不同地点的测试数据进行有效对比分析。

Description

一种轨道单元状态在线测试与评估方法

技术领域

本发明涉及车辆-轨道轮轨力的检测及监测技术领域，具体涉及 一种轨道单元状态在线测试与评估方法。

背景技术

轨道结构轮轨力、振动和位移指标是表征轨道动态响应状态的重 要参数，掌握轮轨力等轨道动态响应参数变化情况对了解移动设施和 固定设施服役状态具有重要作用。间断式轮轨力目前主要基于剪力法， 采用电阻应变片进行测试。振动和位移参数主要应用相关传感器固定 在被测物表面进行测试。

测试数据主要采用人工方式进行数据分析、数据导出和数据统计， 效率低下；同时现有数据自动处理系统，仅能就轮轨力进行处理，不 能对其他采集数据进行处理；数据处理没有明确数据处理流程，数据 分析时凭经验进行基线调零、信号滤波和数据读取，因此测试数据的 处理结果存在随机性。

综上所述，现有测试方法存在测试效率低和测试数据对比性差等 问题，现需一种轨道单元状态在线测试与评估方法解决上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中测试数据主要采用人工方式进行数 据分析、数据导出和数据统计，效率低下；同时现有数据自动处理系 统，仅能就轮轨力进行处理，不能对其他采集数据进行处理；数据处 理没有明确数据处理流程，数据分析时凭经验进行基线调零、信号滤 波和数据读取，因此测试数据的处理结果存在随机性的问题，提供了 一种轨道单元状态在线测试与评估方法，通过数据自动分析方法，将 轮轨力、振动和位移参数同步处理，同时评估测试轨道单元状态，解 决了上述问题。

本发明所提供的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，包括以 下步骤：

S1、监测系统实时接收触发信号，当触发信号处于触发状态时， 监测系统采集测试信号，否则持续进行步骤S1；

S2、将监测系统采集的测试信号的原始数据导入监测系统的数据 处理模块；

S3、对导入的测试信号的原始数据进行基线调理处理和通带滤波 处理；

S4、根据经过预处理的原始数据对列车的首轮对进行定位；

S5、将原始数据中的列车数据进行分段，并对各段进行车辆首轮 对定位和识别，生成列车轮位信息；

S6、对各轮位进行垂向力、横向力、位移和加速度识别，得到轮 轨垂向力T₄，得到轮轨横向力T₅，得到钢轨垂向位移T₆、得到钢轨横 向位移T₇，得到钢轨垂向振动加速度T₈，得到轨枕垂向振动加速度T₉；

S7、根据上述数值计算脱轨系数T₁、减载率T₂、轮轴横向力T₃；

S8、根据测试线路的性质，确定各评价指标T_i的通常伯

和限值

S9、计算各项指标评价系数f_i，公式如下：

其中D为监测区段评价指标T_i对轨道实际状态的影响基数；

S10、根据测试线路的性质，确定各项评价指标T_i的评价权重系 数P_i；

S11、计算监测区段轨道单元的状态等级指数TSG，公式如下：

当TSG≥90输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为优秀； 当90＞TSG≥60输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为合格； 当40＞TSG≥60输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为失格； 当TSG＜40输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为危险。

原始数据导入：初始化输入的轮轨力数据，位移数据和加速度数 据；初始化列车参数(主要包括：单机4轴机车和单机6轴机车的转 向架固定轴距典型值和分布区间，单机4轴机车和单机6轴机车的车 辆定距典型值和分布区间；车辆转向架固定轴距典型值和分布区间， 车辆的车辆定距典型值和分布区间；单台机车或车辆的最大长度值， 列车的最大和最小车速)

基线调零处理：测试波形的基线移动是波形畸变的主要类型之一， 测试系统本身的温度漂移、漏电、电磁干扰和输出非线性等因素都会 造成波形基线移动。信号波形的基线修正也称为信号数据的趋势项消 除，信号数据中的趋势项可能是畸变引起的信号基线移动，也可能是 一种相对可用信号主频来说较低的噪声干扰频率成分，由于这种较低 的频率成分会严重影响信号分析精度，并在相关和功率谱分析中出现 较大的畸变，因此需要予以消除。本系统按照偏差平方和最小的原则 选取拟合曲线，并且采取二项式方程拟合曲线的方法，即最小二乘法 求取趋势项，然后再进行趋势项消除。相对于使用数字高通滤波器的 进行滤除基线的方法，可减少对低频成分的影响。进而减少对轮轨力 波形幅值特别是水平力波形幅值的影响，使识别的水平力峰值更接近 真实值。

本发明提供的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，作为优选 方式，检测系统包括若干轮轨力检测组、若干振动加速度检测组、若 干位移检测组和轨道动态响应自动监测设备，轮轨力检测组、振动加 速度检测组和位移检测组均与轨道动态响应自动监测设备连接，轨道 动态响应自动监测设备用于处理轮轨力检测组、振动加速度检测组和 位移检测组所传输的数据，轮轨力检测组设置于待测铁路轨道轨腰侧 表面和待测铁路轨道轨底上表面，振动加速度检测组和位移检测组设 置于待测铁路轨道的轮轨力测试断面范围内；

轮轨力检测组包括第一垂向力传感器、第二垂向力传感器、第一 横向力传感器和第二横向力传感器，第一垂向力传感器和第二垂向力 传感器设置于钢轨两相邻的钢轨支点之间，以两钢轨支点中线为对称 轴纵向对称设置于钢轨两侧中和轴所在水平面的钢轨轨腰表面；第一 横向力传感器和第二横向力传感器分别设置于两钢轨支点之间，以两 钢轨支点中线为对称轴纵向相对设置于钢轨轨底上表面。

本发明提供的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，作为优选 方式，步骤S5具体包括：

S51、列车单元起始位置定位：判断是否为列车首车，若是则接 以首轮位位置作为单元起始位置；若不是则基于上一个单元的末轮位 位置，加上车辆临轴距长度，作为该单元的起始位置；

S52、设定迭代值N并对N赋值0；

S53、按照最小固定轴距A的a倍作为时域指标计算的数据区间， 以单元起始位置为起点P1+b*i，计算[P1+b*i，P1+Aa+b*i]范围内数 据的时域统计指标，若本次计算得到的均方差小于上一单元的触发量 用均方差的1/3，则进行步骤S54；否则进行步骤S55；

S54、判断是否非最后一组数据，是则移动步长b，迭代值N赋 值加1，重复步骤S52；否则进行步骤S55；

S55、根据单元首轮位位置数据区间的数据，计算得到6个时域 统计指标量，再计算绝对最大值，单元首轮位触发电平计算按照高低 两级计算，即一级触发电平TrigL21和二级触发电平TrigL22，其计 算公式为：

TrigL21＝(|MAX2|-Mean2)*0.2+Rms2，

TrigL22＝(|MAX2|-Mean2)*0.4+Rms2，

其中，MAX2为单元时域统计指标量最大值，Mean2为单元时域 统计指标量平均值，Rms2为单元时域统计指标量有效值；

S56、从单元首轮位位置开始，以距离c1作为单元，用单元两级 触发电平TrigL21和TrigL22寻找定位本单元内的各个轮对位置，同 时搜寻左轨垂向力脉冲的轮位和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲 峰值和轮位位置；

S57、基于搜索到的垂向力脉冲轮位位置信息，按照机车轴式的 轮轴相对位置关系，确定该机车是机车轴数；

S58、根据本单元的机车轴式类型，计算第二和第一轮轴脉冲峰 值位置时间差t2，第二和第一轮轴脉冲峰值位置时间差t2为L1区间 的经过时间，相对位置数据点数与采样率的比值，结合预先输入的转 向架固定轴距典型值L2，计算本单元的车速vi＝L2/t2；

S59、基于步骤S57确定的列车首车机车轴式类型，根据轴数X， 则记录搜寻到的最前X个轮位为该机车的轮位信息，并记录第X个 轮位位置，作为首车的末轮位位置；

S510、存储该单元识别的单元车速，单元触发量，单元首轮位区 间时域统计值，单元的机车轴式；以及每个轮对的左、右轨垂向力脉 冲峰值位置和峰值方向及峰值量。

本发明提供的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，作为优选 方式，步骤S4具体包括：

S41、列车首轮位定位：根据原始数据的采样率，获得车速和机 车固定轴距最小值，确定检索数据步长，步长小于第一个车轮到第二 个车轮的距离；

S42、按照检索步长逐段读取原始数据，对读取的左轨垂向力和 右轨垂向力数据段同时进行时域统计指标计算，当数据段的均方差比 上一个数据段的均方差值提高4倍以上时，进行步骤S43，否则持续 进行步骤S42；

S43、使用数据段的最大值或最小值进行校验最大值或最小值超 过重载轮轨垂向力幅值1.5倍时，认定此数据段为干扰脉冲，从未读 取的位置开始，运行步骤S42；否则记录为列车首轮位所在数据段， 进行步骤S44；

S44、根据列车首轮位位置数据区间的数据，计算得到6个时域 统计指标量，再计算绝对最大值，首轮位触发电平计算按照高低两级 计算，即一级列车触发电平TrigL11和二级列车触发电平TrigL12， 其计算公式为：

TrigL11＝(|MAX1|-Mean1)*0.2+Rms1，

TrigL12＝(|MAX1|-Mean1)*0.4+Rms1，

其中，MAX1为列车时域统计指标量最大值，Mean1为列车时域 统计指标量平均值，Rms1为列车时域统计指标量有效值；

S45、从列车首轮位位置开始，以距离c2作为单元，用列车两级 触发电平TrigL11和TrigL12寻找定位本单元内的各个轮对位置，同 时搜寻左轨垂向力脉冲的轮位和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲 峰值和轮位位置，搜索最大轮对数为6，搜寻轮对数小于2个则搜索 失败；

S46、基于搜索到的垂向力脉冲轮位位置信息，按照机车轴式的 轮轴相对位置关系，确定该机车是机车轴数；

S47、以搜索到的至少2个轮位位置信息，计算轮轴脉冲峰值位 置时间差t1，轮轴脉冲峰值位置时间差t1为相对位置数据点数与采 样率的比值，结合预先输入的转向架固定轴距典型值L1，计算本单 元的车速v0＝L1/t1；

S48、根据列车时车速V0对列车车速进行修正。

本发明提供的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，作为优选 方式，垂向力识别的具体方法为：

判断机车轴数：

若为4轴机车轴式，取1轴和2轴之间，3轴和4轴之间的脉冲 位置中间位置数据段的平均值ave12和ave34；对1轴和2轴之间的 脉冲峰值量减去ave12得到修正后的1轴垂向力、2轴垂向力，对3 轴脉冲峰值和4轴的脉冲峰值量减去ave34得到修正后的3轴垂向力、 4轴垂向力；

若为6轴机车轴式，分别取1轴和2轴之间，2轴和3轴之间， 4轴和5轴之间，5轴和6轴之间脉冲位置中间位置数据段的平均值 ave12，ave23，ave45，ave56；1轴的脉冲峰值量和2轴的脉冲峰值 量减去ave12得到修正后的1轴垂向力、2轴垂向力，对3轴脉冲峰 值量减去ave23得到修正后的3轴垂向力；对4轴的脉冲峰值量和5 轴的脉冲峰值量减去ave45得到修正后的4轴垂向力、5轴垂向力， 对6轴脉冲峰值量减去ave56得到修正后的6轴垂向力。

本发明提供的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，作为优选 方式，轮对横向力识别方式具体为：

对横向力波形做低通滤波处理；

以垂向力峰值位置为中心，以垂向力脉冲的脉宽为区间，识别该 区间内的横向力脉冲峰值最大值和最小值；

横向力脉冲峰值最大值和最小值修正；

左轨最大值与右轨最小值之和H1，取左轨最小值与右轨最大值 之和H2，取H1与H2的绝对值更小者作为左右轨横向力值。

本发明有益效果如下：

测试效率高，可机器在线对轮轨力、加速度和位移进行自动处理； 自动处理范围广，自动处理轮轨力的同时，也可对加速度和位移进行 同步处理；测试数据之间的对比性好，可对不同时间、不同地点的测 试数据进行有效对比分析。

附图说明

图1为一种轨道单元状态在线测试与评估方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种轨道单元状态在线测试与评估方法，包括以下 步骤：

S1、前端设备过车触发采集存储：轮轨力通道设置触发门槛值， 采用环形存储模式，存储时长为30s，即轨旁处理设备一直处于待机 状态，当列车轮载通过轮轨力断面时，荷载值超过预设门槛值时，设 备开始采集测试信号(也包括触发之前30s的测试信号)，当列车全 部通过轮轨力断面时，载荷值小于预设门槛值时，设备停止采集信号；

S2、将监测系统采集的测试信号的原始数据导入监测系统的数据 处理模块；

S3、对导入的原始数据进行基线调理处理和通带滤波处理；

S4、列车首轮位定位：根据原始数据的采样率，获得车速和机车 固定轴距最小值，确定检索数据步长，步长小于第一个车轮到第二个 车轮的距离；

S5、按照检索步长逐段读取原始数据，对读取的左轨垂向力和右 轨垂向力数据段同时进行时域统计指标计算，当数据段的均方差比上 一个数据段的均方差值提高4倍以上时，进行步骤S6，否则持续进 行步骤S5；

S6、使用数据段的最大值或最小值进行校验最大值或最小值超过 重载轮轨垂向力幅值1.5倍时，认定此数据段为干扰脉冲，从未读取 的位置开始，运行步骤S5；否则记录为列车首轮位所在数据段，进 行步骤S7；

S7、根据列车首轮位位置数据区间的数据，计算得到6个时域统 计指标量，再计算绝对最大值，首轮位触发电平计算按照高低两级计 算，即一级列车触发电平TrigL11和二级列车触发电平TrigL12，其 计算公式为：

TrigL11＝(|MAX1|-Mean1)*0.2+Rms1，

TrigL12＝(|MAX1|-Mean1)*0.4+Rms1，

其中，MAX1为列车时域统计指标量最大值，Min1为列车时域 统计指标量最小值，Mean1为列车时域统计指标量平均值，Rms1为 列车时域统计指标量有效值，Msd1为列车时域统计指标量均方差；

S8、从列车首轮位位置开始，以距离c2作为单元，用列车两级 触发电平TrigL11和TrigL12寻找定位本单元内的各个轮对位置，同 时搜寻左轨垂向力脉冲的轮位和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲 峰值和轮位位置，搜索最大轮对数为6，搜寻轮对数小于2个则搜索 失败；

S9、基于搜索到的垂向力脉冲轮位位置信息，按照机车轴式的轮 轴相对位置关系，确定该机车是机车轴数；

S10、以搜索到的至少2个轮位位置信息，计算轮轴脉冲峰值位 置时间差t1，轮轴脉冲峰值位置时间差t1为相对位置数据点数与采 样率的比值，结合预先输入的转向架固定轴距典型值L1，计算本单 元的车速v0＝L1/t1；

S11、根据列车时车速V0对列车车速进行修正。

S12、列车单元起始位置定位：判断是否为列车首车，若是则接 以首轮位位置作为单元起始位置；若不是则基于上一个单元的末轮位 位置，加上车辆临轴距长度，作为该单元的起始位置；

S13、设定迭代值N并对N赋值0；

S14、按照最小固定轴距A的a倍作为时域指标计算的数据区间， 以单元起始位置为起点P1+b*i，计算[P1+b*i，P1+Aa+b*i]范围内数 据的时域统计指标，若本次计算得到的均方差小于上一单元的触发量 用均方差的1/3，则进行步骤S15；否则进行步骤S16；

S15、判断是否非最后一组数据，是则移动步长b，迭代值N赋 值加1，重复步骤S13；否则进行步骤S16；

S16、根据单元首轮位位置数据区间的数据，计算得到6个时域 统计指标量，再计算绝对最大值，单元首轮位触发电平计算按照高低 两级计算，即一级触发电平TrigL21和二级触发电平TrigL22，其计 算公式为：

TrigL21＝(|MAX2|-Mean2)*0.2+Rms2，

TrigL22＝(|MAX2|-Mean2)*0.4+Rms2，

其中，MAX2为单元时域统计指标量最大值，Min2为单元时域 统计指标量最小值，Mean2为单元时域统计指标量平均值，Rms2为 单元时域统计指标量有效值，Msd2为单元时域统计指标量均方差；

S17、从单元首轮位位置开始，以距离c1作为单元，用单元两级 触发电平TrigL21和TrigL22寻找定位本单元内的各个轮对位置，同 时搜寻左轨垂向力脉冲的轮位和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲 峰值和轮位位置；

S18、基于搜索到的垂向力脉冲轮位位置信息，按照机车轴式的 轮轴相对位置关系，确定该机车是机车轴数；

S19、根据本单元的机车轴式类型，计算第二和第一轮轴脉冲峰 值位置时间差t2，第二和第一轮轴脉冲峰值位置时间差t2为L1区间 的经过时间，相对位置数据点数与采样率的比值，结合预先输入的转 向架固定轴距典型值L2，计算本单元的车速vi＝L2/t2；

S20、基于步骤S18确定的列车首车机车轴式类型，根据轴数X， 则记录搜寻到的最前X个轮位为该机车的轮位信息，并记录第X个 轮位位置，作为首车的末轮位位置；

S21、存储该单元识别的单元车速，单元触发量，单元首轮位区 间时域统计值，单元的机车轴式；以及每个轮对的左、右轨垂向力脉 冲峰值位置和峰值方向及峰值量。

S22、对各轮位进行垂向力、横向力、位移和加速度识别，得到 轮轨垂向力T₄，得到轮轨横向力T₅，得到钢轨垂向位移T₆、得到钢轨 横向位移T₇，得到钢轨垂向振动加速度T₈，得到轨枕垂向振动加速度 T₉；

S23、根据上述数值计算脱轨系数T₁、减载率T₂、轮轴横向力T₃；

S24、根据测试线路的性质，确定各评价指标T_i的通常值

和限 值

S25、计算各项指标评价系数f_i，公式如下：

其中D为监测区段评价指标T_i对轨道实际状态的影响基数；

S26、根据测试线路的性质，确定各项评价指标T_i的评价权重系 数P_i；

S27、计算监测区段轨道单元的状态等级指数TSG，公式如下：

当TSG≥90输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为优秀； 当90＞TSG≥60输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为合格； 当40＞TSG≥60输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为失格； 当TSG＜40输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为危险。

原始数据导入：初始化输入的轮轨力数据，位移数据和加速度数 据；初始化列车参数(主要包括：单机4轴机车和单机6轴机车的转 向架固定轴距典型值和分布区间，单机4轴机车和单机6轴机车的车 辆定距典型值和分布区间；车辆转向架固定轴距典型值和分布区间， 车辆的车辆定距典型值和分布区间；单台机车或车辆的最大长度值， 列车的最大和最小车速)

数据预处理：基线调理处理，通带滤波处理

基线调零处理：测试波形的基线移动是波形畸变的主要类型之一， 测试系统本身的温度漂移、漏电、电磁干扰和输出非线性等因素都会 造成波形基线移动。信号波形的基线修正也称为信号数据的趋势项消 除，信号数据中的趋势项可能是畸变引起的信号基线移动，也可能是 一种相对可用信号主频来说较低的噪声干扰频率成分，由于这种较低 的频率成分会严重影响信号分析精度，并在相关和功率谱分析中出现 较大的畸变，因此需要予以消除。

常用的消除趋势项的方法是根据振动波形进行曲线拟合，并不要 求这条曲线精确地经过这些点。曲线拟合原则包括：

使偏差绝对值之和最小

使偏差绝对值最大的最小

使偏差平方和最小

本系统按照偏差平方和最小的原则选取拟合曲线，并且采取二项 式方程拟合曲线的方法，即最小二乘法求取趋势项，然后再进行趋势 项消除。相对于使用数字高通滤波器的进行滤除基线的方法，可减少 对低频成分的影响。进而减少对轮轨力波形幅值特别是水平力波形幅 值的影响，使识别的水平力峰值更接近真实值。

列车首轮位定位：找到列车的第一个轮对的起始位置，需要的参 数包括机车固定轴距的最小值(根据输入的列车参数确定，一般最小 为2米)，参考或预估车速；

首先根据原始数据的采样率，估计车速和机车固定轴距最小值， 确定检索数据步长，一般步长要小于第一个车轮到第二个车轮的距离； 然后按照检索步长逐段读取原始数据段，对读取的左轨垂向力和右轨 垂向力数据段同时进行时域统计指标(最大值，最小值，平均值，有 效值，均方差)计算，当前数据段的均方差比上一个数据段的均方差 值提高4倍以上时，初步认为找到了列车首轮位所在的数据段，然后 使用此数据段的最大值或最小值进行校验。最大值或最小值超过重载 轮轨垂向力幅值1.5倍以上时，认为是干扰脉冲。

列车首车的轮位触发电平计算

从首轮位位置开始，在机车最小固定轴距的2倍长度范围内寻找 列车的第一个车轮和第二个车轮。根据原始数的采样率，预估车速和 2倍的最小固定轴距长度即4米估算数据长度。

列车首车的前两个轮位搜索：从首轮位位置开始，用列车首车的 两级触发电平寻找定位列车的各个轮对位置；在列车首车最长50米 长度范围，搜寻左轨和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲峰值和轮 位位置；最多只搜寻6个轮对，搜寻轮对数小于2个则搜寻失败。轮 轨垂向力脉冲的具体搜寻策略，参见轮轨力峰值寻找。

列车首车的车速修正：以搜索到的至少2个轮位位置信息，计算 轮轴脉冲峰值位置时间差t(相对位置数据点数/采样率)，结合预先输 入的转向架固定轴距典型值L，即可估计得到列车首车的车速v0＝L/t； 对列车车速进行首次修正。

列车单元起始位置定位：基于上一个单元的末轮位位置，加上车 辆临轴距长度(一般小于2米，现以1.5米估计)，作为该单元的起始 位置，对于列车首车则直接以首轮位位置作为单元起始位置，从此位 置开始搜寻该列车单元的垂向力脉冲；

单元首轮位位置确定：按照最小固定轴距2米的2.5倍即5米作 为时域指标计算的数据区间，结合最新修正得到的估计车速，以及原 始数据采样率，确定指标计算的数据点数。

以单元起始位置为起点P1米，计算P1+5范围内数据的时域统 计指标(含最大值MAX，最小值Min，平均值Mean，有效值Rms， 均方差Msd)；若本次计算得到的Msd值小于上一单元的触发量用 Msd的1/3，则认为本段数据不含完整的单元首轮位垂向力脉冲；

按照步长0.25米移动，下一组时域指标计算范围，即以[P1+0.25*i， P1+5+0.25*i]范围内的数据进行迭代计算时域统计指标，直到本次计 算的Msd与上一单元的触发量用Msd之比大于1/3，即认为找到本单 元的首轮位位置区间。如果持续计算到数据结束，也没有找到符合要 求的轮位位置，则退出列车单元处理环节。

单元轮位搜索：从单元首轮位位置开始，用单元两级触发电平寻 找定位本单元内的各个轮对位置；以最长50米单元来搜索，同时搜 寻左轨和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲峰值和轮位位置；轮轨 垂向力脉冲的具体搜寻策略，参见轮轨力峰值寻找。

本单元的机车轴式判定：基于搜索到的垂向力脉冲轮位位置信息， 按照4轴或6轴机车轴式的轮轴相对位置关系(一般4轴机车的3段 轴间距离关系为：L1＝L3＜L2；而6轴机车的4段轴间距离关系为： L2＝L4＜L1＝L5＜L3)，确定该机车是4轴机车或6轴机车；

4轴机车轮轴相对位置关系|--L1--|----L2---|--L3--|

6轴机车轮轴相对位置关系|--L1--|--L2-|----L3---|--L4-|--L5--|

注：|代表轮轴脉冲峰值位置本单元的车速修正

根据本单元的机车轴式类型，计算第二和第一轮轴脉冲峰值位置 时间差t(即L1区间的经过时间，相对位置数据点数/采样率)，结合预 先输入的转向架固定轴距典型值L，即可估计得到本单元的车速vi＝ L/t；

单元末轮位位置确定：基于上一步确定的列车首车机车轴式类 型，若为4轴机车，则搜寻到的最前4个轮位是该机车的轮位信息； 若为6轴机车，则搜寻到的前6个轮位是该机车的轮位信息；记录第 4或6个轮位位置，作为首车的末轮位位置；

单元信息临时存储：该单元识别的单元车速，单元触发量，单元 首轮位区间时域统计值，单元的机车轴式；以及每个轮对的左、右轨 垂向力脉冲峰值位置和峰值方向及峰值量。

振动加速度峰值寻找：振动加速度测量位置主要包括钢轨垂向加 速度，钢轨横向加速度，轨道板垂向加速度等。加速度数据的峰值位 置与轮轨力的轮位信息无明显的对应关系；仅需要对位于过车起始轮 对和结束轮对之间的波形数据段内寻找绝对最大值。为了防止高频噪 声干扰，在搜寻绝对最大值之前，先对加速度波形数据做通带滤波处 理。

位移峰值寻找：位移数据的峰值位置与轮轨力的轮位信息具有清 晰的对应关系。一般布置位移传感器的断面位置和轮轨力测量断面有 一定的偏移，在现场部署传感器时确定位移测量断面相对于轮轨力测 量断面的偏移量，一般是偏左或偏右0.5～1米。偏移量为正数表示列 车轮对先经过轮轨力断面，再经过位移断面，偏移量为负数则相反， 偏移量为0则表示与轮轨力断面重合。

基于轮轨力的轮位信息和位移量相对于轮轨力的偏移量，可折算 出位移数据的轮位信息。基于该位置即可搜寻位移峰值。

轮轨力峰值寻找：为了拾取轮轨力峰值，首先要进行轮位识别。 轮位识别采用垂直力数据波形自动辨识和列车参数数据库辅助判别 相结合的方法来实现。垂直力数据波形自动辨识是指自动寻找的波形 数据中的垂直力脉冲最值，通过对比测试参数动荷载和实际参数静荷 载关系来初步判别是否正确获取轮位信息，然后通过左轨或右轨垂直 力相互校核；最后借助事先建立的列车参数数据库，数据库包括不同 列车类型的轴距、参考速度、轴重和车辆轴数等信息，将上述获得的 轮位信息和列车参数数据库的信息进行对比、分析和修正，实现正确 轮位信息的自动获取。

基于获取到的轮位信息，首先进行轮轨力的峰值拾取，即得到左 轨垂直力和右轨垂直力。然后再进行水平力的峰值拾取，水平力由于 幅值较小，除使用轮位信息外，还需要使用该轮位下的垂直力峰值位 置信息。

在获取到轮轨力的垂直力和水平力信息后，即可按照相关公式计 算每个轮位的轮轨力安全参数。

垂向力脉冲触发判断规则：

必须同时穿越这两级触发量，若先穿越一级触发电平TrigL1再 穿越二级触发电平TrigL2，则认为是脉冲上升沿；若先穿越二级触发 电平TrigL2再穿越一级触发电平TrigL1，则认为是脉冲下降沿。

先穿越脉冲上升沿，再穿越脉冲下降沿，可判定垂向力脉冲为正 向脉冲。

先穿越脉冲下降沿，再穿越脉冲上升沿，可判定垂向力脉冲为负 向脉冲。

根据前述，通过现场监测，可获取的参数主要分为4类，分别是 安全参数、轮轨作用荷载，轨道结构变形和轨道结构振动，每类参数 下有分项指标，共9项，具体如下：

安全参数：脱轨系数(T₁)、减载率(T₂)、轮轴横向力(T₃)

轮轨作用荷载：轮轨垂向力(T₄)、轮轨横向力(T₅)

轨道结构变形：钢轨垂向位移(T₆)、钢轨横向位移(T₇)

轨道结构振动：钢轨垂向振动加速度(T₈)、轨枕垂向振动加速 度(T₉)

由于养护维修的连续性和测试地点选取的代表性，将测试断面前 后1km区域(共计2km长度)定义为轨道单元，依托上述9项参数 的监测结果，计算得到轨道状态等级指数TSG，以对测试区段的轨道 单元状态进行实时评估，具体方法如下：

(1)确定反应轨道状态的各项评价指标T_i(i＝1，2，……，9)， 即上述9项指标；

(2)根据测试线路的性质(高速铁路、重载铁路、普速铁路)， 确定各评价指标T_i的通常值

和限值

其中高速铁路相关取值如下 所示；

(3)对各项评价指标T_i进行无量纲处理，获取各项指标评价系 数f_i，其中D为监测区段评价指标T_i对轨道实际状态的影响基数(一般 取为60)，取值不大于100；

(4)根据测试线路的性质(高速铁路、重载铁路、普速铁路)， 确定各项评价指标T_i的评价权重系数P_i，其中高速铁路相关取值如下 所示；

(5)由上述各参数，计算监测区段轨道单元的状态等级指数TSG 如下式；

(6)根据上式计算得到的TSG结果，对于监测区段的轨道单元 状态按照如下方式进行评估

优秀(TSG≥90)

合格(90＞TSG≥60)

失格(40＞TSG≥60)

危险(TSG＜40)

检测系统包括若干轮轨力检测组、若干振动加速度检测组、若干 位移检测组和轨道动态响应自动监测设备，轮轨力检测组、振动加速 度检测组和位移检测组均与轨道动态响应自动监测设备连接，轨道动 态响应自动监测设备用于处理轮轨力检测组、振动加速度检测组和位 移检测组所传输的数据，轮轨力检测组设置于待测铁路轨道轨腰侧表 面和待测铁路轨道轨底上表面，振动加速度检测组和位移检测组设置 于待测铁路轨道的轮轨力测试断面范围内；

轮轨力检测组包括第一垂向力传感器、第二垂向力传感器、第一 横向力传感器和第二横向力传感器，第一垂向力传感器和第二垂向力 传感器设置于钢轨两相邻的钢轨支点之间，以两钢轨支点中线为对称 轴纵向对称设置于钢轨两侧中和轴所在水平面的钢轨轨腰表面；第一 横向力传感器和第二横向力传感器分别设置于两钢轨支点之间，以两 钢轨支点中线为对称轴纵向相对设置于钢轨轨底上表面。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轨道单元状态在线测试与评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、监测系统实时接收触发信号，当所述触发信号处于触发状态时，所述监测系统采集测试信号，否则持续进行步骤S1；

S2、将所述测试信号的原始数据导入所述监测系统的数据处理模块；

S3、对所述测试信号的原始数据进行基线调理处理和通带滤波处理；

S4、根据经过预处理的所述原始数据对列车的首轮对进行定位；

S5、将原始数据中的列车数据进行分段，并对各段进行车辆首轮对定位和识别，生成列车轮位信息；

S6、对各轮位进行垂向力、横向力、位移和加速度识别，得到轮轨垂向力T₄，得到轮轨横向力T₅，得到钢轨垂向位移T₆、得到钢轨横向位移T₇，得到钢轨垂向振动加速度T₈，得到轨枕垂向振动加速度T₉；

S7、根据上述数值计算脱轨系数T₁、减载率T₂、轮轴横向力T₃；

S8、根据测试线路的性质，确定各评价指标T_i的通常值

和限值

S9、计算各项指标评价系数f_i，公式如下：

其中D为监测区段评价指标T_i对轨道实际状态的影响基数；

S10、根据测试线路的性质，确定各项评价指标T_i的评价权重系数P_i；

S11、计算监测区段轨道单元的状态等级指数TSG，公式如下：

当TSG≥90输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为优秀；

当90＞TSG≥60输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为合格；

当40＞TSG≥60输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为失格；

当TSG＜40输出对于监测区段的轨道单元状态评估结果为危险。

2.根据权利要求1所述的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，其特征在于：所述检测系统包括若干轮轨力检测组、若干振动加速度检测组、若干位移检测组和轨道动态响应自动监测设备，所述轮轨力检测组、所述振动加速度检测组和所述位移检测组均与所述轨道动态响应自动监测设备连接，所述轨道动态响应自动监测设备用于处理所述轮轨力检测组、所述振动加速度检测组和所述位移检测组所传输的数据，所述轮轨力检测组设置于待测铁路轨道轨腰侧表面和所述待测铁路轨道轨底上表面，所述振动加速度检测组和所述位移检测组设置于所述待测铁路轨道的轮轨力测试断面范围内；

所述轮轨力检测组包括第一垂向力传感器、第二垂向力传感器、第一横向力传感器和第二横向力传感器，所述第一垂向力传感器和所述第二垂向力传感器设置于钢轨两相邻的钢轨支点之间，以两所述钢轨支点中线为对称轴纵向对称设置于所述钢轨两侧中和轴所在水平面的所述钢轨轨腰表面；所述第一横向力传感器和所述第二横向力传感器分别设置于两所述钢轨支点之间，以两所述钢轨支点中线为对称轴纵向相对设置于所述钢轨轨底上表面。

3.根据权利要求1所述的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括：

S51、列车单元起始位置定位：判断是否为列车首车，若是则接以首轮位位置作为单元起始位置；若不是则基于上一个单元的末轮位位置，加上车辆临轴距长度，作为该单元的起始位置；

S52、设定迭代值N并对N赋值0；

S53、按照最小固定轴距A的a倍作为时域指标计算的数据区间，以单元起始位置为起点P1+b*i，计算[P1+b*i，P1+Aa+b*i]范围内数据的时域统计指标，若本次计算得到的均方差小于上一单元的触发量用均方差的1/3，则进行步骤S54；否则进行步骤S55；

S54、判断是否非最后一组数据，是则移动步长b，迭代值N赋值加1，重复步骤S52；否则进行步骤S55；

S55、根据单元首轮位位置数据区间的数据，计算得到6个时域统计指标量，再计算绝对最大值，单元首轮位触发电平计算按照高低两级计算，即一级触发电平TrigL21和二级触发电平TrigL22，其计算公式为：

TrigL21＝(|MAX2|-Mean2)*0.2+Rms2，

TrigL22＝(|MAX2|-Mean2)*0.4+Rms2，

其中，MAX2为单元时域统计指标量最大值，Mean2为单元时域统计指标量平均值，Rms2为单元时域统计指标量有效值；

S56、从单元首轮位位置开始，以距离c1作为单元，用单元两级触发电平TrigL21和TrigL22寻找定位本单元内的各个轮对位置，同时搜寻左轨垂向力脉冲的轮位和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲峰值和轮位位置；

S57、基于搜索到的垂向力脉冲轮位位置信息，按照机车轴式的轮轴相对位置关系，确定该机车是机车轴数；

S58、根据本单元的机车轴式类型，计算第二和第一轮轴脉冲峰值位置时间差t2，所述第二和第一轮轴脉冲峰值位置时间差t2为L1区间的经过时间，相对位置数据点数与采样率的比值，结合预先输入的转向架固定轴距典型值L2，计算本单元的车速vi＝L2/t2；

S59、基于步骤S57确定的列车首车机车轴式类型，根据轴数X，则记录搜寻到的最前X个轮位为该机车的轮位信息，并记录第X个轮位位置，作为首车的末轮位位置；

S510、存储该单元识别的单元车速，单元触发量，单元首轮位区间时域统计值，单元的机车轴式；以及每个轮对的左、右轨垂向力脉冲峰值位置和峰值方向及峰值量。

4.根据权利要求1所述的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，其特征在于：

所述步骤S4具体包括：

S41、列车首轮位定位：根据原始数据的采样率，获得车速和机车固定轴距最小值，确定检索数据步长，所述步长小于第一个车轮到第二个车轮的距离；

S42、按照检索步长逐段读取所述原始数据，对读取的左轨垂向力和右轨垂向力数据段同时进行时域统计指标计算，当数据段的均方差比上一个数据段的均方差值提高4倍以上时，进行步骤S43，否则持续进行步骤S42；

S43、使用所述数据段的最大值或最小值进行校验最大值或最小值超过重载轮轨垂向力幅值1.5倍时，认定此数据段为干扰脉冲，从未读取的位置开始，运行步骤S42；否则记录为列车首轮位所在数据段，进行步骤S44；

S44、根据列车首轮位位置数据区间的数据，计算得到6个时域统计指标量，再计算绝对最大值，首轮位触发电平计算按照高低两级计算，即一级列车触发电平TrigL11和二级列车触发电平TrigL12，其计算公式为：

TrigL11＝(|MAX1|-Mean1)*0.2+Rms1，

TrigL12＝(|MAX1|-Mean1)*0.4+Rms1，

其中，MAX1为列车时域统计指标量最大值，Min1为列车时域统计指标量最小值，Mean1为列车时域统计指标量平均值，Rms1为列车时域统计指标量有效值；

S45、从列车首轮位位置开始，以距离c2作为单元，用列车两级触发电平TrigL11和TrigL12寻找定位本单元内的各个轮对位置，同时搜寻左轨垂向力脉冲的轮位和右轨垂向力脉冲的轮位，并记录脉冲峰值和轮位位置，搜索最大轮对数为6，搜寻轮对数小于2个则搜索失败；

S46、基于搜索到的垂向力脉冲轮位位置信息，按照机车轴式的轮轴相对位置关系，确定该机车是机车轴数；

S47、以搜索到的至少2个轮位位置信息，计算轮轴脉冲峰值位置时间差t1，所述轮轴脉冲峰值位置时间差t1为相对位置数据点数与采样率的比值，结合预先输入的转向架固定轴距典型值L1，计算本单元的车速v0＝L1/t1；

S48、根据列车时车速V0对列车车速进行修正。

5.根据权利要求1所述的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，其特征在于：所述垂向力识别的具体方法为：

判断机车轴数，

若为4轴机车轴式，取1轴和2轴之间，3轴和4轴之间的脉冲位置中间位置数据段的平均值ave12和ave34；对1轴和2轴之间的脉冲峰值量减去ave12得到修正后的1轴垂向力、2轴垂向力，对3轴脉冲峰值和4轴的脉冲峰值量减去ave34得到修正后的3轴垂向力、4轴垂向力；

若为6轴机车轴式，分别取1轴和2轴之间，2轴和3轴之间，4轴和5轴之间，5轴和6轴之间脉冲位置中间位置数据段的平均值ave12，ave23，ave45，ave56；1轴的脉冲峰值量和2轴的脉冲峰值量减去ave12得到修正后的1轴垂向力、2轴垂向力，对3轴脉冲峰值量减去ave23得到修正后的3轴垂向力；对4轴的脉冲峰值量和5轴的脉冲峰值量减去ave45得到修正后的4轴垂向力、5轴垂向力，对6轴脉冲峰值量减去ave56得到修正后的6轴垂向力。

6.根据权利要求1所述的一种轨道单元状态在线测试与评估方法，其特征在于：

轮对横向力识别方式具体为：

对横向力波形做低通滤波处理；

以垂向力峰值位置为中心，以垂向力脉冲的脉宽为区间，识别该区间内的横向力脉冲峰值最大值和最小值；

横向力脉冲峰值最大值和最小值修正；

左轨最大值与右轨最小值之和H1，取左轨最小值与右轨最大值之和H2，取H1与H2的绝对值更小者作为左右轨横向力值。

Images