CN102561118B - 一种基于轨迹偏差的高铁无砟轨道快速精调方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于轨迹偏差的高铁无砟轨道快速精调方法，包括：轨道检查仪记录的轨道平顺性数据与轨道板ID的关联；高铁无砟轨道的轨迹偏差建模；高铁无砟轨道整正量的迭代解法。本发明利用轨道检查仪能够快速、全面、准确的检测轨道轨迹偏差的能力，以恢复高铁无砟轨道的平顺性为目标，构造迭代解法，获得在惯性坐标系下的整正量的数值解。该方法整体优化轨道平顺性，且无需外部标志物的信息，测量与解算效率高，并具备良好的轨道板ID的定位能力，适合高铁无砟轨道的快速精调与日常养护。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于轨迹偏差数据的轨道平顺性控制算法，其直接应用于高速铁路无砟轨道的快速精调与日常维护。
背景技术
鉴于无砟轨道的高稳定、高平顺与低维护等特点，《高速铁路设计规范》中建议，高铁轨道结构宜采用全线无缝、无砟轨道结构。但同时，无砟轨道作为一种新的轨道结构，具有很强的试验性。通过在京津、武广、郑西以及京沪等高速铁路的铺设、使用，我国已在轨道铺设、落成等方面取得了一定的成果，形成了具有中国特色的技术体系。然而，对于高铁无砟轨道的平顺性，目前尚无成熟可靠的整正技术予以控制，这必将威胁到高铁的安全运营。
轨道几何形位的整正的目标是为了恢复轨道的设计状态，如位置、线型及平顺性等。关于具体线路几何形位的整正技术（以平面为例），目前公知的轨道平顺性控制算法是基于渐开线理论的绳正法(正矢法)、偏角法与以全站仪为核心的坐标法。此三类方法均是在局部坐标系或工程坐标系下采用解析方法求得闭合解，有着较为严格的边界条件，存在着适用性问题。
《铁路线路维修规则》规定，曲线地段轨向不良时，可以用绳正法测量、计算与拔正。绳正法的基本原理，是利用曲线上各点正矢与曲率之间的关系，通过改正正矢，计算拨量，拨正线路（见下式）
其中e n 为n点的调整量；f 与f＇为实测正矢与计划正矢。
绳正法测量方便，适合于车间、班组日常养护维修使用，但该方法拨正精度低，容易产生鹅头；偏角法主要用于散粒体轨道的大中修，操作过程简单，但由于列车运营的干扰，实际与理论存在难以调和的矛盾，拨正误差较大；且，绳正法与偏角法均基于渐伸线原理，由于渐伸线计算存在累和，意味着随着里程的增加误差会不断增大，难以保证长大平顺性。鉴于高铁轨道的高平顺性与结构的特殊性，以上两类方法均不适合在高铁轨道维修中应用。
坐标法是以全站仪为核心，通过CPⅢ点的后方交会，通过CPⅢ桩的大地坐标反算全站仪精确高程/平面偏差值，并采用极坐标法获得站内各点的工程坐标，通过比较实测坐标与设计坐标之间的坐标偏差得到整正量（见下式），从而恢复线路几何参数的整正方法。
其中，e i 为i 点的调整量；x i 与y i 为圆曲线上i 点的坐标；R 为圆曲线半径；v xi ，v yi 为i 点沿x 方向与y 方向的偏差值；α与β i 分别为直线段方位角与缓和曲线上i 点转折角。
由于无砟轨道的特殊轨道结构，传统的养修理论与技术难以适用。在整体道床条件下，我国的08、09 系列捣固车等无法对高铁进行综合维修。而依据目视、弦测数据的人工养护技术，从原理上无法保证维修后作业精度，甚至导致几何位置严重偏离，这对于高铁的高平顺性要求来说是不能容忍的。
目前，较为可靠的方案是采用全站仪，利用CPⅢ“后方交会”网的精密定轨测量轨道绝对坐标，依据坐标法进行轨道整正。该工艺以全站仪为测量核心，以控制轨道坐标位置为目的，其技术相对成熟，整正原理明晰，且具备部分长波不平顺的整正能力，但其作业效率低（≤600m/d）、环境适应性差(对温度、光照及风速敏感)、施工成本高（≥￥15000/km）。另外，绝对测量的标称精度为方向测量中误差≤1″、测距中误差≤1mm+2ppm，即意味着在中短波范围内该工艺难以满足高铁无砟轨道的平顺性要求。
鉴于恢复线路设计位置之目的在于保证高铁线路的高平顺性，探索基于轨道平顺性的低成本、全天候、高效率的高速铁路轨道几何形位快速整正算法既是技术可能，亦是工程需要。轨道检查仪（轨检仪）是通过电子、传感技术静态测量并自动记录准轨铁路轨道几何参数的便携式轨道检测设备，其中，0级轨检仪利用惯性元件，可精确记录惯性坐标下轨道的平面、高程轨迹偏差并可推算轨道的平顺性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于轨迹偏差的高铁无砟轨道快速精调方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
（1）轨道检查仪记录的轨道平顺性数据与轨道板ID的关联。
（2）高铁无砟轨道的轨迹偏差建模。
采用中点弦测模型定义高铁无砟轨道的轨迹偏差，
（1）
其中， v i为i点的轨道不平顺，单位mm；f i为i点的轨道平面法向的轨道几何形位，单位mm；i为轨道平面切向位置，i=0，1，2，…n-1。
令
并令
则式（1）写作向量形式
（2）
显然，在线路控制点定位准确的条件下，当平面整正的设计目标值V已知，则整正的问题转化为V=AF求解F的问题。
（3）高铁无砟轨道整正量的迭代解法。
矩阵A是正定对称阵且对角占优，对迭代收敛，可知，可依据平顺性状态矩阵V获得位置矩阵F的数值解。
所述的整正量迭代算法，包含
k=0，1，…… （3）
其中{F (k)}为待求轨道偏差向量序列，B为迭代矩阵，V为平顺性状态矩阵，迭代算法包括高斯-赛德尔（Gauss-Seidel）迭代法、超松弛（SOR）迭代法、牛顿（Newton）迭代法以及上述方法的加速算法。
计算迭代前后轨迹的偏差，可得调整量
（4）
本发明所述迭代算法可以是自动计算，也可以是手动计算。
本发明利用轨道检查仪能够快速、全面、准确的检测轨道轨迹偏差的能力，以恢复高铁无砟轨道的平顺性为目标，构造迭代解法，获得在局部坐标系下的整正量的数值解。该方法整体优化轨道平顺性，且无需外部标志物的信息，测量与解算效率高，适合高铁无砟轨道的快速精调与日常养护。
附图说明
附图1为轨检仪数据采集及轨道板ID关联操作流程。
附图2为调整量计算操作流程。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
轨道平顺性数据与高铁无砟轨道轨道板关联，如附图1所示，依据线路资料建立轨枕号列表并导入轨检仪，待***初始化后，输入当前轨道板ID号；遂推行轨检仪，采集轨道平顺性数据并自动记录里程；数据采集毕，输入终点轨道板ID号，重新计算各里程对应轨道板ID，如式5所示。
本实施例在处理轨道检查仪记录的轨迹平顺性数据与高铁无砟轨道轨道板关联上，可以利用高铁无砟轨道线路资料与轨道检查仪标记功能，自动地将轨道检查仪记录的轨道平顺性数据与轨道板ID号关联，其主要特征包括：依据线路资料，通过轨道检查仪起讫点标志，利用算术平均的方法，获得轨道检查数据与轨道板ID的关联性方法。
（5）
其中，ID(i)为当前轨道板ID号，i=0，1，……，n；ID(0)，ID(n)为起讫点轨道板ID号；S (i)为当前轨道板ID对应的推行里程，i=0，1，……，n；S (0)，S (n)为起讫点轨道板ID对应的推行里程。
实施例2。
调整量计算，首先依据线路资料得到轨道平顺性状态的目标值，待导入平顺性数据于迭代矩阵（如式3所示），计算轨道的惯性坐标下的坐标偏差。
计算过程如附图2所示并以Gauss-Seidel迭代进行说明，
其中，f i (k)系里程位置i处第k次迭代的惯性坐标下的坐标。迭代计算收敛于f i *。结果代入式4，可得里程位置i处的调整量参考值。
Claims (3)
1.一种基于轨迹偏差的高铁无砟轨道快速精调方法，其特征是按下列步骤：
（1）轨道检查仪记录的轨道平顺性数据与轨道板ID的关联；
（2）高铁无砟轨道的轨迹偏差建模；
采用中点弦测模型定义高铁无砟轨道的轨迹偏差：
（1）
其中， v i为i点的轨道不平顺，单位mm；f i为i点的轨道平面法向的轨道几何形位，单位mm；i为轨道平面切向位置，i=0，1，2，…n-1；
令
并令
则式（1）写作向量形式
（2）
显然，在线路控制点定位准确的条件下，当平面整正的设计目标值V已知，则整正的问题转化为V=AF求解F的问题；
（3）高铁无砟轨道整正量的迭代解法：
矩阵A是正定对称阵且对角占优，对迭代收敛，可知，可依据平顺性状态矩阵V获得位置矩阵F的数值解；
所述的整正量迭代算法，包含
，k=0，1，…… （3）
其中{F (k)}为待求轨道偏差向量序列，B为迭代矩阵，V为平顺性状态矩阵，迭代算法包括高斯-赛德尔（Gauss-Seidel）迭代法、超松弛（SOR）迭代法、牛顿（Newton）迭代法以及上述方法的加速算法；
计算迭代前后轨迹的偏差，可得调整量
（4）。
2.根据权利要求1所述的基于轨迹偏差的高铁无砟轨道快速精调方法，其特征是所述的轨道检查仪记录的轨道平顺性数据与轨道板ID的关联包括：依据线路资料，通过轨道检查仪起讫点标志，利用算术平均的方法，获得轨道检查数据与轨道板ID的关联性：
其中，ID(i)为当前轨道板ID号（i=0，1，……，n），ID(0)、ID(n)为起讫点轨道板ID号，S (i)为当前轨道板ID对应的推行里程（i=0，1，……，n），S (0)、S (n)为起讫点轨道板ID对应的推行里程。
3.根据权利要求1所述的基于轨迹偏差的高铁无砟轨道快速精调方法，其特征是所述迭代算法为自动计算或手动计算。
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