高速鐵路軌道精測(cè)精調(diào)及其平順性?xún)?yōu)化研究.pdf

1、為使客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)列車(chē)快速、平穩(wěn)和安全行駛，高速鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軌道的平順性提出了苛刻的要求。依靠精密的檢測(cè)技術(shù)和方法對(duì)軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以及準(zhǔn)確的軌道精調(diào)技術(shù)對(duì)軌道不平順進(jìn)行調(diào)整，是有效控制軌道高平順狀態(tài)的主要手段。隨著無(wú)砟軌道的大量使用，列車(chē)運(yùn)行時(shí)速的提高，運(yùn)載量的增加等，輕小型、智能型的多傳感器軌道檢測(cè)設(shè)備已替代傳統(tǒng)手工檢測(cè)方式，成為高速鐵路軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中軌道靜態(tài)檢測(cè)不可或缺的計(jì)量工具，特別是具有高精度靜態(tài)三維離散測(cè)量模式的軌道

2、幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于軌道平順狀態(tài)的檢測(cè)和調(diào)整。但是，無(wú)論是國(guó)外引進(jìn)的還是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的軌道檢測(cè)設(shè)備，其配套使用的數(shù)據(jù)處理方法和模型尚未完全公開(kāi)。為確保上道檢測(cè)軌道計(jì)量工具檢測(cè)的精確度，需要建立標(biāo)準(zhǔn)軌道檢驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。為保障軌道檢驗(yàn)場(chǎng)中檢測(cè)方法的精確度，參考離散測(cè)量模式中“?！摺狈绞?stop-and-go mode)的軌道檢測(cè)技術(shù)，將軌道幾何狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、處理和評(píng)價(jià)分為三個(gè)階段:分段軌道點(diǎn)坐標(biāo)高程的計(jì)算與搭接

3、，軌道點(diǎn)的橫、垂向偏差推算，以及軌道中、長(zhǎng)波不平順檢測(cè)。對(duì)于采用極坐標(biāo)測(cè)量原理的軌道測(cè)量模式中，軌道檢測(cè)點(diǎn)僅采用測(cè)站平差的處理方式，提出采用中線(xiàn)樁和軌距尺數(shù)據(jù)的聯(lián)合修正方法;對(duì)于多測(cè)站軌道點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)搭接處理方法存在的不足，根據(jù)高速鐵路無(wú)砟軌道每隔50～70m分段測(cè)量模式的特點(diǎn)，提出顧及重疊區(qū)和非重疊區(qū)軌道點(diǎn)測(cè)量誤差特性的高速鐵路軌道分段測(cè)量數(shù)據(jù)平順連接(Regularity for Processing Sectional Measur

4、ement Data，RPSMD)方法。多測(cè)站軌道點(diǎn)坐標(biāo)高程計(jì)算與搭接處理后，對(duì)軌道中、長(zhǎng)波不平順檢測(cè)和調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)，即外部幾何參數(shù)的橫、垂向偏差進(jìn)行求解，研究算法效率和計(jì)算精度均能夠滿(mǎn)足無(wú)砟軌道施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求，且能應(yīng)用于軌道精密檢測(cè)和軌道靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備的偏差算法。根據(jù)高速鐵路軌道檢測(cè)點(diǎn)密、量大、精度要求高的特點(diǎn)，采用縱向偏差算法(Lateral Deviation Algorithm of Composite Simpson，LD

5、ACS)、距離函數(shù)算法(Distance Function Model Algorithm，DFA)和法切線(xiàn)垂直算法(Normal Perpendicular to Tangent Model Algorithm，NPTA)計(jì)算線(xiàn)路橫向偏差和里程，完善DFA和NPTA并驗(yàn)證它們計(jì)算圓曲線(xiàn)段的結(jié)果等價(jià);討論DFA、NPTA以及不同積分區(qū)間等分?jǐn)?shù)M值的LDACS算法的計(jì)算精度和效率。為保障高速鐵路列車(chē)的行駛安全與旅客的舒適性，高速鐵路在普速

6、鐵路軌道10m弦評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上增加了30m弦和300m弦的中波和長(zhǎng)波平順性指標(biāo)，并通過(guò)矢距差法模型進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示按某進(jìn)口軌道檢測(cè)設(shè)備的方案調(diào)整軌道，中、長(zhǎng)波平順指標(biāo)超限率達(dá)18.9％。為此，提出高密度四點(diǎn)偏差約束的軌向高低控制模型（高四模型），以提高矢距差法模型的檢測(cè)精度。
　　準(zhǔn)確可靠的軌道靜態(tài)檢測(cè)成果是指導(dǎo)軌道精調(diào)的重要依據(jù)。長(zhǎng)鋼軌應(yīng)力放散鎖定后的軌道精調(diào)是確保客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)無(wú)砟軌道幾何形位高平順性的必要階段。精調(diào)作業(yè)

7、主要通過(guò)軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x采集軌道三維數(shù)據(jù)，利用配套精調(diào)軟件包手動(dòng)模擬得出調(diào)整方案，指導(dǎo)軌道精調(diào)。現(xiàn)有軌道模擬精調(diào)需人工反復(fù)、多次調(diào)整才能使基準(zhǔn)軌平順性達(dá)到規(guī)定要求，自動(dòng)化程度低。此外，在基準(zhǔn)軌平順性滿(mǎn)足要求后，僅依靠軌距、軌距變化率、水平和扭曲等參數(shù)控制非基準(zhǔn)軌，會(huì)降低非基準(zhǔn)軌平順性。為此，提出利用L1范數(shù)最優(yōu)原則進(jìn)行雙軌精調(diào)的優(yōu)化算法(Optimization Algorithm of Double-rails Track Fine

8、 Adjustment，OADTFA)，建立顧及基準(zhǔn)弦端點(diǎn)偏差的平順性約束，增加非基準(zhǔn)軌軌向、高低約束，采用逐點(diǎn)移動(dòng)基準(zhǔn)弦的分組調(diào)整策略，由單純形法求解實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)化調(diào)整量。針對(duì)實(shí)際軌道扣件剩余可調(diào)范圍不準(zhǔn)確，可能面臨調(diào)整量超出扣件可調(diào)范圍的困境，提出建立“扣件類(lèi)型—調(diào)整量—剩余可調(diào)量”(Fastener type—Adjusted values—Remaining allowed adjustable values，F(xiàn)AR)軌調(diào)體系，

9、并增加軌道扣件（剩余）可調(diào)量的約束條件與相鄰點(diǎn)偏差較差約束。
　　通過(guò)多條高速鐵路無(wú)砟軌道的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　(1)采用極坐標(biāo)測(cè)量原理的軌道測(cè)量模式，軌道檢測(cè)點(diǎn)在測(cè)站平差后采用中線(xiàn)樁和軌距尺聯(lián)合修正，獲得的坐標(biāo)和高程精度相對(duì)于僅作測(cè)站平差的結(jié)果得到明顯提高。
　　(2)顧及重疊區(qū)和非重疊區(qū)軌道點(diǎn)測(cè)量誤差特性的高速鐵路軌道分段測(cè)量數(shù)據(jù)平順連接(RPSMD)方法更合理地考慮了非重疊區(qū)軌道點(diǎn)的調(diào)整，

10、調(diào)整后不僅使重疊區(qū)軌道點(diǎn)的精度得到提高，而且還能使非重疊區(qū)軌道點(diǎn)精度顯著提高，且提高幅度為現(xiàn)有軌道幾何狀態(tài)測(cè)量?jī)x等采用的數(shù)據(jù)處理方法的2.68倍。
　　(3)DFA、NPTA和LDACS(M≥5)算法的計(jì)算結(jié)果均能滿(mǎn)足高速鐵路軌道精密檢測(cè)的精度要求;三種算法的計(jì)算效率均較高，DFA和NPTA效率基本一致，略高于LDACS算法;線(xiàn)路緩和曲線(xiàn)越長(zhǎng)，DFA和NPTA算法效率的計(jì)算精度越低;線(xiàn)路半徑越大，LDACS算法計(jì)算精度越高。

11、>　　(4)高密度四點(diǎn)偏差約束的軌向高低控制模型（高四模型）不僅能夠使任意位置中長(zhǎng)波軌向高低滿(mǎn)足檢驗(yàn)要求，而且能獲得最優(yōu)扣件調(diào)整量。
　　(5)雙軌精調(diào)的優(yōu)化算法OADTFA可實(shí)現(xiàn)鋼軌自動(dòng)化精調(diào)，確保雙軌任意處幾何形位高平順性，自動(dòng)給出最優(yōu)左右軌調(diào)整量。
　　(6)建立“扣件類(lèi)型—調(diào)整量—剩余可調(diào)量”(FAR)軌調(diào)體系，采用軌道扣件（剩余）可調(diào)量約束參與軌道平順性控制，解決了調(diào)整方案受扣件限制難以實(shí)現(xiàn)的缺陷;相鄰點(diǎn)偏差較差約