CN104794312B - 轨道平顺状态的评定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了轨道平顺状态的评定方法及装置，包括基于车辆‑轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；计算与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数；对该波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长成分进行加权计算，得到新的轨道不平顺；根据预设的评定方法对新的轨道不平顺进行评定，本发明综合考虑了幅值、波长和空间位置信息的轨道不平顺评定方法，使得对轨道不平顺的分析更准确并且基于本评定方法可制定更具针对性的、科学合理的轨道维修计划和管理办法，可以控制对耦合大系统振动影响较大的轨道不平顺，最终能够保证轨道结构的安全以及列车运行的平稳性和舒适性。

Description

轨道平顺状态的评定方法及装置

技术领域

本发明涉及铁路轨道领域，具体而言，涉及一种轨道平顺状态的评定方法及装置。

背景技术

目前，轨道不平顺的波长和幅值均对车辆/轨道相互作用有较大的影响。国内外对轨道几何平整度的评定方法通常包括三种，主要有超限评分法、轨道质量指数(TQI)法和轨道谱法(具体使用轨道不平顺PSD(power spectral density，功率谱密度函数)。

其中，超限评分法是一种反映轨道局部质量状态的方法，其通过摘取测点中超限的峰值(如正峰值或负峰值)，来判断峰值是否超过规定的界限。轨道质量指数是评价轨道区段整体质量状态的方法，其通过测得的轨道区段中全部测点的幅值，计算各几何平顺参数的幅值标准差，同时将单项几何参数的指数进行加权计算获得综合指数。而轨道谱是从幅值和波长两方面来描述轨道几何平顺状态的统计特征和规律，是能够全面表达轨道不平顺特征的统计函数。

但是，超限评分法和轨道质量指数只是从轨道几何不平顺幅值角度来评价轨道质量，未包含波长信息，使得检测结果不准确。轨道谱只是不平顺幅值和波长两个角度来评价轨道质量，但是轨道谱缺乏里程信息，无定位功能，即无法确定轨道平顺状态恶化的具体位置，因此，在现场养护维修中应用较少。

发明人在研究中发现，现有技术中的轨道平顺状态的评定方法均不理想，针对这一问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供轨道平顺状态的评定方法及装置，以轨道不平顺的评价必须掌握其幅值、波长和空间位置这三方面的信息，能够更为真实的掌握轨道的平顺状态，并便于指导现场的养护维修。

第一方面，本发明实施例提供了一种轨道平顺状态的评定方法，包括：

基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；其中，振动方程是根据轮轨相互作用关系建立的；

计算与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数；

利用所述波长权重系数对波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺；

根据预设的评定方法对新的轨道不平顺进行评定；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值包括：

基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，计算轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数；

根据传递函数中各个幅值的变化值，确定幅值对应的轨道不平顺的波长对耦合大系统振动的影响程度。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，计算轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数包括：

采用频域分析方法对振动方程进行分析计算，得到轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数

或者，采用时域分析方法对振动方程进行分析计算，得到耦合大系统的实际振动响应；

将实际轨道不平顺和实际振动响应进行频域转换计算，得到频域下的振动响应和轨道不平顺；

计算频域下的振动响应与轨道不平顺的比值，得到轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，计算与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数包括：

对传递函数作归一化处理，得到与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，利用波长权重系数对波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺包括：

对轨道不平顺进行傅立叶变换，得到轨道不平顺的频谱；轨道不平顺的频谱包括频率/波长与幅值的对应信息、频率/波长与相位的对应信息；

根据轨道不平顺的频谱中波长对应的波长权重系数，对轨道不平顺的频谱的幅值进行加权计算；

对加权后的幅值以及频谱中的相位信息进行傅立叶逆变换，得到加权后的轨道不平顺。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，利用波长权重系数对与波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长进行加权计算包括：

对轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺；

采用波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算，得到新的多组轨道不平顺。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，对轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺包括：

采用小波变化方法，按公式n＝floor(log₂(w_max-w_min))对轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺；其中，n表示分解层数；w_min表示轨道不平顺的最小波长；w_max表示轨道不平顺的最大波长，即轨检车检测的截止波长；floor()表示向下取整；

采用波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算包括：

根据公式对权重系数进行平均值计算，得到平均波长权重系数以及平均波长权重系数与轨道不平顺组数的对应关系；

根据平均波长权重系数与轨道不平顺组数的对应关系，将平均波长权重系数加权到对应的轨道不平顺组数的每个幅值中。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，对轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺，包括：

采用经验模态分解EMD方法对轨道不平顺进行分解，得到按波长从短到长或按频率从高到低排列的多层本征模态函数；其中，分解公式为：S(t)表示轨检车测量的轨道不平顺信号；imf_i，(i＝1……n)表示分解后的本征模态函数；r_n(t)表示残余信号；

采用波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算，得到新的多组轨道不平顺包括：

根据希尔伯特变换算法，分别计算每一层本征模态函数中每一个频率/波长值和该频率/波长值对应的幅值；

在所有波长权重系数中，查找每一层本征模态函数中每一个频率/波长值对应的波长权重系数，得到有效波长权重系数；

将有效波长权重系数加权到幅值上，得到新的多组轨道不平顺；其中，有效波长权重系数对应的频率/波长值与幅值对应的频率/波长值相同。

结合第一方面的第五种可能的实施方式至第一方面的第七种可能的实施方式中的任意一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，根据预设的评定方法对新的轨道不平顺进行评定，包括：

对新的多组轨道不平顺重新组合，得到加权后的轨道不平顺；根据预设的评定方法对加权后的轨道不平顺进行评定；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

第二方面，本发明实施例提供了一种轨道平顺状态的评定装置，包括：

确定单元，用于基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；其中，振动方程是根据轮轨相互作用关系建立的；

第一计算单元，用于计算与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数；

第二计算单元，用于利用所述波长权重系数对与波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺；

评定单元，用于根据预设的评定方法对新的轨道不平顺进行评定，以便根据评定结果对轨道不平顺进行处理；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

本发明实施例提供的轨道平顺状态的评定方法及装置，包括基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；计算与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数；对与波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长成分进行加权计算，得到新的轨道不平顺；根据预设的评定方法对新的轨道不平顺进行评定，以便根据评定结果对轨道不平顺进行处理；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法，与现有技术中的轨道平顺状态的评定方法均不理想相比，其综合考虑了幅值、波长和空间位置信息(即里程信息)的轨道不平顺评定方法，使得对轨道平顺的分析更准确，并且基于本评定方法可制定更具针对性的、科学合理的轨道维修计划和管理办法，可以控制对弓网-列车-轨道-下部基础耦合大系统振动影响较大的轨道不平顺，最终能够保证轨道结构的安全以及列车运行的平稳性和舒适性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种轨道平顺状态的评定方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的另一种轨道平顺状态的评定方法的流程图；

图3示出了本发明实施例所提供的基于振动方程计算得到的传递函数的示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的波长权重系数的示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的另一种轨道平顺状态的评定方法的流程图；

图6示出了本发明实施例所提供的另一种轨道平顺状态的评定方法的流程图；

图7示出了本发明实施例所提供的另一种轨道平顺状态的评定方法的流程图；

图8示出了本发明实施例所提供的轨道不平顺的随机样本的示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的本征模态函数IMF的分解后的结构示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的本征模态函数IMF的分解后的结构示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的轨道不平顺分解后的里程频率示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的轨道不平顺分解后的里程频率示意图；

图13示出了本发明实施例所提供的总体本征模态函数IMF的加权后的结构示意图；

图14示出了本发明实施例所提供的另一种轨道平顺状态的评定方法的流程图；

图15示出了本发明实施例所提供的一种轨道平顺状态的评定装置的结构示意图和确定单元的结构示意图；

图16示出了本发明实施例所提供的一种轨道平顺状态的评定装置中计算子单元的结构示意图；

图17示出了本发明实施例所提供的一种轨道平顺状态的评定装置中第一计算单元和第二计算单元的结构示意图；

图18示出了本发明实施例所提供的一种轨道平顺状态的评定装置中分解子单元和加权计算子单元的结构示意图；

图19示出了本发明实施例所提供的另一种轨道平顺状态的评定装置中分解子单元和加权计算子单元的结构示意图；

图20示出了本发明实施例所提供的一种轨道平顺状态的评定装置中分解子单元和评定单元的结构示意图。

主要元件符号说明：

11、确定单元；12、第一计算单元；13、第二计算单元；14、评定单元；111、计算子单元；112、确定子单元；1111、频域分析计算模块；1112、传递函数设置模块；1113、时域分析计算模块；1114、频域转换计算模块；1115、比值计算模块；121、归一化处理子单元；122、波长权重系数设置单元；131、分解子单元；132、加权计算子单元；133、傅立叶变换子单元；134、幅值加权计算子单元；135、傅立叶逆变换子单元；1311、第一分解模块；1312、轨道不平顺设置模块；1321、平均值计算模块；1322、第一加权计算模块；1313、第二分解模块；1314、多层本征模态函数设置模块；1324、频率幅值计算模块；1325、查找模块；1326、第二加权计算模块；141、重新组合子单元；142、评定子单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

轨道不平顺的不同波长成分对车辆-轨道耦合系统振动的影响程度是不同的，即轨道不平顺的波长和幅值均对车辆/轨道相互作用有较大的影响。然而，目前国内外评价轨道几何不平顺常用的方法主要有超限评分法、轨道质量指数(TQI)和轨道谱三种方法。超限评分法、轨道质量指数(TQI)是基于轨道不平顺幅值数据的评价方法，未包含波长信息。轨道谱是包含幅值、波长两方面信息，但是轨道谱缺乏里程信息，无法确定轨道平顺状态恶化的具体位置。

基于上述问题，本发明提出了一种轨道平顺状态的评定方法及装置，即基于波长权重的轨道不平顺评价方法，该方法综合考虑了幅值、波长和空间位置信息(即里程信息)的轨道不平顺评价方法，使得对轨道不平顺的分析更准确，并且基于本评价方法可制定更具针对性的、科学合理的轨道维修计划和管理办法，可以控制对弓网-列车-轨道-下部基础耦合大系统振动影响较大的轨道不平顺，最终能够保证轨道结构的安全以及列车运行的平稳性、舒适性。

本发明的轨道平顺状态的评定方法具体实现过程如下：

参考图1，本发明提供了一种轨道平顺状态的评定方法，包括：

101、基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；其中，振动方程是根据轮轨相互作用关系建立的。

实际上，不同波长成分的不平顺对车辆-轨道耦合大系统的影响程度是不同的。具体的，车辆-轨道耦合大系统的振动方程是根据轮轨相互作用关系建立的，其可以为频域计算模型对应的振动方程，也可以为时域计算模型对应的振动方程。

本实施例中，基于轮轨相互作用关系，首先建立车辆-轨道耦合大系统的振动方程，然后根据该振动方程计算轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数，最后，根据该传递函数确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值。

其中，轨道不平顺的波长是由检测车(或者成为轨检车)测量的，检测车可以具有不同的检测波长范围(如1m～42m，如1m～70m，如1m～120m)，并检测其检测范围对应的轨道不平顺，并且检测车还可以输出多个检测波长范围的轨道不平顺。

102、计算与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数。

本实施例，轨道不平顺的各个不同的波长成分会对振动方程产生不同影响，故根据被作用的耦合大系统的振动变化情况(即不同的波长成分对耦合大系统的影响程度)，计算轨道不平顺的各个不同的波长对应的波长权重系数，以便后续根据该波长权重系数对轨道不平顺进行加权计算。

103、利用所述波长权重系数对与波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺。

具体的，加权计算的方式包括两种：第一，对波长权重系数进行平均值处理，并用平均值处理后的结果分别对轨道不平顺中的对应的波长成分进行加权；第二，使波长权重系数对所述轨道不平顺中的对应的每一波长成分进行加权。

根据上述两种方式得到的新的轨道不平顺，就是从轨道几何不平顺的幅值和波长两方面综合计算的结果，用以得到新的轨道不平顺。

104、根据预设的评定方法对新的轨道不平顺进行评定，以便根据评定结果对轨道不平顺进行处理；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

具体的，通过现有的超限评分法和轨道质量指数法可以对经过加权计算后的轨道不平顺进行评定，即综合幅值、波长和里程三方面信息对轨道的不平顺状态进行评价(或者对轨道的平顺状态进行分析)，可以使得评价的结果更准确。

本发明提供的轨道平顺状态的评定方法，其通过引入波长权重系数形成轨道不平顺评价方法，综合幅值、波长和空间位置信息三方面的信息对轨道不平顺进行评价，使得评价的结果更加精确；而基于本评价方法可制定更具针对性的、科学合理的轨道维修计划和管理办法，可以控制对弓网-列车-轨道-下部基础耦合大系统振动影响较大的轨道不平顺，最终能够保证轨道结构的安全以及列车运行的平稳性、舒适性。

考虑到轨道不平顺各波长成分对耦合系统振动的影响程度不同，为了将该影响程度定量化，本发明中采用如下方式确定轨道不平顺的波长权重系数，如图2所示，具体方法包括：

201、基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，计算轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数。

本实施例中传递函数的计算方法包括两种：一是频域分析计算方法，二是时域分析计算方法，而在时域分析计算方法中，根据振动响应计算传递函数，而振动响应可以是根据振动方程得到的，也可以是实际测得的。

具体的，如图3所示，采用频域分析方法对振动方程进行分析计算，得到横轴为频率，纵轴为该频率信号的幅度下的轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数。

另外，采用时域分析方法对振动方程进行分析计算，以时间为轴线得到耦合大系统的实际振动响应。

而在采用时域分析方法中，需要将实际的轨道不平顺和实际的振动响应转换为频域下的轨道不平顺和振动响应，转换后的结果得到：横轴为频率、纵轴为该频率信号的幅度下的耦合大系统振动响应和轨道不平顺，然后计算频域下的振动响应与轨道不平顺的比值，得到传递函数。

本实施例中，将时域中的实际振动响应和实际轨道不平顺转换为频域下的振动响应和轨道不平顺的方法如下：

按照如下公式进行转换：H(f)＝Sxy(f)/Sxx(f)；其中，H(f)为传递函数；Sxy(f)为实际轨道不平顺与实际振动响应的互功率谱；Sxx(f)为实际轨道不平顺的自功率谱。

其中，实际轨道不平顺为实测不平顺，耦合系统的实际振动响应为实测值或时域模型计算值。

202、根据传递函数中各个幅值的变化值，确定幅值对应的轨道不平顺中的波长对耦合大系统振动的影响程度。

具体的，最终得到的传递函数是频域下的，即为横轴为频率、纵轴为该频率信号的幅度下的耦合大系统与轨道不平顺的传递函数，然后将该传递函数转换为横轴为波长、纵轴为该频率信号的幅度下的耦合大系统与轨道不平顺的传递函数，故根据转换后的传递函数的幅值，可以得出轨道不平顺中的波长对耦合大系统振动的影响程度。

本实施例中，在下文中讲述的频率(即时间频率)、空间频率、波长都是频率的一种表述方式，它们之间存在一个等价关系即：“波长＝车速/频率，空间频率＝1/波长”。

具体的，基于轮轨相互作用关系，建立车辆-轨道耦合大系统的振动方程，采用频域分析方法计算等幅值简谐轨道不平顺激励下的轨道不平顺与耦合系统振动之间的传递函数；以车辆垂向振动响应为例，如图3所示，需要说明的是，图3中的两幅图是相同的，只是两幅图中做了一个坐标变换，左图中横坐标为频率Hz，右图将左图的横坐标转换为了波长λ，转换公式为“波长＝车速/频率”)。由图3中的左右两幅图可以看出不同波长成分下耦合系统的振动响应是不同的，传递函数曲线的波动即表示了各波长成分的不平顺对耦合系统振动的影响程度。

基于上述确定传递函数的方法，为了便于计算，本实施例中，计算作用于该耦合大系统的轨道不平顺的波长对应的波长权重系数，采用对传递函数进行归一化处理的方式，具体方法如下：

将传递函数作均值归一化处理即可得到轨道不平顺的波长权重系数，如图4所示。所谓均值归一，是以其均值作为1，也就是说若某波长成分的响应大于均值，则其权重系数大于1；反之则其权重系数小于1。

需要说明的是，归一化的方法有多种，本实施例中目前采用的是均值归一化的方法。

考虑到每个轨道不平顺可能包括多个波长成分，为了对每个波长成分均进行处理，本实施例中可以通过两种方式对轨道不平顺进行加权计算：

其中，一种加权计算方式如下，如图5所示，：

301、对轨道不平顺进行傅立叶变换，得到轨道不平顺的频谱；轨道不平顺的频谱包括频率/波长与幅值的对应信息、频率/波长与相位的对应信息。

具体的，该轨道不平顺的频谱包括横坐标为波长，纵坐标为幅值的对应信息，以及横坐标为波长，纵坐标为相位的对应信息；或者得到横坐标为频率，纵坐标为幅值的对应信息，以及横坐标为频率，纵坐标为相位的对应信息。

302、根据轨道不平顺的频谱的波长对应的波长权重系数，对轨道不平顺频谱的幅值进行加权计算。

具体的，上述归一化处理得到波长权重系数，同样为横坐标为波长，纵坐标为波长权重系数的对应信息，或者，横坐标为频率，纵坐标为波长权重系数的对应信息，此时将相同频率或者波长对应的波长权重系数加权到该频率或者波长对应的幅值中，得到加权后的幅值，同时保留原相位值。

303、对加权后的幅值以及频谱中的相位信息进行傅立叶逆变换，得到加权后的轨道不平顺。

在步骤302的过程中，将加权后的幅值和保留的原相位值进行傅里叶逆变换，即得到新的轨道不平顺。

另外，参考图6，本发明实施例还提供了另一种加权计算方式如下：

401、对轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺。

具体的，本实施例采用经验模态分解(EMD)或小波变换对轨检车测量的轨道不平顺进行分解，得到频率从高到低(或称为波长从短到长)排列的多组轨道不平顺，每组不平顺均为窄带信号，即其频率(或波长)范围很窄。

402、采用波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算，得到新的多组轨道不平顺。

本实施例中对轨道不平顺进行分解以及采用有效波长对应的波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算包括如下两种方法：

1、基于小波变换的结果，具体如下：

采用小波分析将原始轨道不平顺进行小波分解，小波基选择bior4.4或bior5.5。小波分解的层数根据原轨道不平顺的波长范围来确定，原轨道不平顺的最小波长w_min＝0.25m，最大波长为轨检车(或动检车)检测的截止波长w_max，于是分解层数n＝floor(log₂(w_max-w_min)。例如，轨检车截止波长为120m，则n取8，并且每一层的波长范围由小到大分别为下表1所示，其中第8层包括低通与高通两组信息，因而总共有9个波长区间。(根据轨道不平顺的波长范围，采用小波分解的方式)；其中，表1示出了8层小波分解的波长范围，如表1所示，

层序号	波长范围(m)
		1	0.25～0.5
2	0.5～1
		3	1～2
4	2～4
		5	4～8
6	8～16

7	16～32
		8+	32～64
8-	64～128

表1

根据波长权重系数，采用如下公式积分(即公式1-1)求得小波分解得到的每一个波长区间对应的平均波长权重系数wi，其中fh为波长上限，fl为波长下限，L为波长区间长度，W(x)为波长权重系数。

其中，积分公式如下：

式1-1

在小波分解得到的每一层数据中引入每一层的平均权重系数wi，也即是对每一层进行加权，再通过小波重构方法，可得到加权后的轨道不平顺。具体的，上述数据指的是轨道不平顺中的每一层(或者说每一组)轨道不平顺中每一个波长/频率对应的幅值。

如图7所示，第二种方法如下：

501、采用经验模态分解方法(EMD)对轨检车测量的轨道不平顺进行分解，得到按波长从短到长或按频率从高到低排列的多层本征模态函数；分解公式为：其中，S(t)表示轨检车测量的轨道不平顺信号；imf_i，(i＝1……n)表示分解后的窄带分量，即本征模态函数；r_n(t)表示残余信号(在计算过程中忽略不计)。

502、根据希尔伯特变换算法，分别计算每一层本征模态函数中每一个频率/波长值和该频率/波长值对应的幅值。

503、在所有波长权重系数中查找每一层本征模态函数中每一个频率/波长值对应的波长权重系数，得到有效波长权重系数。

504、将有效波长权重系数加权到幅值上，得到新的轨道不平顺；其中，有效波长权重系数对应的频率/波长值与幅值对应的频率/波长值相同。

具体的，第二种方法为基于经验模态分解(EMD)的结果。经验模态分解(EMD)分解方法，将原信号分解为多个窄带分量，每个分量被称为本征模态函数(IMF)。如下式所示，信号S(t)经过分解后可得到若干个imf和一个残余信号r_n(t)(本实施例中残余信号舍去，不做分析)

式1-2。

本实施例中，选取某高低不平顺随机样本为例来介绍(其他各项轨道不平顺可采用同样的方法计算得到)，随机样本如图8所示。

经过EMD分解后得到的本征模态函数IMF如图9-图10所示。分解得到了9个从高频到低频(或称为从短波到长波)的本征模态函数IMF(分解层数是由EMD算法自动识别的)。图中仅给出了前4层IMF。

根据希尔伯特变换可计算图4中每层IMF的频率值，如图11和图12所示，图中竖坐标为空间频率(为波长的倒数，单位为1/m)。图11-图12中的每里程位置处的频率值与图9-图10是一一对应的，根据该频率值再结合图4的权重系数即可得到每里程位置处的权重值，将该权重值引入到图9-图10中的IMF中即可得到加权后的IMF，最后将各层IMF相加即可得到加权后的不平顺，如图13所示。

基于上述将多组轨道不平顺进行分解，故在对分解后想轨道不平顺进行加权计算后，优选通过如下方式进行对所述加权后的轨道不平顺进行评定，如图14所示：

601、对新的多组轨道不平顺重新组合，得到加权后的轨道不平顺。

具体的，上述步骤中对分解后的多组轨道不平顺进行加权计算后，仍然得到多组新的轨道不平顺，按照与分解方法相对应的重组方法对新的轨道不平顺进行重组，得到重组后的轨道不平顺。

602、根据预设的评定方法对加权后的轨道不平顺进行评定，以便根据评定结果对轨道不平顺进行处理；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

具体的，由于预设的评定方法中包括了对里程信息处理，故通过预设的评定方法对本实施例中的加权轨道不平顺进行评定，即综合了幅值、波长和空间位置信息(即里程信息)的信息。

本发明还提供了一种轨道平顺状态的评定装置，如图15所示，包括：

确定单元11，用于基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；其中，振动方程是根据轮轨相互作用关系建立的。

第一计算单元12，用于计算与每一个确定单元11确定的振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数；

第二计算单元13，用于利用所述波长权重系数对与第一计算单元12得到的波长权重系数相匹配的轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺；

评定单元14，用于根据预设的评定方法对第二计算单元13计算的新的轨道不平顺进行评定，以便根据评定结果对轨道不平顺进行处理；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

进一步的，如图15所示，该轨道平顺状态的评定装置中，确定单元11包括：

计算子单元111，用于基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，计算轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数。

确定子单元112，用于根据传递函数中各个幅值的变化值，确定幅值对应的轨道不平顺的波长对耦合大系统振动的影响程度。

进一步的，如图16所示，该轨道平顺状态的评定装置中，计算子单元111包括：

频域分析计算模块1111，用于采用频域分析方法对振动方程进行分析计算，

传递函数设置模块1112，用于将分析计算结果设置为轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数。

或者，时域分析计算模块1113，用于采用时域分析方法对振动方程进行分析计算，得到耦合大系统的实际振动响应。

频域转换计算模块1114，用于将实际轨道不平顺和实际振动响应进行频域转换计算，得到频域下的振动响应和轨道不平顺。

比值计算模块1115，用于计算振动响应与轨道不平顺的比值，得到轨道不平顺与耦合大系统振动之间的传递函数。

进一步的，如图17所示，该轨道平顺状态的评定装置中，第一计算单元12包括：

归一化处理子单元121，用于对传递函数作归一化处理。

波长权重系数设置单元122，用于将归一化处理子单元121得到的归一化处理结果设置为与每一个振动变化值对应的轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数。

进一步的，该轨道平顺状态的评定装置中，如图17所示，第二计算单元13包括：

分解子单元131，用于对轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺。

加权计算子单元132，用于采用波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算，得到新的多组轨道不平顺。

进一步的，如图18所示，该轨道平顺状态的评定装置中，分解子单元131包括：

第一分解模块1311，用于采用小波变化方法，按公式n＝floor(log₂(w_max-w_min))对所述轨道不平顺进行分解。

轨道不平顺设置模块1312，用于将分解的结果设置为按预设顺序排列的多组轨道不平顺；其中，n表示分解层数；w_min表示轨道不平顺的最小波长；w_max表示轨道不平顺的最大波长，即轨检车检测的截止波长；floor()表示向下取整。

进一步的，如图18所示，该轨道平顺状态的评定装置中，加权计算子单元132包括：

平均值计算模块1321，用于根据公式对权重系数进行平均值计算，得到平均波长权重系数以及平均波长权重系数与轨道不平顺组数的对应关系。

第一加权计算模块1322，用于根据平均波长权重系数与轨道不平顺组数的对应关系，将平均波长权重系数加权到对应的轨道不平顺组数的每个幅值中。

进一步的，如图19所示，该轨道平顺状态的评定装置中，分解子单元131包括：

第二分解模块1313，用于采用经验模态分解EMD方法对轨检车测量的轨道不平顺进行分解。

多层本征模态函数设置模块1314，用于将分解的结果设置为按波长从短到长或按频率从高到低排列的多层本征模态函数；其中，分解公式为：S(t)表示轨检车测量的轨道不平顺信号；imf_i，(i＝1……n)表示分解后的窄带分量，即本征模态函数；r_n(t)表示残余信号。

进一步的，如图19所示，该轨道平顺状态的评定装置中，加权计算子单元132包括：

频率幅值计算模块1324，用于根据希尔伯特变换算法，分别计算每一层本征模态函数中每一个频率/波长值和该频率/波长值对应的幅值；

查找模块1325，用于在所有波长权重系数中，查找每一层本征模态函数中每一个频率/波长值对应的波长权重系数，得到有效波长权重系数。

第二加权计算模块1326，用于将有效波长权重系数加权到幅值上，得到新的多组轨道不平顺；其中，有效波长权重系数对应的频率/波长值与幅值对应的频率/波长值相同。

另外，除了分解进行加权的方法，本发明还提供了另一种方式，具体的，该轨道平顺状态的评定装置中，如图20所示，第二计算单元13包括：

傅立叶变换子单元133，用于对轨道不平顺进行傅立叶变换，得到轨道不平顺的频谱；轨道不平顺的频谱包括频率/波长与幅值的对应信息、频率/波长与相位的对应信息；

幅值加权计算子单元134，用于根据轨道不平顺的频谱的波长对应的波长权重系数，对轨道不平顺频谱的幅值进行加权计算；

傅立叶逆变换子单元135，用于对加权后的幅值以及频谱中的相位信息进行傅立叶逆变换，得到加权后的轨道不平顺。

进一步的，如图20所示，该轨道平顺状态的评定装置，评定单元14包括：

重新组合子单元141，用于对新的多组轨道不平顺重新组合，得到加权轨道不平顺；

评定子单元142，用于根据预设的评定方法对加权轨道不平顺进行评定，以便根据评定结果对轨道不平顺进行处理；预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

本发明实施例提供的轨道平顺状态的装置，与现有技术中的轨道平顺状态的评定方法均不理想相比，其综合考虑了幅值、波长和空间位置信息(即里程信息)的轨道不平顺评定方法，使得对轨道平顺的分析更准确，并且基于本评定方法可制定更具针对性的、科学合理的轨道维修计划和管理办法，可以控制对弓网-列车-轨道-下部基础耦合大系统振动影响较大的轨道不平顺，最终能够保证轨道结构的安全以及列车运行的平稳性和舒适性。

其中，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，包括：

基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；其中，所述振动方程是根据轮轨相互作用关系建立的；

计算与每一个振动变化值对应的所述轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数；

利用所述波长权重系数对与所述波长权重系数相匹配的所述轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺；

根据预设的评定方法对所述新的轨道不平顺进行评定；所述预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

2.根据权利要求1所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值包括：

基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，计算所述轨道不平顺与所述耦合大系统振动之间的传递函数；

根据所述传递函数中各个幅值的变化值，确定所述幅值对应的所述轨道不平顺的波长对耦合大系统振动的影响程度。

3.根据权利要求2所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，计算所述轨道不平顺与所述耦合大系统振动之间的传递函数包括：

采用频域分析方法对所述振动方程进行分析计算，得到所述轨道不平顺与所述耦合大系统振动之间的传递函数；

或者，采用时域分析方法对所述振动方程进行分析计算，得到所述耦合大系统的实际振动响应；

将实际轨道不平顺和所述实际振动响应进行频域转换计算，得到频域下的振动响应和轨道不平顺；

计算所述频域下的振动响应与所述轨道不平顺的比值，得到所述轨道不平顺与所述耦合大系统振动之间的传递函数。

4.根据权利要求3所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述计算与每一个振动变化值对应的所述轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数包括：

对所述传递函数作归一化处理，得到与每一个振动变化值对应的所述轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数。

5.根据权利要求4所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述利用所述波长权重系数对所述波长权重系数相匹配的所述轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺包括：

对所述轨道不平顺进行傅立叶变换，得到所述轨道不平顺的频谱；所述轨道不平顺的频谱包括频率/波长与幅值的对应信息、频率/波长与相位的对应信息；

根据所述轨道不平顺的频谱中波长对应的所述波长权重系数，对所述轨道不平顺的频谱的幅值进行加权计算；

对加权后的幅值以及所述频谱中的相位信息进行傅立叶逆变换，得到加权后的轨道不平顺。

6.根据权利要求4所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述利用所述波长权重系数对与所述波长权重系数相匹配的所述轨道不平顺中的波长进行加权计算包括：

对所述轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺；采用所述波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算，得到新的多组轨道不平顺。

7.根据权利要求6所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述对所述轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺包括：

采用小波变化方法，按公式n＝floor(log₂(w_max-w_min))对所述轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺；其中，n表示分解层数；w_min表示轨道不平顺的最小波长；w_max表示轨道不平顺的最大波长，即轨检车检测的截止波长；floor()表示向下取整；

所述采用所述波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算包括：

根据公式对所述权重系数进行平均值计算，得到平均波长权重系数以及所述平均波长权重系数与轨道不平顺组数的对应关系；其中，f_h为波长上限，f_l为波长下限，L为波长区间长度，W(x)为波长权重系数；

根据所述平均波长权重系数与轨道不平顺组数的对应关系，将所述平均波长权重系数加权到对应的轨道不平顺组数的每个幅值中。

8.根据权利要求6所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述对所述轨道不平顺进行分解，得到按预设顺序排列的多组轨道不平顺，包括：

采用经验模态分解EMD方法对所述轨道不平顺进行分解，得到按波长从短到长或按频率从高到低排列的多层本征模态函数；其中，分解公式为：S(t)表示轨检车测量的轨道不平顺信号；imf_i(i＝1……n)表示分解后的本征模态函数；r_n(t)表示残余信号；

所述采用所述波长权重系数依次对多组轨道不平顺进行加权计算，得到新的多组轨道不平顺包括：

根据希尔伯特变换算法，分别计算每一层所述本征模态函数中每一个频率/波长值和该频率/波长值对应的幅值；

在所有所述波长权重系数中，查找每一层所述本征模态函数中每一个所述频率/波长值对应的波长权重系数，得到有效波长权重系数；

将所述有效波长权重系数加权到所述幅值上，得到新的多组轨道不平顺；其中，所述有效波长权重系数对应的频率/波长值与所述幅值对应的频率/波长值相同。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的轨道平顺状态的评定方法，其特征在于，所述根据预设的评定方法对所述新的轨道不平顺进行评定，包括：

对所述新的多组轨道不平顺重新组合，得到加权后的轨道不平顺；

根据预设的评定方法对所述加权后的轨道不平顺进行评定；所述预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。

10.一种轨道平顺状态的评定装置，其特征在于，包括：

确定单元，用于基于车辆-轨道耦合大系统的振动方程，确定测量的轨道不平顺中各个波长使耦合大系统产生的振动变化值；其中，所述振动方程是根据轮轨相互作用关系建立的；

第一计算单元，用于计算与每一个振动变化值对应的所述轨道不平顺的波长相匹配的波长权重系数；

第二计算单元，用于利用所述波长权重系数对与所述波长权重系数相匹配的所述轨道不平顺中的波长进行加权计算，得到新的轨道不平顺；

评定单元，用于根据预设的评定方法对所述新的轨道不平顺进行评定，以便根据评定结果对轨道不平顺进行处理；所述预设的评定方法包括超限评分法和轨道质量指数法。