CN107832518A - 一种基于运动病诱发率的铁路线路设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于运动病诱发率的铁路线路设计方法。在铁路线路设计中线形所引起的振动低频量及其时间累积对乘客乘坐舒适性影响显著，是评价线路设计质量的重要指标之一。为有效指导线路设计，本方法结合车线系统动力学仿真手段，引入ISO2631、ISO8041、BS EN12299等国际标准中垂向计权曲线和缓和曲线舒适度指标，提出一种基于运动病诱发率的计算方法，并以该方法计算的运动病诱发率指标对线路设计方案进行评估优化，通过调整线路线形特征参数、线路总长度、轨道激励、曲线所占比例及小半径曲线比例等措施来提高乘客乘坐舒适性。本方法能弥补传统线路设计方法的缺陷，客观反映低频振动及其时间累积因素对乘客乘坐舒适性的影响，从而实现对线路设计方案的评估和优化。
Description
技术领域
本发明涉及铁路工程技术领域和信号处理，特别是涉及一种基于运动病诱发率的铁路线路设计方法。
背景技术
铁路线路工程距离长、空间跨度广，跨越地区地形复杂多变，线路不可避免地采用曲线、纵坡等多种平纵组合方式通过。随着铁路运营速度的提高，这些平纵断面组合引起的低频振动会明显影响车内乘客舒适性。保证乘客良好的舒适性是铁路线路设计的根本基础。
长期以来，《铁路线路设计规范》(GB50090-2017)和《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中铁路线路设计方法多基于行驶动力学，假定车辆为刚体，运行过程中车辆与刚性轨道完全跟随运行，乘客乘坐舒适性主要采用欠过超高及其时变率进行度量。各国规范对于超高及其时变率取值差异很大，乘客乘坐舒适性的实际感受，因而行驶动力学及其对应的舒适度指标并不能满足铁路线路设计的需求。
较为客观反映乘客舒适性的指标也在逐步应用于铁路线路设计，用于改进线路设计质量。例如在线路设计中采用Sperling平稳性指标、UIC 513乘坐舒适度及基于ISO2631-1的舒适度水平等方法优化设计方案，但也应该指出，这些舒适性评价方法对振动的时间累积效应考虑不足，评价不能覆盖由线路设计参数引起的低频量，并不适合铁路线路设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，从乘客乘坐舒适性影响程度出发采用运动病诱发率指标来定量评价铁路线路设计方案，从而对线路整体设计方案进行评估和优化的设计方法。
本发明的技术方案是：
提供一种基于运动病诱发率的铁路线路设计方法，包括铁路线路线形特征参数和线路整体方案，所述铁路线路线形特征参数包括平面直线、圆曲线和缓和曲线以及纵断面坡段和竖曲线等，线路整体方案则由众多线路线形特征参数连续组合而成，所述线路线形方案采用以下方法设计；
A.线路线形初步设计方案由平面直线、圆曲线、缓和曲线及纵断面坡段、竖曲线等连续组合而成，根据车辆参数、轨道等线下结构参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数，建立车辆—线路系统动力分析模型，在考虑轨道不平顺的前提下，针对线路初步设计方案(包括直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数)，计算列车在运行过程中的系统动力响应；
B.根据系统动力响应计算整体线路设计方案的运动病诱发率。
B-1.采集步骤A实测或者模拟计算得到的车辆驶入缓和曲线时的车体横向加速度、车体横向冲击(横向加速度的导数)和车体侧滚角速度，而后对以上数据按ISO2631和ISO8041标准作低通滤波、滑动窗处理，并计算出每个缓和曲线段的车体横向加速度最大绝对值、车体横向冲击的最大绝对值及车体侧滚角速度最大绝对值；根据公式(1)计算线路方案中各段曲线对应的缓和曲线舒适性指标PCT。
其中缓和曲线舒适性指标PCT表达为：
式中，——车体横向加速度最大绝对值，取列车进入缓和曲线到出缓和曲线1.6s时间段内最大值；
——车体横向冲击最大绝对值，取列车进入缓和曲线前1.0s到列车通过缓和曲线时间段内最大绝对值；
——车体侧滚角速度最大绝对值，取列车进入缓和曲线到离开缓和曲线时间段内最大绝对值；
A-E为系数，根据站姿或坐姿取值。
B-2.根据步骤B-1计算每段曲线的缓和曲线舒适性PCT，以这些PCT值作为每段曲线矩形脉冲峰值，以直缓点为脉冲起点，每个矩形脉冲持续一定时间Δt，这样就形成了时间序列脉冲信号PCT(t)；采用ISO2631中垂向计权曲线Wf进行滤波，形成感知冲突c(t)，再通过Hill函数的处理形成运动病感知的时域指标瞬时干扰h(t)。
其中Hill函数表达式为：
式中，b、n为函数计算参数。
最后，通过时间累积函数将瞬时干扰h(t)累积计算运动病诱发率MSI，且MSI不能超过100％。
瞬时干扰通过累积函数计算运动病诱发率表达式为：
式中：P——在给定环境条件下晕车人群所占的最大百分比；
μ、s为累积函数计算参数。
C.根据运动病诱发率对线路整体设计方案进行评估与优化。
C-1.根据步骤B计算的运动病诱发率MSI的大小及规律，对线路初步设计方案中的单个线形特征参数进行优化，综合选取运动病诱发率较低的线形特征参数进行匹配。
C-2.以降低运动病诱发率、提高乘客乘坐舒适性为目的，根据步骤B计算的运动病诱发率对线路设计方案进行评估与优化，调整线路总长度、轨道激励、曲线所占比例及小半径曲线的比例等，重复步骤B，比较调整后的线路整体方案与原线路设计方案的运动病诱发率，如此反复调整比较，取得满意的线路设计方案。
本发明的有益效果是：采用运动病诱发率指标，定量确定铁路线路线形特征参数和线路设计方案对乘客舒适性的影响，以此来指导铁路线路设计。首先，本发明关于运动病诱发率的计算方法考虑了影响乘客乘坐舒适性的主要因素——时间累积和振动低频量，能较为客观反映线路设计对乘客乘坐舒适性的主观感受；其次，本发明主要用于线路方案初步设计阶段，采用模拟仿真手段，对线路方案总长度、曲线所占比例及小半径曲线所占比例进行调整，以指导铁路线路设计；最后，本发明使用缓和曲线舒适度指标PCT作为脉冲信号峰值输入，在模拟运行过程中可以追踪车辆位置，便于精确调整线形特征参数。
本发明为铁路线路设计定量评估提供了一种科学的方法，研究成果具有重要科学价值，对实际工程设计具有指导意义。
附图说明
图1为线路平纵断面组合示意图；
图2为本发明计算PCT的车体横向加速度和车体侧滚角示意图；
图3是实际线路设计方案的局部PCT及其计算量示意图；
图4是实际线路设计方案的运动病诱发率MSI时程曲线图；
图5是本发明运动病诱发率MSI计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1、图2、图5所示，一种基于运动病诱发率的铁路线路设计方法，该方法具体实施方式如下：
1)以车辆—线路动力相互作用理论为基础，建立高速铁路车线动力学分析模型。模型分为车辆模型、线路模型和轮轨接触模型，车辆与线路之间以轮轨动态相互关系为联系纽带。(a)车辆模型考虑车体、转向架、轮对、悬挂系统、减振器及抗侧滚扭杆等关键零部件；(b)轨道及线下结构模型考虑钢轨、轨道板、桥梁等部件，线路的空间走向主要由直线、圆曲线、缓和曲线和竖曲线四种线形按照参数进行设置组合实现；(c)轮轨接触采用Kalker线性接触理论计算轮轨蠕滑力和蠕滑力矩，具体采用FASTSIM算法计算轮轨作用力。
2)线路线形设计方案由平面直线、圆曲线、缓和曲线及纵断面坡段、竖曲线等连续组合而成，如图1所示，同时钢轨上设置有不同幅值的轨道不平顺，车辆通过整条线路，实测或者模拟得到车辆在运行过程中的系统动力响应，如图2所示。模拟时，直接提取车体质心的横向加速度、横向冲击(横向加速度的导数)和侧滚角速度；实测时，将传感器和陀螺仪布置在车体中部座椅上分别测量车体横向加速度和侧滚角速度，再对车体横向加速度求导得到车体横向冲击。
3)采集模拟计算得到的车辆驶入缓和曲线时的车体横向加速度、车体横向冲击(横向加速度的导数)和车体侧滚角速度，而后对以上数据按ISO2631和ISO8041标准作低通滤波、滑动窗处理，并计算出每个缓和曲线段的车体横向加速度最大绝对值、车体横向冲击的最大绝对值及车体侧滚角速度最大绝对值；根据公式(1)计算线路方案中各段曲线对应的缓和曲线舒适性指标PCT。
其中缓和曲线舒适性指标PCT表达为：
式中，——车体横向加速度最大绝对值，取列车进入缓和曲线到出缓和曲线1.6s时间段内最大值；
——车体横向冲击最大绝对值，取列车进入缓和曲线前1.0s到列车通过缓和曲线时间段内最大绝对值；
——车体侧滚角速度最大绝对值，取列车进入缓和曲线到离开缓和曲线时间段内最大绝对值；
A-E为系数，根据站姿或坐姿取值，参见表1。
表1缓和曲线舒适性PCT计算参数
4)计算每段曲线的缓和曲线舒适性PCT，以这些PCT值作为每段曲线矩形脉冲峰值，以直缓点为脉冲起点，每个矩形脉冲持续一定时间Δt，取Δt＝0.5s，这样就形成了时间序列脉冲信号PCT(t)，如图3所示；采用ISO2631中垂向计权曲线Wf进行滤波，形成感知冲突c(t)，再通过Hill函数的处理形成运动病感知的时域指标瞬时干扰h(t)。
其中Hill函数表达式为：
式中，b、n为函数计算参数。
最后，通过时间累积函数将瞬时干扰h(t)累积计算运动病诱发率MSI，且MSI不能超过100％，如图4所示。
利用累积函数对瞬时干扰进行处理，计算运动病诱发率表达式为：
式中：P——在给定环境条件下晕车人群所占的最大百分比；
μ、s为累积函数计算参数。
MSI计算各式中参数取值如表2所示。
表2 MSI计算参数取值
5)根据计算的运动病诱发率对线路设计方案进行评估与优化，调整线路线形特征参数、线路总长度、轨道激励、曲线所占比例及小半径曲线的比例等。
本发明以考虑时间累积因素的运动病诱发率计算方法指导铁路线路设计，弥补了常规线路设计方法的缺点和不足，具有重要的理论意义和工程实用价值。
Claims (1)
1.一种基于运动病诱发率的铁路线路设计方法，包括铁路线路线形特征参数和线路整体方案，所述铁路线路线形特征参数包括平面直线、圆曲线和缓和曲线以及纵断面坡段和竖曲线等，线路整体方案则由众多线路线形特征参数连续组合而成，所述线路方案采用以下方法设计；
A.线路线形初步设计方案由平面直线、圆曲线、缓和曲线及纵断面坡段、竖曲线等连续组合而成，根据车辆参数、轨道等线下结构参数及直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数，建立车辆—线路系统动力分析模型，在考虑轨道不平顺的前提下，针对线路初步设计方案(包括直线、圆曲线、缓和曲线等线形特征参数)，计算列车在运行过程中的系统动力响应；
B.根据系统动力响应计算整体线路设计方案的运动病诱发率。
B-1.采集步骤A实测或者模拟计算得到的车辆驶入缓和曲线时的车体横向加速度、车体横向冲击(横向加速度的导数)和车体侧滚角速度，而后对以上数据按ISO2631和ISO8041标准作低通滤波、滑动窗处理，并计算出每个缓和曲线段的车体横向加速度最大绝对值、车体横向冲击的最大绝对值及车体侧滚角速度最大绝对值；根据公式(1)计算线路方案中各段曲线对应的缓和曲线舒适性指标PCT。
其中缓和曲线舒适性指标PCT表达为：
式中，——车体横向加速度最大绝对值，取列车进入缓和曲线到出缓和曲线1.6s时间段内最大值；
——车体横向冲击最大绝对值，取列车进入缓和曲线前1.0s到列车通过缓和曲线时间段内最大绝对值；
——车体侧滚角速度最大绝对值，取列车进入缓和曲线到离开缓和曲线时间段内最大绝对值；
A-E为系数，根据站姿或坐姿取值。
B-2.根据步骤B-1计算每段曲线的缓和曲线舒适性PCT，以这些PCT值作为每段曲线矩形脉冲峰值，以直缓点为脉冲起点，每个矩形脉冲持续一定时间Δt，这样就形成了时间序列脉冲信号PCT(t)；采用ISO2631中垂向计权曲线Wf进行滤波，形成感知冲突c(t)，再通过Hill函数的处理形成运动病感知的时域指标瞬时干扰h(t)。
其中Hill函数表达式为：
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</mrow>
式中，b、n为函数计算参数。
最后，通过时间累积函数将瞬时干扰h(t)累积计算运动病诱发率MSI，且MSI不能超过100％。
瞬时干扰通过累积函数计算运动病诱发率表达式为：
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<mi>I</mi>
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</mrow>
</mrow>
式中：P——在给定环境条件下晕车人群所占的最大百分比；
μ、s为累积函数计算参数。
C.根据运动病诱发率对线路整体设计方案进行评估与优化。
C-1.根据步骤B计算的运动病诱发率MSI的大小及规律，对线路初步设计方案中的单个线形特征参数进行调整，综合选取运动病诱发率较低的线形特征参数进行匹配。
C-2.以降低运动病诱发率、提高乘客乘坐舒适性为目的，根据步骤B计算的运动病诱发率对线路设计方案进行评估与优化，调整线路总长度、轨道激励、曲线所占比例及小半径曲线的比例等，重复步骤B，比较调整后的线路整体方案与原线路设计方案的运动病诱发率，如此反复调整比较，取得满意的线路设计方案。
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