CN112084558A - 一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法 - Google Patents

一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法，属于轨道交通领域精密工程测量技术领域。所述方法包括以下步骤：按照预设长度对钢轨进行分段，建立分段规划单元内轨枕扣件待调整量目标函数；基于钢轨状态评价函数，建立不等式约束模型；对目标函数和不等式约束模型求解，并根据求解结果有效性修正不等式约束模型常数项以缩小约束界值；重复修正及求解过程，直至满足终止条件，得到规划单元内扣件优化模拟调整量。本发明可实现顾及轨道不平顺状态优化与最优模拟调整量的双重目标，解决轨道精调方案费时费力、质量参差不齐的问题。

Description

一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法
技术领域
本发明涉及铁路轨道精密工程测量技术领域，特别涉及一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法。
背景技术
轨道不平顺是轮轨系统的激扰源，特别是在高时速和重荷载的行车条件下，其低舒适性和可能存在的危害将会更为显著。为保障列车快速、平稳和安全行驶，需要依靠精密检测技术和精调技术对轨道状态进行准确、有效的控制。
长钢轨应力放散锁定后的轨道精调是确保无砟轨道几何形位高平顺性的必要阶段。目前，基于轨道几何状态测量仪采集的轨道检测点数据，利用配套软件包，通过高低(或轨向)简易偏差较差模型手动模拟调整基准轨，再通过水平(或轨距)和扭曲(或轨距变化率)手动模拟调整非基准轨，从而得到双轨的模拟调整量。该方式自动化程度低、费时费力，且轨道状态受技术人员水平限制而参差不齐。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法，以轨道不平顺状态优化和最优模拟调整量为双重目标，能够更准确、高效的改善轨道不平顺状态，为优化轨道状态提供优选方案。
本发明的技术方案如下：
一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法，包括以下步骤：
S1：按照预设长度对轨道进行分段，建立分段规划单元轨枕扣件的待调整量的目标函数；
S2：基于轨道状态不平顺评价函数，设置约束界值，所述约束界值为限差值，建立不等式约束模型，所述不等式约束模型的常数项为所述约束界值；
S3：对所述目标函数和所述不等式约束模型进行求解，获得分段规划单元轨枕扣件的模拟调整量；
若当次模拟调整量判定有解，则按照预设修正步长调整所述约束界值，并将调整后的约束界值作为下次求解时所述不等式约束模型的常数项；
若当次模拟调整量判定无解，则减小预设修正步长调整所述约束界值，并将调整后的约束界值作为下次求解时所述不等式约束模型的常数项；
S4：重复步骤S3，直至满足预设阈值终止条件，得到分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量。
作为优选，所述预设长度大于等于所述轨道状态不平顺评价函数中所使用的最长基准弦长度。
作为优选，所述轨道的调整对象为基准轨和/或非基准轨，当所述调整对象为双轨时，可先调整基准轨再调整非基准轨，或先调整非基准轨再调整基准轨，或同时调整。
作为优选，所述不等式约束模型包括：
当所述轨道的调整对象为基准轨时，所述不等式约束模型为垂向/横向偏差、高低/轨向、扣件可调量、偏差变化率中的一种或多种约束；
当所述轨道的调整对象为非基准轨，且基准轨状态不可作为参考时，所述不等式约束模型为垂向/横向偏差、高低/轨向、扣件可调量、偏差变化率中的一种或多种约束；
当所述轨道的调整对象为非基准轨，且基准轨状态可作为参考时，所述不等式约束模型为垂向/横向偏差、高低/轨向、扣件可调量、偏差变化率、水平/轨距、扭曲/轨距变化率中的一种或多种约束；
当所述轨道的调整对象为双轨时，可先按照上述方法以基准轨为调整对象，再以非基准轨为调整对象；或者先以非基准轨为调整对象，再以基准轨为调整对象；或者同时调整；
同时调整时，所述不等式约束模型为左轨垂向/横向偏差、左轨高低/轨向、左轨扣件可调量、左轨偏差变化率中的一种或多种约束，以及右轨垂向/横向偏差、右轨高低/轨向、右轨扣件可调量、右轨偏差变化率、水平/轨距、扭曲/轨距变化率中的一种或多种约束。
作为优选，当所述不等式约束模型为高低/轨向不平顺约束时，将正矢较差约束纳入所述高低/轨向不平顺约束中。
作为优选，步骤S2中，首次建立不等式约束模型时，不等式约束常数项不超过现行规范要求的限差值。
作为优选，步骤S3中，调整所述约束界值时：若前i次求解所述模拟调整量均判定为有解，则第i+1次求解所采用的各类不等式约束模型常数项为首次可解时所使用的常数项的0.5i倍。以此类推，确定均有解情况下的不等式约束模型常数项。
作为优选，步骤S3中，调整所述约束界值时：若前i次求解所述模拟调整量均判定为无解，且所述i≠1，则第i+1次的修正步长调整为各类不等式约束模型首次可解时所使用的常数项的0.5i倍，第i+1次求解所采用的常数项为首次可解时所使用的常数项与调整后的修正步长的差值。以此类推，确定均无解情况下的不等式约束模型常数项。
作为优选，步骤S3中，调整所述约束界值时：若前j-1次求解存在有解和无解，记录第i次求解情况fi，具体如下：
Figure BDA0002657303410000031
则第j次求解所采用的常数项为：
Figure BDA0002657303410000032
式中：θ'为第j次求解所采用的常数项；θ为首次可解时所使用的常数项。
作为优选，步骤S4中，所述预设阈值终止条件具体为：
若第p次与第q次计算有解，且q＞p，p与q相邻或者p与q之间计算次数结果均为无解，则当第p次与第q次的解向量较差小于阈值，所述阈值为0.1mm时，停止修正与计算，并采用第q次的解作为当次分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量；
若第p次计算有解，且第p+1次到第q次计算均无解，且q＞p，则当第p次与第q次计算采用的常数项较差小于阈值，所述阈值为0.1mm时，停止修正与计算，并采用第p次的解作为当次分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量。
作为优选，各分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量可组成分段规划单元内轨枕扣件优化模拟调整向量。
作为优选，步骤S1中，对轨道进行分段时，采用预设间隔重叠移动分段规划单元的方式进行分段。
作为优选，步骤S4后，进一步的，求解得到钢轨所有扣件的优化模拟调整量。
作为优选，相邻分段规划单元的重叠区长度大于等于所述轨道状态不平顺评价函数中使用的最长基准弦的检测弦长度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过迭代修正轨道状态不平顺限差值，优化轨道状态，结合调整量目标函数实现顾及轨道不平顺状态优化与最优模拟调整量的双重目标，能够准确、高效的改善轨道不平顺状态，为优化轨道状态提供优选方案，解决现有技术轨道精调方案费时费力、质量参差不齐的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的总体方案流程示意图；
图2为本发明实施例的基本规划单元求解方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
如图1-2所示，一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其调整对象可以单独针对基准钢轨，也可以单独针对非基准钢轨，或者先针对基准钢轨再针对非基准钢轨，或者先针对非基准钢轨再针对基准钢轨，或者同时针对双钢轨。所述方法包括以下步骤：
S1：按照预设长度，采用预设间隔重叠移动分段规划单元的方式对轨道进行分段，建立分段规划单元轨枕扣件的待调整量的目标函数。所述预设长度大于等于所述轨道状态不平顺评价函数中所使用的最长基准弦长度。所述预设间隔重叠移动分段规划单元的方式能够确保任意相邻规划单元的重叠区长度大于等于拟参与评价轨道状态参数涉及的最长基准弦的检测弦长度，使任意相邻规划单元按预设间隔重叠移动。所述目标函数可以为分段规划单元所有轨枕扣件的待调整总量最小。
S2：基于轨道状态不平顺评价函数，设置约束界值，所述约束界值为限差值，建立不等式约束模型，所述不等式约束模型的常数项为所述约束界值。
所述轨道状态不平顺评价函数是部分或全部轨道内外几何参数和/或扣件可调量和/或偏差变化率的数学表达式。具体实施例中，所述轨道内外几何参数包括：垂向偏差、横向偏差、高低、轨向、水平、轨距、扭曲、轨距变化率。各参数对应的评价函数如下：
1)垂向(或横向)偏差
y1＝g1(p′i)＝pi+ti (3)
式中：pi为原始偏差；ti为待调整量。
2)高低(或轨向)不平顺
Figure BDA0002657303410000041
式中：g1(p'm)和g1(p'n)分别为基准弦首尾点调整后的偏差；g1(p'i)和g1(p'j)分别为检测弦首尾点调整后的偏差；i∈[m+1,n-w]；j＝i+w-1；w为检测波长包含轨枕数；
Figure BDA0002657303410000042
将正矢较差约束纳入所述高低/轨向不平顺约束中时，式(4)化简为：
Figure BDA0002657303410000051
3)水平(或轨距)
y3＝g3(p′1,i,p′2,i)＝g1(p′2,i)-g1(p′1,i) (6)
式中：g1(p'2,i)和g1(p'1,i)分别为两轨调整后偏差。
4)扭曲(或轨距变化率)
y4＝g4(p′1,i,p′2,i,p′1,i+n,p′2,i+n)＝r-1(g3(p′1,i+n,p′2,i+n)-g3(p′1,i,p′2,i)) (7)
式中，n为作用距离对应的轨枕数，无砟轨道静态铺设要求规定扭曲作用距离3m，轨距变化率作用距离0.625m；r表示扭曲或轨距变化率的计算参数，r＝1(或r＝625)。
所述扣件可调量的评价函数如下：
y5＝g5(ti)＝ti (8)
所述偏差变化率的评价函数如下：
Figure BDA0002657303410000052
式中：l为i与j点的里程差。
首次设置约束界值时，其赋值不超过现行规范要求的限差值。比如，高低(或轨向)不等式约束可以描述为：
θ1≤y2≤θ2 (10)
式中：θ1和θ2为高低(或轨向)不平顺的限差值，即该状态不等式约束模型的常数项。
在一个具体的实施例中，若单独以基准轨为调整对象，所述不等式约束模型采用垂向(或横向)偏差和/或高低(或轨向)和/或扣件可调量和/或偏差变化率约束。
若单独以非基准轨为调整对象，当基准轨状态不可作为参考，所述不等式约束模型采用垂向(或横向)偏差和/或高低(或轨向)和/或扣件可调量和/或偏差变化率约束；当基准轨状态可作为参考，所述不等式约束模型采用垂向(或横向)偏差和/或高低(或轨向)和/或扣件可调量和/或偏差变化率和/或水平(或轨距)和/或扭曲(或轨距变化率)约束。
若以双轨为调整对象，可先按照上述方法以基准轨为调整对象，再以非基准轨为调整对象；或者以非基准轨为调整对象，再以基准轨为调整对象；或者同时以基准轨和非基准轨为调整对象，此时，所述不等式约束模型采用左轨垂向(或横向)偏差和/或左轨高低(或轨向)和/或左轨扣件可调量和/或左轨偏差变化率，以及右轨垂向(或横向)偏差和/或右轨高低(或轨向)和/或右轨扣件可调量和/或右轨偏差变化率和/或水平(或轨距)和/或扭曲(或轨距变化率)约束。
S3：采用规划方法对所述目标函数和所述不等式约束模型进行求解，获得分段规划单元轨枕扣件的模拟调整量。所述规划方法可采用单纯形法，或对偶单纯形法。
若当次模拟调整量判定有解，则按照预设修正步长调整所述约束界值，并将调整后的约束界值作为下次求解时所述不等式约束模型的常数项；若当次模拟调整量判定无解，则减小预设修正步长调整所述约束界值，并将调整后的约束界值作为下次求解时所述不等式约束模型的常数项，具体的：
记录求解次数i(首次求解i＝1)，并对当次求解结果进行有效性判断。记录第i次求解情况的有效性，并用fi表示如下：
Figure BDA0002657303410000061
若i＝1，则第2次求解所采用的常数项为首次可解时所使用的常数项的0.5倍，以此确定有解情况下的不等式约束模型常数项。
若i≥2，调整所述约束界值，具体包括如下几种情况：
情况1：若前i次求解模拟调整量均判定为有解，则第i+1次求解所采用的各类不等式约束模型常数项为首次可解时所使用的常数项的0.5i倍。以此类推，确定有解情况下的不等式约束模型常数项。
情况2：若前i次求解模拟调整量均判定为无解，则调整第i+1次的修正步长。第i+1次的修正步长采用各类不等式约束模型首次可解时所使用的常数项的0.5i倍，且首次可解时所使用的常数项与第i+1次的修正步长的差值作为第i+1次不等式约束模型的限差值。以此类推，确定无解情况下的不等式约束模型常数项。
情况3：若前j-1次求解存在有解和无解，则第j次求解所采用的不等式约束模型限差值为：
Figure BDA0002657303410000062
式中：θ'为第j次求解所采用的常数项；θ为首次可解时所使用的常数项。
S4：重复步骤S3的修正不等式约束模型及线形规划求解过程，直至满足预设阈值终止条件，得到分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量。所述预设阈值终止条件具体为：
若第p次与第q次计算有解，且q＞p，p与q相邻或者p与q之间计算次数结果均为无解，则当第p次与第q次的解向量较差小于阈值，所述阈值为0.1mm时，停止修正与计算，并采用第q次的解作为当次分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量。
若第p次计算有解，且第p+1次到第q次计算均无解，且q＞p，则当第p次与第q次计算采用的常数项较差小于阈值，所述阈值为0.1mm时，停止修正与计算，并采用第p次的解作为当次分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量。
在另一个具体的实施例中，还可以根据优化要求，设置其他阈值。
步骤S4后，进一步的，求解所有分段规划单元轨枕扣件，得到钢轨所有扣件的优化模拟调整量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按照预设长度对轨道进行分段，建立分段规划单元轨枕扣件的待调整量的目标函数；
S2：基于轨道状态不平顺评价函数，设置约束界值，所述约束界值为限差值，建立不等式约束模型，所述不等式约束模型的常数项为所述约束界值；
S3：对所述目标函数和所述不等式约束模型进行求解，获得分段规划单元轨枕扣件的模拟调整量；
若当次模拟调整量判定有解，则按照预设修正步长调整所述约束界值，并将调整后的约束界值作为下次求解时所述不等式约束模型的常数项；
若当次模拟调整量判定无解，则减小预设修正步长调整所述约束界值，并将调整后的约束界值作为下次求解时所述不等式约束模型的常数项；
S4：重复步骤S3，直至满足预设阈值终止条件，得到分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量。
2.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，所述预设长度大于等于所述轨道状态不平顺评价函数中所使用的最长基准弦长度。
3.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，所述不等式约束模型包括：
当所述轨道的调整对象为基准轨时，所述不等式约束模型为垂向/横向偏差、高低/轨向、扣件可调量、偏差变化率中的一种或多种约束；
当所述轨道的调整对象为非基准轨，且基准轨状态不可作为参考时，所述不等式约束模型为垂向/横向偏差、高低/轨向、扣件可调量、偏差变化率中的一种或多种约束；
当所述轨道的调整对象为非基准轨，且基准轨状态可作为参考时，所述不等式约束模型为垂向/横向偏差、高低/轨向、扣件可调量、偏差变化率、水平/轨距、扭曲/轨距变化率中的一种或多种约束；
当所述轨道的调整对象为双轨时，可先按照上述方法以基准轨为调整对象，再以非基准轨为调整对象；或者先以非基准轨为调整对象，再以基准轨为调整对象；或者同时调整；
同时调整时，所述不等式约束模型为左轨垂向/横向偏差、左轨高低/轨向、左轨扣件可调量、左轨偏差变化率中的一种或多种约束，以及右轨垂向/横向偏差、右轨高低/轨向、右轨扣件可调量、右轨偏差变化率、水平/轨距、扭曲/轨距变化率中的一种或多种约束。
4.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，当所述不等式约束模型为高低/轨向不平顺约束时，将正矢较差约束纳入所述高低/轨向不平顺约束中。
5.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，步骤S3中，调整所述约束界值时：若前i次求解所述模拟调整量均判定为有解，则第i+1次求解所采用的各类不等式约束模型常数项为首次可解时所使用的常数项的0.5i倍；以此类推，确定均有解情况下的不等式约束模型常数项。
6.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，步骤S3中，调整所述约束界值时：若前i次求解所述模拟调整量均判定为无解，且所述i≠1，则第i+1次的修正步长调整为各类不等式约束模型首次可解时所使用的常数项的0.5i倍，第i+1次求解所采用的常数项为首次可解时所使用的常数项与调整后的修正步长的差值；以此类推，确定均无解情况下的不等式约束模型常数项。
7.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，步骤S3中，调整所述约束界值时：若前j-1次求解存在有解和无解，记录第i次求解情况fi，具体如下：
Figure FDA0002657303400000021
则第j次求解所采用的常数项为：
Figure FDA0002657303400000022
式中：θ'为第j次求解所采用的常数项；θ为首次可解时所使用的常数项。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，步骤S4中，所述预设阈值终止条件具体为：
若第p次与第q次计算有解，且q＞p，p与q相邻或者p与q之间计算次数结果均为无解，则当第p次与第q次的解向量较差小于阈值时，停止修正与计算，并采用第q次的解作为当次分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量；
若第p次计算有解，且第p+1次到第q次计算均无解，且q＞p，则当第p次与第q次计算采用的常数项较差小于阈值时，停止修正与计算，并采用第p次的解作为当次分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量。
9.根据权利要求8所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，所述阈值为0.1mm。
10.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，各分段规划单元轨枕扣件的优化模拟调整量可组成分段规划单元内轨枕扣件优化模拟调整向量。
11.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，步骤S1中，对轨道进行分段时，采用预设间隔重叠移动分段规划单元的方式进行分段。
12.根据权利要求1所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，步骤S4后，进一步的，求解得到钢轨所有扣件的优化模拟调整量。
13.根据权利要求11所述的轨道不平顺状态优化模拟精调方法，其特征在于，相邻分段规划单元的重叠区长度大于等于所述轨道状态不平顺评价函数中使用的最长基准弦的检测弦长度。
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