CN115758528A - 铁路起拨道整治方案综合优化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路起拨道整治方案综合优化计算方法，包括：S1、获取铁路起拨道整治区段的工程信息；S2、设定铁路起拨道整治区段限制条件；S3、构建铁路起拨道整治目标函数；S4、搜索计算最优起拨道整治方案。该方法考虑了整个区段的长、中、短波不平顺、差异变形、调整作业量等多目标要求，建立铁路起拨道整治效果的目标控制函数，在修复措施可调整量限制范围内，综合优化计算能够最大限度地提高轨道平顺性的整治方案，最大限度地提升了线路的平顺性、降低了整治作业量，可广泛用于铁路起拨道整治工作。

Description

铁路起拨道整治方案综合优化计算方法

技术领域

本发明属于铁路轨道整治维修领域，具体涉及一种铁路起拨道整治方案的综合优化计算方法。

背景技术

轨道不平顺是引起列车车体振动、环境噪声及轨道结构变化的主要原因，严重影响铁路的快速、平稳和安全运营。受列车周期性荷载、运输量增加、外部环境变化等因素影响，轨道结构的平顺性病害日趋显现，因此铁路工务部门需要定期开展起拨道整治工作，以改善轨道线路质量。铁路起拨道整治方案的设计是整治工作的核心环节，直接决定铁路现场整治作业的经济性、科学性和有效性。

目前铁路起拨道整治主要通过三种方式：(1)不进行整治方案设计，依靠捣固设备自身测量系统直接进行起拨道整治作业。该方式一般仅能消除局部严重病害，全局整治效果较差。(2)人工依靠经验进行线路拉坡处理，形成起拨道整治方案后进行作业。该方式随机性较大，需要人工反复修正，难以形成最优的精确方案。(3)以中长波等单项指标为限制条件进行优化设计，形成起拨道整治方案后进行作业。该方式仅考虑单项目标优化，没有考虑差异变形、调整作业量等多因素影响，无法形成多目标综合优化方案。

发明内容

针对铁路起拨道整治方案设计问题，为解决目前依靠人工经验或以单项指标为限制条件进行优化计算等方法的局限性，本发明提供一种能够考虑整个区段的长、中、短波不平顺、差异变形、调整作业量等目标要求，在修复措施可调整量限制范围内，最大限度地提高轨道平顺性的整治方案综合优化计算方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种铁路起拨道整治方案综合优化计算方法，包括以下步骤：

S1、获取铁路起拨道整治区段的工程信息：获取整治区段的设计线形数据，包括平面线形和和纵断面线形；获取整治区段所需调整点处的平面坐标X_i、Y_i、里程l_i及轨面高程h_i；根据设计线形和当前各调整点的位置，计算平面偏差量s_h,i和纵断面偏差量s_v,i，其中：i＝1,2,…,n；

S2、设定铁路起拨道整治区段限制条件：根据设计规范或相关维修规定，结合铁路工程实际状况，设定轨道起拨道调整量限制值，设定短波、中波及长波不平顺限制值，设定调整点差异变形限制值；

S3、构建铁路起拨道整治目标函数：综合考虑起拨道平顺性和起拨道作业量，设定短波权重系数ω_短、中波权重系数ω_中、长波权重系数ω_长、差异变形权重系数ω_差，调整偏差量权重系数ω_调，根据步骤S1中获取的所述工程信息构建目标函数：

式中：s＝{s₁,s₂,…,s_i,…,s_n}，为起拨道调整值向量；Δs_i为相对于设计线形的偏差量，当计算起道量时，Δs_i＝s_i-s_v,i；当计算拨道量时Δs_i＝s_i-s_h,i；n_短为短波不平顺计算终止点，n_中为中波不平顺计算终止点，n_长为长波不平顺计算终止点；

f_短(Δs_i)为调整区短波不平顺特征值，

i_起为第i个计算点对应的短波起点，i_终为第i个计算点对应的短波终点；i的取值范围根据选取的短波长度确定；

f_中(Δs_j)为调整区中波不平顺特征值，

j_核为第j个计算点对应的核算点，j_起为第j个计算点对应的中波起点，j_终为第j个计算点对应的中波终点，j的取值范围根据选取的中波长度确定；

f_长(Δs_k)为调整区长波不平顺特征值，

k_核为第k个计算点对应的核算点，k_起为第k个计算点对应的中波起点，k_终为第k个计算点对应的中波终点；k的取值范围根据选取的长波长度确定；

f_差(Δs_i)为调整区差异变形特征值，f_差(Δs_i)＝Δs_i+1-Δs_i，1≤i<n；

S4、搜索计算最优起拨道整治方案：根据步骤S2中的短波、中波及长波不平顺限制值及差异变形限制值要求和起拨道调整量限制值，形成起拨道整治方案的约束限制空间；根据步骤S3中的目标函数，在所述约束限制空间内搜索最优起拨道整治方案，若无法得到可行方案，则返回S2，调整限制效果要求或扩大起拨道限制范围，若获得可行方案，则完成起拨道整治方案计算。

其中，步骤S4所述的形成起拨道整治方案的约束限制空间包括：

(1)调整量限制，

式中，δ_ui为调整量最大值，δ_di为调整量最小值；

(2)短波不平顺限制，

式中，δ_短为短波不平顺最大限制值；

(3)中波不平顺限制，

式中，δ_中为中波不平顺最大限制值；

(4)长波不平顺限制，

式中，δ_长为长波不平顺最大限制值；

(5)差异变形限制，

式中，δ_差为调整点差异变形最大限制值。

步骤S4中，在所述约束限制空间内搜索最优起拨道整治方案包括以下步骤：

①搜索初始可行调整量方案s⁽⁰⁾，若不存在初始可行方案，则返回步骤S2，调整限制效果要求或扩大可调整范围；若存在初始可行方案，则执行步骤②；

②基于障碍法，结合所述目标函数和约束限制条件构造修正目标函数：

式中，r为构造参数；

③采用序列无约束极小化技术，针对一系列逐渐减小的r值，采用Newton法联合回溯直线搜索法求解修正目标函数的最优解，获得最优起拨道整治方案。

本发明具有以下优点和积极效果：

1.本发明综合考虑了整个整治区段的长、中、短波不平顺、差异变形和调整作业量目标要求，通过设定不同的权重系数组合，能满足各工况下起拨道整治方案目标要求；

2.本发明采用长、中、短波不平顺、差异变形和调整作业量限制值作为约束条件，确保了求解得出的整治方案能够完全满足规程限制指标，避免了人工反复修正。

3.本发明构建了铁路整治维修区段内起拨道方案的优化计算方法，实现了在可调整范围内满足指标限制条件的同时，最大限度地提升线路的平顺性、降低了整治作业量。本方法可广泛用于铁路起拨道整治方案的计算。

附图说明

图1为本发明的铁路起拨道整治方案的综合优化计算方法的流程图；

图2为铁路平面拨道整治方案示意图；

图3为铁路纵断面起道整治方案示意图；

图4为实施例1中里程区段的纵断面工程信息；

图5为实施例1中里程区段的局部情况及通过人工调整和本发明方法调整后的对比情况图。

图中：

1、铁路设计线形2、铁路实测线形3、整治方案限制范围

4、优化后整治方案5、整治前第i个调整点6、整治后第i个调整点

具体实施方式

下面结合附图对本发明的铁路起拨道整治方案的综合优化计算方法做进一步说明。

参见图1，本发明的铁路起拨道整治方案综合优化计算方法包括：S1、获取铁路起拨道整治区段的工程信息；S2、设定铁路起拨道整治区段限制条件；S3、构建铁路起拨道整治目标函数；S4、搜索计算最优起拨道整治方案。具体如下：

S1、获取铁路起拨道整治区段的工程信息：

首先，参见图2和图3，图中1为铁路设计线形，2为铁路实测线形，3为起拨道限制范围，4为优化后起拨道整治方案，5为整治前第i个调整点，6为整治后第i个调整点。

获取整治区段的设计线形数据，包括平面线形和和纵断面线形；获取整治区段所需调整点处的平面坐标X_i、Y_i、里程l_i及轨面高程h_i，其中：i＝1,2,…,n；根据设计线形和当前各调整点的位置，计算平面偏差量s_h,i和纵断面偏差量s_v,i，其中：i＝1,2,…,n；

S2、设定铁路起拨道整治区段限制条件：

根据设计规范或相关维修规定，结合铁路工程实际状况，设定轨道起拨道调整量限制值，设定短波、中波及长波不平顺限制值，设定调整点差异变形限制值等条件；

S3、构建铁路起拨道整治目标函数：

综合考虑起拨道平顺性、起拨道作业量等需求，设定短波权重系数ω_短、中波权重系数ω_中、长波权重系数ω_长、差异变形权重系数ω_差，调整偏差量权重系数ω_调，根据步骤S1中获取的所述工程信息，构建目标函数：

式中：s＝{s₁,s₂,…,s_i,…,s_n}，为起拨道调整值向量；Δs_i为相对设计线形的偏差量，当计算起道量时，Δs_i＝s_i-s_v,i，当计算拨道量时，Δs_i＝s_i-s_h,i；n_短为短波不平顺计算终止点，n_中为中波不平顺计算终止点，n_长为长波不平顺计算终止点；

f_短(Δs_i)为调整区短波不平顺特征值，

i_起为第i个计算点对应的短波起点，i_终为第i个计算点对应的短波终点；

f_中(Δs_j)为调整区中波不平顺特征值，

j_核为第j个计算点对应的核算点，j_起为第j个计算点对应的中波起点，j_终为第j个计算点对应的中波终点；j的取值范围根据选取的中波长度确定；

f_长(Δs_k)为调整区长波不平顺特征值，

k_核为第k个计算点对应的核算点，k_起为第k个计算点对应的中波起点，k_终为第k个计算点对应的中波终点，k的取值范围根据选取的长波长度确定；

f_差(Δs_i)为调整区差异变形特征值，f_差(Δs_i)＝Δs_i+1-Δs_i；

S4、搜索计算最优起拨道整治方案，包括以下分步骤：

S41，根据步骤S2中的短波、中波及长波不平顺限制值及差异变形限制值要求和起拨道调整量限制值，形成起拨道整治方案的约束限制空间，包括：

(1)调整量限制，

式中，δ_ui为调整量最大值，δ_di为调整量最小值；

(2)短波不平顺限制，

式中，δ_短为短波不平顺最大限制值；

(3)中波不平顺限制，

式中，δ_中为中波不平顺最大限制值；

(4)长波不平顺限制，

式中，δ_长为长波不平顺最大限制值；

(5)差异变形限制，

式中，δ_差为调整点差异变形最大限制值；

S42，搜索初始可行调整量方案s⁽⁰⁾，包括：

1)建立初始可行方案的优化求解目标函数和约束条件：

目标函数：τ(s,x)＝x

约束条件：

式中，s＝{s₁,s₁,…,s_n}，为轨面高程调整量向量；x为优化变量。

2)基于障碍法将上述目标函数和约束条件转为无约束的修正目标函数：

式中，m为构造参数；

3)选取变量的初始值为s₀＝{0,0,…0}，

设定参数m＝10，阻碍函数误差阈值

迭代误差阈值ε₂＝10^-5；

4)采用Newton法计算迭代方向

采用回溯直线搜索法确定迭代步长t，更新计算点为{s,x}＝{s,x}+t·Δ{s,x}，若x≤0，则结束搜索，当前参数值即为初始可行调整量方案s⁽⁰⁾；

5)计算当前迭代误差指标为，

若λ²/2>ε₂(迭代误差阈值)，则重复步骤4)，若λ²/2≤ε₂，则停止迭代，令m＝m/15，如果m>ε₁(阻碍函数误差阈值)，则更新目标函数，以当前变量值为初始值，重复步骤4)，如果m≤ε₁，则停止搜索，说明不存在可行调整方案，需返回步骤S2，调整限制效果要求或扩大可调整范围；

S43，基于障碍法，联合目标函数和约束限制条件构造修正目标函数：

式中，r为构造参数；

S44，采用序列无约束极小化技术，针对一系列逐渐减小的r值，采用Newton法联合回溯直线搜索法求解修正目标函数的最优解，获得最优调整量方案。

①选取变量的初始值为s⁽⁰⁾，设定参数r＝10，阻碍函数误差阈值

迭代误差阈值ε₂＝10^-5；

②采用Newton法计算迭代方向

采用回溯直线搜索法确定迭代步长t，更新计算点为s＝s+t·Δs；

③计算当前迭代误差指标为，

若λ²/2>ε₂，则重复步骤②；若λ²/2≤ε₂，则停止迭代，令r＝r/15；如果r>ε₁，则更新目标函数，以当前变量值s为初始值，重复步骤②；如果r≤ε₁，则结束搜索，当前变量值即为最优调整量方案。

实施例1

某铁路DK822+400～DK827+390里程区段需要进行起拨道整治，获取该区段的纵断面工程信息如图4所示，共4991个调整点，局部情况如图5所示；

结合该铁路工程实际状况，设定轨道起道量不超过30mm，设定短波不平顺值不超过3mm，中波不平顺不超过6mm，调整点差异变形不超过0.2mm，由于该区段运行速度较低，本次整治方案不考虑长波不平顺；

构建铁路起拨道整治目标函数，选取短波为10m，短波权重系数为1.0,中波为60m，中波权重系数为0.5,差异变形权重系数为50.0,调整偏差量权重系数为0.1，

短波为10m时，

中波为30m时，核算点与计算点可间隔5m，第一个中波范围为1～31，

最后一个中波范围为4961～4991,

通过本发明的方法搜索计算可得出最优起拨道整治方案，整治后局部对比情况如图5所示，通过对比人工调整和综合优化计算方案可发现，人工调整方案起道量为23.3mm，短波不平顺最大值为4.2mm，平均值为0.5mm，中波不平顺最大值为8.0mm，平均值为1.2mm；综合优化计算方案平均起道量为9.7mm，短波不平顺最大值为0.1mm，平均值接近于0，中波不平顺最大值为1.7mm，平均值为0.2mm。

通过以上对比可知，通过实施本发明的综合优化计算方法，在可调整范围内，降低了整治作业量，同时平顺性效果提升十分显著。

Claims (3)

1.一种铁路起拨道整治方案综合优化计算方法，包括以下步骤：

S1、获取铁路起拨道整治区段的工程信息：获取整治区段的设计线形数据，包括平面线形和和纵断面线形；获取整治区段所需调整点处的平面坐标X_i、Y_i、里程l_i及轨面高程h_i；根据设计线形和当前各调整点的位置，计算平面偏差量s_h,i和纵断面偏差量s_v,i，其中：i＝1,2,…,n；

S2、设定铁路起拨道整治区段限制条件：根据设计规范或相关维修规定，结合铁路工程实际状况，设定轨道起拨道调整量限制值，设定短波、中波及长波不平顺限制值，设定调整点差异变形限制值；

S3、构建铁路起拨道整治目标函数：综合考虑起拨道平顺性和起拨道作业量，设定短波权重系数ω_短、中波权重系数ω_中、长波权重系数ω_长、差异变形权重系数ω_差，调整偏差量权重系数ω_调，根据步骤S1中获取的所述工程信息构建目标函数：

式中：s＝{s₁,s₂,…,s_i,…,s_n}，为起拨道调整值向量；Δs_i为相对于设计线形的偏差量，当计算起道量时，Δs_i＝s_i-s_v,i；当计算拨道量时Δs_i＝s_i-s_h,i；n_短为短波不平顺计算终止点，n_中为中波不平顺计算终止点，n_长为长波不平顺计算终止点；

f_短(Δs_i)为调整区短波不平顺特征值，

i_起为第i个计算点对应的短波起点，i_终为第i个计算点对应的短波终点；i的取值范围根据选取的短波长度确定；

f_中(Δs_j)为调整区中波不平顺特征值，

j_核为第j个计算点对应的核算点，j_起为第j个计算点对应的中波起点，j_终为第j个计算点对应的中波终点，j的取值范围根据选取的中波长度确定；

f_长(Δs_k)为调整区长波不平顺特征值，

k_核为第k个计算点对应的核算点，k_起为第k个计算点对应的中波起点，k_终为第k个计算点对应的中波终点；k的取值范围根据选取的长波长度确定；

f_差(Δs_i)为调整区差异变形特征值，f_差(Δs_i)＝Δs_i+1-Δs_i，1≤i<n；

S4、搜索计算最优起拨道整治方案：根据步骤S2中的短波、中波及长波不平顺限制值及差异变形限制值要求和起拨道调整量限制值，形成起拨道整治方案的约束限制空间；根据步骤S3中的目标函数，在所述约束限制空间内搜索最优起拨道整治方案，若无法得到可行方案，则返回S2，调整限制效果要求或扩大起拨道限制范围，若获得可行方案，则完成起拨道整治方案计算。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于：步骤S4所述的形成起拨道整治方案的约束限制空间包括：

(1)调整量限制，

式中，δ_ui为调整量最大值，δ_di为调整量最小值；

(2)短波不平顺限制，

式中，δ_短为短波不平顺最大限制值；

(3)中波不平顺限制，

式中，δ_中为中波不平顺最大限制值；

(4)长波不平顺限制，

式中，δ_长为长波不平顺最大限制值；

(5)差异变形限制，

式中，δ_差为调整点差异变形最大限制值。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于：步骤S4中，在所述约束限制空间内搜索最优起拨道整治方案包括以下步骤：

1)搜索初始可行调整量方案s⁽⁰⁾，若不存在初始可行方案，则返回步骤S2，调整限制效果要求或扩大可调整范围；若存在初始可行方案，则执行步骤②；

2)基于障碍法，结合所述目标函数和约束限制条件构造修正目标函数：

式中，r为构造参数；

3)采用序列无约束极小化技术，针对一系列逐渐减小的r值，采用Newton法联合回溯直线搜索法求解修正目标函数的最优解，获得最优起拨道整治方案。

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