CN116358679B - 一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,涉及轨道交通列车荷载识别技术领域,包括以下步骤:用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算列车速度;将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距;用峰值拾取法识别峰值时刻序列及其差分序列,并结合列车速度进一步计算轴组间距;采用标定或有限元计算的方式获取应变影响线;提取列车过桥响应信号、识别的列车速度、轴组间距和影响线构建系统矩阵和桥梁响应矩阵,最后求解列车各轴组重量,并采用轴组重量累加得到列车总重量。本申请的城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,借助安全监测系统,能够实现列车正常运行状态下获得各个列车轴组重量和列车总重量。

Description

一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法
技术领域
本申请涉及轨道交通列车荷载识别技术领域,具体涉及一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法。
背景技术
近些年来,城市高架桥梁轨道交通具有造价低、运营维护方便且适于向城市近远郊发展的特点,越来越受到青睐。为保证轨道列车行驶平稳和安全,列车对每对轮子的轮重都有非常严格的要求,需要定期对列车重量进行专项称重,传统的称重方法需先对列车逐节解编后送上“移动式单车称重台”进行静态称重,比较费事费力。
近些年来随着桥梁健康监测行业的发展,越来越多的城市轨道桥梁安装了安全监测系统,用于实时监测桥梁响应并评价桥梁安全状态。但目前这类监测系统仅停留在数据采集与桥梁安全评价方面,在轨道桥梁列车荷载识别方面尚未见报道。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本申请的目的在于提供一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,借助安全监测系统,能够实现列车正常运行状态下获得各个列车轴组重量和列车总重量。
为达到以上目的,采取的技术方案是:一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,包括以下步骤:
用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算列车速度;
将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距;用峰值拾取法识别峰值时刻序列及其差分序列,并结合列车速度进一步计算轴组间距;
采用标定或有限元计算的方式获取应变影响线;
提取列车过桥响应信号、识别的列车速度、轴组间距和影响线构建系统矩阵和桥梁响应矩阵,最后求解列车各轴组重量,并采用轴组重量累加得到列车总重量。
在上述技术方案的基础上,所述用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算 列车速度,包含:
用变点检测法对轨道列车通过桥梁的动应变响应时程曲线进行端点检测,识 别出列车第一个轴组上桥时刻和最后一个轴组离桥时刻
根据,截取内的列车过桥响应信号,并计算列车速度;其中,
结合轨道高架桥总长度和列车前后轴总长为,计算列车速度
在上述技术方案的基础上,每节车厢有前后两组转向架,每组转向架对应两个车轴,将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距,包含:
将车头朝前的一组转向架的两个车轴划分为轴组1,轴组重量为,将车尾朝后 的一组转向架的两个车轴划分为轴组n,轴组重量为;将其余位置的前一节车厢的车尾 的一组转向架的两个车轴和后一节车厢的车头的一组转向架的两个车轴组成一个轴组,从 前到后依次为轴组2到轴组n-1,轴组重量为
在上述技术方案的基础上,采用峰值拾取法,识别列车过桥响应信号的峰值 所处时刻序列,并利用相邻时刻序列的时间差,计算各个轴 组之间的轴距
在上述技术方案的基础上,识别列车过桥响应信号的峰值所处时刻序列,设 置:
设置峰值高度大于且峰值间距大于
其中,为列车速度,为动应变采样频率。
在上述技术方案的基础上,所述应变影响线的获取方法包含:
利用已知重量、轴距的标准列车对桥梁进行标定,获得实测动应变响应,并采用 Tikhonov正则化方法识别对应测点的应变影响线
在上述技术方案的基础上,所述列车-桥梁系统矩阵包含:
系统矩阵
其中矩阵中各元素定义为:
式中,i和j分别为列车第i、j轴组,,其中为轴组数量,T为车辆 过桥总时长。分别为t时刻单位荷载在第i、j轴组处引起的桥梁应变响应,由 轴组位置向量与影响线决定;
其中,
轴组位置向量由轴距总长和设定的加载步距构建而成。
在上述技术方案的基础上,所述响应矩阵包含:
矩阵
其中,各元素定义为:
式中,为t时刻的测量应变,
在上述技术方案的基础上,所述列车轴组重量
式中,轴重向量中的各元素表示为第i轴组重量。
在上述技术方案的基础上,所述轨道列车整车总重,包含:
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括:
本申请的城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,借助已有的借助安全监测系统,采用特定算法,能够在列车正常运行状态下获取列车轴组重量、车速、轴组间距和总重等通行信息;具体地,用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算列车速度,将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距,用峰值拾取法识别峰值点及其差分序列,并结合列车速度进一步计算轴组间距,采用标定或有限元计算的方式获取应变影响线;提取列车过桥响应信号、识别的列车速度、轴组间距和影响线构建系统矩阵和桥梁响应矩阵,最后求解列车轴组重量,并采用轴组重量累加得到列车总重量;本申请的城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,突破了传统静态称重的限制,大大提高了测量效率,适用性强,经济价值高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例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申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的典型城市轨道列车通行高架桥结构示意图见图1中的(a)、断面图见图1中的(b)以及安全监测系统监测到的动应变时间曲线图见图1中的(c);
图2为本申请实施例提供的列车的轴组划分和尺寸示意图;
图3为本申请实施例提供的峰值拾取法拾取的峰值点的示意图;
图4为本申请实施例提供的动态称重方法的流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1到图4所示,本申请还公开了一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法的实施例,包括以下步骤:
用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算列车速度。具体地,变点检测法即利用信号的统计特征检测时序信号的变化点,这类统计特征可为平均值、方差或频谱特性等。这里采用变点检测方法确定动应变信号的端点,从而提取列车过桥信号片段。
将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距;用峰值拾取法识别峰值时刻序列及其差分序列,并结合列车速度进一步计算轴组间距。具体地,峰值拾取法是指从一组信号数据中提取局部最大值的方法。
采用标定或有限元计算的方式获取应变影响线;
提取列车过桥响应信号、识别的列车速度、轴组间距和影响线构建系统矩阵和桥梁响应矩阵,最后求解列车各轴组重量,并采用轴组重量累加得到列车总重量。
本申请的城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,相当于用桥梁作为一杆秤称量行驶中列车的车重,安全监测系统与控制中心相连,所有的运算步骤均在控制中心中进行。
在一个实施例中,用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算列车速度,包 含:
轨道桥梁已经安装的安全监测系统,能够得到轨道列车过桥的动应变响应时程曲 线。用变点检测法对轨道列车通过桥梁的动应变响应时程曲线进行端点检测,识别 出列车第一个轴组上桥时刻和最后一个轴组离桥时刻
根据,截取内的列车过桥响应信号,并计算列车速度;其中,曲线的其余位置作用不大,予以删除。
结合轨道高架桥总长度和列车前后轴总长为,计算列车速度
具体地,每节车厢有前后两组转向架,每组转向架对应两个车轴,将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距,包含:
将车头朝前的一组转向架的两个车轴划分为轴组1,轴组重量为,将车尾朝后 的一组转向架的两个车轴划分为轴组n,轴组重量为;将其余位置的前一节车厢的车尾 的一组转向架的两个车轴和后一节车厢的车头的一组转向架的两个车轴组成一个轴组,从 前到后依次为轴组2到轴组n-1,轴组重量为
进一步地,采用峰值拾取法,识别列车过桥响应信号的峰值所处时刻序列,并利用相邻时刻序列的时间差,计算各个轴组之间的轴距
具体地,如图2所示,当轨道列车共4节车厢时,轴组的数量为5个,此时n=5。轴组从列车的 车头到车尾分别表示为。列车过桥响应信号的峰值点(也是 前文的峰值时刻序列)如图3所示,图中的5个五角星依次为, 轴组之间的距离为,依次类推分别为
进一步地,为保证峰值拾取的准确性,在峰值拾取法识别列车过桥响应信号 的峰值所处时刻序列时,设置初始条件为:
设置峰值高度大于且峰值间距大于
其中,为列车速度,为动应变采样频率。
上述设置的初始条件能够寻找到真正的峰值点,保证峰值拾取的精准度。
进一步地,在一个实施例中,应变影响线的获取方法包含:
利用已知重量、轴距的标准列车对桥梁进行标定,获得实测动应变响应,并采用 Tikhonov正则化方法识别对应测点的应变影响线。Tikhonov正则化方法是一种常用于 处理病态反问题的数学求解方法,这里用于识别影响线。
在另一个实施例中,如果不具备标定条件时,亦可采用经过模型修正的有限元计算得到的影响线。
进一步地,列车-桥梁系统矩阵包含:
系统矩阵;该矩阵包含i行j列个元素。
其中矩阵中各元素定义为:
具体地,“.”表示点积。式中,i和j分别为列车第i、j轴组,
其中,为轴组数量,T为车辆过桥总时长。分别为t时刻单位荷载在 第i、j轴组处引起的桥梁应变响应,由轴组位置向量与影响线决定。
其中,;其中“*”表示卷积。
轴组位置向量可由轴距总长和设定的加载步距step构建而成。具体 地,如轴组位置向量=[0 0…0 1 0…0 0 0],该向量为单位向量,其中向量元素的个数 等于,单位力1在向量中的位置为,代表着该轴组在轴距总长的位置。
具体地,当轴组数量为5时,系统矩阵包含i×j个元素,该系统矩阵为一个 方阵,其中第一个元素为,最后一个元素为
进一步地,响应矩阵包含:就是
矩阵为向量;
其中,各元素定义为:
式中,为t时刻的测量应变,。具体地,即为列车过桥响应 信号在t时刻的数值。与前述计算方法一致。
更进一步地,列车轴组重量
式中,轴重向量中的各元素表示为第i轴组重量。具体地,中包含1×5的 元素。
进一步地,轨道列车整车总重,包含:
式中,为轴组数量。;
如图4所示,在一个实施例中,本申请的城市轨道交通列车桥梁动态称重方法的工作流程如下:
用变点检测法识别列车过桥始末端点时刻,计算
结合已知的轨道高架桥总长度和列车前后轴总长为,计算列车速度
采用峰值拾取法进行轴组识别,即识别出所有的峰值时刻序列,得到
根据车速和相邻峰值时刻序列的时间差,计算各个轴组之间的轴距
辨识出影响线,并以影响线作为基础,按照设定算法构建列车-桥梁系统矩阵和响应矩阵
按照设定算法计算得到各轴组重量
进行求和得到列车总重
本申请的城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,借助已有的安全监测系统,采用特定算法,能够在列车正常运行状态下获取列车轴组重量、车速、轴组间距和总重等通行信息;具体地,用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算列车速度,将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距,用峰值拾取法识别峰值点及其差分序列,并结合列车速度进一步计算轴组间距,采用标定或有限元计算的方式获取应变影响线;提取列车过桥响应信号、识别的列车速度、轴组间距和影响线构建系统矩阵和桥梁响应矩阵,最后求解列车轴组重量,并采用轴组重量累加得到列车总重量;本申请的轨道列车桥梁动态称重方法,突破了传统静态称重的限制,大大提高了测量效率,适用性强,经济价值高。
在本申请的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是,在本申请中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种城市轨道交通列车桥梁动态称重方法,其特征在于,包括以下步骤:
用变点检测法提取列车过桥响应信号并计算列车速度;所述变点检测法是利用信号的统计特征检测时序信号的变化点,所述统计特征为平均值、方差或频谱特性;
将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距;用峰值拾取法识别峰值时刻序列及其差分序列,并结合列车速度进一步计算轴组间距;
采用标定或有限元计算的方式获取应变影响线;
提取列车过桥响应信号、识别的列车速度、轴组间距和影响线构建系统矩阵和桥梁响应矩阵,最后求解列车各轴组重量,并采用轴组重量累加得到列车总重量;
所述用变点检测法提取列车过桥响应信号S′(t)并计算列车速度v,包含:
用变点检测法对轨道列车通过桥梁的动应变响应时程曲线S(t)进行端点检测,识别出列车第一个轴组上桥时刻t1和最后一个轴组离桥时刻t2
根据t1和t2,截取ΔT内的列车过桥响应信号S′(t),并计算列车速度;其中,ΔT=t2-t1
结合轨道高架桥总长度Lb和列车前后轴总长为Lt,计算列车速度
每节车厢有前后两组转向架,每组转向架对应两个车轴,将轨道列车车轴按照位置划分为若干个轴组和轴组间距,包含:
将车头朝前的一组转向架的两个车轴划分为轴组1,轴组重量为Aw1,将车尾朝后的一组转向架的两个车轴划分为轴组n,轴组重量为Awn;将其余位置的前一节车厢的车尾的一组转向架的两个车轴和后一节车厢的车头的一组转向架的两个车轴组成一个轴组,从前到后依次为轴组2到轴组n-1,轴组重量为Aw2到Aw(n-1)
采用峰值拾取法,识别列车过桥响应信号S′(t)的峰值所处时刻序列tloc=[tloc1 tloc2tloc3......tlocn],并利用相邻时刻序列的时间差,计算各个轴组之间的轴距As=[As1 As2As3......As(n-1)];
所述列车-桥梁系统矩阵包含:
系统矩阵X=[Xij];
其中矩阵中各元素Xij定义为:
式中,i和j分别为列车第i、j轴组,[i,j]∈[1,2,...,n],其中n为轴组数量,T为车辆过桥总时长;
εi1(t)和εj1(t)分别为t时刻单位荷载在第i、j轴组处引起的桥梁应变响应,由轴组位置向量与影响线y(t)决定;
其中,εi1(t)=Aloci*y(t),εj1(t)=Alocj*y(t);
轴组位置向量Aloci和Alocj由轴距总长和设定的加载步距构建而成;所述应变影响线y(t)的获取方法为利用已知重量、轴距的标准列车对桥梁进行标定,获得实测动应变响应,并采用Tikhonov正则化方法识别对应测点的应变影响线y(t);
所述响应矩阵包含:
矩阵M=[Mi];
其中,各元素Mi定义为:
式中,εm(t)为t时刻的测量应变,i∈[1,2,...,n];
所述列车轴组重量Aw,
Aw=X-1M;
式中,轴重向量Aw中的各元素Awi表示为第i轴组重量;
所述轨道列车整车总重Tw,包含:
识别列车过桥响应信号S′(t)的峰值所处时刻序列,设置:
S′(t)设置峰值高度大于max(S(t))/3且峰值间距大于其中,v为列车速度,fs为动应变采样频率。
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