CN1873674A - 专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，它包括地下开采条件下地表沉陷实时预计系统、矿区专用铁路及站场在开采期内的沉陷变形实时预计系统、矿区专用铁路沉陷变形智能化预计及治理专家系统和专用铁路及站场道岔群沉陷安全运输保障技术。本发明建立了厚矿层开采条件下在开采时期内的矿区专用铁路及站场道岔群的沉陷预计及治理专家系统，揭示了铁道下沉变形特点及动态变化规律，从而提出合理的铁路维护措施尤其是铁路站场道岔群变形的治理技术。本发明应用操作简便、流程清晰，可对专用铁路线路及站场道岔群开采沉陷进行动态、稳态预计，预计结果精度高，从而提出维护治理技术预案，方便生产管理者进行实时决策。本发明的应用可保障铁路运输生产在开采期内的正常进行及行车安全，显著减少铁路站场及路基维护费用，提高我国矿区专用铁路下厚矿层开采的总体经济效益和社会效益。

Description

专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统

技术领域

本系统涉及一种矿山开采专用铁路运输系统，更具体地说，是涉及一种专用铁路道岔群下开采沉陷智能预计与治理安全运输系统，属于铁路运输技术领域。

背景技术

目前，国内外大型现代化的矿山开采，综合机械化程度均较高。随着矿山开采工作的不断推进，工作面逐渐接近到矿区专用铁路下部。这些工作面的开采，将会直接威胁到矿区专用铁路运输生产的安全。同时，特厚矿层开采时期内铁路下沉区地表变量大，下沉速度快，且铁路运输不能中断，线路维修复杂，工作量大；对铁路线路以及站场道岔群的变形维护治理及安全运输要求更高，如何解决上述问题，至今仍是一个技术难题。

目前的相关技术主要是针对薄矿层的分层开采，现有开采技术方案能够治理开采沉陷的仅是专用铁路线路及曲线地段。我国在开采沉陷基本理论方面虽然取得了长足的进步，但主要是基本理论、模拟模型、计算方法等方面，计算机软件开发也都是依据部分理论进行模拟的设计；在开采沉陷预计技术方面，目前主要是根据相关矿区的实际情况，在预计方法中选择合适的预计模型，且仅对一般地质开采条件下的预计，而对于存在特殊地质与采矿条件时，目前的软件没有较成熟的预计方法和技术系统对应；目前的软件系统一般具有观测站数据管理以及数据处理功能、求参功能、预计功能以及图形绘制功能，虽然也涉及到计算机技术和专家系统理论的应用，但都基本停留在单一的地表变形预计和建筑物的变形治理；开采沉陷信息系统也仅是利用信息系统与数据库管理系统的基本理论形成的，仅仅是参数预计与预测系统的管理，利用专家系统基本理论形成的开采沉陷专家系统，也仅仅定位于地表建筑物和地下开采工作的布置以及开采工艺的研究；利用ANASYS软件和MATLAB软件进行的非线性拟合也主要研究从开采矿层到地表的岩层破坏和移动情况。

目前国内外相关技术成果所关注的目标是地表变形预计系统的应用和上覆岩层的破坏规律技术的研究，而对矿区的铁路尤其是车站站场道岔群下开采沉陷预计及治理系统均未进行相关的研究，尚未见到特厚矿层综放开采条件下铁路站场变形预计与治理以及安全运输技术相关研究的报导。

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出了一项专用铁路及站场道岔群下特厚矿层综放开采技术，铁路站场道岔群的变形智能预计与治理维护及安全运输技术，建立了一种涉及开采沉陷，铁路运输，人工智能等技术的集成化的智能预计与治理专家系统。通过本系统的应用，可以高效率高效益的开采专用铁路及站场道岔群下部矿床资源，并可保障专用铁路采矿时期内的正常生产及安全运输；打破了专用铁路站场道岔群下特厚矿层不能进行开采的行业界限，解放了专用铁路及站场下部资源，实现了资源的有效利用。

发明内容

本发明结合我国专用铁路及站场道岔群受其矿区开采工作影响的具体情况和矿床的基本条件，通过建立地表、铁路及站场的沉陷变形实时动态预计系统，进而构建专用铁路与站场道岔群下开采沉陷预计及治理专家系统。

本发明为实现上述提出的目的，可通过以下技术方案实现。

本发明所述的专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，是由地下开采条件下地表沉陷实时预计系统，矿区专用铁路及站场在开采时期内的变形实时预计系统，矿区专用铁路变形智能化预计及治理专家系统和专用铁路及站场道岔群沉陷安全运输保障技术组成；矿区专用铁路路基是随着地表下沉而下沉，铁路上部建筑物是紧贴着路基下沉的，线路轨道的下沉与地表的下沉基本上是一致的，故地表下沉和铁路及站场道岔群下沉的变形预计方法是相同的；铁路及站场道岔群的预计与治理专家系统(RES)是基于地表预计系统与铁路及站场道岔群变形预计系统而建立的。通过建立知识数据库提出铁路及站场道岔群变形规律及治理措施，建立特厚矿层综放开采时铁路变形预计及治理专家系统，根据预计的铁路线路或道岔的变形特点及规律，利用铁路治理措施知识库进行治理报告技术文档的智能化预生成，为综放面上铁路变形预计及治理提供技术决策；铁路及站场道岔群的变形治理及安全运输技术是结合RES专家系统，提出特厚矿层综合放开采条件下铁路及站场道岔群的变形维护技术和安全保障措施，可有效的解决综放开采条件下采矿工作面所影响的铁路及站场咽喉区的预计、维护及治理问题，保证行车安全；上述各系统之间均有系统接口相连接，建立起人机交互的实用性强的专用铁路道岔群下开采沉陷智能预计与治理专家系统。

地下开采条件下地表变形预计系统，是应用概率积分法研究地表移动规律，完成基于概率积分法的动、稳态预计计算机实时模拟，建立地表沉陷预计系统。在初始化时，将地表预计所需要的相关基础参数，开采工作面基本参数，地表预计范围数据，开采工作面角点坐标，地表预计特殊点数据，工作面拐点偏移距和下沉预计原始参数送入系统，然后系统根据建立的开采沉陷模型与概率积分法的算法原则，进行地表下沉参数：下沉量、下沉速度、纵向水平变形、纵向水平位移、纵向倾斜曲线、纵向曲率、横向水平变形、横向水平位移、横向倾斜曲线、横向曲率的动态和稳态预计；预计结果提供对每一种数据的曲线输出和数据报表等模式，完成预计后下沉等值线、剖面曲线和各种预测参数曲线等的绘制。

矿区专用铁路线路及站场道岔群在开采期内的变形实时预计系统，由于铁路变形的预计系统涉及到的对象是受到开采影响的地表以及相关建筑物、专用铁路线路、铁路站场和站场道岔，不同对象需要设计不同的预测参数。

铁路线路预计主要是根据有关基础参数：开采工作面基本参数、线路基本参数、开采工作面角点坐标、线路上观测点数据、工作面拐点偏移距和下沉预计原始参数，进行动态和稳态参数预计，同时对预计结果进行规整，为线路治理提供相关的数据信息。

专用线路站场预计提供的参数，除开采工作面基本参数、角点坐标和拐点偏移距外，它还包括站场基本数据、站场设置观测点数据和下沉预计原始参数等数据信息，系统对站场所有设施的位置进行下沉参数动态和稳态预计，同时提供各种数据报表和绘图功能。

道岔作为整体设备，其预计提供的参数除工作面基本参数，角点坐标和拐点偏移距外，还需要提供道岔前端基本轨接头线路中心点、道岔理论中心点、道岔跟端直股线路中心点、辙叉理论尖端点、道岔跟端曲股线路中心点和下沉预计原始参数等数据信息，系统对道岔进行下沉参数动态和稳态预计，给出各种参数预计结果，能够保证道岔正常使用。

矿区专用铁路线路及站场道岔群在开采期内的变形实时预计系统，提出了特厚矿层开采综放工作面与铁路线路的空间位置关系布置的三种模式，研究综采工作面对铁路线路及站场道岔群的影响，建立了三种模式下的铁路线路及站场道岔群沉陷实时预计系统，揭示了不同模式下的铁路及站场道岔群变形规律。通过对预计结果分析，提出综合工作面与铁路线路的空间位置关系布置模式，主要具有如下三类：

(1)垂直布置：当线路方向与综采工作面推进方向呈75°～90°夹角时，可视为垂直布置模式；

(2)斜交布置：当线路方向与综采工作面推进方向呈15°～75°夹角时，可视为斜交布置模式；

(3)平行布置：当线路方向与综采工作面推进方向呈0°～15°夹角时，可视为平行布置模式。

斜交布置模式中线路的变形较为复杂，其变形是垂直布置模式与平行布置模式的综合，它的变形规律是：垂直方向的变形即下沉首先从靠近综采工作面的一侧开始，随着开采工作面向前推进而向前发展，但下沉的最大值出现在受影响线路的中部。地表水平移动的方向是朝向采空区的，当线路与采区走向斜交时，地表横向移动将使线路的横向变形最终呈“S”形状。

矿区专用铁路变形智能化预计及治理专家系统(RES)，它是以现行规程、规范为依据，以随机介质理论和概率积分法的数学方法为基础，以现代计算机技术为手段的软件系统，它包括矿区基本地质信息库、开采工作面信息库、矿区专用铁路信息库数据提取至下沉参数预计，经过动态预计和稳态预计模块进行预计，并对预计结果进行合理的处理和规整，输出各种数据曲线和数据报表。根据预计的铁路线路或道岔的变形特点，利用铁路治理措施知识库中的各类知识库、信息库、数据库、规程库、模式库等数据提取至专家系统模式识别、知识学习、自动推理和决策支持，最后提出线路和站场道岔群综合治理施工组织设计。铁路及站场道岔群变形预计与治理专家系统(RES)是基于地表预计系统及铁路和站场道岔群变形预计系统，通过建立知识库，提出铁路及站场道岔群变形规律及治理措施，建立特厚矿层综放开采时铁路变形预计及治理专家系统，为综放面上铁路变形预计及治理提供技术决策。它可以根据预计的铁路线路或道岔群的变形特点，利用铁路治理措施知识库进行治理报告文档的智能化预生成，是一种以计算机技术为基础和工具，应用决策科学及其有关理论和方法、辅助决策者进行决策的计算机综合信息处理系统。它主要用于支持半结构和非结构化决策问题，它能把模型或分析技术与传统的数据存取和检索功能结合起来，并通过人机交互接口为决策者提供辅助决策功能。

铁路及站场道岔群变形预计及治理专家系统的知识库，给系统提供了下沉区铁路变形治理的基本经验和标准，而且这些知识库具有普通专家系统知识库的共有特点，便于用户或知识工程师根据与人类专家面对面的交流记录和人类专家通过著作、文章等知识传播，保存媒体所保存的知识进行专家系统知识库的更新、修改、删除等经常性的维护操作。

铁路及站场道岔群变形预计及治理专家系统的数据库，有些是知识工程师或软件开发人员建立供用户使用(进行数据的录入、删除、修改)的，有些是铁路专家系统根据用户的要求进行计算或整理得到的。

铁路及站场道岔群变形预计及治理专家系统的推理机，是根据用户提供的要求和通过铁路专家系统的操作，已经产生和整理得到的数据库信息、知识库中的知识等信息，采用一定的策略(主要变形模式的限制和判断等)进行推理计算，产生了线路、道岔治理等具有专家特点和人工智能机理的线路、道岔治理等功能模块，通过这些功能模块的操作和前期一些必要的数据库整理模块的操作，将产生下沉区线路、道岔治理的文档报告等，供用户进行交流。

铁路及站场道岔群变形预计及治理专家系统的知识获取是一个与领域专家、专家系统建造者以及专家系统中的知识获取机构共同完成的，知识工作师负责从领域专家那里抽取知识，并用适当的模式把知识表示出来，而专家系统中的知识获取机构负责把知识转换为计算机可存储的内部形式，然后把它存入知识库。铁路及站场道岔群变形预计及治理专家系统要求用户输入开采工作面的基本情况，工作面与矿区铁路的基本空间位置关系，铁路基本情况等有关参数。输入主要采用中文屏幕显示，以人机对话方式实现。该系统接受用户输入的条件后，经过一系列的运算和判断，可输出铁路变形基本情况及相应的变形治理与维护技术措施。

专用铁路及站场道岔群变形治理及安全运输保障系统是基于铁路及站场道岔群变形预计及治理专家系统的知识库、数据库、推理机制等信息，从开采工艺方法和采矿工作及综合条件出发，研究合理的采矿方案，以减少铁路沉陷变形及维护工程量。根据铁路沉陷预计结果及测量结果，通过专家系统的推理机制，提出铁路及站场道岔群沉陷后采动路基及线路维护技术措施，包括路基垂直变形及水平变形维护保障技术，以及合理填充材料和填充方式；线路的综合治理技术、道岔群的综合治理技术、通信、电力、信号线路治理技术、辅助设施的治理技术等。

线路治理技术主要包括：起道、拔道的基本要求、路基沉陷情况、顺坡处理、竖曲线处理、线路纵断面调整、线路圆顺、轨缝调整、矸石填注、沉陷疏干排水等；

道岔治理技术主要包括：巡查制度落实检查、尖轨灾害处理、整体病害的整治维修措施、转辙器病害处理、尖轨与基本轨不密贴或较长距离不密贴、尖轨跳动、尖轨扎伤与侧面磨耗、尖轨中部轨距小、尖轨拱弯、尖轨搬动不灵、尖轨和滑床板不密贴、尖轨动程过小、三道缝、导曲线轨距扩大，导曲线钢轨侧面磨耗、导曲线不圆顺、连接部分钢轨不等高、岔枕间隔不合规定，支距垫板离缝，辙叉垂直磨耗与压溃，辙叉偏磨、固定型钝角辙叉撞尖、辙叉轨距不符合标准等；

通讯、电力治理主要包括：通讯信号的临时铺设、现场维护工作；

辅助设施治理主要指涵洞、道口、给排水等维护工作。

本发明的特点和效果是：建立了特厚矿层条件下综放开采时期内的矿区铁路线路及站场道岔群的变形预计及治理专家系统，揭示了铁路下沉变形特点及动态变化规律，从而提出合理的铁路维护措施尤其是铁路站场道岔群变形的治理技术。

本发明应用操作简便，流程清晰，可对专用铁路线路及站场道岔群开采沉陷动态、稳态预计，预计结果精度高，提出维护治理预案，供生产管理者进行决策。本发明的应用可保障铁路运输生产在开采期内的正常进行及行车安全，显著减少路基和铁路站场维护维修费用，提高矿区专用铁路下特厚矿层综放开采的总体经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明地表预计业务流程图；

图2为本发明铁路线路预计业务流程图；

图3为本发明铁路站场预计业务流程图；

图4为本发明道岔预计业务流程图；

图5为本发明专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统(RES)的业务流程图；

图6为本发明线路维修业务流程图；

图7为本发明道岔(群)维修业务流程图；

图8为本发明铁路与站场变形预计及治理软件系统集成图；

图9为本发明铁路沉陷预计及治理系统总体结构图；

图10为本发明铁路专家系统基本参数录入界面图；

图11为本发明线路自动预测人机界面图；

图12为本发明线路预测整理人机界面图；

图13为本发明线路工程量计算人机界面图；

图14为本发明线路治理措施交互界面图。

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的描述：

地表开采沉陷变形预计实施如图1所示。地表开采沉陷变形预计是以随机介质理论为基础，采用概率积分法进行预计的。图1为本发明地表开采沉陷变形预计业务流程，主要是体现在矿床开采过程的地表移动和变形规律，因此，在系统初始化时将地表预计所需要的相关基础参数，如开采工作面基本参数，地表预计范围数据，开采工作面角点坐标、地表预计特殊点数据、工作面拐点偏移距、下沉预计原始参数等数据提取送入变形预计系统，然后系统根据建立的开采沉陷模型和概率积分法的算法原理，进行地表下沉参数，如下沉量，下沉速度，纵向水平变形，纵向水平位移，纵向倾斜曲线，纵向曲率，横向水平变形，横向水平位移，横向倾斜曲线，横向曲率的动态和稳态预计，系统自动对预计参数数据进行规整处理后，输出预计结果。系统提供了每一类数据的曲线输出和数据报表等模式，绘制动态曲线，制作数据报表，绘制图形显示，系统还可以完成预计后下沉等值线、剖面曲线等所需要的相关平面图形的绘制。

专用铁路线路、站场及道岔群开采沉陷变形预计实施，为了有效的保护地面铁路，在地下矿层开采之前，需要预计开采后地表移动值和变形值及其分布，从而预计铁路路基和轨道的变形规律，以便采取相应的措施，保证地面列车安全运行和建筑物的正常使用。

铁路下采矿时，当路基和道床随着地表下沉以后，在钢轨的自重以及轨枕和扣件重量载荷作用下，在垂直面内产生一个挠曲。铁路下采矿所引起的地表曲率半径一般都在千米以上，而在开采过程中因为线路要进行起道顺坡，所以道床实际出现的曲率半径往往在万米以上。这种使钢轨能在很小的曲率半径内接近于道床上，即钢轨紧贴于道床上。

铁路变形预计系统正是基于此，在研究地表移动值和变形值及其分布规律的基础上，寻找路基和轨道变形规律。由于路基由完整的地层支托，其坚固性和稳定性在矿床开采过程中未受到破坏，所以路基的变形规律与地表的变形规律是一致的。

路基是铁路的基础，也是承受和传播列车应力的构筑物。当路基下方的矿层被采出后，必然要引起路基的移动和变形，并使线路上部产生一系列变形。

通过试验与观测可知，路基是随着岩层的下沉呈现大范围整体下沉，与地表的下沉是完全一致的。铁路下采矿实测资料表明：路基随着地表下沉而下沉，线路上部建筑是紧贴着路基下沉的，故线路轨面的下沉与地表的下沉基本上是一致的，即轨道的变形与路基的变形、地表的变形是一致的，利用地表预计的方法对铁路路基的变形预计同样适用于轨道预计。

专用铁路线路、站场及道岔群开采沉陷变形预计过程。如图2、图3及图4所示。铁路下采矿对铁路的影响在时间上是一个缓慢的渐变过程。铁路变形的预计系统，只对变形的最终结果作出预计是远远不够的，必须对铁路变形的全过程进行实时预计，以便维修治理人员能随时掌握变形量的大小及变化规律，制定相应的维修治理措施。为此，本发明利用专家系统的基本原理和计算机的强大运算及数据处理功能，根据开采影响的地表、铁路线路、站场和道岔群的特点，编制了铁路变形一体化实时预计系统软件。

铁路变形预计系统涉及到的对象主要是受到开采影响的地表及相关建筑物、专用铁路线路、铁路站场和站场道岔。由于不同的对象需要设计不同的预测参数，如图2所示，为本发明铁路线路预计业务流程。铁路线路预计主要是根据有关基础参数：如开采工作面基本参数、线路基本数据、开采工作面角点坐标、线路上观测点数据、工作面拐点偏移距和下沉预计原始参数的数据提取，送入预计系统，进行动态和稳态参数预计，对同方向及不同方向的预计参数数据值进行处理，对预计结果进行规整，绘制出动态曲线，制作出数据报表，绘制成图形显示，为线路治理提供相关的数据信息，如最大下沉量、最大下沉速度，横向水平移动，纵向水平移动值等。

专用铁路站场是矿区铁路运输的关键场所，它的治理尤为重要，相应提供的预计及治理参数较为复杂，包括站场的范围参数，各个道岔的位置参数，道岔的型号参数，通讯设施位置参数，站场辅助设施位置参数等数据信息，如图3所示，为本发明的铁路站场预计业务流程。它除提供开采工作面基本参数，角点坐标和拐点偏移距外，还要提供站场基本数据，站场设置观测点数据和下沉预计原始参数等数据信息，系统对站场所有设施的位置进行下沉参数动态稳态预计，同样提供各种数据报表和图形绘制功能。

道岔作为一个整体设备，其预计提供的参数除开采工作面基本数据、工作面角点坐标和工作面拐点偏移距外，在给定道岔位置参数和型号的基础上，可以计算出道岔前端基本轨接头处线路中心点，道岔理论中心点，道岔跟端直股线路中心点，辙叉理论尖端点，道岔跟端曲股线路中心点以及下沉预计原始参数等数据信息提取，送入预计系统，系统对道岔进行下沉参数动态和稳态预计，给出各种参数的预计结果，确保道岔正常使用。如图4所示为本发明道岔预计业务流程。

系统预计包括两方面的内容：一次预测(人工预测)和多次预测(动态预测)。

一次预测：即按用户要求对某一具体时间进行预计，用户可根据需要输入任意时间(段)，系统即可得出在该时间(段)内铁路道岔变形的各种预测结果。

多次预测：即动态预测，用户需输入预计起止日期和选定预计间隔时间(如5天、10天、15天、30天等)可得到在该时间段内动态预计曲线和极值数据，包括下沉量、下沉速度、水平位移和水平变形、倾斜、曲率、矸石用量、道渣用量等的动态曲线极值数据和最终预计结果，使用户对变形规律和最终变形结果详细掌握。

本发明主要通过所建立的专用铁路及站场道岔群变形预计与治理专家系统(RES)进行铁路及站场道岔群治理技术的具体实施。RES系统是以现行规程，规范为依据，以随机介质理论和概率积分法等数学方法为基础，以现代计算机技术为基础平台的软件系统；它可以对下沉区铁路变形进行高效、准确的动态、稳态预计，并对预计结果进行合理的处理和规整，方便的输出各种预计及治理数据曲线和数据报表；还可以根据预计和铁路线路或道岔的变形特点，利用铁路治理措施知识库进行治理技术报告文档的智能化预生成，是一种以计算机技术为基础和工具，应用决策科学及其有关理论和方法、辅助决策者进行决策的计算机信息处理系统。它主要用于支持半结构和非结构化决策问题，它能把模型或者分析技术与传统的数据存取和检索功能结合起来，并通过人机交互接口为决策者提供辅助决策功能。

本发明RES系统业务流程图如图5所示，它是由矿区基本地质信息库，开采工作面信息库(包括工作面基本参数，角点坐标和拐点偏移距)，矿区专用线路信息库(包括线路预测点和道岔预测点基本参数)数据提取至下沉参数预计，系统进行动态和稳态预计，并对预计结果进行合理的处理和规整，预计结果输出、整理、打印(动态曲线、极值报表曲线、工程量计算)，根据预计的铁路线路或道岔变形特点，利用铁路治理措施知识库中的线路综合治理措施知识库、道岔综合治理知识库、线路列车运行信息库、矿区专用铁路站场基本参数库、动态数据监测数据库、专用铁路基本规程库、国有铁路基本规程库、线路和道岔施工组织设计模式库和已用施工组织设计模式库等，数据提取至专家系统进行模式设计、知识学习、自动推理、决策支持，最后提出线路、站场道岔群综合治理技术施工组织设计。

铁路及站场(道岔群)变形预计与治理是一次非常复杂的系统工程，它涉及大量数据信息和安全生产规程，因此，本发明RES专家系统中共设计了以下数据库、知识库和推理机制模式知识库，它包括：

1.矿区基本地质状况数据库：包括矿区的基本要素，采区分布情况，工作面布置情况，矿床赋存条件，地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、覆盖层描述等；

2.矿区线路基本数据库：它包括线路基本布置情况与工作面的布置关系，线路的型号规格、线路的组成情况、材质、变形参数等；

3.线路列车运行状况历史数据库：包括日通过列车对数、线路运输能力、机车型号、机车重量、车辆的基本信息等；

4.站场的基本参数数据库：包括站场的布置位置，道岔的布置情况、道岔的型号、分布状况等；

5.线路综合治理措施知识库：包括起道、拨道等基本要求、路基沉陷情况、顺坡处理、竖曲线处理、线路纵断面调整、线路圆顺、轨缝调整、矸石填注、沉陷疏干排水等；

6.道岔综合治理措施知识库：包括巡查制度、尖轨灾害处理、整体病害的治理维修措施、转辙器病害处理、尖轨与基本轨的密贴或较长距离不密贴、尖轨跳动、尖轨扎伤与侧面磨耗、尖轨中部轨距小、尖轨拱弯、尖轨搬动不灵、尖轨和滑床板不密贴、尖轨动程过小、三道缝、导曲线轨距扩大、导曲线钢轨侧面磨耗、导曲线不圆顺、连接部分钢轨不等高、岔枕间隔面不合规定、支距垫板离缝、辙叉垂直磨耗与压溃、辙叉偏磨、固定型钝角辙叉撞尖、辙叉轨距不符合标准等；

7.线路施工组织设计模式库：包括三种基本布置模式以及相关的技术处理工作，如曲线圆顺度的保证、反超高现象的杜绝、掉道事故的避免、线路的起道、拨道操作以及相关规定；

8.道岔施工组织设计模式库：包括道岔综合维修的基本作业：如道岔的起道、捣固、拨道、改道，零部件的维修工作：如滑床板、尖轨与夹板、轨撑、钢轨接头错牙等，防爬设备的安装，道岔整理的基本作业：如整理夯实道床、刷新或喷写各部技术尺寸、整理外观等；

9.已用施工组织设计模式库：针对不同的线路地段、不同的变形模式、不同的病害，采取过的各种施工组织设计，为新的施工组织设计提供参考；

10.动态数据检测数据库：各种需要动态检测数据，如下沉量、下沉速度曲线、纵向水平变形、纵向水平位移、纵向倾斜曲线、纵向曲率、横向水平变形、横向水平位移、横向倾斜曲线和横向曲率等；

11.国有铁路基本规程库：行车组织、线路维修以及日常安全管理；

12.矿区专用铁路基本规程库：矿区专用铁路行车组织、轨道维修以及日常安全管理；

13.线路各种病害推理机制知识库：主要解决根据不同的病害，指出不同的产生原因，并给出不同的整改措施；

14.道岔各种病害推理机制知识库：内容同13；

15.矿区安全生产规程库：主要包括采区布置、工作面布置以及其它日常管理等。

本发明线路维修业务流程如图6所示，矿区专用铁路线路及站场道岔群在开采区内的变形实时预计系统，提出了特厚矿层开采综放工作面与铁路线路的空间位置关系布置的平行、斜交和垂直布置的三种模式，线路维修治理需要从线路基本信息库中提取数据送至平行、斜交、垂直三种布置模式预测点选取进行预测，得出预测结果信息库，如下沉量、下沉速度、横向水平移动、纵向水平移动、横向水平位移、纵向水平位移、横向倾斜、纵向倾斜，横向曲率和纵向曲率等，掌握变形特点(包括垂直方向，横向水平方向和纵向水平方向)，从线路综合治理措施知识库进行知识提取和线路施工组织设计模式库进行模式选择，从线路曲线维修措施知识库中含有曲线处理和已用施工组织设计库的经验参考、以及线路列车运行信息库、矿区专用线路基本信息库、专用铁路基本规程库、国用铁路基本规程库和动态数据检测信息库的数据仓库支持，从而提出线路维修治理施工组织设计报告(包括损伤部件更换，顺坡、起道、拨道、圆顺，轨缝调整和路基维护等)。

本发明站场(道岔群)维修业务流程图如图7所示，从铁路站场(道岔群)基本信息库数据提取至道岔连接部分、辙叉和护轨预测点选取(道岔前端基本轨接头处线路中心点，道岔理论中心点，道岔跟端直股线路中心点、辙叉理论尖端点、道岔跟端曲股线路中心点)，进行预测，建立预测结果信息库，如下沉量、下沉速度、横向和纵向水平移动、横向和纵向水平位移、横向和纵向倾斜、横向和纵向曲率等。掌握变形特点(包括垂直方向，横向和纵向水平方向)，从道岔综合治理措施知识库知识提取和道岔施工组织设计模式库模式选择，进行系统决策，经过人机交互知识学习和已用施工组织设计库的经验参考，以及线路列车运行信息库、矿区专用线路基本信息库、专用铁路基本铁路基本规程库、国有铁路基本过程库和动态数据监测信息库的数据仓库支撑，从而提出道岔维修治理施工组织设计报告(包括损伤部件更新，道岔方向不良，爬行，零件松动，尖轨跳动和尖轨扎伤等)，并将已用施工组织设计库系统更新。

本发明铁路与站场变形预计及治理软件系统集成图，如图8所示，它包括信息管理系统、开采沉陷预计系统和RES专家系统三部分系统集成。

信息管理系统中利用数据仓库进行数据存储和转换，同时利用数据仓库对数据和知识进行管理和清洗。数据仓库将操作型环境和分析型环境分离，划清了数据处理的分析环境和操作环境之间的界限，从而由原来的以单一数据库为中心的数据环境发展为以数据仓库为中心的一种新的体系化环境。数据仓库以改进后的数据库技术作为存储数据和管理资源的基本手段，以统计分析技术作为分析数据和提取信息的有效方法，通过人工智能、神经网络、知识推理等数据挖掘方法来发现数据背后隐藏的规律，从而实现从“数据—信息—知识”的过程，为生产管理提供各个层面的决策支持。

根据开采沉陷变形预计系统这个业务型操作系统进行日常的数据管理和参数预计，如根据不同的推进速度(3米/天，4米/天，5米/天，6米/天，7米/天)，不同的开采工艺(炮采、普采、高档普采、分层综合机械化开采、综合机械化开采)，不同的矿层赋存条件(矿层厚度、矿层走向于矿层倾角以及矿层埋藏深度)，不同采区布置和开采顺序(重复采动和首次开采)等信息，进行合理的预计，并将预计结果存入数据仓库。

RES专家系统通过数据提取，对数据仓库按分析的主题对数据进行组织。专家系统可以根据铁路下沉量、下沉速度(毫米/天)，横向水平移动速度(毫米/天)、纵向水平变形、纵向水平位移，纵向倾斜、纵向曲率，横向水平变形、横向倾斜、横向曲率以及相关的数据进行分析整理，形成面向主题的数据仓库。系统通过数据清洗和转换来支撑专家系统决策的正确性，为确保数据仓库中的数据准确，对前面业务数据库中的数据必须进行清洗和转换，将错误、不一致的数据在进入数据仓库之前，进行更正和删除。

系统提供的数据挖掘系统/知识获取系统/数据展现系统(沉陷治理专家系统)，这是用户操作的平台和界面，通过这个界面，进行面向主题的数据展现，如进行开采工艺、推进强度、通信模式的决策。

信息管理系统、开采沉陷预计系统与RES专家系统之间均有系统接口连接，并有系统支持平台进行决策支持。

本发明铁路变形预计及治理系统总体结构如图9所示，系统包括数据录入、曲线输出、数据报表、信息处理、参数绘图和系统管理等六部分，专家系统的数据库包括许多的内容，主要包括：

1.各类基本参数数据库，如工作面基本参数、工作面拐点偏移距、工作面角点坐标数据库，线路预测基本参数和道岔基本参数数据库等；

2.各类预测结果数据库，如线路当日预测参数数据库，线路最终预测参数数据库，线路自动预测参数数据库、道岔当日预测参数数据库、道岔最终预测参数数据库，道岔自动预测参数数据库等；

3.各类预测结果整理数据库，如线路预测整理报表、线路预测整理极值、线路预测整理动态曲线数据库，道岔预测整理报表、道岔预测整理极值、道岔参数整理动态曲线数据库等；

4.各类计算结果数据库，如线路维护工程量数据库、道岔维护工程量数据库等。

参数绘图包括：参数预测、数据准备、绘图模型和参数绘图；

系统管理包括用户注册、用户注销、用户密码修改、系统密码修改等。

专家系统具体实施步骤如下：

第一步：进行各类基本参数的录入和知识库的建立，主要包括工作面基本参数录入、工作面拐点偏移距的录入、工作面角点坐标录入、预测点基本参数以及道岔基本参数的录入，如图10所示为本发明RES专家系统基本参数录入界面图，特别应该注意工作面拐点偏移距参数是每个工作面4个数据，而工作面角点坐标是4-8个数据，而且根据需要每个工作面的数据要一一对应起来。

第二步：进行铁路线路下沉参数的智能预计，如图11所示，为本发明线路自动预测人机界面图，在这里需要指定影响铁路的开采工作面坐标、自动预测的开始时间、终止时间、预测的类型(动态/稳态)、预测的时间间隔等信息，系统会自动在相应的位置获得数据，并进行自动预计，建立并产生一个自动预计结果的数据库。

第三步：根据自动预测的结果，进行数据库的整理和分类，如图12所示，为本发明线路预测整理人机界面图，自动预测结果整理，形成了自动预测的动态曲线数据、极值曲线数据、极值报表数据及算量数据。

第四步：根据整理的数据进行线路工程量的计算，如图13所示，为本发明线路工程量计算人机界面图，线路工程量计量，如矸石用量、道渣用量、起道次数和拨道次数等。

第五步：进行线路治理的数据准备完毕，可以进行线路治理的智能化处理，如图14所示，为本发明线路治理措施交互界面图，输出线路治理措施，标明工作面名称，下沉量数据、线路工程量，动态曲线数据、治理措施文件，产生技术报告文档，供用户交流。

Claims (8)

1、一种专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：它是由地下开采条件下地表沉陷实时预计系统、矿区专用铁路及站场道岔群在开采期内的变形实时预计系统、矿区专用铁路变形智能化预计及治理专家系统和专用铁路及站场道岔群沉陷安全运输保障技术组成，矿区专用铁路路基是随着地表下沉而下沉，铁路线路上部建筑物是紧贴着路基下沉的，线路轨面的下沉与地表的下沉基本上是一致的，而且是连续渐变的，故地表下沉和铁路及站场道岔群下沉的变形预计方法是相同的；铁路及站场道岔群变形预计与治理专家系统(RES)是基于地表预计系统和铁路及站场道岔群变形预计系统，通过建立知识数据库，提出铁路及站场道岔群变形规律及治理措施，建立特厚矿层综放开采时铁路变形预计及治理专家系统，根据预计的铁路线路或道岔的变形特点及规律，利用铁路治理措施知识库进行治理技术报告文档的智能化预生成，为综放面上铁路变形预计及治理提供技术决策；铁路及站场道岔群的变形治理及安全运输技术是结合RES专家系统，提出在特厚矿层综放开采条件下铁路及站场道岔群的变形维护技术与安全保障措施，可有效的解决综放开采条件下采矿工作面所影响的铁路及站场咽喉区的预计、维护及治理问题，保障行车安全；上述各系统之间均有系统接口相连接，建立起人机交互的实用性强的专用铁路道岔群下开采沉陷智能预计与治理专家系统。

2、根据权利要求1所述的专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：地下开采条件下地表沉陷实时预计系统在初始化时将地表预计所需要的相关基础参数：如开采工作面基本参数、地表预计范围数据、开采工作面角点坐标、地表预计特殊点数据、工作面拐点偏移距和下沉预计原始参数送入系统，然后系统根据所建立的开采沉陷模型和概率积分法的算法原则，进行地表下沉参数，如下沉量、下沉速度、纵向水平变形、纵向水平位移、纵向倾斜曲线、纵向曲率、横行水平变形、横向水平位移、横向倾斜曲线、横向曲率的动态和稳态预计；预计结果提供对每一种数据的曲线输出和数据报表等模式，完成预计后的下沉等值线、剖面曲线和各种预测参数曲线等的绘制。

3、根据权利要求1所述的专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：铁路变形预计系统涉及到的对象是受到开采影响的地表以及相关建筑物、专用铁路线路、铁路站场和站场道岔，不同对象需要设计不同的预测参数：

(1)铁路线路预计主要根据有关基础参数：如开采工作面基本参数、线路基本参数、开采工作面坐标、线路上观测点数据、工作面拐点偏移距和下沉预计原始参数进行动态和稳态参数预计，同时对预计结果进行规整，为线路治理提供相关的数据信息；

(2)专用铁路站场预计提供的参数包括除开采工作面的基本参数、角度坐标和拐点偏移距外，它还包括站场基本数据，站场设置观测点数据和下沉预计原始参数等数据信息，系统对站场所有设施的位置进行下沉数据的动态和稳态预计，同时提供各种数据报表和绘图功能；

(3)道岔作为一个整体设备，其预计提供的参数除开采工作面基本参数、角点坐标和拐点偏移距外，还需要提供道岔前端基本轨接头处线路中心点、道岔理论中心点、道岔跟端直股线路中心点、辙叉理论尖端点、道岔跟端曲股线路中心点和下沉预计原始参数等数据信息，系统对道岔进行下沉参数动态和稳态预计，给出各种数据预计结果，能保证道岔正常使用。

4、根据权利要求1、3所述的专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：矿区专用铁路线路及站场道岔群在开采期内的变形实时预计系统，提出了特厚矿层开采综放工作面与铁路线路的空间位置关系布置的三种模式，研究综放工作面对铁路线路及站场道岔群的影响，建立了三种模式下的铁路及站场道岔群沉陷实时预计系统，揭示了不同模式下的铁路及站场道岔群变形规律，通过对预计结果分析，提出综放工作面与铁路线路空间位置关系的布置模式，主要有如下三类：

(1)垂直布置：综放工作面与铁路线路在空间上垂直布置，当铁路线路方向与综放工作面推进方向成75°～90°的夹角时，可视为垂直布置模式；

(2)斜交布置：综放工作面与铁路线路斜交，当铁路方向与综放工作面推进方向成15°～75°的夹角时，可视为斜交布置模式；

(3)平行布置：综放工作面与铁路线路平行布置，当铁路线路方向与综放工作面推进方向成0°～15°的夹角时，可视为平行布置模式；

斜交布置模式中线路的变形较为复杂，其变形是垂直布置模式与平行布置模式的综合，它的变形规律是：垂直方向的变形即下沉首先从靠近综采工作面的一侧开始，随着综采工作面向前推进而向前发展，但下沉的最大值出现在受影响铁路线路的中部；地表水平移动的方向是朝向采空区的，当线路与采区走向斜交时，地表横向移动将使线路的横向变形最终呈“S”形状。

5、根据权利要求1所述的专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：矿区专用铁路变形智能化预计及治理专家系统(RES)，它是以现行规程、规范为依据，以随机介质理论和概率积分法的数学方法为基础，以现代计算机技术为手段的软件系统，它是由矿区基本地质信息库、开采工作面信息库、矿区专用线路信息库，数据库中的数据可自动提取至下沉参数预计系统，经过动态预计和稳态预计模块预计后，并对预计结果进行合理的处理和规整，输出各种数据曲线和数据报表，再根据预计的铁路线路或道岔的变形特点，利用铁路治理措施知识库中各类知识库、信息库、数据库、规程库、模式库等数据提取至专家系统模式识别、知识学习、自动推理和决策支持，最后建立线路和站场综合治理施工组织设计。

6、根据权利要求1所述的专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：铁路及站场(道岔群)变形预计与治理是一项非常复杂的系统工程，它涉及到大量数据信息和安全生产规程，共设计了如下15种数据库、知识库和推理机制模式识别库：

(1)矿区基本地质状况数据库：包括矿区的基本要素、采区的布置情况、工作面布置情况、矿层赋存条件、地形地貌描述、地层岩性描述、地质构造描述、水文地质条件描述、覆盖层描述等；

(2)矿区线路基本数据库；包括线路的基本布置情况和工作面的布置关系、线路的型号规格、线路的组织情况、材质、变形参数等；

(3)线路列车运行状况历史数据库；包括日通过列车对数、线路运输能力、机车型号、机车重量、车辆的基本信息等；

(4)站场的基本参数数据库：包括站场的布置位置、涉及到的道岔的布置情况，道岔的型号、分布状况等；

(5)线路综合治理措施知识库：包括起道、拨道的基本要求、路基沉陷情况、顺坡处理、竖曲线处理、线路纵断面调整、线路圆顺、轨缝调整、矸石填注、沉陷疏干排水等；

(6)道岔综合治理措施知识库：包括巡查制度、尖轨灾害处理、整体病害的整治维修措施、转辙器病害处理、尖轨与基本轨不密贴或较长距离不密贴、尖轨跳动、尖轨扎伤与侧面磨耗、尖轨中部轨距小、尖轨拐弯、尖轨搬动不灵、尖轨和滑床板不密贴、尖轨动程过小、三道缝、曲线轨距扩大、导曲线钢轨侧面磨耗、导曲线不圆顺、连接部分钢轨不等高、岔枕间隔不合规定、支距垫板离缝、辙叉垂直磨耗与压溃、辙叉偏磨、固定型钝角辙叉撞尖、辙叉轨距不符合标准等；

(7)线路施工组织设计模式库：包括三种基本布置模式以及相关的技术处理工作，如曲线圆顺度的保证、反超高现象的杜绝、掉道事故的避免、线路的起道、线路的拔道操作以及相关的规定；

(8)道岔施工组织设计模式库：包括道岔综合维修的基本作业：如道岔的起道、捣固、拔道、改道，零部件的维修作业：如滑床板、尖轨和夹板、轨撑、钢轨接头错牙等，防爬设备的安装，道岔整理的基本作业：如整理夯实道床、刷新或喷写各部技术尺寸、整理外观等；

(9)已用施工组织设计模式库：针对不同的线路地段、不同的变形模式、不同的病害，采取过的各种施工组织设计，为新的施工组织设计提供参考；

(10)动态数据监测数据库：各种需要动态监测的数据，如下沉量、下沉速度、纵向水平变形、纵向水平位移、纵向倾斜、纵向曲率、横向水平变形曲线、横向水平位移曲线、横向倾斜曲线、横向曲率等；

(11)国有铁路基本规程库：行车组织、道路维修以及日常安全管理；

(12)矿区专用铁路基本规程库：矿区专用铁路行车组织、道路维修以及日常安全管理；

(13)线路各种病害推理机制知识库：主要解决根据不同的病害，指出不同的产生原因，并给出不同的整改措施；

(14)道岔各种病害推理机制知识库：主要解决根据不同的病害，指出不同的产生原因，并给出不同的整改措施；

(15)矿区安全生产规程库：主要包括采区布置、工作面布置以及其它日常管理等。

7、根据权利要求1所述的专用铁道道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：专用线路及站场沉陷变形的治理维修技术，包括线路和站场(道岔群)两部分：

(1)线路维修业务：线路基本信息库数据提取至平行、斜交和垂直三种布置模式预测点选取，建立预测结果信息库，如下沉量、下沉速度、横向水平移动、纵向水平移动、横向水平位移、纵向水平位移、纵向倾斜、横向倾斜、纵向曲率、横向曲率，掌握变形特点(垂直方向、横向水平方向、纵向水平方向)，从线路综合治理措施知识库中进行知识提取和线路施工组织设计模式库中的模式选择，从线路中曲线维修措施知识库的含有曲线和已用施工组织设计库的经验参考以及线路列车运行信息库、矿区专用线路基本信息库、专用铁路基本规程库、国有铁路基本规程库、动态数据监测信息库的数据仓库支持，提出线路维修治理施工组织设计技术报告，包括损伤部件更换、顺坡、起道、圆顺、轨缝调整、路基维护等；

(2)站场道岔群的维修业务：铁路站场(道岔群)基本信息库数据提取至道岔、连接部分、辙叉和护轨预测点选取(道岔前端基本轨接头处线路中心点、道岔理论中心点、道岔跟端直股线路中心点、辙叉理论尖端点、道岔跟端曲股线路中心点)建立预测结果信息库，如下沉量、下沉速度，横向水平移动、纵向水平移动、横向水平位移、纵向水平位移、纵向倾斜、横向倾斜、纵向曲率、横向曲率等，掌握变形特点如垂直方向，横向水平方向、纵向水平方向，从道岔综合治理措施知识库进行知识提取和道岔施工组织设计模式库模式选择，进行系统决策，人机交互的知识学习和已用施工组织设计库的经验参考以及线路列车运行信息库、矿区专用铁路线路基本信息库、专用铁路基本规程库、国有铁路基本规程库、动态数据监测信息库的数据仓库支持，提出道岔维修治理施工组织设计技术报告，包括损伤部件更换、道岔方向不良、爬行、零件松动、尖轨跳动、尖轨扎伤。

8、根据权利要求1所述的专用铁路道岔群下开采沉陷预计与治理专家系统，其特征在于：专用铁路开采沉陷预计及治理安全运输技术的实施具体步骤如下：

第一步，进行各类基本参数的录入和知识库的建立：主要包括工作面基本参数、工作面拐点偏移距，工作面角点坐标，预测点基本参数以及道岔基本参数等录入；

第二步，进行铁路线路下沉参数的智能预计，需要指定影响铁路的工作面名称、自动预测的开始时间、终止时间、预测的类型(动态/稳态)，预测的时间间隔等信息，系统会自动在相应的位置获得数据，并进行自动预计，建立并产生一个自动预测结果的数据库；

第三步，根据自动预测的结果，进行数据库的整理和分类，形成了自动预测的动态曲线数据、极值曲线数据、极值报表数据、算量数据；

第四步，根据整理的数据进行线路治理工程量的计算；

第五步，进行线路治理的数据准备完毕，可以进行线路治理的智能化处理，产生报告文档，供用户交流。

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