高速鐵路軌道精測精調(diào)及其平順性優(yōu)化研究

李陽騰龍

1. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059； 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756

隨著無砟軌道的大量使用，列車運(yùn)行時速提高，運(yùn)載量增加，輕小型、智能型多傳感器軌道檢測設(shè)備已替代傳統(tǒng)手工檢測方式，成為高速鐵路軌道施工和運(yùn)營維護(hù)中軌道靜態(tài)檢測不可或缺的計(jì)量工具，特別是具有高精度靜態(tài)三維離散測量模式的軌道幾何參數(shù)檢測技術(shù)和設(shè)備，已被廣泛地應(yīng)用于軌道平順狀態(tài)的檢測和調(diào)整。但是，無論是國外引進(jìn)還是國內(nèi)生產(chǎn)的軌道檢測設(shè)備，其配套使用的數(shù)據(jù)處理模型和方法尚未完全公開。為確保并提高上道計(jì)量工具檢測的精確度，需建立標(biāo)準(zhǔn)軌道檢驗(yàn)場進(jìn)行檢驗(yàn)分析。為保障軌道檢驗(yàn)場中檢測方法的精確度，參考離散測量模式中具有毫米級精度“?！摺狈绞降淖鴺?biāo)測量檢測技術(shù)，必須得到高精度軌道點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如坐標(biāo)高程)，并由此獲取軌道外部幾何參數(shù)(橫、垂向偏差)，再檢測軌道中、長波不平順。精確的軌道靜態(tài)檢測成果是指導(dǎo)軌道精調(diào)的重要依據(jù)。只有在精密檢測成果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化軌道調(diào)整模型和算法，才能最終實(shí)現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)的高平順性。為此，論文主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：

(1) 對于采用極坐標(biāo)測量原理的軌道測量模式中檢測點(diǎn)僅采用測站平差的處理方式，提出了中線樁和軌距傳感器多源數(shù)據(jù)融合修正方法。該方法相對于僅作測站平差的結(jié)果，精度得到明顯提高；針對多測站軌道點(diǎn)測量數(shù)據(jù)搭接處理方法的不足，根據(jù)無砟軌道分段測量模式特點(diǎn)，提出了顧及重疊區(qū)和非重疊區(qū)軌道點(diǎn)測量誤差特性的高速鐵路軌道分段測量數(shù)據(jù)平順連接(RPSMD)方法。通過標(biāo)準(zhǔn)軌道檢驗(yàn)場檢驗(yàn)，證實(shí)RPSMD方法更合理考慮了非重疊區(qū)軌道點(diǎn)的調(diào)整，調(diào)整后軌道點(diǎn)精度顯著提高，且提高幅度為現(xiàn)有軌道幾何狀態(tài)測量儀等采用的數(shù)據(jù)處理方法的2.68倍。

(2) 研究了軌道中長波不平順檢測和調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)(橫、垂向偏差)快速高精度求解算法。根據(jù)高速鐵路軌道檢測點(diǎn)密、量大、精度要求高等特點(diǎn)，研究了不同原理表述實(shí)測與設(shè)計(jì)點(diǎn)條件關(guān)系下的線型區(qū)間模型異同性，建立了完整線型模型求解任意點(diǎn)偏差和里程的距離函數(shù)算法(DFA)及法切線垂直算法(NPTA)，給出不同積分區(qū)間等分?jǐn)?shù)M值的縱向偏差算法(LDACS)。驗(yàn)證了DFA和NPTA計(jì)算圓曲線段結(jié)果等價；討論了DFA、NPTA及不同M值的LDACS的特性、相互間的精度和效率差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，DFA、NPTA和LDACS(M≥5)計(jì)算精度和效率均能夠滿足無砟軌道施工和運(yùn)營維護(hù)要求，且能應(yīng)用于軌道精密檢測和靜態(tài)檢測設(shè)備中。

(3) 研究了矢距差法模型、與之等價的偏差模型、演化的簡易模型之間的關(guān)聯(lián)性與異同性。實(shí)測數(shù)據(jù)試驗(yàn)顯示按某進(jìn)口軌道檢測設(shè)備的方案調(diào)整軌道，中、長波平順指標(biāo)超限率達(dá)18.9%。針對簡易模型與偏差模型之間的差異，以及矢距差法模型計(jì)算結(jié)果隨機(jī)、受端點(diǎn)位置影響的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究能對任意位置軌向、高低進(jìn)行全面檢測并可直接參與軌道調(diào)整的質(zhì)量控制嚴(yán)密算法，提出高密度四點(diǎn)偏差約束的軌向高低控制模型(高四模型)。實(shí)測結(jié)果表明，高四模型不僅能夠使任意位置中長波軌向高低滿足檢驗(yàn)要求，而且能獲得最優(yōu)扣件調(diào)整量。

(4) 長鋼軌應(yīng)力放散鎖定后的精調(diào)是確保無砟軌道幾何形位高平順性的必要階段。為解決現(xiàn)有軌道模擬調(diào)整中受技術(shù)人員水平、主觀因素影響和調(diào)整原則等因素所導(dǎo)致的自動化程度低(即反復(fù)重調(diào)方案)、方案質(zhì)量參差不齊、調(diào)整量大、非基準(zhǔn)軌不平順較基準(zhǔn)軌低等問題，研究了多約束條件的軌道自動化精調(diào)模型及優(yōu)化算法。提出利用L1范數(shù)最優(yōu)原則進(jìn)行雙軌精調(diào)的優(yōu)化算法(OADTFA)，建立顧及基準(zhǔn)弦端點(diǎn)偏差的平順性約束模型，增加非基準(zhǔn)軌軌向、高低約束，采用逐點(diǎn)移動最長基準(zhǔn)弦分組調(diào)整和端點(diǎn)固定約束策略，由單純形法求解實(shí)測數(shù)據(jù)的優(yōu)化調(diào)整量。實(shí)測結(jié)果表明，OADTFA可實(shí)現(xiàn)鋼軌自動化精調(diào)，確保雙軌任意處幾何形位高平順性，自動給出最優(yōu)左右軌調(diào)整量。

(5) 針對實(shí)際軌道扣件剩余可調(diào)范圍不準(zhǔn)確，可能面臨調(diào)整量超出扣件可調(diào)范圍的困境，提出建立“扣件類型—調(diào)整量—剩余可調(diào)量”(FAR)軌調(diào)體系，并增加軌道扣件(剩余)可調(diào)量約束與相鄰點(diǎn)偏差較差約束。實(shí)測結(jié)果表明，F(xiàn)AR軌調(diào)體系采用扣件(剩余)可調(diào)量約束參與軌道平順性控制，解決了調(diào)整方案受扣件限制難以實(shí)現(xiàn)的缺陷；相鄰點(diǎn)偏差較差約束可有效彌補(bǔ)扣件可調(diào)量約束引起的軌道短波不平順，進(jìn)一步提高調(diào)整后軌道的平順性。