高速鐵路無砟軌道精調(diào)算法軟件探討

孫德安,岑敏儀,李陽騰龍,伍從靜,任利敏

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院, 貴陽 550002； 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院測量工程系, 成都 610031； 3.黃河交通學(xué)院交通工程學(xué)院,河南焦作 454150 )

高速鐵路無砟軌道精調(diào)算法軟件探討

孫德安1,岑敏儀2,李陽騰龍2,伍從靜1,任利敏3

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院, 貴陽 550002； 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院測量工程系, 成都 610031； 3.黃河交通學(xué)院交通工程學(xué)院,河南焦作 454150 )

目前高鐵無砟軌道的調(diào)軌方案是借助軌道幾何狀態(tài)測量儀隨機(jī)調(diào)軌軟件,通過人工操作得出。這樣費(fèi)工費(fèi)時(shí),給工程實(shí)際應(yīng)用帶來諸多不便。為了能夠快速計(jì)算出符合工程實(shí)際需要的調(diào)整結(jié)果,依據(jù)人工調(diào)軌的思路,編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)軌算法。對比某專業(yè)長軌精調(diào)軟件與新研發(fā)的無砟軌道精調(diào)軟件,對同一段無砟軌道實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道精調(diào),分別統(tǒng)計(jì)兩種方法獲得的調(diào)軌方案各項(xiàng)平順性指標(biāo)合格率、調(diào)整量和計(jì)算時(shí)間,結(jié)果表明：(1)兩種方案均能滿足工程實(shí)際要求,且新研發(fā)的精調(diào)軟件得到的調(diào)整量要小于某專業(yè)長軌精調(diào)軟件得到的調(diào)整量；(2)對于不同方法得到的調(diào)軌方案的效率,某專業(yè)長軌精調(diào)軟件調(diào)整需要幾個(gè)小時(shí),而新研發(fā)的軟件調(diào)整只需要幾分鐘,新算法顯著地縮短了精調(diào)方案的獲取時(shí)間,提高了工效。

高速鐵路；軌道精調(diào)；算法軟件；無砟軌道

高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)主要是無砟軌道，要適應(yīng)列車高速度、高密度、安全性和舒適性的特點(diǎn)[1-2]，就要求高速鐵路無砟軌道具有高平順性、高穩(wěn)定性以及方便養(yǎng)護(hù)維修等特點(diǎn)[3]。而無砟軌道精調(diào)的質(zhì)量決定了高速鐵路列車行駛的平順性、穩(wěn)定性和安全性[4]，是保證軌道高平順性的關(guān)鍵[5-6]，也是鐵路修建中重要的環(huán)節(jié)之一[7]。軌道精調(diào)一般是根據(jù)軌道測量系統(tǒng)外業(yè)采集到的軌道測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行內(nèi)業(yè)調(diào)整并得到調(diào)整方案，再根據(jù)此方案對軌道扣件系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)整，使軌道精度達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)時(shí)速的行車條件[8]。在我國客運(yùn)專線無砟軌道精調(diào)過程中，軌道靜態(tài)平順性控制指標(biāo)有高低、軌向、超高和軌距等[9-11]。目前高鐵無砟軌道的調(diào)軌方案是借助軌道幾何狀態(tài)測量儀隨機(jī)調(diào)軌軟件，通過人工手動(dòng)調(diào)整得出。所獲得的調(diào)整方案不僅受調(diào)整人員經(jīng)驗(yàn)和水平的影響，而且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，給工程實(shí)際應(yīng)用帶來許多不便。因此也吸引了不少學(xué)者和工程技術(shù)人員開展自動(dòng)化調(diào)軌算法的研究，但尚未見成熟算法和軟件廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的成果報(bào)道。

因此，如何在滿足軌道平順性的條件下快速給出符合工程實(shí)際需求的調(diào)整方案是目前急需解決的問題。

1 調(diào)整算法流程

軌道精調(diào)包含兩股鋼軌的高程和平面調(diào)整。

1.1 高程調(diào)整

根據(jù)“先高低后超高(水平)”的高程調(diào)整原則，高程的調(diào)整順序?yàn)橄日{(diào)基準(zhǔn)軌的高低，再調(diào)非基準(zhǔn)軌的超高[12]。

1.1.1 基準(zhǔn)軌調(diào)整

基準(zhǔn)軌的調(diào)整包括30 m弦和300 m弦的高低調(diào)整。由于30 m弦高低和300 m弦高低的調(diào)整方法類似，故以30 m弦高低調(diào)整為例進(jìn)行說明[13]。假設(shè)共檢測了n根軌枕，令i=n-8，30 m弦高低調(diào)整的算法流程如圖1所示。

圖1 30 m弦高低調(diào)整的算法流程

1.1.2 非基準(zhǔn)軌調(diào)整

非基準(zhǔn)軌的調(diào)整即為超高的調(diào)整。令i=1，超高調(diào)整的算法流程如圖2所示。

圖2 超高調(diào)整算法流程

1.2 平面調(diào)整

根據(jù)“先軌向后軌距”的平面調(diào)整原則，平面的調(diào)整順序?yàn)橄日{(diào)導(dǎo)向軌的軌向，再調(diào)非導(dǎo)向軌的軌距[12]。

1.2.1 導(dǎo)向軌調(diào)整

導(dǎo)向軌的調(diào)整包括30 m弦和300 m弦的軌向調(diào)整。由于軌向調(diào)整和高低調(diào)整類似，受篇幅所限，只給出30 m弦軌向調(diào)整的算法流程，如圖3所示。圖中，yd限差表示30 m弦軌向的限差值；pi表示第i根軌枕的平面偏差值；‘+’和‘-’分別表示軌道平面位置向左調(diào)整和向右調(diào)整。

圖3 30 m弦軌向調(diào)整的算法流程

1.2.2 非導(dǎo)向軌調(diào)整

非導(dǎo)向軌的調(diào)整即為軌距的調(diào)整，其調(diào)整與超高的調(diào)整類似，現(xiàn)直接給出調(diào)整算法流程，具體如圖4所示。

圖4 軌距調(diào)整算法流程

圖4中，r限差表示軌距的限差值。

2 實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及分析

2.1 合格率統(tǒng)計(jì)及分析

為了驗(yàn)證新算法的調(diào)整結(jié)果是否能夠滿足工程實(shí)際需求，對(Fine Adjustment of High-speed Ballastless Track Software， FATS)軟件和某專業(yè)長軌精調(diào)軟件調(diào)整后的各項(xiàng)平順性指標(biāo)進(jìn)行合格率統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為某段無砟軌道約4 km的軌道實(shí)測數(shù)據(jù)，分別使用新調(diào)軌軟件FATS和某專業(yè)長軌精調(diào)軟件對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道精調(diào)。對上述2個(gè)軟件調(diào)整前后平順性指標(biāo)的合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果見表1。表中，各項(xiàng)平順性指標(biāo)限差為實(shí)際工程中無砟軌道精調(diào)指標(biāo)允許限差。

表1 調(diào)整結(jié)果合格率統(tǒng)計(jì)

從表1可看出，經(jīng)FATS軟件和某專業(yè)長軌精調(diào)軟件調(diào)整后的各項(xiàng)平順性指標(biāo)在限差范圍內(nèi)的合格率均為100%，表明FATS軟件同某專業(yè)長軌精調(diào)軟件一樣， 其調(diào)整結(jié)果能夠滿足工程實(shí)際需求。

2.2 調(diào)整量統(tǒng)計(jì)及分析

為了驗(yàn)證新算法所得調(diào)整方案的調(diào)整效果，對上述實(shí)驗(yàn)兩個(gè)軟件調(diào)整后得到的高程和平面調(diào)整量進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)分析，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果以調(diào)整量為橫軸、調(diào)整量對應(yīng)的調(diào)整個(gè)數(shù)為縱軸繪制成曲線圖。具體如圖5和圖6所示。

圖5 高程調(diào)整量趨勢

圖6 平面調(diào)整量趨勢

圖5中，F(xiàn)ATS軟件調(diào)整得到的高程調(diào)整量全部集中在-3～3 mm。其中，調(diào)整量為-0.5 mm的軌枕有1 318根，占總調(diào)整個(gè)數(shù)的32.22%，而某專業(yè)長軌精調(diào)軟件調(diào)整得到的高程調(diào)整量全部集中在-3～9 mm，調(diào)整量為5 mm的軌枕有1 045根，占總調(diào)整個(gè)數(shù)的11.70%。FATS軟件和某長軌精調(diào)軟件調(diào)整所得到的高程總調(diào)整量分別為3 110.5 mm和36 073 mm。FATS軟件相對于某專業(yè)長軌精調(diào)軟件，其高程總調(diào)整量減小了91.38%(T=(G-F)/G，T為減小百分比，G為某專業(yè)長軌精調(diào)軟件總調(diào)整量，F(xiàn)為FATS軟件總調(diào)整量)。圖6中，F(xiàn)ATS軟件調(diào)整得到的平面調(diào)整量99.90%集中在-6～6 mm。其中，調(diào)整量為0.5 mm的軌枕有863根，占總調(diào)整個(gè)數(shù)的14.02%，而某專業(yè)長軌精調(diào)軟件調(diào)整得到的平面調(diào)整量99.70%集中在-6～6 mm。其中，調(diào)整量為-0.5 mm的軌枕有1 047根，占總調(diào)整量的12.55%。FATS軟件和某專業(yè)長軌精調(diào)軟件調(diào)整所得到的平面總調(diào)整量分別為11 485.5 mm和1 7301.5 mm。說明FATS軟件相對于某專業(yè)長軌精調(diào)軟件，其平面總調(diào)整量減小了33.62%。

通過對比高程和平面調(diào)整結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相對于某專業(yè)長軌精調(diào)軟件，新算法所得調(diào)整方案的調(diào)整效果更優(yōu)。

2.3 調(diào)整時(shí)間統(tǒng)計(jì)及分析

為了驗(yàn)證新算法的調(diào)整效率，對FATS軟件和某專業(yè)長軌精調(diào)軟件的調(diào)整時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分別采用無砟軌道Ⅰ約1.6 km和無砟軌道Ⅱ約4 km的軌道實(shí)測數(shù)據(jù)，分別使用FATS軟件和某專業(yè)長軌精調(diào)軟件對兩段實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道精調(diào)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果見表2。

表2 調(diào)整時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從表2可知，新算法顯著地縮短了軌道精調(diào)的時(shí)間，且FATS軟件調(diào)整Ⅰ和Ⅱ段無砟軌道的調(diào)整效率分別為0.40 km/min和0.57 km/min(f=s/t，f為調(diào)整效率，s為線路距離，t為調(diào)整時(shí)間)，某專業(yè)長軌精調(diào)軟件調(diào)整Ⅰ和Ⅱ段無砟軌道的調(diào)整效率均為0.4 km/h。說明調(diào)整線路越長，新算法的調(diào)整效率越高。

3 結(jié)語

針對高鐵無砟軌道的精調(diào)，人工手動(dòng)調(diào)整不僅受操作人員經(jīng)驗(yàn)和水平的影響，而且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，給工程實(shí)際應(yīng)用帶來諸多不便；且尚未有成熟自動(dòng)化調(diào)軌算法及軟件廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的報(bào)道。為了能夠快速計(jì)算出符合工程實(shí)際需要的調(diào)整結(jié)果，依據(jù)人工調(diào)軌的思路，編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)軌算法。并通過以上實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及分析，得到以下結(jié)論：

(1)新算法調(diào)整后的軌道平順性不僅能夠完全滿足規(guī)范要求，同時(shí)也能滿足工程的實(shí)際需要；

(2)新算法得到的軌道精調(diào)方案不受人為因素的影響，相對某專業(yè)長軌精調(diào)軟件而言，其調(diào)整量更優(yōu)；

(3)新算法顯著地縮短了無砟軌道精調(diào)的時(shí)間，提高了精調(diào)的效率，且調(diào)整線路越長，調(diào)整效率越高。

新算法為無砟軌道精調(diào)工作帶來了極大的便利。

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An Approach to Algorithm Software of Fine Adjustment for Ballastless Track of High-speed Railway

SUN De-an1, CEN Min-yi2, LI YANG teng-long2, WU Cong-jing1, REN Li-min3

(1. Guizhou Survey & Design Research Institute for Water Resources and Hydropower, Guizhou Guiyang 550002, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Traffic Engineering College, Huanghe Jiaotong University, Jiaozuo 611756, China)

Nowadays, the adjustment of ballastless track of high-speed railway is conducted by hand with the help of adjustment software fitted in the track geometry measuring instrument, which is time-consuming and inefficient. In order to calculate quickly the value of adjustment to meet the requirements of practical project, program is made to fulfill automatic adjustment algorithm based on the concept of hand adjustment. Then, the track fine adjustment software for long rail track and the newly developed fine adjustment software for ballastless track are compared and used for fine adjustment on the same ballastless track and the quantification rate of every smoothness index, the amount of adjustment and the adjusted time of two adjustment methods are counted. The results show that (1) the two projects can all meet the requirements of practical engineering, and the amount of adjustment given by the newly developed software is less than that given by long rail track fine adjustment software; (2) for the efficiencies of the two ways of fine adjustment, the one for long rail track has to take a few hours to provide the adjusted amount and the new one takes only a few minutes. So the new algorithm reduces markedly the adjustment time with great efficiency.

High-speed railway; Fine adjustment of track; Algorithm software; Ballastless track

1004-2954(2018)01-0074-04

2017-03-14；

2017-04-11

孫德安(1989—)，男，湖南漢壽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榫芄こ虦y量數(shù)據(jù)處理，E-mail：18482191419@163.com。

U238；U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703140007