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原文传递高速铁路轨道精测精调及其平顺性优化研究

论文题名：	高速铁路轨道精测精调及其平顺性优化研究
关键词：	高速铁路;无砟轨道;状态检测;精调作业;平顺性
摘要：	为使客运专线列车快速、平稳和安全行驶，高速铁路设计标准对轨道的平顺性提出了苛刻的要求。依靠精密的检测技术和方法对轨道几何状态进行检测，以及准确的轨道精调技术对轨道不平顺进行调整，是有效控制轨道高平顺状态的主要手段。随着无砟轨道的大量使用，列车运行时速的提高，运载量的增加等，轻小型、智能型的多传感器轨道检测设备已替代传统手工检测方式，成为高速铁路轨道施工和运营维护中轨道静态检测不可或缺的计量工具，特别是具有高精度静态三维离散测量模式的轨道几何参数检测技术和检测设备，已被广泛应用于轨道平顺状态的检测和调整。但是，无论是国外引进的还是国内生产的轨道检测设备，其配套使用的数据处理方法和模型尚未完全公开。为确保上道检测轨道计量工具检测的精确度，需要建立标准轨道检验场进行检验和分析。为保障轨道检验场中检测方法的精确度，参考离散测量模式中“停—走”方式(stop-and-go mode)的轨道检测技术，将轨道几何状态数据的采集、处理和评价分为三个阶段:分段轨道点坐标高程的计算与搭接，轨道点的横、垂向偏差推算，以及轨道中、长波不平顺检测。对于采用极坐标测量原理的轨道测量模式中，轨道检测点仅采用测站平差的处理方式，提出采用中线桩和轨距尺数据的联合修正方法;对于多测站轨道点测量数据搭接处理方法存在的不足，根据高速铁路无砟轨道每隔50～70m分段测量模式的特点，提出顾及重叠区和非重叠区轨道点测量误差特性的高速铁路轨道分段测量数据平顺连接(Regularity for Processing Sectional Measurement Data，RPSMD)方法。多测站轨道点坐标高程计算与搭接处理后，对轨道中、长波不平顺检测和调整的关键参数，即外部几何参数的横、垂向偏差进行求解，研究算法效率和计算精度均能够满足无砟轨道施工和运营维护要求，且能应用于轨道精密检测和轨道静态检测设备的偏差算法。根据高速铁路轨道检测点密、量大、精度要求高的特点，采用纵向偏差算法(Lateral Deviation Algorithm of Composite Simpson，LDACS)、距离函数算法(Distance Function Model Algorithm，DFA)和法切线垂直算法(Normal Perpendicular to Tangent Model Algorithm，NPTA)计算线路横向偏差和里程，完善DFA和NPTA并验证它们计算圆曲线段的结果等价;讨论DFA、NPTA以及不同积分区间等分数M值的LDACS算法的计算精度和效率。为保障高速铁路列车的行驶安全与旅客的舒适性，高速铁路在普速铁路轨道10m弦评价的基础上增加了30m弦和300m弦的中波和长波平顺性指标，并通过矢距差法模型进行检测。实测数据试验结果显示按某进口轨道检测设备的方案调整轨道，中、长波平顺指标超限率达18.9％。为此，提出高密度四点偏差约束的轨向高低控制模型（高四模型），以提高矢距差法模型的检测精度。　　准确可靠的轨道静态检测成果是指导轨道精调的重要依据。长钢轨应力放散锁定后的轨道精调是确保客运专线无砟轨道几何形位高平顺性的必要阶段。精调作业主要通过轨道几何状态测量仪采集轨道三维数据，利用配套精调软件包手动模拟得出调整方案，指导轨道精调。现有轨道模拟精调需人工反复、多次调整才能使基准轨平顺性达到规定要求，自动化程度低。此外，在基准轨平顺性满足要求后，仅依靠轨距、轨距变化率、水平和扭曲等参数控制非基准轨，会降低非基准轨平顺性。为此，提出利用L1范数最优原则进行双轨精调的优化算法(Optimization Algorithm of Double-rails Track Fine Adjustment，OADTFA)，建立顾及基准弦端点偏差的平顺性约束，增加非基准轨轨向、高低约束，采用逐点移动基准弦的分组调整策略，由单纯形法求解实测数据的优化调整量。针对实际轨道扣件剩余可调范围不准确，可能面临调整量超出扣件可调范围的困境，提出建立“扣件类型—调整量—剩余可调量”(Fastener type—Adjusted values—Remaining allowed adjustable values，FAR)轨调体系，并增加轨道扣件（剩余）可调量的约束条件与相邻点偏差较差约束。　　通过多条高速铁路无砟轨道的仿真与实测数据检验，研究实验结果表明: 　　(1)采用极坐标测量原理的轨道测量模式，轨道检测点在测站平差后采用中线桩和轨距尺联合修正，获得的坐标和高程精度相对于仅作测站平差的结果得到明显提高。　　(2)顾及重叠区和非重叠区轨道点测量误差特性的高速铁路轨道分段测量数据平顺连接(RPSMD)方法更合理地考虑了非重叠区轨道点的调整，调整后不仅使重叠区轨道点的精度得到提高，而且还能使非重叠区轨道点精度显著提高，且提高幅度为现有轨道几何状态测量仪等采用的数据处理方法的2.68倍。　　(3)DFA、NPTA和LDACS(M≥5)算法的计算结果均能满足高速铁路轨道精密检测的精度要求;三种算法的计算效率均较高，DFA和NPTA效率基本一致，略高于LDACS算法;线路缓和曲线越长，DFA和NPTA算法效率的计算精度越低;线路半径越大，LDACS算法计算精度越高。　　(4)高密度四点偏差约束的轨向高低控制模型（高四模型）不仅能够使任意位置中长波轨向高低满足检验要求，而且能获得最优扣件调整量。　　(5)双轨精调的优化算法OADTFA可实现钢轨自动化精调，确保双轨任意处几何形位高平顺性，自动给出最优左右轨调整量。　　(6)建立“扣件类型—调整量—剩余可调量”(FAR)轨调体系，采用轨道扣件（剩余）可调量约束参与轨道平顺性控制，解决了调整方案受扣件限制难以实现的缺陷;相邻点偏差较差约束条件可有效弥补扣件可调量约束引起的轨道短波不平顺，进一步提高调整后轨道的平顺性。
作者：	李阳腾龙
专业：	大地测量学与测量工程
导师：	岑敏仪
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文