铁路既有线纵断面线形分段的优化算法

纵断面线形分段是既有线复测计算中的关键环节之一。目前的分段方法大多是依据测点正矢或曲率图像人工识别分段点,易出错,精度低。针对人工方法的不足,本文提出了一种将正矢和最小二乘原理相结合的分段算法:先计算测点正矢,通过测点正矢确定属于同一线形的部分测点,利用已确定所属线形的测点,采用最小二乘算法拟合出相应的线形参数,再通过迭代计算得到分段点的里程。计算实例表明:这种方法易于编程实现,能提高纵断面线形分段点精度,对铁路既有线整正计算软件的研制具有一定的参考价值。     

基于近似曲率的铁路既有线纵断面分段算法

纵断面线形的精确分段是后续铁路线路优化调整的基础。针对现有方法自动分段效果差且精度低的缺点,研究一种能够实现线形精确自动分段的算法。首先,在对比各种方法的基础上,提出一种基于测点近似曲率的线形自动分段算法,针对铁路竖曲线弧径比过小易导致的拟合病态问题,采用基于半径确定的最小二乘算法进行圆心精确定位,以提高分段点的精度。经实测数据验证该算法能自动化识别特征点位置,且具有更高的精度。     

“无人机+激光雷达”在集通线复测中的应用

传统既有线复测主要采用上线作业方式,利用水准测量或GNSS-RTK技术进行中平和平面测绘,效率较低且存在安全隐患。针对集宁至通辽铁路(集通线)复测任务,提出一种基于"无人机+激光雷达"的铁路既有线测量方法,通过低航高的激光雷达获取高密度既有线点云,经轨迹解算、航带平差、坐标转换后,再采用特殊地面控制标靶对其进行点云精度改化,最终获取了既有线三维中线坐标。为验证精度,选取10 km的既有线点云数据与实测点进行对比,结果显示,该方法获取的三维中线坐标的平面、高程精度分别达到3 cm和3.4 cm,可以满足一般既有线复测的需要。     

数字轨道地图平面线形特征提取方法研究

数字轨道地图是卫星定位技术应用到铁路运输行业的基础,根据铁路线路设计时三种平面线形——直线、缓和曲线和圆曲线的不同特征,采用基于方位角的曲率方法进行平面线形的初步识别,再以横向误差为约束条件迭代确定满足要求的线形分段,进而采用整体最小二乘的方法对三种线形进行拟合,实现数字轨道地图的平面线形特征提取。青藏线实测数据结果表明,该算法是可行且有效的,不仅能识别拟合线路的平面线形,用少数关键点和相关参数就能表达出整体的几何特征;而且拟合后线路的横向误差和纵向累积误差都较小,满足高精度应用的要求。     

基于点线一致的既有铁路线路纵断面自动重构方法

既有铁路经过长期运营,纵断面线形不可避免偏离原设计线位,必须定期重构出调整量最小且满足约束的线位,以保证列车安全运行。纵断面线形由一系列直线和竖曲线线元顺次光滑连接而成,重构关键在于准确识别每个测点归属的线元,并顾及约束进行拟合。本文提出测点归属应与重构线元完全相符的"点线一致"思想,据此构建纵断面自动重构方法。根据二阶差商初步完成测点归属识别,分别拟合对应线元,根据线元范围反向调整测点归属,迭代上述过程直至点线一致,并在迭代中处理各类约束。基于该方法研发的软件已在两千多公里既有线纵断面重构中应用,实例表明该方法可准确识别测点归属,自动生成满足约束、抬落道量显著优于既有方法的重构线形。     

基于点线一致的既有铁路线路平面整体迭代自动重构方法

既有铁路平面线形重构是铁路养护维修与增改建设计的基础,优化的重构线形可以显著减少工程数量和对行车的干扰。现有研究主要采用逐交点优化重构形成整体线形的方法,由于共用夹直线边,后交点重构时势必会破坏已优化重构的前交点或者受限于前交点导致本交点并非最优。对此,提出一种全线整体迭代重构平面线形方法。首先基于既有线测点方位角变化率图,采用阈值动态调整法自动识别交点数量和各测点的初始线元归属(直线、圆曲线和缓和曲线);然后依据测点线元归属分组拟合成对应类型的线元,再依据拟合出的线元范围重新调整测点线元归属;反复迭代上述线元分组拟合-测点归属调整过程,直到所有测点均无需调整,即达到点线一致。在每次拟合过程中应用增广拉格朗日乘子法与Mesh Adaptive Direct Search算法优化交点坐标、曲线半径和缓长,同时处理多种约束。该方法将现有的逐交点重构平面线形拓展到全线整体迭代重构,在前后曲线均达到优化条件下确定公共夹直线边,准确识别全线测点线元归属,最终自动重构出满足各类约束的全线整体优化平面线形。基于该方法开发的既有线增改建选线设计系统已在6 000余公里的既有线重构中应用,仿真案例和实际...     

基于实测数据的轨道整正方法研究

铁路长期运营期间,由于列车对轨道产生的持续性冲击作用以及地面沉降等因素的存在,铁路轨道会出现部分偏移甚至整体偏移现象。如果在整体偏移的情况下对偏差轨枕按照初始设计数据调整,就会大大增加调整难度与调整成本。针对这种现象,研究在没有线路设计数据的情况下,基于实测数据迭代拟合整体线形,设定阈值控制拟合偏差,反算出偏差相对最小模拟设计数据,并采用多项式拟合的方法自动计算得到轨道基准轨与非基准轨调整量方案。通过实验分析验证,结果表明该方法能够基于实测数据得到满足规范要求的轨道整正方案。     

运营高铁的平纵断面参数及评估方法研究

研究目的:我国高速铁路自2008年开始陆续建成通车,十年来迅速发展,截至2018年底,运营里程累计已达2. 9万公里。高速铁路历经多年运营后,部分地段沉降变形值可能会超过现行标准的要求。因此需对运营高铁的平纵断面进行全面复测,对当前的平纵断面参数重新进行拟合,针对性地提出调整建议,再运用动力软件进行安全和舒适度的检算评估,从而为运营高铁基础设施整治提供技术、理论和实践支撑,确保高铁持续安全可靠和高质量服务品质并持续发挥经济效益。研究结论:(1)运营高铁线形初步拟合按照绝对值控制,实际整治按照长短波平顺性进行调整;(2)平面初步拟合按照长波300 m弦长偏差10 mm控制,纵断面初步拟合按照无砟轨道扣件抬降限值-4～+26 mm控制;(3)运营高铁平面偏差较小,平面拟合只需考虑将曲线半径和缓和曲线由原设计的整数值变为碎数,即可满足偏差要求;(4)纵断面拟合拆分坡段最小长度取200 m;坡度代数差大于或等于0. 625‰,在不与缓和曲线重叠的情况下,可以设置竖曲线;(5)平面平顺性评估标准为短波10 m弦长轨向偏差4 mm、长波60 m弦长轨向偏差6 mm;纵断面平顺性评估标准为短波10 m弦长高低偏差4 mm、长波60 m弦长高低偏差7 mm;(6)本研究成果对运营高速铁路线形评估具有借鉴意义和指导作用。     

数字轨道地图线路特征分段拟合方法研究

基于全球卫星导航系统（GNSS,Global Navigation Satellite System）的列车定位技术降低了铁路建设与运营的成本，数字轨道地图作为地图匹配方法的基础，通常作为辅助定位手段对卫星定位偏差进行校正，对轨道线形进行准确描述及约简是轨道电子地图构建存储的前提。文章采用方位角近似估计曲率的方法对轨迹平面线形进行初步识别分类，为提高线形的拟合精度，引入自适应权值因子，对最小二乘拟合法进行优化，以消除大偏差观测数据对拟合趋势的影响，从而保证整体轨迹数据的平滑拟合及精度。实测车辆轨迹数据验证表明，该算法可对车辆轨迹线路特征进行有效提取及准确描述。     

铁路既有线曲线复测计算方法

为提高计算精度和速度,研究利用坐标法和最小二乘法进行铁路既有线曲线复测的计算.首先利用坐标法计算各测点的坐标,再计算正矢,然后根据正矢的变化规律选定圆曲线上的测点,用最小二乘法拟合出既有线圆曲线的半径和圆心坐标,并以拨正量最小为优化目标,优化圆曲线半径及圆心,进而计算出缓和曲线的长度、各测点的拨正量、特征点的里程和坐标等.实例计算表明:在铁路既有线曲线复测计算中,坐标法和最小二乘法结合使用,不仅克服了基于渐伸线原理的传统近似计算方法存在的误差问题,提高了计算精度,拨正量小,而且能够实现一次性利用圆曲线上所有测点的坐标拟合出圆曲线的半径和圆心坐标.     

基于正交距离最短的平面线形拟合方法及应用

线形拟合在轨道的调整中具有非常重要的作用,考虑到铁路轨道测量实测点的平面坐标x和y中均包含误差,提出基于正交距离最短的直线和圆曲线线形拟合方法,并对利用该方法进行拟合的原理进行阐述。目前常用的线形拟合方法是普通最小二乘法,主要考虑x或y某一个方向上的误差。按照正交距离最短和最小二乘2个准则,论证了同时考虑x和y2个方向误差的正交距离最小二乘法要优于普通最小二乘法。通过实例计算分析,2种方法对于同一组线形测量数据的拟合结果表明,正交距离最小二乘法的验后精度高于或接近普通最小二乘法,而且残差即为轨道点至拟合线形的拨道量,同时前者具有更小的圆度,说明调整量区间更小。以上内容证明了在铁路既有线线形整正优化中正交距离最小二乘法优于普通最小二乘法。     

一种提高铁路车载激光雷达测量精度的方法

为了提高铁路车载激光雷达扫描精度,在铁路两侧布设并测量控制点,基于控制点对激光雷达数据进行精化,对比分析不同密度控制点的精化效果,找到控制点密度与激光雷达数据精度间的关系,从而确定满足既有线测量的控制点密度。结果表明:加入控制点后可明显提高车载激光雷达扫描精度,每400 m布设一个控制点,激光雷达平面和高程精度可达0.15 cm,满足除高速铁路中线和高程测量外的所有既有线测量工作的精度要求。控制点布设和测量在铁路两侧进行,不影响铁路的正常运营,可有效保证测量人员和行车的安全。     

高速铁路运营期间CPⅢ平面网复测方法优化探讨

为满足高速铁路线路运营维护的需要,提高CPⅢ网复测作业效率,结合运营期间CPⅢ平面网复测特点,提出了平面网复测的优化方法—"固定2C半盘位测量法",并对该方法的测量精度进行了初步分析。结合某高速铁路运营期CPⅢ平面网复测数据,采用"固定2C半盘位测量法"进行平差文件计算和CPⅢ网平差处理,并与常规全盘位测量数据计算结果进行对比分析,进一步验证了该方法在运营期间CPⅢ平面网复测中的可行性。     

最小二乘法在铁路纵断面设计中的应用

运用最小二乘法原理对铁路线路中心线的地面线进行分段直线拟合,建立最佳坡度线方程,进而绘制最小填挖方数量的纵断面坡度设计线,再根据设计规范的要求合理经济地进行纵断面设计。     

基于GA-MADS混合算法的既有铁路平面线形自动重构

研究目的:既有铁路平面线形重构是铁路养护维修与增改建设计的重要基础,重构结果对列车运行安全、养护改建工程量将产生重要影响。既有方法通常先识别确定交点坐标,再逐交点优化半径缓长,属局部重构,难以实现全局优化;同时对约束的处理还不全面,重构的线形需要经过大量人工调整方可应用。对此,本文提出一种遗传算法混合网格自适应直接搜索(GA-MADS)的既有线路平面重构方法,实现线路平面整体自动优化重构。研究结论:(1)在遗传算法中融入MADS,有效克服了遗传算法在优化中随机性大、早熟收敛的缺点,实现平面线形整体重构;(2)各类约束在优化过程中被自动处理,无需人工后续调整;(3)研究成果已在各大铁路设计院6 000余公里的既有线增改建设计中成功应用,结果表明该方法可以自动产生满足工程约束的优化重构线形,大幅提高效率和质量。     

铁路既有线复测平面曲线优化方法

利用坐标法进行铁路既有线复测后,根据测量曲线的连续大地坐标点系,通过合理的方式对既有线线路进行优化计算是一项十分重要的工作。在讨论平面曲线特征分界点判别依据的基础上,分析基于圆曲线最小二乘拟合计算模型的原理及其不足;通过建立夹直线、缓和曲线和圆曲线的调整量计算模型,提出以夹直线的最小二乘拟合为切入点,以曲线调整量最小为优化目标,以圆曲线半径、缓和曲线长为优化参数,建立平面曲线调整量优化模型,利用夹直线的连续性对连续多段平面曲线实现一次性优化计算;采用定步长迭代方法进行优化模型求解,通过优化计算得到既有线各曲线要素特征值及各测点的调整量。计算实例表明:优化模型算法简单、有效,适用于各类平面曲线,并在大曲线半径上有效避免了圆曲线最小二乘拟合法存在的病态结果。     

线形拟合在无砟轨道维护中的应用与探讨

根据铁路曲线曲率图为一梯形的特性和回归直线移动定理,实现了对某无砟轨道线路实测数据所在线形的自动识别。在此基础上,利用最小二乘法建立了直线线形和圆曲线线形拟合的计算模型,对该实测数据进行了重新拟合。结果表明,拟合后的轨面高程与实测的轨面高程较为接近。     

不同约束条件下普速铁路平面线形重构效果对比分析

针对普速铁路平面线形重构设计问题,结合相关规范要求系统梳理了平面线形参数限制因素。在此基础上,以整体平面调整量平方和最小为平面线形重构设计目标函数,提出了无约束、原始台账约束和多参数约束条件下的平面线形重构原则,并结合实测数据对比分析了不同约束条件下平面调整量、曲线参数和行车安全性的差异。结果表明：采用多参数约束条件所得平面线形既可达到现场工程量较小,又可满足曲线半径、缓和曲线长度和行车安全性要求,其重构设计结果最优。建议在普速铁路数字化捣固方案设计时,采用多参数约束条件对平面线形进行重构设计,结合现场实际和相关规范要求对曲线半径和缓和曲线长度进行适当调整。     

地图辅助定位方法在列车定位中的应用

地图辅助定位是使用道路地图矢量辅助其它手段进行车辆定位的一种方法。本文依据线路平纵断面特征对线路进行单调分段后,建立线路平面和纵断面数字地图数据库,然后以铁路线路平面特征辅助GPS进行列车连续定位,分别推导出直线、缓和曲线以及圆曲线区段的列车位置估算公式。在直线区段将GPS位置信息投影到实际线路上进行列车定位;在缓和曲线上,根据实测当前点曲率以及缓和曲线曲率和全长计算列车的位置;在圆曲线上,提出利用同向切线法实现列车连续定位的方法。文中还探讨了应用纵断面变坡点作为虚拟查询应答器实现单点定位的方法。最后给出列车连续定位的现场实验结果和利用变坡点实现单点定位的仿真结果,验证了方法的有效性。     

运营高铁线路平纵断面线形评估与优化研究

研究目的:无砟轨道高速铁路经过一段时间的运营后,由于地面不均匀沉降、周边施工等环境因素的影响,线路轨道会产生不同程度的不利变形,如平面移位、纵断面凹凸变形等。铁路工务部门在轨道实测检查和动态检测的基础上,需要对线路进行维修,对于区域地面不均匀沉降引起的轨道变形有可能不能恢复到设计的平纵断面位置,需要对轨道的平纵断面进行优化和评估,以满足行车安全和舒适的要求。研究结论:(1)一定尺度的轨道的不均匀变形可以通过平纵断面的线形优化进行再设计;(2)轨道变形的平纵断面优化设计宜在对轨道现状进行全面测量,综合考虑安全性、舒适度等技术经济指标最优的前提下进行;(3)优化选用的线路关键技术参数和指标应满足运营高铁静态养护维修要求,优化后的平纵断面应进行动态仿真检算;(4)本研究成果在不均匀地面沉降区的无砟轨道高铁运营的轨道养护维修中具有现实的参考价值。