基于ARIMA模型的轨道不平顺状态预测研究

轨道是列车运行的基础,轨道不平顺状态是影响行车安全的关键因素.为保障列车安全、平稳和不间断的运行,轨道必须具有高平顺性.根据轨道不平顺变化特点,文中利用ARIMA（自回整合归移动平均）模型对轨道不平顺状态进行预测,并且采集了京九线下行463.8 km处2008年2月第二次检测至2008年12月第一次检测的TQI历史检测数据对模型的有效性进行了检验,结果表明ARIMA模型能够对两次大修作业之间的轨道的不平顺状态进行较为准确地预测.     

铁路轨道不平顺随机过程的数值模拟

分析了目前广泛应用的几种轨道不平顺模拟方法,构造了基于频域功率谱等效的一种新的算法,分别求出频谱的幅值和随机相位,再通过傅立叶逆变换是到轨道平顺时域模拟样本。数值模拟试验表明,这种模拟方法较其它模拟方法更为简洁有效。     

轨道不平顺噪音去除及其评价方法

轨道动态几何不平顺数据主要采用轨检车进行检测,由于缺乏去除功能,轨检车检测数据中存在噪音成分,不利于轨道质量状态的客观评价．本文提出去除噪音的方法,并利用概率密度法,对高低不平顺幅值特征进行统计描述。比较去除噪音首后的效果。     

基于不平顺谱的轨道不平顺状态评价与识别探讨

线路不同区段轨道质量参差不齐,但其幅频差异能很好地在各区段轨道不平顺功率谱密度（PSD）曲线上得到表征。基于此,结合沪宁客运专线轨检数据,从识别和评价两个方面对轨道平顺状态进行了研究。基于不同区段轨道谱存在幅频特性差异,提出以200m为一研究单元,通过分频段离散各单元轨道谱幅频信息,以三维图的形式进行不平顺的时频域识别分析。借鉴轨道谱分级管理的方法,同时综合波段整体不平顺和波段内各波长幅值波动程度两项指标,研究并给出了评价各里程单元平顺性的方法,将综合评价后各区段所属不平顺状态等级划分为优秀、良好、合格、失格。     

轨道不平顺数值模拟方法

为了提高将轨道功率谱密度函数(PSD)通过数值模拟方法转换为时域样本的可靠度,分析了国内外常用的轨道不平顺数值模拟方法的模拟原理和步骤,采用计算机仿真程序模拟出各种方法生成的时域样本,并以此作为车辆垂向动力学模型的输入激励,通过数值仿真得出系统的时间-响应历程。各种模拟方法模拟结果比较表明采用各种方法模拟出的轨道不平顺时域样本是正确的,用三角级数法和逆Fourier变换法模拟出的时域样本的离散度较小,而用白噪声滤波法和二次滤波法模拟的时域样本离散度较大,因此后两种方法模拟出的轨道不平顺时域样本不宜作为研究系统时域响应时的轨道激励。     

道床横向阻力及轨道不平顺对无缝线路稳定性影响定量分析

利用无缝线路稳定性理论，从计算入手，定量分析了道床横向阻力和轨道原 不平顺对无缝线路稳定的影响程度。并结合轨道的实际工作六况，提出了提高临界温度力值的具体措施。     

关于轨道谱面积与TQI指标关系的研究

根据沪昆和金温两条不同线路的轨道不平顺检测数据,利用Matlab编程分别进行功率谱和TQI分析。然后利用梯形积分公式对各项轨道不平顺谱值进行积分,得出TQI单项指数与各轨道不平顺谱面积值具有很好的相关性,特别是在高低和轨向不平顺上,相关系数达到了0．91以上,从而验证了用轨道不平顺功率谱方法来控制和管理轨道平顺性的可靠性。最后建议将轨道不平顺功率谱作为控制提速线路轨道质量的主要指标之一。     

基于小波变换的轨道不平顺信号分析

为消除轨检车速度不稳定对采集的轨道不平顺信号频谱分析的影响,利用Haar小波变换建立了原始信 号瞬时频率与Haar小波系数的关系,以计算瞬时频率.根据求取的瞬时频率对采样信号进行内插和重采样,再 对重采样信号进行傅立叶变换,即可得到消除了畸变的频谱.      

轨道不平顺概率模型

为了高效选取轨道不平顺随机样本, 以满足车辆-轨道系统随机动力与可靠度分析中的激振源遍历性要求, 依据轨道随机不平顺的弱平稳与谱相似特征, 提出了一种轨道不平顺概率模型; 采用离散概率积分和统计方法, 在时域中将大量轨道不平顺检测信号分成若干个时程序列, 对每个序列采用谱分析法计算其统计功率谱密度分布; 采用矩阵法对轨道不平顺功率谱密度函数进行集合表征, 视每条谱线在不同频率点的功率谱密度概率具有累加性, 采用单一频率下的功率谱密度概率分布推知整条谱线的出现概率; 采用通用随机模拟方法选取代表性轨道谱, 并反演随机不平顺序列; 实测了某高速铁路约269km的轨道高低和方向不平顺, 基于车辆-轨道耦合动力学理论, 从轨道不平顺模拟幅值与车辆-轨道系统动力响应的概率密度分布出发, 对比了轨道不平顺概率模型与轨道不平顺随机模型的计算结果, 以验证轨道不平顺概率模型的正确性和高效性。计算结果表明: 以2种模型生成的轨道随机不平顺为激振源, 获得的车辆-轨道系统动力响应分布熵差异小于2%, 2种模型均能准确表达不平顺激扰特性; 为保证模拟与实测不平顺的概率密度分布一致, 采用随机模型和概率模型分别需要生成131和33个随机样本, 概率模型具有更高的分析效率; 在给定计算工况下, 轮轨力和车体加速度的幅值分别为38~152kN和-0.042g~0.043g (g为重力加速度), 均未超过《高速铁路设计规范》 (TB 10621—2014) 中的限值(轮轨力为170kN, 车体加速度为0.25g), 表明此高速铁路轨道不平顺状态较优, 行车安全性和舒适性可以得到保证。     

轨道不平顺非线性预测模型

分析了轨道高低不平顺非线性预测理论, 根据广深线运量和轨、车检测数据, 采用多元回归分析得到广深线轨道高低不平顺非线性预测模型, 将该模型用于预测未来轨道不平顺的发展情况, 并与实际检测值进行对比和误差分析。结果表明, 两者图形趋势较为一致, 说明用该模型预测轨道高低不平顺发展趋势是可行的。     

轨道不平顺激励下直线电机车辆/轨道动力响应

为了提高直线电机轮轨交通车辆运行的安全性与乘坐舒适性, 分析了车轨结构特征, 建立了直线电机车辆/板式轨道横、垂向动力学模型。通过三角级数法得到轨道随机不平顺的时间序列, 以其作为系统激励, 分析了直线电机车辆与轨道的随机振动特性。把轨道不平顺描述为余弦函数, 研究了高低不平顺与方向不平顺的波长和幅值对系统动力响应的影响规律。计算结果表明: 磁轨气隙变化的频率主要集中在1.2~2.0Hz范围内, 波长小于10m的高低和方向不平顺对系统轮轨作用力、脱轨系数及轮重减载率等影响显著增大, 应予以重点控制。     

轨道短波不平顺数值模拟新方法

针对轨道短波不平顺问题, 提出了一种基于离散二进制小波的轨道短波不平顺数值模拟方法, 将ISO 3095标准谱作为目标函数, 得到了ISO 3095标准谱和小波系数的关系, 给出了数值模拟算法流程与步骤, 并将数值模拟结果与上海某段地铁实测结果进行了对比分析。分析结果表明: 合适的小波分解层数为8层, 最低层包含的波长范围为512~1 024 mm; 短波不平顺数值模拟时域波形符合实际轨道短波不平顺的统计特征, 呈现非平稳性, 幅值分布范围为-0.15~0.15 mm; 数值模拟结果与ISO 3095标准谱之间存在的差异由倍频程采样间隔与三分之一倍频程采样间隔的差异造成。可见, 采用二进制小波变换可以有效实现轨道短波不平顺的数值模拟, 模拟结果与实测结果在幅值和细部波形方面略有差别, 建议对轨道短波不平顺进行大量的测量与统计分析。     

轨道综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺改善效果

根据高速铁路有砟轨道综合作业前后的轨道几何状态检测数据, 分析了以大机作业、人工精调和钢轨打磨为主的综合作业对高速铁路有砟轨道几何不平顺的改善情况。分析结果表明: 大机作业、人工精调和钢轨打磨的综合作业可联合改善轨道几何不平顺, 其中, 大机作业对高低、水平、三角坑不平顺的改善率分别为20.95%、12.90%和13.16%, 人工精调对高低、水平、三角坑和轨距不平顺的改善率分别为11.97%、5.56%、7.43%和6.12%, 钢轨打磨对高低和轨向不平顺的改善率分别为4.85%和3.88%, 轨道质量指数在大机作业、人工精调、钢轨打磨后的改善率分别为11.54%、6.91%和1.10%, 因此, 大机作业和人工精调对各个单项不平顺改善效果明显, 大机作业的贡献最大, 而人工精调可在一定程度上改善轨距不平顺, 钢轨打磨对高低不平顺和轨向不平顺进一步改善, 但对水平不平顺、轨距不平顺和三角坑不平顺等改善效果不明显; 经过综合作业, 单项不平顺与轨道质量指数均呈下降趋势, 其中轨道质量指数、高低不平顺、水平不平顺、右轨向不平顺近似呈幂函数趋势降低, 左轨向不平顺近似呈线性函数趋势降低, 三角坑不平顺近似呈对数函数趋势降低, 反映了大机作业对轨道几何状态改善程度高, 人工精调、钢轨打磨进一步改善部分单项不平顺的情况。     

地震作用下轨道-桥梁系统损伤与轨道不平顺的对应关系

针对地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统损伤与轨道不平顺的对应关系不明确问题, 运用能量变分原理,推导了多层叠合结构层间变形协调关系表达式,将该表达式应用在高速铁路单元式和纵连式无砟轨道-桥梁系统中,按系统轨道形式与梁跨结点进行划段装配,提出了考虑路基与简支引桥影响的高速铁路基础结构变形与轨道不平顺的对应关系;采用现场实测、数值仿真模型与列车-轨道-连续梁桥-路基耦合动力学理论对对应关系进行了验证,并统计了地震作用下轨道-桥梁系统的损伤规律;基于提出的对应关系求得了考虑地震损伤的轨道不平顺样本,并采用数值仿真模型对其进行验证。研究结果表明：提出的对应关系与数值仿真模型求得的桥梁变形引起的轨道不平顺及现场实测值吻合较好,最大误差不超过5%,且轨道不平顺作用下车-桥动力学性能指标变化也基本一致,验证了本文提出的对应关系的正确性和有效性;地震作用下轨道-桥梁系统层间各部件的损伤较小,而支座的损伤较大,系统部件最大损伤位置在主梁梁缝处,但也仅约为支座损伤的1%;在不同水准地震作用下,采用提出的对应关系和数值仿真模型计算的地震损伤与轨道不平顺的对应曲线均吻合良好,说明提出的对应关系可用于计算与预测地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统的轨道平顺性。     

有砟轨道高低不平顺概率分布的时空特征

为研究有砟轨道不同线形区段上高低不平顺标准差所服从的最优概率分布函数及其时空特征, 采用三参数概率分布函数拟合有砟轨道高低不平顺标准差峰值及尾部特性, 选取了5种三参数理论分布函数, 并确定了最优概率分布函数的选择原则; 以既有沪昆线为例, 拟合了有砟轨道上6种不同线形区段上高低不平顺标准差服从的最优概率分布函数; 分析了高低不平顺标准差的时间特征, 采用非线性函数拟合了分布函数参数随时间的变化情况; 分析了高低不平顺标准差的空间特征, 比较了轨道质量状态在空间维度上的不同。分析结果表明: 在高低不平顺标准差大值区域, 三参数Lognormal分布理论值与实际值的相对误差小于5%, 而正态分布理论值与实际值的相对误差则大于50%, 因此, 采用三参数概率分布函数能有效解决两参数概率分布函数理论值在此区域与实际值发生偏离的问题; 在描述线形区段的统计分布特性时, 不同线形区段应选择不同的分布函数, 同一线形区段宜选取同一种分布函数; 既有沪昆线桥隧区段上, Burr分布有5次是最优概率分布, 且P值之差的均值和标准差分别为0.09和0.12;各区段高低不平顺标准差所服从分布的3个参数用非线性函数拟合的优度均大于0.6, 因此, 采用非线性函数可有效拟合3个参数随时间的变化规律; 维修与养护作业前后桥隧区段高低不平顺标准差的超限百分比都小于3%, 圆曲线、缓和曲线和直线区段上高低不平顺标准差的超限百分比为3.5%~12.8%, 而限速区段和道岔区段上均大于25%。确定的最优概率分布函数选择原则可应用于轨道不平顺概率分布特征研究。     

基于调制白噪声与查表法的非平稳路面不平度建模方法

针对实测道路功率谱密度频率结构不同与汽车行驶速度变化引起的非平稳问题, 分析了现有路面不平度模型的准确性, 提出了一种基于调制白噪声与查表法的非平稳路面不平度建模方法; 结合白噪声生成方法和离散功率谱密度的计算公式, 推导出了能够确保路面不平度计算功率谱与设计功率谱完全吻合的Band-Limited White Noise模块参数设定方法; 通过不同设定值组合的白噪声功率谱密度与路面不平度功率谱密度计算结果对比, 验证了所提出的Band-Limited White Noise模块参数设定值的准确性; 为解决频率指数不等于2的空间域内非平稳路面不平度建模问题, 提出了由1个基准项和若干个精度校正项组成, 且调制传递函数模的平方逼近具有任意频率指数的道路功率谱表达式; 为获取考虑车速变化影响的频率时变的时域内非平稳路面不平度输入模型, 基于空间路面不平度固定不变的原理, 提出了利用查表法, 获得变车速工况下时域内非平稳路面不平度; 通过空间域内非平稳路面不平度建模及考虑车速变化的非平稳路面不平度建模应用, 验证了所提建模方法的优越性。研究结果表明: 使用基于调制白噪声的非平稳路面不平度建模方法构建的空间域路面不平度功率谱曲线, 与应用实例中的设计目标曲线吻合良好, 且结合查表法可以有效地解决时变车速带来的时域内非平稳路面不平度建模问题。     

基于GM(1, 1)模型与相关向量机的轨道不平顺区间预测

为开展以预防修为主的养护维修作业,联合GM(1, 1)灰色模型与相关向量机(RVM)算法,提出一种预测轨道不平顺演化区间的GM(1, 1)-RVM组合模型;结合轨道质量指数(TQI)的振荡演变特性,通过二次-对数复合函数平滑优化和序列权重优化改进了GM(1, 1)模型,通过粒子群优化(PSO)算法对待优化参数进行搜索确定,并在此基础上计算点的预测值;构造以点预测值为输入,以TQI实测值为输出的样本特征映射模式,引入5折交叉验证环节优化与训练了RVM模型的组合核函数;通过GM(1, 1)模型与RVM模型间的输入-输出衔接机制集成了组合预测模型,并以某有砟线路中的2个区段为实例检验了轨道不平顺区间的预测效果。研究结果表明：与既有预测模型相比,改进GM(1, 1)-RVM组合模型可得到预测区间的均值和方差,从而将预测结果从单点数值扩充到预测区间;2个区段实例在外推区间上的点预测结果与TQI真实值相比,平均百分比误差分别为1.53%和4.67%,较支持向量回归(SVR)模型分别降低了0.58%和0.61%,较GM(1, 1)-反向传播神经网络(BPNN)模型分别降低了0.15%和1.87%;改进GM(1, 1)-RVM组合模型在90%、95%和99%三种置信度下的最大平均预测区间宽度分别为0.324 5、0.387 9和0.510 5 mm,最低预测区间覆盖率分别为91.67%、95.83%和95.83%,预测区间基本涵盖了外推区间内的TQI演化数据。可见,利用预测的均值和方差构造区间边界可有效把控轨道不平顺演变过程中的随机波动,为轨道不平顺预测提供了一种新思路。     

高速铁路板式轨道结构参数对轮轨噪声的影响

为了降低轮轨噪声, 利用轮轨噪声预测模型与软件STTIN (Simulation of Train/Track In-teraction and Noise), 分析了板式轨道结构参数对轮轨噪声的影响。发现以下规律: 轨下胶垫刚度大于200 MN.m^-1时, 轮轨噪声水平显著上升; 当轨下胶垫阻尼值偏离100 kN.s.m^-1时, 噪声将增大; 改变板下支承刚度, 轮轨噪声基本不变化; 增加轨道板质量, 轮轨噪声降低。结果表明, 轨下胶垫的刚度与阻尼是影响轮轨噪声的主要因素, 而轨道板质量次之, 轨道板下支承刚度对轮轨噪声基本无影响。