基于互补滤波的轨道不平顺动态测量方法

现有高速铁路轨道动态检测主要采用基于加速度计和测距传感器数据的惯性基准法,由于加速度计具有信噪比低、积分漂移大等特点,限制了其在轨道长波不平顺和低速下的测量精度,因此提出基于互补滤波的轨道不平顺动态测量方法。首先,优化系统硬件结构,在转向架前后安装测距传感器;其次,采用轨面上"两点弦"测量模型,推导基于光纤陀螺仪数据的角速度测量法;通过测量系统传递函数的幅频特性分析,发现角速度测量法在测量30 m以内的短波不平顺时存在衰减,为此提出互补滤波方法,即对加速度测量法与角速度测量法进行融合计算;最后,用轨道-车辆动力学仿真对3种方法的精度进行实例分析。结果表明:相较于角速度测量法,互补滤波测量法有效补偿了其在测量30 m以内的短波不平顺时存在的高频衰减的不足;相较于加速度测量法,互补滤波测量法将平均精度提高了24%～80%,因而它具有噪声敏感度低、受检测速度影响小等优点。     

基于构架点头角速度的轨道垂向长波不平顺在线检测

在分析比较基于轴箱垂向振动加速度和构架点头角速度的轨道垂向不平顺检测原理的基础上,提出基于构架点头角速度的轨道垂向长波不平顺在线检测方法。在运营车辆轴箱正上方的构架处安装陀螺仪,用于等空间采样构架点头角速度的时域信号;对构架点头角速度的时域信号以及由速度传感器测得的车速时域信号进行二次积分、消除拟合多项式的趋势项、带通滤波及递归最小二乘自适应补偿滤波等数据处理,从而得到轨道垂向长波不平顺的估计值;建立车辆—轨道垂向耦合动力学模型,以实测轨道垂向不平顺激励下的构架角速度模拟陀螺仪采集的时域信号,对给出的在线检测方法进行验证。结果表明:与实测结果相比,标准差小于0.4mm,归一化均方误差小于-8,说明给出的在线检测方法能精确、有效地检测轨道垂向长波不平顺。     

高速磁浮轨道导向不平顺检测系统的研究

高速磁浮列车是利用电磁力实现车辆与轨道无接触高速运行的一种新型交通工具,车辆的导向和制动性能受到轨道导向不平顺的影响。为了保证高速磁浮车辆运行的安全性、稳定性和舒适性,设计一种结构简化、低成本和搭载式的磁浮轨道导向不平顺检测系统。该系统基于惯性基准法原理实现检测,由加速度计、测距传感器、数据记录仪和里程检测模块组成,并未使用陀螺仪和倾角仪测量载体的姿态角变化。分析了车辆姿态变化对导向不平顺检测误差的影响,因未修正姿态导致的检测误差绝对值在直线段轨道达到0.4 mm,而在曲线段轨道超过了3 mm。为了降低缺乏姿态观测所致误差,提出一种设计线型辅助的策略用以部分替代倾角仪功能,即以列车所在位置轨道的横坡角和纵坡角分别近似替代载体的侧滚角和俯仰角低频分量,并用于补偿加速度积分中的重力和离心力分量,仿真表明该方法可将曲线段轨道的检测误差降低至0.6 mm。此外,结合磁浮轨道刚度大、变形小以及分段铺设的特点,利用分段直线拟合方法对不平顺检测结果进行平滑处理,从而进一步降低缺乏姿态观测的影响,保证系统具有足够的检测精度。通过小车检测试验,结果表明所设计系统及数据处理方法可实现±0.5 mm之内的检...     

新型轨道不平顺波形检测系统研究

针对轨道不平顺波形分布的随机性和复杂性,研究具有机械滤波功能的新型轨道不平顺波形检测系统.阐述新型轨道不平顺波形检测系统的轨道长波长、短波长的检测原理和轨道不平顺波形的复原方法,以及结构组成及工作原理,并对试验检测数据的重复性、轨道不平顺波形与弦测值之间的关系和轨道不平顺波形复原进行分析;通过现场试验,复原出轨道真实不平顺波形,验证其稳定性、可靠性及检测精度.     

秦沈客运专线轨道谱的研究

基于2004年和2005年前4个月秦沈客运专线轨道不平顺检测数据,利用Welch改进周期图算法,进行了功率谱密度(Power Spectrum Density)分析计算,获得了秦沈客运专线轨道不平顺的功率谱密度。参考国内外成熟轨道谱线,提出了轨道不平顺功率谱的拟合谱,采用最小二乘拟合优化算法,求得拟合谱表达式的参数。     

轨道不平顺检测评价及预测综述

按描述参数、激扰方向以及波长的不同对轨道不平顺进行分类；根据检测原理的不同及有无轮载比较不同轨道不平顺检测方法的优缺点；梳理局部不平顺评价和区段整体不平顺评价标准；分析频域评价方法的优缺点及各国应用情况；概括轨道不平顺时频域评价方法及其局限性；按预测方法的不同分析3类轨道不平顺预测方法。研究结果表明：相较于高速铁路，城轨交通动态检测缺少轨检车及综检车的应用；既有铁路轨道谱构建较为完善，但在城轨领域仍缺少成熟的轨道谱；时频分析方法能够同时在时域和频域上对轨道不平顺进行定位，适用于非平稳性信号，但其实际应用仍受较大限制；轨道不平顺预测能提高轨道维护效率，但仍存在很大局限性，无法进一步推广。     

基于概率分布的轨道不平顺发展统计预测

针对轨道不平顺的随机性,应用数理统计原理和方法,对轨道动态不平顺检测数据进行统计分析,研究轨道不平顺的概率分布特性。分析讨论基于不平顺分布函数特征的不平顺发展统计预测方法,比较不同统计预测模型的预测效果和预测精度。研究结果表明:轨道不平顺概率分布接近于正态分布;在轨道不平顺概率分布特性分析的基础上,指数平滑预测方法具有较好的预测效果和预测精度,能够用于轨道不平顺发展预测问题的研究。     

基于轨道倾角积分的长波高低轨道不平顺测量方法

高效且准确地对长波轨道不平顺进行监测是轨道几何测量领域的难点。分析两类惯性基准动态检测方法的测量误差来源，认为转向架与轨道间的“冲角”是造成长波不平顺测量精度损失的重要因素；为此，重新设计检测系统硬件结构，引入点头陀螺仪传感器和测距组件，在轨道平面建立“短弦”测量模型，推导基于误差状态扩展卡尔曼滤波估计的俯仰轨道倾角测量算法；通过补偿滤波与空间域积分等信号处理方法，计算长波高低轨道不平顺。现场试验表明：该方法有效复原7～200 m以内的长波高低不平顺；当截止波长为200 m时，相比传统的惯性基准法，平均精度增加了81%～88%,且受检测速度影响小；统计系统重复检测误差的95%分位数在1.5 mm以内，在大跨度桥梁形变与路基沉降监测等领域具有较好的应用前景。     

基于国产化芯片的轨道不平顺监测平台方案设计

针对现有轨道不平顺检测方法效率低、维护成本高的问题,设计搭建基于运营车辆振动加速度的轨道不平顺实时监测平台。首先,详细分析了实现轨道不平顺监测算法的硬件功能需求,结合算法逻辑设计平台总体架构;然后,基于平台硬件自主可控的考虑,结合工程应用经验,分析并选择符合平台功能需求的国产化芯片;最后,提出轨道不平顺监测平台完整且自主可控的设计方案。本方案一方面通过运营列车振动加速度对轨道不平顺进行监测,既节约成本,又无需单独占用运营时段;另一方面平台方案依托国产化芯片设计,保证了平台硬件技术层面的自主可控。     

提速线路轨道长波不平顺检测技术

为满足提速线路最高行车速度250km.h-1的要求,研究截止波长为70m的轨道长波不平顺检测技术。选择合适的电路参数设计模拟滤波器。根据模拟滤波器的性能、传感器精度、70m截止波长和±1mm检测精度的要求,确定轨检车最低检测速度为40km.h-1。设计以三角窗为基窗、各窗函数并联、截止波长为70m的数字滤波器,并编程实现;对现场检测数据进行频谱分析,证明设计的数字滤波器滤波效果良好。检测的轨道长波不平顺以波形图和浏览波形图显示,并用于评价轨道质量。通过在轨检车上应用和现场复核,长波不平顺检测技术满足提速线路检测的需要。     

重载铁路轨道不平顺谱的分析和表征

轨道不平顺的数学表达对线路状态评估和轮轨动力学分析具有重要意义。计算和分析大秦和朔黄重载铁路2～70 m波长范围内的轨道不平顺谱特征，提出重载铁路轨道不平顺的数学描述，可用于轨道不平顺序列模拟和线路状态评估。数据来源为这两条铁路的高低、轨向、水平和轨距轨道不平顺实测数据。使用小波分析和Welch修正周期图法计算轨道不平顺谱，并与国内外标准轨道谱进行对比；使用多项式拟合算法拟合轨道不平顺谱包络，并使用国内外标准谱拟合公式进行拟合实验对比。最后，给出了发生在钢轨焊缝位置的周期不平顺表达式，并结合轨道拟合谱的逆傅里叶变换方法，对轨道不平顺空间序列进行数值模拟。研究表明：大秦和朔黄轨道不平顺谱的频率和幅度特征基本一致，因此可以使用统一的拟合公式进行拟合；提出的8阶多项式拟合公式能精确地拟合轨道不平顺谱的形状；随机不平顺和周期不平顺的共同表达使轨道不平顺拟合谱的形状和轨道不平顺的数值模拟更为合理和准确。     

基于自适应形态滤波和FSWT的轨道表面凹陷长度检测

为了对轨道表面凹陷长度进行检测,提出一种基于自适应形态滤波(Adaptive Morphological Filtering,AMF)和频率切片小波变换(Frequency Slice Wavelet Transform,FSWT)的轨道表面凹陷长度检测方法。首先,建立轮轨动力学模型,研究轴箱加速度频率与轨道不平顺频率之间的关系;其次,研究AMF和FSWT的基本原理,并对FSWT中切片函数进行改进,提高FSWT对不同信号的适应性;最后,对某地铁列车的轴箱实测信号进行分析,估算轨道表面凹陷长度。结果表明该方法具有工程可行性。     

基于激光准直的轨道长波检测关键算法的研究

轨道不平顺是引起列车产生振动的主要原因。有资料报道,列车的激烈振动主要是轨道的长波不平顺引起的。轨道长波高平顺对高速列车安全、快速和舒适起关键性作用。目前,轨道长波不平顺尚无可靠、高效的检测手段。把激光准直技术应用到轨道长波不平顺检测是当前研究的一个方向。为减小激光准直精度对轨道长波检测精度的影响,提出分次测量、建立测量数据二维坐标转换模型,并对模型进行误差分析。应用Matlab进行算法仿真,测量精度比直接测量提高了约0.19 mm,表明该算法的可行性,可以应用于轨道长波不平顺检测。     

无碴轨道谱的初步分析

无碴轨道在我国将获得广泛的应用,其轨道谱的研究还没有引起重视。基于最大熵谱分析方法,计算了秦沈客运专线上沙河、狗河和双河特大桥之无碴轨道的不平顺检测数据,获得了初步的无碴轨道的轨道谱,并建立了相应的反演模型,采用非线性最小二乘优化算法获得了模型参数。分析结果认为,长枕埋入式无碴轨道的平顺性好于板式无碴轨道,无碴轨道的平顺性远远好于有碴轨道。     

基于Frenet坐标系的道岔区侧向轨道几何状态动静态检测匹配方法

针对道岔区侧向轨道几何状态动态检测的现场病害定位难度大的问题，基于Frenet坐标系和笛卡尔坐标系的映射关系，将道岔区轨道几何状态静态检测的空间点坐标转化为动态检测的空间曲线，并采用线性相位有限冲激响应（Finite Impulse Response,FIR）数字高通滤波器进行空间滤波，获得与动态轨道几何不平顺相同波长范围的轨向及高低，实现动静态检测的匹配。与静态检测传统弦测输出不同，该匹配方法不会导致轨道几何不平顺幅值发生畸变，借助静态检测的空间定位数据，横向对比动态检测输出，可快速完成道岔区侧向病害定位，对道岔区现场养护维修具有指导意义。     

基于轨道车辆轴箱加速度的动态轨道不平顺分析

提出了一种基于加速度积分算法的动态轨道不平顺计算方法,通过剔除趋势项,选择合理的采样比,提高加速度数据对位移的预测精度.建立了引入轨道不平顺的单轮轨模型,由此得出的一系簧下质量的加速度响应能够反映动态轨道不平顺.以某运营线的地铁车辆作为研究对象,排查了其车轮踏面情况对轴箱振动的影响,对不同线路上的轴箱加速度数据进行动态...     

动态检测数据驱动的高速铁路有砟轨道几何不平顺超限大值预警方法

为了对高速铁路有砟轨道几何不平顺幅值超限进行准确预警，结合局部异常因子算法，提出了一种动态检测数据驱动的轨道几何不平顺维修作业识别方法。首先，基于支持向量机（Support Vector Machine,SVM）算法对轨道几何不平顺超限劣化过程进行分析，将影响列车运行的持续劣化超限作为研究对象；随后，使用局部异常因子（Local Outlier Factor,LOF）算法对轨道几何不平顺维修作业进行识别，依据识别结果划分超限劣化过程；最后，对两次维修作业之间的检测数据进行分析，验证轨道几何不平顺幅值的劣化为线性过程，并对几何不平顺幅值进行预测。利用该方法对某线路进行劣化分析，并与近6年的动态检测数据对比。结果表明：该方法识别维修作业准确度达91%；基于鲁棒回归的劣化模型能够准确预测轨道几何不平顺超限大值。该方法不需历史维修作业数据，可自动划分劣化过程，通过几何不平顺幅值预测模型对超限发展进行预测，及时预警几何不平顺超限大值。     

时速400 km高铁最小曲线半径地段列车动力学性能研究

为了研究时速400 km高铁列车经过最小曲线半径地段时的动力响应特性,建立曲线地段CRH380B列车-轨道耦合动力学模型,从时域、频域对比仿真数据与综合检测列车实测数据,验证仿真模型的正确性。模拟列车以400 km/h速度通过7 000 m半径曲线路段下的各种轨道不平顺工况,以各动力响应峰值为控制指标,并结合相干性分析,得出长波高低与轨向不平顺最大敏感波长分别为150 m和200 m。曲线地段的车体垂向加速度峰值、车体横向加速度峰值、脱轨系数峰值、轮重减载率峰值、轮轴横向力峰值分别是直线地段的1.21倍、7.58倍、4.8倍、1.17倍、3.25倍,表明线路条件改变对车体垂向加速度、轮重减载率的影响较小,对车体横向加速度、脱轨系数、轮轴横向力的影响显著。研究结论可为运营期的行车舒适性和安全性评价、轨道平顺性评价提供理论依据。     

低速磁浮轨道不平顺功率谱研究

轨道不平顺是磁浮列车振动的主要激扰源,直接关系到列车运行的稳定性和舒适性。文章基于唐山低速磁浮试验线实测的轨道不平顺数据,采用周期图法进行样本空间的谱估计,得到轨道不平顺在各空间波长的分布。分析结果表明,轨道本身结构参数、轨道安装精度和F轨的轧制工艺是产生轨道不平顺的主要原因。参考国内外成熟的铁路轨道谱线表达形式,得到低速磁浮轨道谱的拟合曲线公式,应用阻尼最小二乘算法拟合轨道谱表达式的参数,对于研究我国磁浮轨道不平顺功率谱有重要的参考价值。     

基于小波变换的轨道检测数据滤波方法

为了尽量减小轨道检测数据中夹杂的粗大噪声干扰对轨道检测结果的影响,利用小波算法对轨道检测数据滤波处理是一种可行方法。分析了dbl,db2,db3和db4小波基对轨道检测数据中高频突变脉冲信号的敏感性,选用较为敏感的db1小波基对轨道检测数据进行小波分解。通过3σ准则识别出粗大误差点并加以剔除,对轨道检测数据的高频和低频部分进行小波重构,从而达到较好的轨道检测数据去噪滤波效果。分别采用均方误差值、信噪比和平滑度指标对几种小波的去噪滤波效果进行了分析比较,进一步验证了db1小波能在轨道检测数据的处理中达到较好的去噪滤波效果。实例表明,论文提出的方法对能够敏感地识别轨道检测数据中的噪声信号,有效地剔除检测数据中的粗大误差,达到较为理想的轨道检测数据滤波效果。