[数学]轨道不平顺检测及数据管理系统研究.doc

目 录 摘 要3ABSTRACT41 绪论61.1研究的意义和背景71.2 轨道不平顺的发展81.3 论文研究的主要内容152 轨道不平顺的理论152.1 轨道不平顺的概念152.2 轨道不平顺的局部描述152.5 轨道不平顺的的原因及其危害193 轨道不平顺的检测203.1 轨道不平顺的测量方法203.2 检测方法的优劣254 轨道不平顺数据管理系统264.1 数据管理系统264.2 轨道不平顺数据计算354.3 轨道不平顺数据查询385 轨道沉降板管理系统455.1 沉降板数据存储455.2 沉降板数据计算与查询485.3 沉降板绘图516 数据拟合与预测526.1 数据预测模型536.2 沉降板的预测547 总结68参考文献70附录72译 文127原文说明142 摘 要轨道不平顺是引起机车车辆产生振动和轮轨作用力的主要原因，是轨道结构综合性能和承载能力的重要体现。轨道不平顺状态不良，将对运输生产的安全性、乘客的旅行舒适度、设备的使用寿命和轨道养护费用产生重要的影响。本文以轨道不平顺检测技术为基础，管理轨检车的检测数据，建立了轨道不平顺状态预测模型。对于城市轨道交通把握轨道质量状态变化趋势，科学安排维修具有重要的现实意义。在轨道不平顺变化规律研究上，国外均有不同的检测方法和手段，本文介绍了各个检测手段的方法，并对其优劣作出了分析。轨检车波形数据是目前最真实反映轨道动态不平顺状态的一种数据。本文研究了如何用数据库技术和sql数据库来存储这些数据，解决了轨检车波形数据的存储管理，为轨道状态变化特征研究提供数据支持。关键词：轨道不平顺，检测，数据库，预测。Study on Urban rail transit rail irregularities detection and data management system ABSTRACT Track irregularity is a cause of locomotive vehicle vibration and the main cause of wheel/rail forces, is track structure comprehensive performance and the important embodiment of carrying capacity. Rail irregularities bad condition, and will be of the safety of the passengers transportation production, the travel comfort, the service life of equipment maintenance fee and rail has important influence. This paper to track irregularity detection technology as the foundation, management track inspection car testing data, establish the rail irregularities state prediction model. For urban rail transit grasp quality status change trend of the track, and scientific arrangement service has the important practical significance. In the rail irregularities change rule on research, foreign are different testing methods and means, this paper introduces the method of each detection means, and their quality to make the analysis. Track inspection car waveform data is at present the most truly reflect the dynamic state of irregularities orbit a data. This paper studies how to use the database technology and SQL database to store the data, solve the track inspection car waveform data storage management, for rail state change features provide data to support research. Keywords: Rail irregularities, test, database, prediction城市轨道交通车辆轨道不平顺检测及其数据管理系统研究金晔毅 0412081161 绪论随着城市轨道交通的的不断发展，轨道质量问题越来越受到重视。轨道不平顺是引起轨道列车车辆产生振动和轮轨作用力的主要原因，它是轮轨系统的激扰源，是轨道结构综合性能和承载能力的重要体现。轨道质量的好坏直接影响轨道车辆的安全运行、乘客的旅行舒适度、设备的使用寿命和养护费等诸多问题。根据是否有轨道车辆荷载作用，轨道不平顺可以分为线路动态不平顺和线路静态不平顺，目前，我国主要使用轨道检查车（简称轨检车）和轨道检查仪(简称轨检仪)分别进行检测。轨道不平顺的检测数据是监测线路状况的唯一参照，它对轨道的养护和行车安全有巨大的指导意义。为保障列车安全快速运行，通过检测轨道不平顺的技术参数并通过维修的手段使其符合各种技术标准，从而最大限度的延长各项设备的使用寿命。作者结合了上海地铁的生产实践，详细研究了轨道不平顺的检测和数据管理。查阅了诸多国内外文献和研究成果。在此基础上阐述了目前轨道不平顺检测和数据管理方面存在的问题。针对这些问题，形成了本文的主要研究内容。1.1研究的意义和背景目前，我国的城轨交通主要采用“定期维修”和“事后维修”的模式，轨道各项技术指标超过相应管理标准或者轨道使用达到维修工艺上规定的维修周期，则安排进行相应的修理。至2012年上海轨道交通全路网已开通运营11条线、287座车站，运营里程达420公里，并且另有4条新线路在建设。随着线路的不断扩张和延伸势必要增加维护保养的工作量。为了解决这一问题，轨道交通维保中心提出了以“轨道状态”为基础的“状态修”维修管理模式，根据设备技术状态变化规律和当前设备状态，结合可用的维修资源，科学合理的安排维修，延长设备状态储备期，保持设备完整和质量均衡，以取得较好的技术经济效益。在2007年12月27日召开的“全路工务工作”会议上，铁道部基础部主任范钦爱提出:通过分析现有工务设备检测体系检测产生的图形和数据掌握设备状态变化规律，科学安排修理计划。在2008年12月18日召开的“全路工务工作”会议上，铁道部基础部主任康高亮提出:通过检查检测分析，掌握设备状态变化规律，合理设置修程。要实现以上提案对轨道进行“状态修”就必须掌握轨道的实时状态，用轨检车等检查设备测量轨道的各种参数，然后对数据进行管理分析预测轨道不平顺发展的趋势以准确把握轨道状态、实现合理利用现有资源进行维保，设计工作。1.2 轨道不平顺的发展作者通过查阅大量国内外有关轨道不平顺的文献资料，综述国外轨道不平顺的检测手段以及数据管理方式，重点分析了日本，加拿大，德国等检测技术。并介绍我国轨道轨道不平顺的研究现状，并对其存在的问题进行了总结。1.2.1 轨道不平顺的研究现状轨道线路是支撑和引导列车的基础。在列车动荷作用下，轨道状态不断变化，产生了各种轨道不平顺。列车在不平顺轨道上运行，产生附加振动，又加剧了轮轨相互作用。这不仅要恶化了旅客乘车的平稳性和舒适度，而且加快了车辆部件磨耗和轨道部件的损坏。关于轨道不平顺的研究，国内外学者普遍从以下三个方面开展研究。（1）轨道下沉力学特性的理论及实验研究：此类研究主要解决外部荷载和下沉量的关系，即对应于不同的列车荷载和轨道结构产生什么样的轨道变形。其技术路线是建立轮轨相互作用的模型，通过力学分析并进行实验室验证，具有代表性的研究成果是各国关于道床下沉的计算模型和日本的轨道破坏理论。（2）轨道不平顺管理标准的研究：此类研究是从列车运行安全和确保旅客舒适度的观点出发，通过理论分析，得出不平顺的测量、评价方法及相应的管理标准。（3）轨道不平顺评价指标及预测理论的研究：此类研究主要分析轨道不平顺的历史变化趋势，进而预测轨道不平顺的发展变化。轨道不平顺的发展是个渐变的过程，是一个时间的函数，影响因素很多，此类研究又分为下列几方面：不平顺分布函数的研究；评价不平顺的发展指标和外部条件的相关影响的研究；轨道状态处于稳定条件下，研究轨道不平顺发展和养护工作量之间的关系。以下为国内外各个研究机构所做的研究：1.2.1.1 日本原国铁路研究所日本原国铁研究所（后于1986 年改制成立铁道综合技术研究所，即Railway Technical Research Institute，简称RTRI。）在轨道不平顺的发展恶化方面进行过许多的研究，对既有线、高速线轨道不平顺的发展变化做了大量的观测分析，关于轨道不平顺的变化特征、发展变化的预测计算公式形成了一些颇有影响的研究成果。RTRI 的学者杉山德平于1978 年调查了全国各种条件下的31 个区段的轨道高低不平顺进展速率（平均值在0.16 1.08mm/ 100d），考虑线路通过总重、列车速度、轨道构造系数、有无接头及路基状态等因素，对不平顺的进展速率进行回归分析得到了轨道高低不平顺的进站速率。并得出如下结论：1.在隧道内，有仰拱地段的不平顺进展速率较小； 2.在高架桥上，不平顺进展速率比有仰拱的隧道内大；3.60kg 钢轨轨道不平顺进展速率约为50kg 钢轨轨道上的70%。 PWMIS（Permanent Way Management Information System，工务生产管理信息系统）轨道维修预测子系统是建立在轨道管理、数理统计和预测理论基础上的软件工程，其主要组成为：轨道寿命预测模型；模型所包含的数据库；轨道质量状态；轨道修理标准。 轨道寿命预测模型又由若干个轨道部件寿命分析的子系统组成，这些子系统包括：钢轨寿命分析子系统；道床寿命分析子系统；轨道几何状态变化周期分析子系统；失效轨枕报告系统。1.2.1.2 国际铁路联盟国际铁路联盟（International Union of Railways，UIC）研究与实验所（Office for Research and Experiments，ORE）对轨道几何状态的恶化原因、影响因素等基本问题，以及通过现有的或己改良的维修方法控制恶化现象的可能性等因素进行了许多研究。轨道几何状态恶化的影响因素观测分析 ORE的研究人员在英国铁路公司（BR）、瑞士铁路公司（SBB）、法国国营铁路公司（SNCF）的路网上选定了大量的观测点，对轨道不平顺进行了多年的记录，就一个维修周期内轨道几何参数变化的记录进行了一些分析，得出了在第一个初始沉降之后，两次维修作业之间，轨道垂向和横向的质量状态都随通过总重或时间而线性恶化；不同的区段，甚至行车条件、轨道结构等都非常一致的两段轨道，其恶化率却相差甚大；从统计学上来看，不能表明运输类型和轨道结构对轨道质量或恶化率有显著影响。 1.2.1.3 铁道科学研究院铁道科学研究院的罗林等学者长期从事于轮轨相互作用、车辆轨道状态监控管理等方面的维修作业对于改善恶化率基本没有效果研究，对轨道不平顺的产生、发展恶化规律以及相关影响因素做了大量的观测与实验研究，取得了比较丰硕的成果。轨道不平顺发展恶化的一般特性 经过大量的观测与试验统计，罗林等学者对轨道不平顺发展、恶化的一般特性总结有初期变化快，中期变化比较平缓，呈非线性或线性变化；轨道不平顺发展恶化的差异很大；轨道不平顺的发展具有“记忆”重现特性，即对于轨道上发生的较大的不平顺，经过起道捣固维修校正平顺后，通过一段时间列车荷载的作用，在原处重新发展起来的轨道不平顺波形，与维修整平作业以前的不平顺波形极为相似，几乎就是整修前不平顺波形的重现。借鉴加拿大关于TQI 的预测模型，许玉德以时间作为MGT 的等效函数，利用广深线的TQI 数据对线性预测模型进行了拟合。然而，模型的实际预测效果并不理想，主要存在的问题有原始数据中无法消除的TQI 异常点，导致预测结果波动性较大；由于数据的完备性较差，进行长期预测时预测结果往往偏离较大；轨检车存在的里程对位不准问题严重影响预测结果。综合国内外的研究方法和理论成果可以看出，轨道不平顺的研究主要在两个方面运用轨道力学理论分析各相关因素对轨道几何状态变化的影响程度，拟合得出轨道几何不平顺发展变化的计算公式；从统计学的角度分析轨道状态变化的特征，然后根据得出的结论构建适用的预测模型。 部分研究人员偏向于前一种研究方法，希望通过构建“车辆-轮轨”相互作用、“轮轨-轨道”相互作用等工程模型以及大量的计算机仿真演算，分析轨道几何状态变化同各种影响因素之间的相关关系，得出较为合理的计算公式;而另外一部分学者则比较注重运用大量的轨道历史状态数据分析轨道几何形位的变化过程，探索发现轨道几何状态变化的一般规律，进而形成合理的预测方法和思路并应用于工务实践。1.2.2 轨道不平顺的检测的发展早期轨道状态采用人工检测，19世纪70年代出现了轨道检查小车。用人力推行小车和机动的检测小车进行检测。用这些方法检查不能反映轨道在列车车轮荷载作用下的几何状态。因此在19世纪7080年代，欧洲有些国家开始研究在普通客车上装备检测设备，并出现了一些雏型的轨道检查车。20世纪初，俄国、德国和美国铁路正式使用轴重较大的客重式机械轨检车，检测在轮载作用下的轨道几何状态，开创了轨道动态检测新阶段。 最早期出现的轨检车是机械轨检车，他是借助检测车轮、重铊、杠杆、滑轮、弹簧等机件，由钢丝绳直接牵动绘图笔在纸带上记录检测的结果。这种轨检车的检测速度低，误差大。20世纪50年代末，苏、日等国制成电气轨道检查车。此后各种电测装置逐渐取代了机械检测系统。70年代以前的轨检车，都用弦测法和接触检测小轮来测量轨道的不平顺状况。弦测法的测量值随测量弦的长度与轨道不平顺波长的比值变化，测得的高低等波形，往往与实际轨道不平顺情况有较大的差异。接触检测小轮在高速时，因惰性等影响，误差较大。近十多年来,由于行车速度提高,运量增大，需进一步提高轨道的不平顺性，要求更准确地测出轨道不平顺波形，因而促进了轨道检测新技术的发展。70年代前期，美、英、日等国相继采用惯性基准、无接触检测等先进技术，研制成功用电子计算机自动处理检测数据、能如实地反映轨道状态、检测速度达每小时200公里的现代化高速电子轨道检查车。 近年来，各国使用的现代轨道检查车由检测和数据处理系统、 发电供电系统、空气调节系统、仪表工作室、了望台以及走行转向架等几部分组成。其检测项目有轨道的高低、水平、三角坑、方向、轨距，以及里程和行车速度等。有的还能测量曲线超高、曲率，以及高低方向等轨道不平顺的变化率、曲线通过的均衡速度等。还有些现代轨检车通过测量车体和轴箱的振动加速度、轮轨作用噪声，以及轮轨间的垂直力、水平力、脱轨系数等，为更全面地评价轨道的状态提供依据。现代轨检车能及时提供直观反映轨道状态的波形图，并能提供经车载计算机处理打印成的轨道状态报告表，以及记录在磁带上的轨道状态资料等。有的还可在轨道状态严重不良和需紧急补修的地方，直接在轨道上喷上颜色标记。将磁带记录送地面计算机进一步处理，便可编制出各种轨道状态管理图和轨道整修作业计划表。中国于1953年试制成功第一辆自己设计的客车式机械轨检车。 1971年又制成客车式电气轨检车。图2为1971年中国制成的“TSK22”型电气轨道检查车。这种电气轨检车长约26米,自重约62吨,能同中国的特快列车联挂进行检测。这种电气轨检车采用旋转变压器作位移传感器，借助三个轮对所构成的18.5米不对称弦测量轨道高低，用三轴转向架的三个轮对构成的 3.4米对称弦测量钢轨接头低陷；轨道水平状态由陀螺装置测量，三角坑由相距15.1米的两个轮对测得。测量结果用电磁笔记录仪记录在纸带上。70年代中期，中国开始进行轨检新技术的研究，现已先后研制出能测量轨道高低、水平、轨面不平顺的“惯性基准轨道不平顺检测装置”和“轨道超高检测装置”、“充电式轨距检测装置”、“多功能振动检测装置”等新装置。目前正在进一步研制用这些新装置和其他先进设备（如电子计算机等）装备的新型轨道检查车。1.2.3 轨道不平顺的数据管理系统的发展轨道不平顺的数据管理系统主要是对轨检车检测到的数据进行管理，分析。以此来方便的完成对轨道质量的评价以及预测等功能。随着信息技术的快速发展。由于检测而得到的大量数据目前大多由数据库来管理保存。数据管理系统发展分为三个阶段：1.2.3.1 人工管理阶段20世纪50年代中期以前，计算机主要用于科学计算，这一阶段数据管理的主要特征是：a)数据不保存。由于当时计算机主要用于科学计算，一般不需要将数据长期保存，只是在计算某一课题时将数据输入，用完就撤走。不仅对用户数据如此处置，对系统软件有时也是这样。b)应用程序管理数据。数据需要由应用程序自己设计、说明和管理，没有相应的软件系统负责数据的管理工作。c)数据不共享。数据时面向应用程序的，一组数据只能对应一个程序，因此程序与程序之间有大量的冗余。d)数据不具有独立性。数据的逻辑结构或物理结构发生变化后，必须对应用程序做相应的修改，这就加重了程序员的负担。1.2.3.2 文件系统管理阶段20世纪50年代后期到60年代中期，这时硬件方面已经有了磁盘、磁鼓等直接存取存储设备；软件方面，操作系统中已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统；处理方式上不仅有了批处理，而且能够联机实时处理。用文件系统管理数据具有如下特点：1.数据可以长期保存。由于大量用于数据处理，数据需要长期保留在外存上反复进行查询、修改、插入和删除等操作。2.由文件系统管理数据。1.2.3.3 数据库系统管理阶段20世纪60年代后期以来，计算机管理的对象规模越来越大，应用范围有越来越广泛，数据量急剧增长，同时多种应用、多种语言互相覆盖地共享数据集合的要求越来越强烈，数据库技术边应运而生，出现了同一管理数据的专门软件系统数据库管理系统。1.3 论文研究的主要内容本论文根据铁路的检测技术及数据管理系统，引申到城市轨道交通系统中，并对各种轨道检测手段进行了研究探讨，设计研究出轨道不平顺的数据管理系统，使其能够满足城市轨道交通的使用需要。2 轨道不平顺的理论2.1 轨道不平顺的概念轨道不平顺是指两根钢轨在高低和左右方向与钢轨理想位置几何尺寸的偏差。轨道不平顺对机车车辆系统是一种外部激扰，是产生机车车辆系统震动的主要根源。轨道不平顺随机变化规律的函数描述，是机车车辆与轨道系统动力分析的重要基础资料，这种动力分析是现代机车车辆和轨道设计、养护和质量评估的重要手段。2.2 轨道不平顺的局部描述2.2.1 轨道不平顺的零线和幅值把相同轮载作用下, 平坦轨道各点位移量相等的平顺状态, 定为轨道不平顺的零线。轮轨接触点对于轨道平顺状态零线的偏离值, 称为不平顺的幅值, 偏离零线的上方为正, 下方为负。电测时应以峰值表来计量。2.2.2 轨道不平顺波长在评定轨道不平顺随机波形的局部特征时难以分辨其波长, 相对而言1/4波长L比较容易近似地分辨, 故规定轨道不平顺波长为波形与零线的交点至波峰的距离。数值较大的称长的不平顺，数值较小的称短的不平顺。2.2.3 轨道不平顺的变化率和平均变化率轨道不平顺或的一次微分，即不平顺的变化率，将测得的轨道不平顺模拟电量经微分放大器即可得到。数字计算时用采样点的幅值差和距离差的比值来表示，并称为“采样点变化率”平均变化率能近似反应轨道不平顺波长的影响。2.2.4 谐振波形起伏三次以上的周期性连续不平顺波形，其波长与速度缩决定的激振频率与机车车辆的自振频率相同者，称为引起车辆共振的“谐振波形”图2.1 谐振波形2.3 轨道不平顺的统计描述所有实际存在的轨道不平顺都不是以往轮轨相互作用研究中所假定的单一的简谐波, 三角形波, 抛物线形波等等, 而是由许多无法预知的不同频率, 不同幅值、不同相角的简谐波叠加而成的复杂的随机波, 是里程的函数, 也常视为幅值随机波动的时间历程如图3.1所示, 并且, 在某段轨道上测得的记录, 只是整个轨道不平顺“ 样本函数” 总体的一个“ 样本记录” , 不一定能代表随机干扰过程“ 样本函数” 总体的特征。所以, 轨道随机干扰函数实际上不能用一个明确的数学关系式来表示, 也不能象表达正弦波特性那样用某一个确定的“ 峰值” 、“ 波长” 、“ 相角” 把轨道不平顺的特征描述清楚应该用这些统计函数来考查评价轨道的不平顺状态及机车车辆和轨道的振动特性, 只有这样才能从复杂的随机现象中发现掌握一些重要的规律。 以里程为横坐标的轨道不平 以时间为横坐标的轨道不平顺波形 顺波形 图2.2 轨道不平顺样本记录的两种表示法2.3.1 功率谱密度函数功率谱密度函数（或称自谱密度函数）是通过均方值的谱密度对随机数据频率结构的描述，它与物理力学，电学系统的基本特征有重要关系，是研究随机振动各频率和波长成分的统计含量、给定环境条件、描述轨道干扰函数特征的最重要的统计函数。在工程实际中、某段轨道不平顺平稳样本记录或的功率谱密度估计值定义为：（或）在频率到微小频带宽度内的均方值除以带宽（2.1）2.3.2 自相关函数和自相关系数自相关函数是描述随机变量在不同时刻t取值之间的相关程度，轨道不平顺随机过程或的自相关函数定义为乘积或的总体平均，是从时空域上对轨道不平顺的描述。对于各态经历的随机过程，自相关函数与具体的时间t值无关，知识时间间隔的函数，可用某段轨道不平顺记录的时间平均来代表总体平均的特征。轨道不平顺样本记录在时刻和上的自相关函数估计值可表示为：（2.2）2.3.3 概率密度函数和“P值”概率密度函数是在幅值域上对随机过程幅值特征的统计描述, 表示瞬时数据值落在某指定范围的概率, 是从统计上说明各种量值在总体中所占的比例。2.4 轨道不平顺的分类轨道不平顺包括四种类型：a) 轨道前后高低不平顺，它是指实际的轨道中心线与理想的轨道中心线沿长度方向的垂向几何位置偏差。b) 轨道水平不平顺，它是指左右钢轨沿长度方向的垂向高度差。c) 轨道方向（轨向）不平顺，它是指实际的轨道中心线与理想的轨道中心线沿长度方向的水平几何位置偏差d) 轨距不平顺，它是指实际的轨距与名义轨距的偏差。尽管轨道不平顺分为四类，但这些不平顺并非独立, 而是相互依存。如方向不良的轨道, 则一定存在轨距不平顺; 同样, 如果高低不平顺的轨道, 则也一定存在水平状态不良。轨道不平顺的两个重要参数是幅值和波长。目前在对轨道不平顺的管理中, 对幅值的控制较为重视, 也有有效的措施, 而对波长的控制则显得较为薄弱, 在列车提速条件下, 更为突出。2.5 轨道不平顺的的原因及其危害轨道不平顺的产生有几种原因分别是周期性轨道不平顺是由于轨道接缝形成的以轨长为波长的不平顺。随机不平顺是由于轨道的铺设、维护保养产生的误差和轮轨磨耗所产生的不平顺，它因时因地而有所不同。局部不平顺是由于线路的特定结构（如道岔、转让线、侧线、缓和曲线、分岔线、桥梁等）或偶然地点（如线路的局部病害）产生的不平顺。轨道不平顺会引起城轨车辆的振动，严重时会引起脱轨，而城轨车辆对舒适度的要求比较高，随着城轨在城市中的线路长度不断的增加，人长期处于振动环境中，不仅会引起疲劳，还会发生人体内部器官及全身组织与外界振动共振或谐振的可能。所以轨道不平顺会引起乘坐舒适度的下降。另外城市轨道交通对噪音也有一定的要求，轨道不平顺引起车辆振动进而引起噪音的增大，造成城市噪音污染。轨道不平顺随机变化的规律的函数，是机车车辆与轨道系统动力分析的重要基础资料，这种动力分析是现代机车车辆和轨道设计、养护和质量评估的重要手段。在不同运行条件下, 合理地控制轨道不平顺类型、波长和幅值, 从而提高列车运行品质, 提高工务部门对线路的维修养护效率, 是当前轨道维护部门需解决的重要问题。3 轨道不平顺的检测3.1 轨道不平顺的测量方法获得轨道随机干扰函数的唯一途径是实测, 而测定方法对子取得结果的真实性有很大的影响。目前世界各国采用的测量方法主要有以下五种：a) 弦测法b) 惯性位移法又称振动质量法c) 轴箱加速度积分法（也是属于惯性基准原理的一种方法）d) 轴箱加速度快速傅里叶变换法e) 质量弹簧系统加速度积分与位移相加法, 简称“ 惯性基准法”3.1.1 弦测法由于在行进中的检测车上找不到静止不动的测量基准线, 因此, 多年来世界各国大都采用“ 弦测法” 进行测量, 所谓“ 弦测法” , 就是利用图3.1所示A,C两轮与轨道接触点的连线弦ac作为测量的“ 基准线” , 将B轮与轨道接触点b偏离这一弦线的数值b1作为轨道不平顺的测量值,弦测值b1通过测量A,B ,C 三轮的轴箱相对于车体主梁的位移按下式计算求得（3.3）右轨左轨理想位置实际位置2A2AI/2I/2图3.1 弦测法测量轨道不平顺显然被当作测量“ 基准线” 的弦ac是随轨道的高低不平而起伏变动的, 这就使得“弦测法” 不能正确反映轨道的高低不平。弦长作为一个基准量可以自己定义。在弦侧法的应用上最典型的是日本的East-i电气轨道综合检测列车，以最新的E926型East-i最具代表性。East-i是在早期Dr.Yenow基础上进一步改进而成的，为6辆编组动车组，可以检测轨道几何参数、接触网、通信信号、轮轨作用力环境噪声等内容，最高检测速度275km/h。各检测系统可独立完成检测工作，整个检测列车在速度、时间和单程位置上保持同步。3.1.2 惯性位移法是用测量车体或质量块与轴箱间相对位移W来得到轨道垂向不平顺的一种方法。 （3.4）传递函数可由质量弹簧系统的振动微分方程推得。轨道不平顺车体位移传感器W轴箱图3.2 惯性位移法原理图与不平顺波长和车速所决定的不平顺频率有关。只把不平顺的频率比车体自振频率高得多时, 传递函数才为1, 因此这种方法长的不平顺，只能用来测量波长较短的不平顺。3.1.3 轴箱加速度积分法这一方法是用测量轴箱加速度经二次积分模拟运算和高通滤波得出轴箱位移轨迹图（即轨道的不平顺）。在理论上能够满足测量要求。轴箱加速度模拟重积分高通滤波轴箱位移（即轨道不平顺）图3.3 轴箱加速度积分法流程图但是由于轨道不平顺引起的轴箱加速度动态范围太大,例如当速度为100公里小时时, 波长0.1米幅值为1毫米的正弦形不平顺所引起的轴箱加速度为311g, 轴箱振动频率为278Hz。而波长50米幅值为1毫米的正弦形不平顺所引起的轴箱加速度仅为0.0013g, 频率为0.56Hz, 若要测出0.1米至50米波长的不平顺, 分辨精度1毫米, 则需要测量的加速度动态范围是0.0013g至311g（最大最小值相差达25万倍）频率范围是0.56Hz278Hz。目前的传感器和电测仪器均无法在这样大的动态范围内保证必要的分辨精度。因此这种方法由于电测技术上的困难不能满足需测波长范围的要求。3.1.4 轴箱加速度快速傅里叶变换法（FFT法）这种方法是70年代快速傅里叶专用电子计算机出现以后的一种新方法。将轴箱加速度经快速傅里叶变换得到加速度频谱和功率谱密度、位移功率密度, 再经快速傅里叶逆变换得到轨道不平顺。这一方法已为欧洲部分国家采用。这一方法的优点是能克服“ 弦测法” 所固有的严重缺陷, 能直接得到轴箱加速度的功率谱密度和位移谱密度。缺点是要求测定时行车速度相等, 并需要价格贵, 动态范围很宽的快速傅里叶变换专用电子计算机。轴箱加速度 FFT FFT 变换 逆变换 加速度频谱 加速度功率谱密度 位移功率谱密度 轨道不平顺图3.4 轴箱加速度快速傅立叶变换法流程图3.1.5 惯性基准法“惯性基准法” 克服了“ 弦测法” 的严重缺陷, 解决了“ 振动质量法” 、“ 轴箱加速度积分法” 不能满足需测波长范围要求等问题, 能比较如实地反映0.1米50米波长范围的轨道不平顺。其缺点是由于高通滤波器的影响, 在10公里/小时以下低速测量长的不平顺时误差较大, 遇台阶形不平顺时, 基线产生局部扭曲（图3.5）, （这一缺点凡使用高通滤波器的如轴箱加速度积分法等都同样存）在比较而言惯性基准法是一种先进适用的方法。60年代美国、加拿大、苏联等国开始研究试用, 70年代中期达到实用化阶段, 美国和英国的高速轨道检查车正式装备使用。铁研院与502所等单位协作。ABBBCDCC25m正向测得逆向测得台阶形不平顺10m图3.5 高通滤波器的影响，台阶行不平顺基线局部扭曲的实例惯性基准法的原理如图3.6所示, 车轮轴箱的上下运动H即轨道的高低不平顺的等于质块M的上下运动及质块Z与轴箱间相对位移W之和,即：轨道不平顺加速度传感器质块M阻尼位移传感器轴箱WZH（3.5）图3.6 惯性基准法原理图铁研CP3型轨道不平顺检测装置由机械减震装置、加速度、位移传感器及实现积分、相加、比例修正、高通滤波的电子装置等三大部分组成。测量垂直方向轨道不平顺时, 机械减震装置垂直装在转向架构架上, 若将机械减震装置水平装在轴箱上即可测得轴箱横向蛇行运动的轨迹, 再与轨距检测装置测得的轮缘与轨头侧面的距离相加, 便能得到轨道的方向不平顺。ENsco公司以惯性基准法为基础研制了技术先进的T10型轨检车，用于抽查各铁路公司的运行情况游进发，美国ENSCO公司生产的捷联式轨道检测系统，该系统采用惯性基准测量原理和无接触测量方法，应用光电、伺服、数字滤波、局域网技术，最近还增加了钢轨断面测量系统，检测速度达192kmh。3.2 检测方法的优劣(a)弦测法：检测车上找不到静止不动的测量基准线, 而这种方法以弦长作为一个基准量可以自己定义，所以应用广泛但这就使得“弦测法” 不能正确反映轨道的高低不平。(b)惯性位移法：惯性位移法弥补了弦测法不能检测高低不平顺的缺点，但其只能用来测量波长较短的不平顺。(c)轴箱位移法：轴箱位移法能够通过高通滤波得出轴箱位移轨迹图，较为直观，但轨道不平顺引起的轴箱加速度动态范围太大，无法保证测量精度。(d)轴箱加速度快速傅里叶变换法：这种方法的优点是能克服“ 弦测法” 所固有的严重缺陷, 能直接得到轴箱加速度的功率谱密度和位移谱密度。缺点是要求测定时行车速度相等, 并需要价格贵, 动态范围很宽的快速傅里叶变换专用电子计算机。(e)惯性基准法：惯性基准法克服了“弦测法” 的严重缺陷, 解决了“ 振动质量法” 、“ 轴箱加速度积分法” 不能满足需测波长范围要求等问题。其缺点是由于高通滤波器的影响, 在10公里/小时以下低速测量长的不平顺时误差较大, 遇台阶形不平顺时, 基线产生局部扭曲。4 轨道不平顺数据管理系统4.1 数据管理系统数据管理是利用计算机硬件和软件技术对数据进行有效的收集、存储、处理和应用的过程。其目的在于充分有效地发挥数据的作用。实现数据有效管理的关键是数据组织。随着计算机技术的发展，数据管理经历了人工管理、文件系统、数据库系统三个发展阶段。在数据库系统中所建立的数据结构，更充分地描述了数据间的内在联系，便于数据修改、更新与扩充，同时保证了数据的独立性、可靠性、安全性与完整性，减少了数据冗余，故提高了数据共享程度及数据管理效率。数据库（Database）是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库。数据库具有如下特点：a) 实现数据共享；b) 减少数据的冗余度；c) 数据的独立性；d) 数据实现集中控制；e) 数据一致性和可维护性；f) 故障恢复。作者通过使用delphi连接sql2000数据库编写轨道不平顺数据管理程序功能包括数据的录入，删除，表中数据的计算，以及绘图功能。Delphi，是Windows平台下著名的快速应用程序开发工具(Rapid Application Development，简称RAD)。Delphi是一个集成开发环境（IDE），使用的核心是由传统Pascal语言发展而来的Object Pascal，以图形用户界面为开发环境，透过IDE、VCL工具与编译器，配合连结数据库的功能，构成一个以面向对象程序设计为中心的应用程序开发工具。SQL Server 是一个关系数据库管理系统。它最初是由Microsoft、 Sybase 和Ashton-Tate三家公司共同开发的。数据库引擎是SQL Server系统的核心服务，负责完成数据的存储、处理和安全管理。4.2 轨道不平顺数据管理轨道动态不平顺局部管理又叫峰值管理，是根据轨检车检测出的各级超限数据，不同超限等级扣不同的分数，最后按公里汇总统计每一公里的扣分数进行管理的。轨检车的检查指标包括轨距、水平、高低、轨向、三角坑、车体水平加速度和车体垂直加速度等七项。轨距：指钢轨顶面下16mm范围内两股钢轨作用边之间的最小距离水平：指线路左右两股钢轨顶面的相对高度差。高低：指左(右)钢轨轨顶面沿轨道纵向的凹凸不平。轨向：指左(右)股钢轨轨距测量点平面位置沿轨道纵向的横向凹凸不平。三角坑：指一定间距的两组横向水平之差，反映了轨道平面的扭曲程度。车体水平加速度(简称水加):反映列车运行过程中，车体在横向的晃动程度，是车体对轨道不平顺的一种综合反映。车体垂直加速度(简称垂加)：反映列车运行过程中，车体在竖直方向的晃动程度，是车体对轨道不平顺的一种综合反映。轨道不平顺的各项参数是由轨检车检测而得，他的数据量十分的庞大且轨道不平顺的参数能够一定程度的反应列车运行的状况，舒适度，对列车的安全运行也有着很大的影响，所以需要建立轨道不平顺的智能化管理，用计算机完成存储，处理数据的任务。轨道不平顺的参数包括7项，此处作为样例只做了轨距、高低、水平三项指标。4.2.1 录入界面布置Delphi中有许多实用的控件，将要使用到的控件放入到窗口中。图4.1 轨道不平顺录入界面控件说明：其中：ADOConnectionADOTableDatesourceMainMenuRadioButtonLabelDateTimeker Button各个控件的作用将在各个章节中介绍。4.2.2 轨道不平顺数据字段及类型定义在sql2000中新建数据表格，取名gdbps并设计表格如下：表5.1 轨道不平顺数据类型字段中文名称类型ID编号IntData观测日期DatetimeDelay day相隔天数IntDated累计间隔天数FloatGj轨距不平顺FloatSp轨道水平不平顺FloatGd轨道高低不平顺FloatIDX辅助列Int其中Data(观测日期)为表格主键不允许为空且数据表会自动按照主键进行排序，IDX为ID编号的辅助列，为常值1，Data、GJ、Sp、Gd为已知量，其余量需要通过计算求得。4.1.3 delphi与数据库的连接打开delphi，新建一个工程application，添加一个adoconnection控件在窗口Form中，双击adoconnection控件，单击build，在OLE DB提供程序中选择sql server如图4.2所示图4.2 delphi连接sql设置在服务器名称中输入sql服务器的名称，选择数据表所在的数据库，确定后就完成了delphi与sql数据库的连接。此时仅仅完成了delphi与数据库的连接，但数据库中许多的表格，为了能够取出其中所需的表格使用adotable控件，在其properties中的connection属性选择ADOConnection1，并在TableName属性的下拉菜单中选择gdbps。这样就完成了表格的连接。4.1.4 数据表的显示Delphi中DBGrid控件是用于数据表格显示的控件，但其无法直接与ADOTable连接，此时就需要DateSource控件用于做中间的连接，添加DateSource控件，设置其DateSet属性为ADOTable1即从ADOTable1中取表格数据。设置DBGrid的DateSource属性为DateSource1，最后将ADOTable1的Active状态改为True此时就激活了cjb，在DBGrid中就会显示沉降板的表头。由于sql2000数据库定义字段无法为中文，故还需修改各个字段的caption将各个字段中文显示。双击DBGrid并电击Add all Fields会显示所有的字段如图4.3所示图4.3 沉降板表格字段其中IDX为辅助列，不希望其显示在表格中，故将其删除，其他字段在propeties-Title中将Caption修改为各自的中文名称。最终效果如图4.4所示（表中数据为后期添加，原始状态并无数据）图4.4 轨道不平顺数据表格由于表格中的数据可能会在其他情况下进行修改，所以添加一个更新按钮，其原理是重新开启一下ADOTable接受实时信息。代码如下：4.1.5 数据的编辑4.1.5.1 数据的录入与删除ADOTable控件除了具有连接数据表格的作用外，还具有表格数据的录入及删除功能。ADOTable的修改指令为ADOTable.edit,录入指令为ADOTable.append，提交指令为adotable1.post。用以上几条指令，配合edit控件便可以实现数据的修改录入功能。数据录入激活用按钮BitBtn1来实现，使用RadioButton控件来选择操作的类型。数据录入时，先使用插入指令，使adotable进入添加数据的状态，然后在通过adotable控件对表格中的各个字段别进行赋值。最后使用post指令将添加的数据上传到sql数据库。其中DateTimePicker1输入的数据类型为时间（Tdatetime）专用与录入数据中的时间字段。数据录入的原理：将数据表中的Field赋值为edit（或DateTimePicker）控件中的信息，达到数据录入的功能。同样，数据删除也使用同一个按钮控件BitBtn1，但操作类型选择为RadioButton3作为删除信息的选项。先输入编辑命令，让adotable控件进入可编辑状态然后使用删除指令。代码如下：4.1.5.2 数据修改Delphi中表格DBGrid只要指点在里面点击就会自动将指针移向所选中的行，同样先进入编辑状态，然后对表格的每个字段分别重新赋值，在BitBtn1click响应下添加如下代码：但在实际使用中，修改数据不一定要修改所有的数据，所以在单击表格数据行时，让表格数据显示与参数修改框内并对参数信息的时间控件设置焦点，便于迅速修改。在做过数据的录入或者删除就激活了RadioButton控件，且其不能通过电击取消高亮。此时还需用DBGrid中onclick响应做一个联锁，即在选择修改行的时候取消RadioButton的高亮。单击DBGrid在events的onclick响应中添加oncellclick函数，代码如下：若要连续删除数据，只需选择第一个需要删除的行，然后点击删除数据的radiobutton，之后不断点击确定就能不断的删除选择行下面的数据。4.1.6 界面的操作在进入界面后由于ADOTable的active处于true状态故会直接显示数据表，在操作类型中选择相应的选项可以进行相应的操作。(1)添加数据操作:选择操作类型添加数据，edit会自动清空数据并给予焦点相关代码如下:把所需的数据写入edit中然后单击确定按钮，数据就进入到数据库中，并且写入的数据会按照时间进行排序（由小至大）（2）删除数据由于单击表格后就会自动取消radiobutton的高亮，所以必须先选择所要删除的行，然