（交通运输规划与管理专业论文）铁路线路轨道动态不平顺变化特征研究.pdf

中文摘要 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。本文利用 轨检车历史波形数据，对单里程点处的轨道动态不平顺状态变化特征进行了研究， 以不平顺状态变化特征为依据，建立了一种描述轨道不平顺状态演变过程的模型， 为建立轨道状态预测模型、制定经济合理的养护维修计划提供技术支持。 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。由于现 场缺少利用波形数据分析轨道状态的工具和没有可用的存储工具，导致9 9 的轨 道检查原始数据都被“扔掉 了。本文在深入研究轨检车检测频次、采样频率和 检测波形数据文件格式基础上，研究了如何用数据仓库技术和o r a c l e 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。 在轨道不平顺变化规律研究上，国外大都是通过分析积累的大量轨检车历史 检测数据，建立适合各自特征的轨道不平顺状态预测模型。由于影响轨道状态的 因素较多而且千变万化，导致不同里程点的变化规律也不同。为了建立适合我国 路情的轨道状态预测模型，本文利用成昆线在昆明铁路局管内和京沪线上下行在 济南铁路局管内的轨检车波形数据，对里程点处的轨道动态不平顺状态各项指标 的变化特征进行了研究，发现了轨道动态不平顺状态变化过程具有周期性、指数 性和阶段性变化特征，为轨道状态变化规律研究奠定基础。 本文依据轨道动态不平顺状态变化特征，建立了一种描述轨道动态不平顺状 态演变规律的多阶段线性拟合模型，并且利用成昆线和京沪线上下行的轨检车波 形数据对该模型进行了验证。 关键词：铁路；轨道；动态不平顺；检测；波形数据；拟合 分类号：u 2 1 3 2 ：u 2 1 6 3 a b s t r a c t t r a c ki r r e g u l a r i t yi st h ep r i m a r yc a u s ef o rp r o d u c i n gv i b r a t i o no fl o c o m o t i v ea n d c a ra n ds h a r ef o r c eb e t w e e nw h e e la n dr a i l ，a n dt h ei m p o r t a n te m b o d i m e n ti n c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ea n dc a r r y i n gc a p a c i t yf o rt r a c ki n f r a s t r u c t u r e t h eb a d t r a c ki r r e g u l a r i t yw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es a f e t yo ft r a n s p o r t a t i o n ，t h et r a v e lc o m f o r t l e v e l ，t h ee q u i p m e n t ss e r v i c el i f ea n dt r a c km a i n t e n a n c ee x p e n d i t u r e t h i sp a p e rh a s m a d eas t u d yo fv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c kd y n a m i ci r r e g u l a r i t ya to n ep o i n t , u s i n g h i s t o r i c a lw a v ed a t af r o mt r a c kg e o m e t r yc a r , a n db u i l tam o d e lf o rd e s c r i b i n gt h e i r r e g u l a r i t y se v o l u t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h i sc a l lp r o v i d e t e c h n i c a ls u p p o r tf o re s t a b l i s h i n gt r a c ks t a t e f o r e c a s t i n gm o d e la n dm a k i n ga n e c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l et r a c km a i n t e n a n c es c h e d u l e u s u a l l yt h e r ea r es e v e r a ld i f f e r e n tt y p e so fd a t aw h i c hc a nr e f l e c tt h ec u r r e n tt r a c k s t a t e a m o n gt h e s ed a t a , t h ew a v ed a t af r o mt r a c kg e o m e t r yc a rc a l lr e f l e c tt h er e a lt r a c k s t a t em o r ea c c u r a t e l y d u et ot h el a c ko ft o o l sf o ra n a l y z i n gt r a c ks t a t ea n ds t o r i n gd a t a , t h e r ea r ea b o u t9 9 o fw a v ed a t ad i s c a r d e d o nt h eb a s e so ft h er e s e a r c ho ni n s p e c t f r e q u e n c y , s a m p l i n gf r e q u e n c ya n dw a v ed a t af o r m a t ，t h i sp a p e rh a sc a r r i e do na r e s e a r c ho nh o wt ou t i l i z et h ed a t aw a r e h o u s ea n do r a c l ed a t a b a s et os t o r et h e s e m a s s i v ew a v ed a t a t h i sc a ns o l v et h es t o r a g ea n dm a n a g e m e n to fw a v ed a t af r o mt r a c k g e o m e t r yc a ra n dp r o v i d et h ew a v ed a t af o r t h es t u d yo nt h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t r a c ki r r e g u l a r i t ys t a t e f o rt h ei n v e s t i g a t i o no nc h a n g el a wo ft r a c ks t a t e ，i n v e s t i g a t o r sf r o mf o r e i g n c o u n t r i e s ，a l w a y sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，b u i l dt r a c ks t a t e f o r e c a s t i n gm o d e l b e c a u s eo ft h em y r i a d so fc h a n g e so nm a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r so f t r a c ks t a t e ，d i f f e r e n tp o i n ti nar a i l w a yl i n eh a st h ed i s t i n c tv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s f o r b u i l d i n gt h et r a c ks t a t ef o r e c a s t i n gm o d e l ，t h i sp a p e rh a sd o n er e s e a r c ho nt h ev a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c kd y n a m i ci r r e g u l a r i t ya to n ep o i n t ，u s i n gt h ew a v ed a t af r o m t r a c kg e o m e t r yc a l , i nc h e n g k u nl i n e ，j i n g h uu pl i n ea n dj i n g h ud o w nl i n e ， b e l o n g i n gt ok u n m i n gr a i l w a yb u r e a ua n dj i n a nr a i l w a yb u r e a u ，a n dh a sf o u n do u t t h a tt h ee v o l u t i o no ft r a c ks t a t eh a st h r e em a i nv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ：p e r i o d i c ， e x p o n e n t i 羽a n dm u l t i - s t a g e t h i se s t a b li s h e st h ef o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho ft h e c h a n g el a wo ft r a c ks t a t e a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c kd y n a m i ci r r e g u l a r i t y , t h i s l v p a p e rh a se s t a b l i s h e dam u l t i - s t a g el i n e a rf i t t i n gm o d e lf o rd e s c r i b i n gt h ei r r e g u l a r i t y s e v o l u t i o n , a n da l s oh a sv e r i f i e dt h i sm o d e lu s i n gt h ew a v ed a t ai nc h e n g k u nl i n e ， j i n g h uu pl i n ea n dj i n g h ud o w nl i n e k e y w o r d s ：r a i l w a y ；t r a c k ；d y n a m i ci r r e g u l a r i t y ；i n s p e c t i o n ；w a v ed a t a ；f i t t i n g c l a s s n o ：u 213 2 ：u 21 6 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 综鹇 签字日期：沙7 年月i 2 - e i 新虢氛l 侣秀 签字吼声中易月，珀 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 时光流逝，转眼三年就过去了。在这三年的学习、研究和生活中，有过彷徨， 有过迷茫。但在父母、老师、同学和朋友的帮助下，在自己的不懈努力下，最终 非常充实的过完了这三年里的每一天，顺利地完成了硕士阶段的学习和科研任务， 取得了一点点进步。在此向所有关心、帮助、支持和理解我的人表示衷心的感谢， 谢谢你们! 在这三年里，我的导师刘仍奎副教授，不仅教会了我如何学习，如何做研究， 如何解决实际问题，还教会了我做人处世的准则。他严谨的治学态度、孜孜不倦 的敬业精神和诲人不倦的教书育人态度，在我完成论文的过程中得到了充分的体 现。从本论文的选题、数据资料的收集、研究工作的开展、论文无数遍的修改讨 论到最终装订成稿，无处不凝聚导师的心血和汗水。在此，再次向我的导师刘仍 奎老师表示最衷心的谢意。 另外，在论文撰写过程中，得到了交通运输学院孙全欣教授、王福田副教授、 方圆研究员的帮助。实验室的刘婷婷、常欢、郭然、李中海、汤国防、黄远春、 柳波等同学都给我提出了建设性意见。在此，向你们表示我的感激之情。 最后，再次向这么多年来一直给与我关怀、帮助，支持和鼓励的父母及其他 亲人，向我的女朋友姜黎及其家人，表示我最诚挚的谢意，你们辛苦了! l 绪论 轨道不平顺是轮轨系统的激扰源，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i l 】。轨道不平顺状态的正确 与否，对机车车辆的安全运行、乘客的旅行舒适度、设备的使用寿命和养护费用 起着决定性的作用1 2 1 。轨道不平顺根据是否有机车车辆荷载作用，可以分为线路动 态不平顺( 后文如果没有特别说明，简称为轨道不平顺) 和线路静态不平顺1 2 j 。线 路动态不平顺是指在行车条件下轨道的动态质量反映，反映了轨道塑性变形和弹 性变形的总和【2 1 ，目前，我国主要通过轨道检查车( 简称轨检车) 进行检测。静态 不平顺是指无行车条件下轨道的静态质量反映l 引，反映了轨道的弹性变形，目前， 我国主要通过轨道检查仪( 简称轨检仪) 进行检测。为保障列车安全快速运行， 满足旅客运输舒适度要求，轨道质量状态必须符合各种技术标准。对轨道进行大 修和维修，以不断保持和提高轨道质量状态，使其经常处于良好状态，符合规定 的技术标准，并最大限度地延长各项设备的使用寿命p l 。 作者结合工务安全生产实践，详细分析了研究“轨道不平顺变化特征 的意 义。查阅了与该研究主题相关的国内外文献，重点分析了日本、加拿大和我国的 研究成果。在此基础上，结合我国路情，阐述了我国在轨道不平顺状态变化规律 研究上存在的问题。针对这些问题，最终形成了本文的主要研究内容。 1 1 研究的背景和意义 目前，我国铁路主要采用“故障修”和“周期修”的管理模式，轨道各项技术指标 超过相应管理标准或者轨道使用达到铁路线路修理规则上规定的维修周期， 则安排进行相应的修理。 至2 0 0 8 年，我国铁路在1 0 年里共组织实施了6 次提速，列车运行的速度、 密度和质量都有较大幅度提高，甚至已经达到或超过了世界铁路既有线提速的先 进水平。网络统计资料显示：第六次提速后铁路客货运输能力分别提高了1 6 和 1 8 ，提速后九条干线上列车开行速度在2 0 0 k m h 以上。文献【2 】显示铁路第四次 提速后许多区段允许速度在1 4 0 1 6 0 k m h ，工务部门可用的维修时间每个工作日只 有2 0 0 m i n ，并且按照铁路线路修理规则要求每个工区需要1 3 人员去作防护 工作，因此经过第6 次提速，必然较大幅度的压缩工务部门可用的维修时问。同 时，根据铁道部统计资料可以发现，提速后轨道状态恶化趋势加快，病害隐患加 速呈现，为了保障铁路运输安全和顺达，势必增加部门维修工量。这使得铁路工 l 务部门可用的“维修时间”与增加的“维修工作量”这一矛盾更加突出。 为了缓解这一突出矛盾，工务部门经过多年的经验积累，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。 铁道部部长刘志军在2 0 0 7 年6 月2 4 日的讲话中提出铁路工务部门对设备状 态要实现“零误差”管理，日常养护维修应该是以轨道状态为基础的状态修。在2 0 0 7 年1 2 月2 7 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2 0 0 8 年1 2 月1 8 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。 然而，由于没有可以预测设备状态的工具，为了实现设备状态“零误差，保 障铁路运输安全，工务部门组织实施了过剩的维修。2 0 0 7 年全路共组织捣固提速 线路2 3 2 1 6 公里，提速道岔6 7 5 2 组，打磨钢轨6 7 3 3 公里，打磨道岔3 8 8 3 组，清 筛道岔1 0 9 8 组i l l 】。 如何实现设备技术状态的“零误差”管理和日常养护维修模式的转变，这不仅是 我国工务部门和从事工务设备状态研究的科研机构需要解决的难题，世界其他国 家也同样面临这个问题。 到目前为止，国内外已有许多研究人员针对这一难题做了大量的研究，并且 提出了各种预测轨道不平顺状态的方法模型，例如：日本学者提出的轨道状态预 测s 式、线性退化模型和非线性退化模型等，加拿大p w m i s 线性预测模型，国际 铁路联盟铁路技术研究所( o r e ) 高低不平顺标准偏差的非线性模型，中国学者 提出的预测轨道质量指数的线性和非线性预测模型。然而，影响轨道不平顺发展 的因素较多，例如：通过总重、平均速度、构造系数、路基状态等1 6 j 。这些因素相 互影响，且在不同国家、同一国家不同线路、同一线路不同区段、同一区段不同 时间对轨道状态的影响程度都是不同的。本文利用轨道检查车( 简称轨检车) 历 史波形数据分别分析五项轨道不平顺指标的变化特征，针对各项指标分别建立能 够适应各自变化特征的轨道状态预测模型，为准确把握轨道状态、充分利用现有 资源实现设备技术状态的“零误差”管理提供一种工具。 1 2 国内外研究现状及存在问题 作者通过查阅大量国内外有关轨道状态分析方法及预测模型的文献资料，综 2 述国外轨道状态分析方法及预测模型，重点分析了日本的轨道预测模型、加拿大 的p w m i s 预测模型。介绍我国轨道状态分析的一般方法及预测模型的研究现状， 并进一步分析了我国现行轨道状态分析方法存在的问题。 1 2 1国外研究现状 1 2 1 1 日本的轨道状态预测模型 日本的轨道管理非常重视轨道状态预测模型和计算方法的研究，在2 0 世纪8 0 年代前后，集中全国的有关力量，开展了全方位的研究，先后得出轨道状态预测 公式，有s 式、新s 式和t 6 0 5 式等。 ( 1 ) 轨道状态预测s 式 日本铁道技术研究所( r 1 眦) 的学者杉山德平综合考虑运量、平均速度、构 造系数、钢轨有无接头及路基状态等因素，对轨道高低不平顺的变化特征进行了 研究。然而，道床下沉的离散性非常大，无法利用一般的理论分析方法及室内试 验方法来代替。杉山德平利用积累的轨检车检测资料，通过数据统计方法，提出 了预测轨道高低不平顺的模型( 简称轨道状态预测s 式) 1 4 1 ，如式1 1 所示。 s ：at p ty 段m 岛朋异& 只& 只岛 式1 1 式中： s 轨道不平顺发展的平均值( m m 1 0 0 灵； 丁通过吨数( 百万吨年； v 平均速度( k m h ) ； m 构造系数( 以5 0 p s 轨、p c 轨枕、4 4 根2 5 m 、c = 2 0 0 m m 为标准) ； 三说明有无接头的变量： 尸说明路基状态的变量( f = l ，2 ，3 ) ； 彳，屈( 待l ，2 ，7 ) 待定系数。 杉山德平经过分析接近两年的轨检车检测资料，得出每2 5 米长轨道的最大高 低不平顺增长为o 1 6 1 0 8 m m 1 0 0 天，并给出了s 式的具体模型i 引，如式1 - 2 所示。 s ：2 0 91 0 - 3 丁o3 1 矿0 9 80 m o l 0 2 1 尸o 2 6式1 2 ( 2 ) 内田雅夫的高低不平顺预测模型 1 ) 高低不平顺变化量的预测 日本铁道技术研究所( r t ) 研究人员内用雅夫等人假设：以产生冲击轮重 的钢轨接头和焊缝的凹凸为中心，高低不平顺在发展，而在中间部分，轨道下沉 几乎没有，并且高低不平顺( 单振幅) 的最大值是标准偏差的3 倍，如图1 一l 所示 1 4 1 。由图可知： 擐议：吼一3 1 ( 高) + 3 吨( 低) 一6 图i - i 轨道下沉量和高低不平顺的关系图f 4 1 f i g u r e ! - ir e l a t i o n sb e t w e e nt r a c kd e p r e s s i o na n dt r a c ks u r f a c ei r r e g u l a r i t y f 4 】 磊= ，计3 印6 0 1 ，岛= m 2 + 3 c r z = 6 0 z式1 3 式中： 朋- ，鸭分别为时刻f i ，乞时的高低不平顺平均值； 4 ，岛分别为时刻f l ，f 2 时的轨道绝对下沉量； q ，吒分别为时刻 ，f 2 时的高低不平顺标准偏差。 而轨道下沉量为 也= 暖一磊= 6 ( c r 2 可。)式1 4 故高低不平顺发展的预测值巳耐和轨道下沉量有下列关系： 盯删： 式i - 5 o 2 ) 轨道下沉量瓯的计算 轨道下沉量由道床下沉量和路基下沉量两部分组成： 6 y = 6 哆+ 6 睁= i b 哆n + 】p 1 ) n式i - 6 式中： 轨道的下沉量( m m 铝； 车轴通过总数，即荷载重复作用次数； 岛单次荷载作用下的道床下沉量( r a m 轴) ，由式( 1 7 ) 计算； 岛单次荷载作用下的路基下沉量( m m 轴) ，由式( 1 8 ) 计算。 尾，= 口( 只6 ) 2 罗 式l 一7 式中： 只枕木下面压力； y 道床振动加速度； 4 口，6 系数。系数6 是初期下沉结束后，不产生塑性变形的荷载大小， 和道床厚度有关；系数口表示下沉趋势，不依赖道床厚度。这些系数是由实 验得出的值，考虑到实际轨道状态( 雨水和土砂混入道砟间使摩擦减少，在 养护间隔车轴通过次数的顺序) 进行修正。 风= 心菇 式l 一8 式中： 匕一路基平均压力； 圆锥贯入助力； 口，b ，c 系数。 3 ) 轨道下沉量的计算方法 在养护投入间隔内的轨道下沉量，根据该线区的轨道构造条件和每个车轴动 态荷载进行计算，其计算流程如图l - 2 所示。 轨道构造条件 o 钢轨刚度o 钢轨支承弹簧 o 轨枕间隔o 轨枕尺寸 o 道床厚 广一 ，一一一一。 ，厂一一一一。 l 轨道下沉量( 每轴) ：色= 岛黟f x 车辆种类轴数年 叫轨道下沉量万，( m 耐年) j ，。，一【。，一二一 图l - 2 轨道下沉量的计算方法 f i g u r e1 - 2t h e m e t h o df o rc a l c u l a t i n gt r a c kd e p r e s s i o n ( 3 ) 轨向不平顺非线性退化模型 r t r i 的轨道技术部门( t r a c kt e c h n o l o g yd i v i s i o n ) 的a k i h i t ok a w a g u c h i 和m a s a s h im i w a 等研究人员对积累的由轨检车检测产生的1 0 0 m 区段的轨向标 准偏差数据进行分析，根据其变化特征提出了预测轨向不平顺标准偏差的非线性 5 退化模型。该模型与r t r i 以前研究的预测轨向不平顺标准偏差的线性退化模型 相比，准确性有较大改善，其预测值的标准误差( s t a n d a r de r r o r ) 与线性退化模 型的相比，减少了6 0 嘣5 1 。模型如式1 9 所示： a a 1 6 ：( f ) = s g ( f ) 1 畸) 事6 ：o - - 1 ) l a l 互= s 幸 6 ：( f ) 6 ：( f - 1 ) ) ( r - j ) 年z 0式1 - 9 o ( f ) = 6 ：( f ) ( 1 + s ) - s 宰z i o ：( f + ，) 辱：( 母，r j 式中： 占( f ) 一时刻的轨向标准偏差的期望值( m m ) ； o ( f ) 一时刻的轨向标准偏差的预测值( m m ) ； a ：( ，+ ，) ，+ ，时刻的轨向标准偏差的预测值( m m ) ； o ( f ) 一时刻的轨向标准偏差的实测值( m m ) ； z 轨向标准差增长率； 卜平滑系数( s m o o t h i n g c o n s t a n t ) 0 8 。 l 212 加拿大p w m i s 预测模型 该模型认为轨道质量指数t q i 变化率为轨道结构、通过总重、 及作业方式的函数，如式1 1 0 所示【们。 t q i = 瑾f + m g t 式中： 掣j 维修作业后的t q i 值； f q i 的变化率； 脚丁累计通过总量。 1 2 1 3 国际铁路联盟铁路技术研究所( o r e ) 的研究情况 维修作业时间 式1 1 0 ( 1 ) 变量的定义 在研究轨道高低不平顺发展时，o r e ( 国际铁路联盟铁路技术研究所) 定义 了下沉的平均值、下沉标准偏差及轨道高低不平顺的标准偏差【3 1 ，如图1 3 所示。 6 了( 标高) 图1 3 轨道不平顺示意j 羽1 4 ) f i g u r e1 - 3s k e t c ho f t r a c k1 1 1 r e g u l a r i t y 【4 】 1 ) 下沉的平均值 首先，轨道高低形状z ( 丁，工) ，定义如下， z ( t , x ) ：塑型掣 z 式中： 乙( 丁，j r ) 外轨的轨面高； 乙( 丁，j ) 内轨的轨面高； 丁养护作业后的累计通过运量。 当通过运量为7 时，在工处下沉定义为z ( o ，x ) 和z ( t ，工) 之差。 e ( r ，x ) = z ( o ，x ) z ( t ，砖 式1 1 1 式1 1 2 因此，长度为l 的区间内通过运量为t 后，下沉的平均值为： 他( r ) = 圭r p ( l x 矽工 式1 1 3 2 ) 下沉的标准偏差 区问长为l ，通过运量为t 后的下沉标准偏差： o r e ( 丁) 2 圭r 【p ( t , x ) 一所。( 丁) 2 司 式l 一1 4 3 ) 轨道不平顺的标准偏差 实际的轨道形状是在理论上规定的形状乙( 丁，j r ) 周围上下摆动。因这个理论形 状无法从实际数据中求得，为此，求2 。( 2 五：不平顺的波长) 长度内实际形状平 均值作为乙( 丁，j ) ，并定义乙( 丁，x ) 为理论形状。 7 乙( 功) = 击c z ( 加 式l - 1 5 将通过运量t 后的轨道不平顺定义为轨道实际形状和理论形状乙( 丁，x ) 之差： j ( 丁，x ) = z ( t ，x ) z _ ( 丁，功 式1 - 1 6 区间l 内的不平顺平均值： m s ( t ，x ) = 击r 万( 丁，x 矽二 式1 - 1 7 因此，标准偏差： o r z ( t , x ) 2 圭r 【万( 丁，x ) 一所万( r ) 】2 d ， 式1 - 1 8 ( 2 ) 通过运量对高低不平顺发展特性的影响 图l - 4 ，图1 5 ，图l - 6 分别是铁道d b ( d b ：德国联邦铁路) 、b r ( b r ：英 国铁路) 及s n c f ( 法国铁路) 对m e ( t ) ，o e ( t ) 和( r ) 的统计结果。 1 ) 下沉平均值 由图l - 4 可知，下沉的平均值遵循半对数法则，作为近似式可采用下式： m a t ) = a la - d - l o g ( t t , ) 式l 1 9 式中： z 标准运量，假定为r e = 2 加6 t ； m a ( ， 量 昌 v j s k 霸 仁卜 口i 标准运量下下沉的平均值。 ， 力 矿 一，乙乡 ： 一 一一： r 叨。 一 j ， ， 1 _ 一一 0 5 0 k t 1 0 0 k t 5 0 0 k ti m t5 m t1 0 m t5 0 m r 通过吨数( t ) 图1 4 平均下沉1 4 1 f i g u r e1 - 4a v e r a g eo f t r a c kd e p r e s s i o n 1 4 1 在各个试验工点，研究了a o 署1 a 。之问的关系。分为下面两组：第一组是s n c f 8 和d b ，a o a , 在0 2 5 0 7 0 之间；第二组是c s d ，a o a i 在2 - 3 之间。 2 ) 下沉的标准偏差 由图1 5 可得如下的近似式： 式中： 吒( 聊= 岛仙g ( ；1 0 6 ) 6 i 运量为2 1 0 6 时标准偏差。 图! - 5 下沉的标准偏差1 4 f i g u r e1 - 5s t a n d a r dd e v i a t i o no f t r a c kd e p r e s s i o n1 4 1 3 ) 轨道不平顺的标准偏差 由图1 6 可知，用下列近似方程式： 式中： ( 砷= qc ol o g ( t1 0 6 ) q 运量2 1 0 6 时标准偏差。 ( 7 ) 暑 暑 v 制 堡 盆 肇 串 俺 肇 枢 h i n k ! s 鼬i m l5 m !i o m i 5 0 m l 通过吨毅( t ) 9 式1 2 0 式1 2 1 图l - 6 高低不平顺的标准偏差【4 】 f i g u r e1 - 6s t a n d a r dd e v i a t i o no f t r a c ks u r f a c e 【4 l 这里吒几乎接近于0 ，c t 和气之比非常大，这个表明养护作业后的不平顺随着 运量的增大，增加率将非常大。 4 ) 养护周期 将( 1 2 1 ) 式移项得 t = 2 x 1 0 6e x p ( ( t ) - c , ) c o 】 式l - 2 2 这里若假定为不平顺的最大值的话，养护周期为： 瓦= 21 啦e x p ( o lc , ) c o 】 式l 2 3 1 2 2国内研究情况 与国外针对轨道状态预测的研究相比，我国在这一领域的研究目前正处于起 步阶段。国内一些大学和研究机构，也对轨道状态的分析、预测做了初步探讨。 目前，大都还停留在理论研究阶段。 1 2 2 1 轨道高低不平顺非线性预测模型 2 0 0 4 年4 月，同济大学学者周宇、许玉德等根据列车运行速度将广深线分为 三类线路区段：线路加速区、线路高速区和线路减速区，分别使用这三类区段上 的轨检车检测的高低不平顺标准偏差数据拟合了r t r i 学者杉山德平提出的轨道 状态预测s 式，给出了广深线上这三类线路区段的s 式预测模型，如式1 2 4 、1 2 5 和1 2 6 所示1 6 。 线路加速区： s = 17 3 91 t o 。3 2 3 1 1 ，m 9 4 4 2 肘m 0 3 2 4 p o 0 3 5 0 式1 2 4 线路高速区： s = 3 5 7 6 7 t o2 “5 r - - o 3 1 2 2 m o2 n 2 尸- 00 4 ” 式1 2 5 线路减速区： s = 1 3 3 7 9 t 1 4 7 5 4 v - - o 崩7 5 ，- o0 2 1 7 p n 0 6 7式1 2 6 其中，上述三式参数的具体意义见本论文1 2 1 1 中“轨道状态预测s 式”部 分。 1 2 2 2 轨道质量指数t q l 线形预测模型 同济大学学者许玉德在2 0 0 5 年，利用轨检车检测的同一个2 0 0 m 单元区段的 1 0 轨道质量指数t q i ，使用线性模型对广深线t q i 的进行了预测，模型如式1 2 7 所 示 7 1 。 t q i = 旺k + t 式1 2 7 z 瓯为初期的轨道质量指数( m m ) ； 利用上述模型预测某- x u f & f l ot q i ，斜率k 的确定由两种方法：平均法和最 | 一ly ， k = ( 警) ( 一1 ) 式1 - 2 8 x , - ( z ) ( 鼍) ( 州) 川1 式1 - 2 9 lr o i o ( 2 ) ( 置) 一( ) ( 置) ( 2 ) 一( ) 2 j 式中： 为选取的轨检车检测数据的次数； 五为所预测区段上第f 次轨检车检测的t q i 值( r a m ) ； ，为所预测区段上第f 次检测距第1 次检测的天数( d ) 。 1 2 2 3 铁路轨道不平顺预测的综合因子法 铁道科学研究院的陈宪麦、王澜等学者与2 0 0 6 年1 1 月提出了利用当月轨检 车检测的2 0 0 m 单元区段t q i 预测未来t q i 的综合因子模型，该模型综合考虑影 响轨道不平顺发展众多因素的轨道不平顺预测模型1 8 1 。 a p = 黝p l r式1 - 3 0 l?gp = o - p 式1 3 l 式中： a p 预测的里程点t q i 序列； a p _ 。当月的里程点t q i 序列； k 轨道平顺状态变化因子，简称综合因子，是使用历史数据根据式 1 3 l 进行标定的； 尺随机性发生的轨道不平顺，其主要反映的是在( 尸一1 ) 和p 两次检 测之间随机发生的轨道不平顺，是一个时段( 如一个月) 内的累积量，根据历 史数据进行标定。 1 2 3存在问题 比较国内外各种轨道几何状态预测模型，结合我国路情，作者发现我国在利 用轨检车检测数据分析轨道不平顺状态变化规律上还存在以下几个不足： ( 1 ) 数据的积累不足 目前，国外在轨道状态变化规律上的成果，多是通过轨检车历史检测数据分 析获得的，例如，日本r t r i 的研究人员杉山德平利用接近2 年的轨检车检测数据 得出每2 5 米长轨道的最大高低不平顺增长为o 1 6 1 0 8 m m 1 0 0 天，并给出了s 式 的具体模型；r t r i 的轨道技术部门( t r a c kt e c h n o l o g yd i v i s i o n ) 的a k i h i t o 气：配a g u c h l 和m a s a s h im i w a 等研究人员经过分析轨检车历史检测数据，提出 了预测轨向不平顺标准偏差的非线性退化模型。从国内目前的研究情况可以发现， 我国的轨检车历史检测数据积累不足。轨检车每个月都必须按照铁路线路修理 规则规定的频次对正线线路进行检测，每次检测完成后，都将产生原始波形数 据和超限报表数据。作者对这两种数据在记录数上做了一个统计，发现：超限报 表数记录数是原始波形记录数的l 左右。作者从昆明铁路局和济南铁路局调研发 现：我国工务部门在日常生产过程中只使用了这1 的超限报表数据，一方面是工 务部门没有可用的工具来存储和管理如此海量的波形数据，另一方面是我国目前 的铁路轨道状态管理是基于超限和t q l 这些报表数据进行的。这造成了9 9 的没 有超过管理标准的原始数据被丢弃了。作者还发现：现场对这些超限和t q i 报表 数据积累的时间也不长，一些工务段要求至少保存一个季度，以便在季度末汇总 形成该季度的统计报表，而一些工务段只要求保存一个月，只要在月末能汇总形 成该月的统计报表即可。 ( 2 ) 轨道动态不平顺的变化特征研究不足 在轨道状态变化规律研究上，国外已有的成果，多是基于轨道不平顺变化特 征建立的。我国在近几年也对动态不平顺的变化特征开展了一些研究，例如，同 济大学的学者周宇、许玉德等与2 0 0 4 年4 月使用我国广深线轨检车检测数据，借 鉴日本r t r i 研究人员建立预测高低不平顺s 式模型时研究高低不平顺变化特征的 方法，对广深线高低不平顺变化特征进行了研究，并且提出了轨道高低不平顺非 线性预测模型；同济大学的学者许玉德在2 0 0 5 年经过分析三次的轨检车检测数据， 得出t q i 与时间成线性关系，并且提出了t q i 线性预测模型；铁道科学研究院的 1 2 研究人员陈宪麦、王澜等与2 0 0 6 年经过分析秦沈客运专线3 年的轨检车检测数据， 得出轨道不平顺按线性特征变化，并提出了预测轨道不平顺的综合因子法。然而， 由于我国学者针对轨道不平顺变化特征所取得的成果与轨道不平顺实际变化特征 还有较大差异，所提出的各种预测模型并未达到预期的效果。 ( 3 ) 既有轨道状态预测模型适应性有待提高 设备典型的失效率函数，如图1 7 所示，在时间点i 以前称为早期失效期，在 时间段i 至之间的部分称为偶然失效期，时间点i i 以后称为磨损失效期i i u j 。根 据现场经验，铁路轨道状态从本次线路维修到下一次维修之前也类似这样一个变 化过程。为了尽可能缩短早期失效期，每次修理完以后都要使用稳定机械( 捣固 车、动力稳定车) 来稳定轨道结构，以使轨道从偶然失效期开始投入使用。至2 0 0 8 年，我国铁路在l o 时间里共组织实施了6 次提速，从铁道部统计资料发现：提速 后偶然失效期缩短，轨道状态恶化加剧。另外，由于地质构造、路基、道床、轨 道构造和运输组织模式等的不同，导致不同里程的轨道状态变化特征各异。到目 前为止，由于我国建立的各种预测方法模型大都试图以一个模型适应各种变化的 情况，导致预测的误差较大。 r ( t ii it 图1 7 设备典型的失效率函数 f i g u r e1 - 7t y p i c a lf a i l t u r er a t ef u n c t i o n 1 3 论文的主要研究内容 本论文在分析我国路情基础上，针对如何利用轨检车检测波形数据分析轨道 不平顺状态变化规律存在的主要问题，分别进行研究探讨。研究工作从以下几个 方面展开。 ( 1 ) 轨检车波形数据的存储管理 我国的轨检车主要有四种类型：g j 3 、g j _ 4 、g j - 4 g 和g j 5 ，不同类型轨检 车的构造速度、检测原理、检测项目和精度等都各不相同。目前，全路共有2 7 辆 轨检车，其中，g j 3 和g j - 4 型的数据最多，分别是7 辆和1 3 辆。本论文第3 章 将分别详细讨论这两种车型的检测频次、采样间距和波形数据格式三方面的内容， 在此基础上，重点研究如何借助数据仓库技术，在o r a c l e 数据库中存储这些波形 数据，以实现历史数据的积累。 ( 2 ) 单里程点处的轨道动态不平顺变化特征分析 不同国家，同一国家不同线，同一条线不同区段的轨道状态变化规律都是不 同的。为了研究我国铁路的轨道状态变化规律，论文第4 章利用g j c d b 系统中存 储的成昆线昆明铁路局管内、京沪线上行济南铁路局管内和京沪线下行济南铁路 局管内的历史轨检车波形数据，分别对这三条铁路线上的轨道不平顺各项指标( 轨 距、水平、左( 右) 高低、左( 右) 轨向、三角坑( 扭曲) ) 的变化过程进行分析， 在此基础之上，对轨道不平顺状态变化特征进行总结。 ( 3 ) 单里程点处的轨道动态不平顺状态演变过程的数学表示 根据本文第4 章分析得出的轨道不平顺状态变化特征，作者提出了一种描述 轨道不平顺状态变化过程的多阶段线性拟合模型，为建立适合我国路情的轨道不 平顺状态预测模型奠定基础。 1 4 2 我国铁路线路轨道动态不平顺指标体系 目前，我国工务部门对动态不平顺是从局部( 超限) 和区段整体两个角度进 行管理的。局部不平顺管理是根据超限在每一公里的扣分进行管理；区段整体不 平顺是根据轨检车检测的七个检测项目在2 0 0 m 区段上的标准偏差和( 简称t q i ) ， 进行管理的。 2 1 轨道动态不平顺局部管理指标体系 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。每项