高速铁路无砟轨道精调算法软件探讨

孙德安,岑敏仪,李阳腾龙,伍从静,任利敏

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院, 贵阳 550002； 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院测量工程系, 成都 610031； 3.黄河交通学院交通工程学院,河南焦作 454150 )

高速铁路无砟轨道精调算法软件探讨

孙德安1,岑敏仪2,李阳腾龙2,伍从静1,任利敏3

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院, 贵阳 550002； 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院测量工程系, 成都 610031； 3.黄河交通学院交通工程学院,河南焦作 454150 )

目前高铁无砟轨道的调轨方案是借助轨道几何状态测量仪随机调轨软件,通过人工操作得出。这样费工费时,给工程实际应用带来诸多不便。为了能够快速计算出符合工程实际需要的调整结果,依据人工调轨的思路,编程实现自动化调轨算法。对比某专业长轨精调软件与新研发的无砟轨道精调软件,对同一段无砟轨道实测数据进行轨道精调,分别统计两种方法获得的调轨方案各项平顺性指标合格率、调整量和计算时间,结果表明：(1)两种方案均能满足工程实际要求,且新研发的精调软件得到的调整量要小于某专业长轨精调软件得到的调整量；(2)对于不同方法得到的调轨方案的效率,某专业长轨精调软件调整需要几个小时,而新研发的软件调整只需要几分钟,新算法显著地缩短了精调方案的获取时间,提高了工效。

高速铁路；轨道精调；算法软件；无砟轨道

高速铁路的轨道结构主要是无砟轨道，要适应列车高速度、高密度、安全性和舒适性的特点[1-2]，就要求高速铁路无砟轨道具有高平顺性、高稳定性以及方便养护维修等特点[3]。而无砟轨道精调的质量决定了高速铁路列车行驶的平顺性、稳定性和安全性[4]，是保证轨道高平顺性的关键[5-6]，也是铁路修建中重要的环节之一[7]。轨道精调一般是根据轨道测量系统外业采集到的轨道测量数据，进行内业调整并得到调整方案，再根据此方案对轨道扣件系统进行精确调整，使轨道精度达到规范标准，满足设计时速的行车条件[8]。在我国客运专线无砟轨道精调过程中，轨道静态平顺性控制指标有高低、轨向、超高和轨距等[9-11]。目前高铁无砟轨道的调轨方案是借助轨道几何状态测量仪随机调轨软件，通过人工手动调整得出。所获得的调整方案不仅受调整人员经验和水平的影响，而且费工费时，给工程实际应用带来许多不便。因此也吸引了不少学者和工程技术人员开展自动化调轨算法的研究，但尚未见成熟算法和软件广泛应用于工程实践的成果报道。

因此，如何在满足轨道平顺性的条件下快速给出符合工程实际需求的调整方案是目前急需解决的问题。

1 调整算法流程

轨道精调包含两股钢轨的高程和平面调整。

1.1 高程调整

根据“先高低后超高(水平)”的高程调整原则，高程的调整顺序为先调基准轨的高低，再调非基准轨的超高[12]。

1.1.1 基准轨调整

基准轨的调整包括30 m弦和300 m弦的高低调整。由于30 m弦高低和300 m弦高低的调整方法类似，故以30 m弦高低调整为例进行说明[13]。假设共检测了n根轨枕，令i=n-8，30 m弦高低调整的算法流程如图1所示。

图1 30 m弦高低调整的算法流程

1.1.2 非基准轨调整

非基准轨的调整即为超高的调整。令i=1，超高调整的算法流程如图2所示。

图2 超高调整算法流程

1.2 平面调整

根据“先轨向后轨距”的平面调整原则，平面的调整顺序为先调导向轨的轨向，再调非导向轨的轨距[12]。

1.2.1 导向轨调整

导向轨的调整包括30 m弦和300 m弦的轨向调整。由于轨向调整和高低调整类似，受篇幅所限，只给出30 m弦轨向调整的算法流程，如图3所示。图中，yd限差表示30 m弦轨向的限差值；pi表示第i根轨枕的平面偏差值；‘+’和‘-’分别表示轨道平面位置向左调整和向右调整。

图3 30 m弦轨向调整的算法流程

1.2.2 非导向轨调整

非导向轨的调整即为轨距的调整，其调整与超高的调整类似，现直接给出调整算法流程，具体如图4所示。

图4 轨距调整算法流程

图4中，r限差表示轨距的限差值。

2 实验统计及分析

2.1 合格率统计及分析

为了验证新算法的调整结果是否能够满足工程实际需求，对(Fine Adjustment of High-speed Ballastless Track Software， FATS)软件和某专业长轨精调软件调整后的各项平顺性指标进行合格率统计分析。实验数据为某段无砟轨道约4 km的轨道实测数据，分别使用新调轨软件FATS和某专业长轨精调软件对实测数据进行轨道精调。对上述2个软件调整前后平顺性指标的合格率进行统计，具体结果见表1。表中，各项平顺性指标限差为实际工程中无砟轨道精调指标允许限差。

表1 调整结果合格率统计

从表1可看出，经FATS软件和某专业长轨精调软件调整后的各项平顺性指标在限差范围内的合格率均为100%，表明FATS软件同某专业长轨精调软件一样， 其调整结果能够满足工程实际需求。

2.2 调整量统计及分析

为了验证新算法所得调整方案的调整效果，对上述实验两个软件调整后得到的高程和平面调整量进行对比统计分析，其统计结果以调整量为横轴、调整量对应的调整个数为纵轴绘制成曲线图。具体如图5和图6所示。

图5 高程调整量趋势

图6 平面调整量趋势

图5中，FATS软件调整得到的高程调整量全部集中在-3～3 mm。其中，调整量为-0.5 mm的轨枕有1 318根，占总调整个数的32.22%，而某专业长轨精调软件调整得到的高程调整量全部集中在-3～9 mm，调整量为5 mm的轨枕有1 045根，占总调整个数的11.70%。FATS软件和某长轨精调软件调整所得到的高程总调整量分别为3 110.5 mm和36 073 mm。FATS软件相对于某专业长轨精调软件，其高程总调整量减小了91.38%(T=(G-F)/G，T为减小百分比，G为某专业长轨精调软件总调整量，F为FATS软件总调整量)。图6中，FATS软件调整得到的平面调整量99.90%集中在-6～6 mm。其中，调整量为0.5 mm的轨枕有863根，占总调整个数的14.02%，而某专业长轨精调软件调整得到的平面调整量99.70%集中在-6～6 mm。其中，调整量为-0.5 mm的轨枕有1 047根，占总调整量的12.55%。FATS软件和某专业长轨精调软件调整所得到的平面总调整量分别为11 485.5 mm和1 7301.5 mm。说明FATS软件相对于某专业长轨精调软件，其平面总调整量减小了33.62%。

通过对比高程和平面调整结果可以发现，相对于某专业长轨精调软件，新算法所得调整方案的调整效果更优。

2.3 调整时间统计及分析

为了验证新算法的调整效率，对FATS软件和某专业长轨精调软件的调整时间进行统计分析。分别采用无砟轨道Ⅰ约1.6 km和无砟轨道Ⅱ约4 km的轨道实测数据，分别使用FATS软件和某专业长轨精调软件对两段实测数据进行轨道精调的时间统计，具体结果见表2。

表2 调整时间统计

从表2可知，新算法显著地缩短了轨道精调的时间，且FATS软件调整Ⅰ和Ⅱ段无砟轨道的调整效率分别为0.40 km/min和0.57 km/min(f=s/t，f为调整效率，s为线路距离，t为调整时间)，某专业长轨精调软件调整Ⅰ和Ⅱ段无砟轨道的调整效率均为0.4 km/h。说明调整线路越长，新算法的调整效率越高。

3 结语

针对高铁无砟轨道的精调，人工手动调整不仅受操作人员经验和水平的影响，而且费工费时，给工程实际应用带来诸多不便；且尚未有成熟自动化调轨算法及软件广泛应用于工程实践的报道。为了能够快速计算出符合工程实际需要的调整结果，依据人工调轨的思路，编程实现自动化调轨算法。并通过以上实验统计及分析，得到以下结论：

(1)新算法调整后的轨道平顺性不仅能够完全满足规范要求，同时也能满足工程的实际需要；

(2)新算法得到的轨道精调方案不受人为因素的影响，相对某专业长轨精调软件而言，其调整量更优；

(3)新算法显著地缩短了无砟轨道精调的时间，提高了精调的效率，且调整线路越长，调整效率越高。

新算法为无砟轨道精调工作带来了极大的便利。

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An Approach to Algorithm Software of Fine Adjustment for Ballastless Track of High-speed Railway

SUN De-an1, CEN Min-yi2, LI YANG teng-long2, WU Cong-jing1, REN Li-min3

(1. Guizhou Survey & Design Research Institute for Water Resources and Hydropower, Guizhou Guiyang 550002, China; 2. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Traffic Engineering College, Huanghe Jiaotong University, Jiaozuo 611756, China)

Nowadays, the adjustment of ballastless track of high-speed railway is conducted by hand with the help of adjustment software fitted in the track geometry measuring instrument, which is time-consuming and inefficient. In order to calculate quickly the value of adjustment to meet the requirements of practical project, program is made to fulfill automatic adjustment algorithm based on the concept of hand adjustment. Then, the track fine adjustment software for long rail track and the newly developed fine adjustment software for ballastless track are compared and used for fine adjustment on the same ballastless track and the quantification rate of every smoothness index, the amount of adjustment and the adjusted time of two adjustment methods are counted. The results show that (1) the two projects can all meet the requirements of practical engineering, and the amount of adjustment given by the newly developed software is less than that given by long rail track fine adjustment software; (2) for the efficiencies of the two ways of fine adjustment, the one for long rail track has to take a few hours to provide the adjusted amount and the new one takes only a few minutes. So the new algorithm reduces markedly the adjustment time with great efficiency.

High-speed railway; Fine adjustment of track; Algorithm software; Ballastless track

1004-2954(2018)01-0074-04

2017-03-14；

2017-04-11

孙德安(1989—)，男，湖南汉寿人，硕士研究生，研究方向为精密工程测量数据处理，E-mail：18482191419@163.com。

U238；U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703140007