移动加载车轨道刚度检测数据快速处理方法

金花 杨佳乐 蔡堃 柴雪松 于国丞

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081； 2.中铁科学技术开发有限公司， 北京 100081；3.西南交通大学 地球科学与环境工程学院， 成都 610031

轨道刚度定义为当一个集中荷载作用在钢轨上，钢轨产生单位下沉所对应的集中荷载大小［1］。轨道刚度过大或过小都会影响轨道结构的稳定性。瑞典、日本、美国等都开展了针对轨道刚度检测的移动式轨道加载试验车研究，如瑞典的滚动刚度测试车、日本的移动式轨道动态加载装置、美国的轨道加载试验车等［2-3］。中国于20世纪80年代开始开展轨道振动加载试验装置研究。2011 年，中国铁道科学研究院成功研制了移动式线路动态加载试验车（简称移动加载车），实现了连续、高速、高精度的轨道刚度检测［4-7］。

移动加载车进行轨道刚度检测时采用双弦弦测法，可以有效消除轨道本身引起的不平顺的影响，提高检测精度。自成功研制以来，检测里程近1万公里，积累了大量的检测数据。但是，其检测数据仍存在异常干扰值、里程校正、轻载重载数据对齐等问题。因此，有必要对轨道刚度检测数据快速处理软件（简称数据处理软件）进行研发，以期有效提高数据处理速度和精度，减少人工处理数据的人为干预误差。

1 数据处理软件设计

在数据处理软件中，首先导入移动加载车轨道刚度检测的轻载、重载检测数据和里程、曲率等台账信息，然后利用小波变换、中值滤波、相关性分析、插值等分析处理方法实现数据的异常值剔除、里程修正、刚度解算等功能，最终生成轨道刚度结果文件。数据处理软件设计框架见图1。

图1 数据处理软件设计框架

数据处理过程主要步骤如下。①粗调里程：根据轻重车检测数据及台账曲率信息调整里程。②滤除噪声：滤除轨道变形的干扰异常值。③计算变形差值、滤波：利用相关系数法，计算轻车、重车对应的轨道变形差值并进行滤波处理。④计算轨道刚度：同一位置下轻车、重车加载力差值与变形差值的比值，为此位置的轨道刚度。⑤精调里程：读取台账长短链信息，修正长短链里程后，按0.25 m 间隔对全线进行插值精调。⑥刚度、位移带通滤波：对处理后的轨道刚度、变形差值进行带通滤波处理。⑦生成结果文件。

2 功能实现

2.1 剔除干扰信号

检测数据的预处理主要是滤除信号中的冲击噪声，一般有线性滤波法、自适应滤波法、中值滤波法等。文献［8-9］通过对铁路轨道几何数据的特征分析及各种滤波方法的对比，提出了小波-有序中值滤波方法。该方法根据数据特征，利用小波变换的多分辨率性质，将信号分解成含冲击噪声的高频部分和正常的低频部分，再利用有序中值方法自动识别高频信号中冲击噪声位置并进行滤波。

轨道刚度检测数据的来源与轨道几何数据的类似，都存在由于外界干扰、数据传输等引起的冲击噪声，因此本软件采用小波-有序中值滤波方法对检测数据进行剔除干扰信号处理。首先利用小波变换将重载、轻载的原始弦值数据分解为高频部分和低频部分；然后，保留低频的有用信息，对高频中的异常噪声信号进行识别，并用相邻数据的有序中值替换该异常值；最后，将不含冲击噪声的高频信号和低频信号叠加，得到滤波信号。对重载弦值采用小波-有序中值滤波方法滤除脉冲噪声前后及滤除脉冲噪声前后差值波形见图2。可知，采用小波-有序中值滤波能有效识别轨道刚度检测数据中的冲击噪声并进行修正。

图2 滤除脉冲噪声前后的重载弦值及其差值

2.2 里程修正

轨道刚度检测数据的里程信息来自安装在走行轮上的编码器信息及全球定位系统（Global Position System，GPS）信息。初始里程信息的记录误差、车轮轮径的磨耗和镟轮引起的轮对直径变化、车轮行驶过程中由于车轮横移或摇头等产生的偏离、编码器本身的误差以及其他软硬件的误差，都能导致检测里程偏离实际里程，须要对检测里程进行校正。

里程修正有绝对和相对两种方法。绝对里程修正以线路台账里程信息为参照物，检测里程向台账里程逼近，实现检测里程对于实际里程的修正；相对里程修正以某一次检测里程数据为参照物，其他检测里程向参照里程逼近，实现同区段检测数据里程统一的目的。对于两种里程修正，本软件均可实现。

以绝对里程修正为例，提取线路台账信息中的曲线信息和长短链信息，其中曲线信息字段包含曲线的起始里程、终止里程、曲线方向（左-1，右1）和曲线半径四个字段；长短链信息包含长短链的起始里程、终止里程和长短链长度（正数表示长链，负数表示短链）三个字段。轨道刚度检测数据中，轻载、重载数据与检测里程、曲线方向、GPS信息一一对应。根据台账信息曲线的起始、终止里程及曲线方向，利用相关性分析，自动识别检测数据曲线的头尾，先对曲线段进行里程修正，再结合检测里程特点对全线里程粗调，最后调用长短链信息，通过插值方法对全线路里程进行0.25 m间隔精调修正。具体流程见图3。

图3 里程修正流程

2.3 轻载数据与重载数据对齐

轨道刚度检测采用双弦弦测法，在实际检测过程中，必须得到同一位置不同加载力下的轨道变形，从而得到此位置的轨道弹性下沉量，计算得到轨道刚度。因此，在数据处理中，必须将轻载、重载的检测数据进行对齐处理。

根据上节的里程修正方法，分别将轻载、重载的检测里程数据粗调修正后，再分段逐一提取轻载和重载弦值数据波形；以重载检测数据为基准，进行波形相关性分析，得到最佳轻载、重载检测数据的一一对应关系。

滤波、里程精调处理后的轻载、重载位移弦值波形对齐及其差值见图4。两者波形一一对齐，对两者差值计算后得到的位移差值即轨道变形波形。

图4 处理后轻载、重载弦值波形对齐及其差值

轨道刚度是加载力与轨道变形的比值，由此得到图5 所示的轨道刚度波形。可知：该区段轨道刚度平均值为93.9 kN/mm。

图5 轨道刚度波形

2.4 软件实现

软件采用编程工具Microsoft Visual Studio 2019（VS2019）实现［10-11］。VS2019 具有界面友好、兼容性强、易移植等优点。根据轨道刚度检测数据特点和数据分析结果需要设计软件界面，如图6所示。

图6 轨道刚度检测数据快速处理软件界面

界面中，参数设置模块主要包括算法参数、文件参数、修正参数、标定参数等。算法参数主要有里程修正、数据异常点滤除、数据滤波等算法的参数；文件参数是生成结果文件的文件名信息参数；修正参数是修正弦值至加载点处；标定参数是零载下的左右轨弦值标定值。

当进行数据处理时，同时选择读取轨道刚度检测的原始轻载、重载数据的二进制文件以及台账曲线信息、台账长短链信息四个文件，即可按照设定的参数要求，经过数据滤波，里程校正，轻载、重载差值处理等过程，生成处理后的文本文件。其结果文件字段说明见表1。其中：1 ～ 15 字段为处理后的里程、位移弦值、刚度值等信息，16 ～ 20 字段为处理前的原始里程和原始位移弦值信息，方便数据溯源。

表1 结果文件字段说明

目前该软件已成功应用于移动加载车实际检测过程中，应用情况良好。

3 结论

1）利用小波变换的多分辨率性质，将信号分解成含冲击噪声的高频部分和正常的低频部分，再利用相邻有序中值数据替换高频信号中冲击噪声，以剔除轨道刚度检测数据中的干扰信号。

2）采用以台账里程信息为基准的绝对里程修正方法。根据检测数据和台账中曲线的起始、终止里程及曲线方向自动提取各段曲线信息，通过相关性分析进行初步修正，再采用插值方法结合长短链信息，对全线路里程进行修正。

3）对检测数据滤波、里程校正处理以及对轻载和重载数据进行相关性分析后，求差值得到恒定加载下的轨道位移变形，从而可以得到轨道刚度。

4）依据数据处理算法，采用VS2019 编程工具，实现了轨道刚度检测数据快速处理软件的开发。