高速鐵路無砟軌道精調算法軟件探討

孫德安,岑敏儀,李陽騰龍,伍從靜,任利敏

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院, 貴陽 550002； 2.西南交通大學地球科學與環境工程學院測量工程系, 成都 610031； 3.黃河交通學院交通工程學院,河南焦作 454150 )

高速鐵路無砟軌道精調算法軟件探討

孫德安1,岑敏儀2,李陽騰龍2,伍從靜1,任利敏3

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院, 貴陽 550002； 2.西南交通大學地球科學與環境工程學院測量工程系, 成都 610031； 3.黃河交通學院交通工程學院,河南焦作 454150 )

目前高鐵無砟軌道的調軌方案是借助軌道幾何狀態測量儀隨機調軌軟件,通過人工操作得出。這樣費工費時,給工程實際應用帶來諸多不便。為了能夠快速計算出符合工程實際需要的調整結果,依據人工調軌的思路,編程實現自動化調軌算法。對比某專業長軌精調軟件與新研發的無砟軌道精調軟件,對同一段無砟軌道實測數據進行軌道精調,分別統計兩種方法獲得的調軌方案各項平順性指標合格率、調整量和計算時間,結果表明：(1)兩種方案均能滿足工程實際要求,且新研發的精調軟件得到的調整量要小于某專業長軌精調軟件得到的調整量；(2)對于不同方法得到的調軌方案的效率,某專業長軌精調軟件調整需要幾個小時,而新研發的軟件調整只需要幾分鐘,新算法顯著地縮短了精調方案的獲取時間,提高了工效。

高速鐵路；軌道精調；算法軟件；無砟軌道

高速鐵路的軌道結構主要是無砟軌道，要適應列車高速度、高密度、安全性和舒適性的特點[1-2]，就要求高速鐵路無砟軌道具有高平順性、高穩定性以及方便養護維修等特點[3]。而無砟軌道精調的質量決定了高速鐵路列車行駛的平順性、穩定性和安全性[4]，是保證軌道高平順性的關鍵[5-6]，也是鐵路修建中重要的環節之一[7]。軌道精調一般是根據軌道測量系統外業采集到的軌道測量數據，進行內業調整并得到調整方案，再根據此方案對軌道扣件系統進行精確調整，使軌道精度達到規范標準，滿足設計時速的行車條件[8]。在我國客運專線無砟軌道精調過程中，軌道靜態平順性控制指標有高低、軌向、超高和軌距等[9-11]。目前高鐵無砟軌道的調軌方案是借助軌道幾何狀態測量儀隨機調軌軟件，通過人工手動調整得出。所獲得的調整方案不僅受調整人員經驗和水平的影響，而且費工費時，給工程實際應用帶來許多不便。因此也吸引了不少學者和工程技術人員開展自動化調軌算法的研究，但尚未見成熟算法和軟件廣泛應用于工程實踐的成果報道。

因此，如何在滿足軌道平順性的條件下快速給出符合工程實際需求的調整方案是目前急需解決的問題。

1 調整算法流程

軌道精調包含兩股鋼軌的高程和平面調整。

1.1 高程調整

根據“先高低后超高(水平)”的高程調整原則，高程的調整順序為先調基準軌的高低，再調非基準軌的超高[12]。

1.1.1 基準軌調整

基準軌的調整包括30 m弦和300 m弦的高低調整。由于30 m弦高低和300 m弦高低的調整方法類似，故以30 m弦高低調整為例進行說明[13]。假設共檢測了n根軌枕，令i=n-8，30 m弦高低調整的算法流程如圖1所示。

圖1 30 m弦高低調整的算法流程

1.1.2 非基準軌調整

非基準軌的調整即為超高的調整。令i=1，超高調整的算法流程如圖2所示。

圖2 超高調整算法流程

1.2 平面調整

根據“先軌向后軌距”的平面調整原則，平面的調整順序為先調導向軌的軌向，再調非導向軌的軌距[12]。

1.2.1 導向軌調整

導向軌的調整包括30 m弦和300 m弦的軌向調整。由于軌向調整和高低調整類似，受篇幅所限，只給出30 m弦軌向調整的算法流程，如圖3所示。圖中，yd限差表示30 m弦軌向的限差值；pi表示第i根軌枕的平面偏差值；‘+’和‘-’分別表示軌道平面位置向左調整和向右調整。

圖3 30 m弦軌向調整的算法流程

1.2.2 非導向軌調整

非導向軌的調整即為軌距的調整，其調整與超高的調整類似，現直接給出調整算法流程，具體如圖4所示。

圖4 軌距調整算法流程

圖4中，r限差表示軌距的限差值。

2 實驗統計及分析

2.1 合格率統計及分析

為了驗證新算法的調整結果是否能夠滿足工程實際需求，對(Fine Adjustment of High-speed Ballastless Track Software， FATS)軟件和某專業長軌精調軟件調整后的各項平順性指標進行合格率統計分析。實驗數據為某段無砟軌道約4 km的軌道實測數據，分別使用新調軌軟件FATS和某專業長軌精調軟件對實測數據進行軌道精調。對上述2個軟件調整前后平順性指標的合格率進行統計，具體結果見表1。表中，各項平順性指標限差為實際工程中無砟軌道精調指標允許限差。

表1 調整結果合格率統計

從表1可看出，經FATS軟件和某專業長軌精調軟件調整后的各項平順性指標在限差范圍內的合格率均為100%，表明FATS軟件同某專業長軌精調軟件一樣， 其調整結果能夠滿足工程實際需求。

2.2 調整量統計及分析

為了驗證新算法所得調整方案的調整效果，對上述實驗兩個軟件調整后得到的高程和平面調整量進行對比統計分析，其統計結果以調整量為橫軸、調整量對應的調整個數為縱軸繪制成曲線圖。具體如圖5和圖6所示。

圖5 高程調整量趨勢

圖6 平面調整量趨勢

圖5中，FATS軟件調整得到的高程調整量全部集中在-3～3 mm。其中，調整量為-0.5 mm的軌枕有1 318根，占總調整個數的32.22%，而某專業長軌精調軟件調整得到的高程調整量全部集中在-3～9 mm，調整量為5 mm的軌枕有1 045根，占總調整個數的11.70%。FATS軟件和某長軌精調軟件調整所得到的高程總調整量分別為3 110.5 mm和36 073 mm。FATS軟件相對于某專業長軌精調軟件，其高程總調整量減小了91.38%(T=(G-F)/G，T為減小百分比，G為某專業長軌精調軟件總調整量，F為FATS軟件總調整量)。圖6中，FATS軟件調整得到的平面調整量99.90%集中在-6～6 mm。其中，調整量為0.5 mm的軌枕有863根，占總調整個數的14.02%，而某專業長軌精調軟件調整得到的平面調整量99.70%集中在-6～6 mm。其中，調整量為-0.5 mm的軌枕有1 047根，占總調整量的12.55%。FATS軟件和某專業長軌精調軟件調整所得到的平面總調整量分別為11 485.5 mm和1 7301.5 mm。說明FATS軟件相對于某專業長軌精調軟件，其平面總調整量減小了33.62%。

通過對比高程和平面調整結果可以發現，相對于某專業長軌精調軟件，新算法所得調整方案的調整效果更優。

2.3 調整時間統計及分析

為了驗證新算法的調整效率，對FATS軟件和某專業長軌精調軟件的調整時間進行統計分析。分別采用無砟軌道Ⅰ約1.6 km和無砟軌道Ⅱ約4 km的軌道實測數據，分別使用FATS軟件和某專業長軌精調軟件對兩段實測數據進行軌道精調的時間統計，具體結果見表2。

表2 調整時間統計

從表2可知，新算法顯著地縮短了軌道精調的時間，且FATS軟件調整Ⅰ和Ⅱ段無砟軌道的調整效率分別為0.40 km/min和0.57 km/min(f=s/t，f為調整效率，s為線路距離，t為調整時間)，某專業長軌精調軟件調整Ⅰ和Ⅱ段無砟軌道的調整效率均為0.4 km/h。說明調整線路越長，新算法的調整效率越高。

3 結語

針對高鐵無砟軌道的精調，人工手動調整不僅受操作人員經驗和水平的影響，而且費工費時，給工程實際應用帶來諸多不便；且尚未有成熟自動化調軌算法及軟件廣泛應用于工程實踐的報道。為了能夠快速計算出符合工程實際需要的調整結果，依據人工調軌的思路，編程實現自動化調軌算法。并通過以上實驗統計及分析，得到以下結論：

(1)新算法調整后的軌道平順性不僅能夠完全滿足規范要求，同時也能滿足工程的實際需要；

(2)新算法得到的軌道精調方案不受人為因素的影響，相對某專業長軌精調軟件而言，其調整量更優；

(3)新算法顯著地縮短了無砟軌道精調的時間，提高了精調的效率，且調整線路越長，調整效率越高。

新算法為無砟軌道精調工作帶來了極大的便利。

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[10] 中華人民共和國鐵道部.[2009]674號 高速鐵路無砟軌道工程施工精調作業指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

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[12] 陳麟.哈大鐵路客運專線TJ-1標軌道精調綜述[J].鐵道標準設計，2014(11)：62-68.

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[14] 全順喜，王平，陳嶸.無砟軌道高低和方向不平順計算方法研究[J].鐵道學報，2012(5)：81-85.

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

孫德安(1989—)，男，湖南漢壽人，碩士研究生，研究方向為精密工程測量數據處理，E-mail：18482191419@163.com。

U238；U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703140007