技术领域
[0001] 本发明涉及高速铁路精调领域，尤其涉及一种适应多工况的高速铁路精调优化方法。
相关背景技术
[0002] 高铁无砟轨道精调作为新建线路开通及运营线路日常维护中的重要环节，其效果直接影响着列车行车安全性及舒适性。现阶段无砟轨道精调主要依靠人工经验手动进行精调方案设计，根据轨道测量获取的轨道实测坐标与设计轨道线形坐标的差值获取轨道的横向及高程偏差量的前提下，精调工作首先以消除基准轨30m及300m长波不平顺为目标开展第1轮调整，后续依次以控制基准轨及非基准轨不平顺、轨距及水平等参数开展至少3轮调整。调整过程中容易遇到调整量超过扣件可调整余量、静态TQI不满足验收标准等情况，需要进行返工，导致精调过程中浪费大量扣件配件且耽误工期及天窗时间。
[0003] 轨道精调过程中都需要依据规范优先对轨道静态不平顺指标进行控制，但是对于不同工况、不同轨道结构来说，精调策略是有差异的。在新建线路的长钢轨的应力放散后的轨道精调工作中，由于扣件使用的均为标准件，每个扣件可调整余量是一样的，有利于线形及平顺性的优化，因此主要考虑控制扣件整体调整量，以减小扣件配件调整的种类及扣件的使用消耗；运营线路主要在大修过程中进行轨道精调，由于多年的轨道精调维护导致每个扣件的可调整余量范围不一致，且波动性很大，所以在调整时主要以线形及平顺性控制为主，放松对扣件调整量的控制。现阶段轨道精调主要存在以下问题:
[0004] (1)人工开展精调方案设计，无法一次性给出双轨的精调量，导致高铁无砟轨道精调整体工序较多，流程复杂。
[0005] (2)精调方案设计过程中仅考虑了轨道平顺性要求，未考虑扣件可调整余量的约束因素。
[0006] (3)精调方案设计仅考虑了可调整量最小的原则，未考虑不同工况下设计目标的差异。
[0007] 轨道精调需要综合考虑多目标因素，因此需要一种够适应多种工况的轨道自动化精调算法。
具体实施方式
[0097] S1，获取高铁无砟轨道精调基础数据：
[0098] S11，获取轨道偏差值：
[0099] 高铁无砟轨道测量主要通过轨检仪对待精调段落轨道的CPIII点进行联测获取待精调段落的轨道的三维坐标，再通过与设计线路中心线的坐标对比获得轨枕i的偏差值k＝L时表示左轨，k＝R时表示右轨，w＝x时表示横向，w＝y时表示高程；i为轨枕编号，0≤i≤n，n为待精调段落的轨枕总数；设计线路中心线为设计文件中的线路中心线；
[0100] 对于偏差值 则共有轨枕i的左轨横向偏差值 右轨横向偏差值 左轨高程偏差值 和右轨高程偏差值 四种情况。
[0101] S12，确定决策变量向量
[0102] 由于高铁无砟轨道精调主要通过调整扣件来实现，扣件可调整范围是有限的，尤其对于已开通运营多年的高铁无砟轨道扣件经过多年反复调整，每个扣件的可调整范围都不一样；随着轨检仪相关硬件技术的发展，通过在轨检仪上集成结构光扫描模块，可以实现测量钢轨与承轨台或者轨枕之间的相对位置关系，从而间接获取扣件可调整余量；通过建立“一枕一档”的扣件配件档案，也可以获取扣件剩余可调整余量。
[0103] 获取扣件调整量v和可调整余量σ；轨枕i上的扣件调整量为 每个扣件的可调整余量的上下限为 l表示可调整余量的下限，u表示可调整余量的上限。
[0104] 构建决策变量向量 有下式：
[0105]
[0106] 所以，横向的决策变量向量为 高程的决策变量向量为
[0107] S2，建立高铁无砟轨道双轨多目标优化模型：
[0108] 由于无砟轨道横向及高程的精调模型具有一致性，则：
[0109] w＝x时的横向精调主要考虑轨向(10m中点弦)、30m矢距差、300m矢距差以及轨距；
[0110] w＝y时的高程精调主要考虑高低(10m中点弦)、30m矢距差、300m矢距差以及水平，而且，所述水平的计算方法与所述轨距的计算方法具有一致性。由于对横向和对高程的精调之间没有关联性，所以可以进行解耦，把横向和高程的精调分开进行，减少决策变量数量以提高计算收敛的速度。具体包括以下步骤：
[0111] S21，构建扣件可调整余量的约束条件
[0112] 通过S12中的 对轨枕i上的扣件调整量 进行约束，有下式：
[0113]
[0114] S22，构建轨道验收标准的约束条件：
[0115] 轨道验收标准约束条件具体为对10m中点弦(轨向或高低)、30m矢距差、300m矢距差以及轨距(水平)的约束，包括以下步骤：
[0116] S221，构建10m中点弦的约束条件，对于轨枕i上的扣件调整量 有下式：
[0117]
[0118] 其中，i∈[8,n‑8]，10m中点弦是进行静态检测时轨向或高低的指标， 为轨枕i对应的10m中点弦的值，σ10为设计文件中的轨枕i的10m中点弦的限制值。
[0119] S222，构建30m矢距差的约束条件，对于轨枕i上的扣件调整量 有下式：
[0120]
[0121] 其中， 为30m弦起点的偏差值(0≤m
[0122] S223，构建300m矢距差的约束条件，对于轨枕i上的扣件调整量 有下式：
[0123]
[0124] 其中， 为300m弦起点的偏差值(0≤j
[0125] S224，构建轨距(水平)的约束条件，有下式：
[0126]
[0127] 其中， 为轨枕i的轨距或水平的约束函数，σval为设计文件中的轨距或水平的限制值；由于k的取值对于 的结果无影响，所以无论计算左轨还是右轨，的值相同。
[0128] S23，确定目标函数：
[0129] 在不同工况下轨道精调的目标有所区别，所以对不同的优化目标子函数采用线性加权的方式实现多目标值优化。考虑不同工况下对最优解的要求，得到目标函数有下式：
[0130]
[0131] 其中：
[0132] f1((w)v0为线形回归子函数，表征精调后的轨道线形与设计文件中的轨道线形的趋近程度，用于控制精调后的线形不偏离原设计线形；
[0133] 为扣件调整量总和子函数，表征精调后扣件调整总量的大小，用于控制扣件调整量大小；
[0134] 为线形平滑性子函数，表征精调后轨道线形曲率变化，用于控制精调后轨道线形的平滑性，避免出现轨道线形的畸变；
[0135] αc为权重系数，可以根据不同工况进行设定。
[0136] 在实际情况下，当对铁路线形的横向进行调整时，对应的目标函数为 当对铁路线形的高程进行调整时，对应的目标函数为
[0137] S3，基于内点法求解双轨调整量：
[0138] S31，基于内点法构造无约束的修正目标函数
[0139] 使用内点法将S2中所构建的约束条件和目标函数转为无约束的修正目标函数并引入第一障碍乘子λ，有下式：
[0140]
[0141] S32，构造优化约束条件和优化目标函数：
[0142] 由于约束条件过多，无法直接求解得到满足各项约束条件的式(8)的初始解所以要构造新的优化约束条件和优化目标函数来进行求解：
[0143] 优化目标函数：
[0144] 优化约束条件：
[0145] 其中，z为构造优化变量；
[0146] S33，采用内点法将S32中的式(9)和式(10)转化为无约束的修正优化目标函数并引入第二障碍乘子γ：
[0147]
[0148] 其中，由于k的取值对于 的结果无影响，所以式(8)和式(11)中不需要根据左轨和右轨对 的结果进行加和；
[0149] S34，如图2所示，使用牛顿法求解 的初始解 包括以下步骤：
[0150] S341，构建求解条件：
[0151] 首先，设定式(11)的解为 其中t为第二迭代次数，当t＝0时，即未迭代的初始解，
[0152] 然后，设定障碍乘子γ0＝10，第二迭代误差阈值 和第二障碍乘‑3
子误差阈值τ2＝10 ；
[0153] S342，计算得到第二搜索方向向量
[0154]
[0155] 其中， 用于进行迭代求解；为拉普拉斯算符， 为哈密顿算符。
[0156] S343，对 进行判断：
[0157] 若 则进入S344；否则更新第二障碍乘子，使γt+1＝γt/10，此时，若γt+1≤τ2，则结束求解，说明不存在满足约束条件的解，需要对S2中的约束条件进行调整，否则返回S342，直到 进入S344；
[0158] S344，通过下式计算
[0159]
[0160] 得到结果后，若zt+1≤0，则结束求解，此时的zt+1对应的 则为修正目标函数的初始解
[0161] 否则，使用 返回步骤S342继续迭代计算，直到得到初始解
[0162] S35，使用牛顿法求 的解的最小值，包括以下步骤：
[0163] S351，构建求解条件：
[0164] 同样采用牛顿法迭代计算修正目标函数 的解 的值，使用S34得到的作为 的初始值，s为第一迭代次数， 为第一搜索方向向量。
[0165] 如图3所示，考虑到偏差量和扣件调整量均以mm为单位，后续需要进行整数优化求解，即最优结果保留1位小数即可，设定第一障碍乘子λ＝10，第一迭代误差阈值为‑3第一障碍乘子误差阈值θ2＝10 ；
[0166] S352，计算得到第一搜索方向向量
[0167]
[0168] S353，对 的范数进行判断：
[0169] 计算 范数，如果 则计算 并使用 返回S352继续迭代，否则更新第一障碍乘子，使λs+1＝λs/10，若λs+1>θ2，则使用λs+1返回S352继续迭代；若λs+1≤θ2，则此时的 为最优解，并将其标记为 此时的最优解 为 的解的最小值。
[0170] 由上述步骤可知，横向最优解为 高程最优解为
[0171] S4，获得扣件调整档级：
[0172] 铁路的精调通过对扣件的调整来实现，而扣件的调整主要通过扣件的轨距挡块、调高垫板等附属件进行调整，这些调整件只能按照级差进行调整，级差μ一般为0.5mm或1mm，根据S353计算获得的最优解进行取整计算获得最终的扣件调整档级，具体为横向扣件调整档级为 高程扣件调整档级为
[0173] 实施例1
[0174] 本实施例针对待精调段落的横向进行精调，具体如下：
[0175] 某高铁无砟轨道待精调段落的区间约1.9km，共计3000根轨枕，对轨道的高程调整‑4量进行优化。在S23中的目标函数中，线形回归权重系数α1取1×10 ，调整量函数权重系数‑5
α2取1×10 ，平滑子函数权重系数α3取1。扣件横向可调整余量由结构光轨检仪测得，轨道不平顺参数取值为σ10＝0.3，σ30＝0.3，σ300＝5，σval＝1，它们的单位均为mm；级差μ选取
0.5mm。
[0176] 优化后左右轨的调整量都在可调整余量范围之内，如图4所示。
[0177] 使用本发明的方法后，优化前左右轨的高低的最大最小值为[‑4.7mm，3.6mm]，采用0.5mm级差优化后高低值的最大最小值收敛至[‑0.48mm,0.49mm]，如图5所示。
[0178] 优化前左右轨的30m弦矢距差的最大最小值为[‑5.0mm.4.6mm]，采用0.5mm级差优化后，30m矢距差的最大最小值收敛至[‑0.58mm,0.62mm]，如图6所示。
[0179] 优化前左右轨的300m弦矢距差最大最小值为[‑6.0mm,4.8mm]，采用0.5mm级差优化后，300m矢距差的最大最小值收敛至[‑1.5mm,1.5mm]，如图7所示。
[0180] 通过以上实施例的对比，采用本发明的优化计算方法，在扣件可调整范围内对轨道平顺性的改善效果是十分明显的。
