智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

在保障安全的前提下,高速铁路运行控制系统进一步结合现代感知、控制、通信以及人工智能技术实现智慧化,是未来高速铁路发展的前沿方向。分析目前高速铁路运营中仍存在异物侵限造成安全事故、突发事件导致列车延误、运力与运量不匹配等问题,提出高速铁路运行控制系统的智能化、智慧化是解决上述问题的重要手段,是保持和提升我国高速铁路技术整体竞争力的核心组成部分。新时期的智慧高速铁路运行控制系统以实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制为目标,主要包括移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能调度指挥、车-地动态自组网通信等关键技术。结合新一代使能技术,研究高速铁路运行控制智能技术的应用及其发展趋势,对我国智慧高速铁路的发展具有参考价值。

基于准动态评估的桥上有砟轨道最优级配研究

道砟级配是有砟轨道的重要参数,对桥上有砟道床准动态稳定性和容重有较大影响。通过离散元法建立桥上有砟道床模型,研究各国级配下道床准动态稳定性差异;采用极限思维法,揭示各粒径含量对桥上有砟道床准动态稳定性的影响程度,并对道床容重特性进行初探。结果表明:当桥上道床密度为1.7 g/cm~3时,道床横向阻力值为:俄罗斯B类>中国特级>中国一级>美国4A;大粒径道砟含量越高,道床横向阻力值越大;小粒径道砟含量增加,道床横向阻力值先减小后略有增大;为保证道床具有较高稳定性,建议小粒径道砟含量应大于0但不超过30%,中粒径道砟含量应不为0,大粒径道砟含量应不低于15.5%;采用最优级配区间所建立的桥上有砟道床具有工程上所青睐的道床容重特性。

基于实测数据的高海拔大日温差地区拱上组合梁桥-无砟轨道体系温度场研究

温度作用是影响桥梁-轨道结构服役性能的重要因素之一。为探究高海拔大日温差地区拱上组合梁桥-无砟轨道体系的温度场变化规律,基于某拟建铁路上承式大跨拱桥桥址处的环境温度持续监测数据与卫星反演得到的太阳辐射数据,建立了考虑太阳辐射阴影遮挡效应的拱上组合梁桥-无砟轨道体系温度场模型,重点分析日温度变化规律和竖向温差分布规律,获得了考虑实测气温和太阳辐射逐时变化的全年日温度场;采用广义帕累托分布对竖向温差样本进行了极值分布估计,确定不同超越概率的竖向温差代表值,提出多折线形式的竖向温度梯度模式。研究结果表明,梯度相较于平原地区更为显著,无砟轨道的遮挡效应使得温度梯度分布上移,钢梁外侧腹板在冬季产生局部梯度作用;基于实测数据的温差极值估计方法考虑了环境温度和太阳辐射对结构温度场的随机影响,可为特殊地区桥梁设计阶段温度作用的计算提供参考。

基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法研究

动车组变压器是保障高速铁路稳定运行的核心设备,频率响应法是目前检测变压器绕组状态的有效方法。为提升车载变压器绕组状态诊断的准确性,结合暂态信号与频率响应法提出基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法。搭建试验车载变压器绕组故障模拟平台,获取不同故障类型和故障位置的频响曲线,利用类Gram矩阵结合幅频和相频曲线信息,再利用密度分层法转换为伪彩色图,提取对应的灰度共生矩阵和灰度差分矩阵特征值,根据鹈鹕优化支持向量机方法对绕组故障进行诊断。试验结果表明:车载变压器绕组故障发生时,伪彩色图能够反映出故障信息,有利于图像分析和特征提取,采用基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法能够识别车载变压器绕组的典型故障类型和位置。

高速铁路动静态轨检数据里程对齐与误差修正

轨道几何动、静检测数据间的精确匹配对探明高速铁路线路服役状态和制定准确可靠的养护维修策略具有关键作用。针对动静里程匹配算法研究较少的现状,提出利用动、静态实测数据波形匹配,建立基于互相关函数与动态时间规划相结合的两阶段修正算法,并以距离误差作为评价指标。结合某高铁线路轨道几何检测数据的案例分析,以静态检测数据作为参考基准,对动态检测数据进行里程误差评估与修正。结果表明,两阶段算法修正效果显著,累积距离误差降幅超过93%,修正后的动、静态检测数据严格对齐保证了动态检测数据的可靠性与有效性。

高速铁路日常客运量的EMD-Informer组合预测方法

铁路客流需求的科学预测是进行运输组织方案决策的重要依据。以高速铁路历史客票数据为基础,结合经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)与机器深度学习中的注意力机制,提出高速铁路日客流量的EMD-Informer组合预测方法。首先采用EMD方法分解高速铁路客流量序列,获得具有周期特征和线路客流内在特征的模态分量,再利用Informer模型分别训练和预测各模态分解分量,并通过多头注意力机制高效挖掘客流数据内在规律和捕捉数据序列中的关键特征,在此基础上重组各分量预测值,从而得到高速铁路日常客流的整体高精度预测值。同时,根据结合问题特征的大量实验,明确可供实际运用参考的超参数设置规则。基于京沪高速铁路全线的实例计算分析表明,相对对比预测方法,EMD-Informer组合预测方法在高速铁路客流的单步预测及超前预测上均具有明显更小的预测误差。

基于分形维数的高速铁路地震预警系统地震P波震相识别方法

为更好保障高速铁路的运营安全,高速铁路地震预警系统的实施十分必要。5级以下的小震事件占据地震事件的95%以上,提高高速铁路预警系统在小震震相识别的速度与精度能有效保障高铁安全运营。提出一种基于分形维数的地震震相识别算法,优化传统分形维数的计算方法,提高分形维数的计算速度。引入分形斜率曲线并划分为4个阶段,分析临界点的分形斜率特征,通过识别分形斜率极值时刻判断地震波精准到达时刻。提出的算法平均误差达到0.006 3 s,标准差达到0.043 8 s,满足高速铁路地震预警系统的时效性和准确度要求。

基于细观解析模型的铁路有砟道床力学特性研究

有砟道床是由碎石道砟组成的一种散粒体结构,道砟颗粒之间的相互作用影响道床结构整体的力学特性。为研究道砟层内部的荷载传递和沉降规律,探明列车行驶过程中道床服役状态演变的机制,基于有限元ABAQUS平台软件,通过编制内部子程序对Chang-Hicher模型进行二次开发,开展道砟集料的常规三轴试验以及碎石道床动力特性试验的数值模拟,从静、动力学角度阐明利用细观解析本构模型模拟道砟力学特性的可行性。进一步利用该模型研究高速列车荷载下道床的动态力学行为,从宏观层面探讨道床不同区域的沉降特征,从细观层面运用玫瑰图来分析道砟间接触力的分布情况和变化规律,分析行车速度和轴重等控制因素对接触力和位移的影响。研究结果表明,列车行驶过程中,荷载作用下方道砟的接触力整体水平最高、枕盒中心处次之,轨枕中心处最小,而这些区域内道砟的竖向位移变化基本相同;行车速度和轴重对道砟间接触力和道床下沉量均呈现正相关关系。

基于地震P波初至2 s功率信息的高速铁路地震预警系统快速震级估算方法

震级估算是高速铁路地震预警系统的关键技术参数,更加快速、准确的震级估算模型能够更好地保障人民的生命财产安全。利用日本K-net强震动数据,建立基于地震P波到达后携带功率信息的地震动衰减模型并用于震级估算,并将本文算法与传统算法对比。结果表明,在1~5 s的时间窗下,模型的震级估算误差均明显小于传统的方法,且小震高估现象也明显改善;随着时窗长度的增加,模型的震级估算误差及标准差也逐渐降低,实现率也逐步提升,在1 s的时窗长度下,模型的单台震级估算实现率满足规范要求;对7级以下地震,模型的震级估算实现率可在地震P波到达1 s后满足规范要求;对7级以上地震,模型的震级估算实现率可以在地震P波到达2 s后满足规范要求。

基于GPD理论和百分位数阈值法的轮轨力极值估计与动力系数研究

在高速铁路无砟轨道结构设计和检算时,列车荷载设计值是关键的设计参数之一。基于GPD理论,研究全波段不平顺激励下的轮轨力极值估计方法,并与脉冲激励下的结果对比,为无砟轨道结构设计和相关规范的完善提供依据。结果表明:采用百分位数法选取阈值时,应对样本分簇以提高样本之间的独立性和轮轨力极值估计的精度;提出结合百分位数阈值的形状参数筛选法进行轮轨力极值估计,确定了每簇样本量大小和形状参数区间;样本量宜取3×10^(5)~5×10^(5)个,百分位数阈值宜取50%~98%,且以轮轨力极值估计值的均值作为最终的轮轨力极值估计值;列车速度为250~400 km/h的列车荷载设计值动力系数分别为2.2、2.4、2.6和2.8。

渗透各向异性土层中考虑挡墙厚度的基坑稳态渗流解析解

本文对考虑厚度挡墙支护下渗透各向异性土层中基坑的二维稳态渗流进行了解析研究。根据对称性取基坑半截面,将周围土层划分为5个规则区域,采用坐标变换将渗透各向异性土层转换成等效各向同性土层,对各区域利用叠加法和分离变量法推导得到二维稳态渗流场、挡墙上水压力以及坑底出逸比降的显式解析解。对比保角变换和积分变换方法,本文解渗流场计算结果连续且无奇异点,且基坑水头和挡墙两侧水压力分布情况与数值软件分析一致性较好,说明本文解析解的正确性和优越性。本文解与不同计算方法得到的挡墙水压力结果对比分析发现,挡墙厚度d、竖直与水平向渗透系数比α对挡墙上水压力的影响不可忽略。分析α、d对挡墙底部水压力及出逸比降的影响,随着α和d的增大,基坑外侧挡墙底部水压力增大,基坑内侧挡墙底部水压力减小;随着α和d的逐渐减小,坑底出逸比降不断增大;当α和d较小时,考虑一维渗流情况得到的出逸比降安全性较低,且随着α和d的减小与本文解析解差距越来越大。

考虑碾压参数影响的压实质量连续检测结果修正研究

为降低压路机行驶速度、行驶方向、振动频率等碾压参数引起的压实质量连续检测结果CMV误差,以动态变形模量E_(vd)为修正目标,基于极限梯度提升XGBoost算法和多元线性回归方法分别建立CMV修正模型,对比修正模型的适用性,并分析各碾压参数对CMV误差的影响。研究表明,XGBoost修正结果与E_(vd)的相关系数高达0.8且误差仅为1.7%,而多元线性回归修正结果与E_(vd)的相关系数仅为0.65且误差高达9.2%,XGBoost修正模型更适用于降低由碾压参数引起的CMV检测误差。高速行驶会造成CMV存在显著的负误差,行驶方向的不同使CMV产生大小相当但正负相反的误差,振动频率对CMV误差的影响是非线性的且与频率的取值有关。最后根据现场压实检测数据的修正结果验证了XGBoost修正模型对降低CMV检测误差的可靠性。

大风区高速铁路路基双侧挡风墙周围沙粒沉积数值模拟研究

兰新高速铁路横穿多个大风区,对其安全运营造成严重影响。为降低强风对线路的危害,在大风区修筑大量防风构筑物,其中以路基挡风墙最为常见,挡风墙降低了风害的影响,但是带来严重的线路积沙问题。通过数值模拟研究不同风速下路基双侧挡风墙周围的流场特征,利用风产生的壁面剪切应力与沙粒剪切应力的比值确定地表沙粒沉积与侵蚀类型。研究发现,气流在两道挡风墙之间分别形成一个顺时针涡流和一个逆时针涡流,在第二道挡风墙背风侧形成一个顺时针大涡,随着来流风速增大,漩涡尺寸和涡流强度均在增大;由于涡流的存在,部分沙粒被卷走,路堤背风坡附近以及路基面上的沙粒沉积显著减少,当来流风速为24、30 m/s时,南北侧线路道床面均出现沙粒反向侵蚀;单双侧挡风墙的积沙规律对比结果表明,设置双侧挡风墙时,线路积沙显著减少。研究揭示了大风区铁路双侧挡风墙周围路基面上的沙粒沉积规律,对未来风区铁路的防护建设具有指导意义。

两轴径向独立轮副轨道车辆动力学性能

针对独立车轮导向问题提出后倾角导向方法,使独立轮副轨道车辆获得自导向能力。阐述车辆的自导向原理,利用横向轮轨力和后倾角力臂形成摇头力矩,使独立车轮自动转向。关于中心对称的前后独立轮副分别向相反方向转向,使独立车轮处于径向位置。采用多体动力学方法分析独立轮副轨道车辆的自导向性能。结果表明:在直线轨道上,后倾角对车辆横向位移和摇头角的影响明显。带后倾角车辆出现类蛇行运动现象。具有后倾角的车辆在直线轨道上能够自动复位。在曲线轨道上,左前导向轮具有较大的冲角。后倾角能够使车辆动态对中,最终回到轨道中心线位置。带后倾角的独立轮副轨道车辆在曲线轨道上具有有限的导向能力。

考虑摇头角的非赫兹滚动接触算法对比研究

为研究轮对摇头角对轮轨接触行为的影响以及评估简化非赫兹轮轨接触算法的精度,选取EKP、MKP与MSHM共3种考虑摇头角的轮轨非赫兹简化算法分析轮轨法向与切向接触行为。以S1002CN车轮踏面和CHN60钢轨为研究对象,以精确理论CONTACT算法的结果为参考,对比各简化接触算法得到的接触斑形状、接触应力、切应力等微观接触结果的准确性。利用UM软件建立车辆-轨道耦合动力学模型进行仿真分析得到轮轨运动参数,然后输入到接触算法计算轮轨接触解,基于统计学累积误差方法评估不同接触算法在实际车辆运行工况下的计算精度与稳定性。计算结果表明:摇头角使轮轨接触斑与接触应力呈三维非对称分布;对于法向接触,在大部分工况下,MKP算法相比EKP、MSHM算法精度较高,但接触斑内轮轨曲率变化较大时,如横移量为6 mm,MKP算法所得到的最大接触应力误差为47.2%,此时更适合采用MSHM算法,其误差为27%;对于切向问题,采用EKP+FaStrip、MKP+FaStrip算法比MSHM+FASTSIM算法得到的结果更准确;对于动力学结果,MKP+FaStrip算法比EKP+FaStrip、MSHM+FASTSIM算法得到的接触结果更加精确和稳定。

超导钉扎高速磁浮车-轨耦合动力学建模与仿真

为探究超导钉扎磁浮车辆高速运行动态特性,建立车-轨耦合空间模型,开展不同车速下的动力学仿真。结合有限元方法获得磁轨关系数学模型;基于牛顿-欧拉法建立车辆模型,引入截短梁描述建立永磁轨道模型;以磁轨关系为纽带获得超导钉扎磁浮车-轨空间耦合动力学模型;利用Matlab对模型进行仿真,分析轨道振动、电机法向力和轨道不平顺等对超导钉扎磁浮车辆-轨道系统动态响应的影响。结果表明:磁浮车辆系统的振动受轨道不平顺和车速的影响较大,受轨道振动的影响可忽略不计;在速度为620 km/h时,车体、悬浮架的最大振动加速度分别保持在0.5、8 m/s^(2)以下,具有较好的乘坐舒适性。建立的模型可为超导钉扎磁浮交通线路设计与参数优化等研究提供帮助。

基于等效裂纹法的铝合金T形焊接接头疲劳寿命评估

针对焊接缺陷的多样性、复杂性及随机分散性等特征,提出一种以一组高应力疲劳试验结果作为参考点的等效裂纹法开展焊接结构的疲劳寿命研究。以疲劳试验结果作为参考,假设一个完整板中的初始裂纹等效焊接结构中的缺陷及应力集中效应,基于线弹性断裂力学和Paris公式计算等效裂纹扩展寿命作为焊接结构的疲劳失效寿命。提出基于等效裂纹法的结构疲劳寿命计算流程;开展铝合金T形焊接接头的疲劳试验以及拟合P-S-N曲线;基于T形焊接接头的焊根失效模式采用等效裂纹方法预测T形接头的计算P-S-N曲线,并与试验拟合曲线进行对比,相对误差为10%,验证了该方法的可行性与有效性;最后,通过一组变幅载荷谱疲劳试验与预测P-S-N曲线对比,相对误差均小于15%,同时也验证了该方法对于变幅载荷的适用性,实现了基于一组疲劳试验结果预测全范围T形焊接接头疲劳寿命的评估。以较少的测试和成本实现确定的疲劳寿命,简化了概率疲劳寿命的评估过程,该方法可以推广于其他焊接接头寿命评估中。

考虑弯曲空间效应影响的箱梁强迫振动分析

选取附加挠度为剪力滞广义位移,箱梁体系总动能中计入剪力滞附加变形的影响,综合运用薄壁结构弹性理论和Hamilton原理,建立考虑弯曲空间效应影响的箱梁强迫振动控制微分方程及边界条件,并给出任意简谐荷载作用下简支和连续箱梁的强迫振动解析解。引入振动频率影响的应力和挠度放大系数,详细分析简支、连续箱梁剪切剪力滞效应在初等梁结果中的占比及放大系数分布规律。算例分析表明:考虑弯曲空间效应影响的箱梁截面纵向动应力与有限元结果吻合良好;振动频率越大,应力和挠度放大系数、剪切效应占比越大,剪力滞效应占比越小;同频率振动时,简支箱梁放大系数远大于两跨连续箱梁(单跨长等于简支跨长),且频率越高,差值比越大;基频内振动时,箱梁纵向应力计算可忽略剪力滞效应,挠度计算需考虑剪切变形的影响。

具有未知时变参数城轨列车的精准停车鲁棒控制

列车运行情况复杂多变,使得列车质量、基本运行阻力及线路状况等参数难以精确获得且随着列车运行存在明显的时变特性。列车模型参数的不确定性和时变特性会对列车的精准停车性能产生重要的影响。在动车组多质点动力学模型的基础上,根据Lyapunov再设计方法设计了一种非线性列车鲁棒控制器。该控制器将系统中的不确定性因素视为等价干扰,并设计相应的鲁棒补偿项。根据参数的先验区间,设计的鲁棒补偿项能够抑制模型估计误差,使得列车的位置和速度跟踪误差快速收敛,最终实现精准停车的控制目标;同时,也证明了系统的最终一致有界稳定性。最后,选取城市轨道交通场景进行仿真验证,仿真结果表明:本文提出的控制方法在列车模型参数未知且时变情景下也能实现对期望停车曲线的快速、精确追踪,表现出较强的鲁棒特性。

基于并行图卷积网络的无砟轨道监测测点异常识别

针对在服役过程中高速铁路无砟轨道结构健康监测可能出现由结构局部损伤或者传感器故障导致的测点异常问题,建立一种并行图卷积神经网络模型,来识别高速铁路无砟轨道监测测点的异常。采用结构早期初始状态的监测数据训练并行图卷积神经网络,获得结构初始状态下的测点数据之间的空间关联性;利用并行图卷积神经网络预测服役状态无砟轨道测点监测数据,实现轨道监测测点异常的识别;此外,对明显漂移的数据可基于有向图分析修正预测结果。将该方法应用于某高速铁路无砟轨道结构长期监测数据并识别了异常测点。