千米级大跨度桥上线路动态与静态轨道不平顺的关系

为了明确千米级大跨度桥轨道不平顺状态的分布规律,以某千米级大跨度桥上线路轨道不平顺检测数据为例,分析了动态和静态高低、轨向及轨距不平顺的时域分布特征,并进行了相关性分析,确定了动态和静态波形匹配参数,在此基础上提出了移动窗相关系数的里程匹配算法;给出了基于尺码法的轨道不平顺分形维数计算流程,分析了短波、中波和长波区段的动态和静态轨道不平顺分形维数及其分布规律特征。结果表明:以轨距作为对准参数项,采用滑动相关系数法可以实现动态与静态不平顺数据的有效对准;高低不平顺的分形维数可以作为诊断线路道砟服役状态的有效工具;大跨度桥的轨向及高低不平顺长波成分稳定,不因轮载动态作用而显著变化。

面向公共交通融合发展的城市地铁运营绩效评价方法

城市地铁是缓解城市交通拥堵、实现交通结构集约化的重要载体,但建设与运营成本大。特别在城市地铁大规模建设的背景下,公交客流颓势愈显。为此,面向城市地铁与公交的融合发展,在考虑地铁建设对公交客流负面作用的前提下,采用SBM(slacks-based measure)模型系统评价城市地铁的运营绩效。进而在连续时间截面下,通过GML(global Malmquist-Luenberger)指数持续跟踪地铁运营绩效的变化趋势。然后考虑城市经济发展、规模发展和私家车竞争等外部因素,利用Tobit模型分析其对城市地铁运营绩效的影响。基于2018—2021年我国31个城市的面板数据,采用含非期望产出的SBM模型测度各城市各年份的地铁运营绩效,发现规模大、客流强度高的城市地铁运营绩效通常更高;除2020年受疫情影响外,其余年份城市地铁运营综合技术效率和规模效率逐年上升,但纯技术效率逐年下降,对现有投入资源的利用率降低。地铁运营无效的城市主要表现为公交客流下降严重,亟须强化地铁与公交的融合发展。采用GML指数测算相邻年份间各城市地铁运营绩效的动态变化特性,发现我国城市地铁运营全要素生产率年均下降2.8%,主要归因于疫情阶段放缓了技术进步。Tobit模型进一步发现城市建成区面积对城市地铁运营绩效具有显著的正向作用。研究结果可在地铁与公交融合的背景下全面定位城市地铁的发展瓶颈,为提升轨道交通在城市公共交通中的引领及促进作用提供理论与方法基础。

千米级铁路悬索桥轨道不平顺管理方法研究

轨道不平顺是线路服役状态的最直接表征,一直以来都是线路养修部门的重点管理内容。为了满足铁路沿线复杂的地理形势,我国修建了主跨超千米的公铁两用桥,但现行轨道几何形位评价方法多是针对路基或跨度较小的铁路桥梁区段来制定的,是否适用于千米级铁路悬索桥梁需要进一步讨论。为验证其适用性,将华东区某千米级铁路悬索桥实测的轨道静态不平顺作为样本来源,给出了矢距差法与中点弦测法算法,对高低和轨向不平顺进行计算,分析其矢高弦长的状态变化规律,讨论了特殊部位的轨道不平顺状态特征规律。结果表明:千米级铁路悬索桥的轨道动态平顺性状态良好,现有的TQI法适用于其轨道动态平顺性管理;对于轨道静态平顺性的评价,矢距差法得到的高低不平顺幅值远大于10mm,超限占比55%以上,因此矢距差法的管理阈值不适用高低不平顺,主要原因在于复杂服役环境作用下千米级桥梁自身竖向变形大所致;选取10m、30m和60m弦中点弦测法得到的千米级铁路悬索桥轨道静态不平顺幅值,满足95%以上的置信区间,可以满足轨道不平顺管理的需要。

千米跨度高铁斜拉桥轨道平顺性控制拟合参数分析

由于温度荷载等环境因素的综合作用,大跨度高铁桥梁的复杂变形使得桥上轨道不平顺控制成为难题。鉴于温度变形是影响桥梁垂向变形的最关键因素,为厘清千米跨度高铁桥梁的桥梁温度变形与实际轨道变形关系,方便养护维修人员快速测算线路轨道不平顺实际情况,提出了小波重构-凝聚层次聚类算法来确定不同温度条件下桥梁温度变形。首先,以我国某千米跨度高铁斜拉桥不同温度条件下的轨道不平顺静态检测数据作为样本函数,采用小波变换进行时频特征分析,得到了各温度条件下的桥梁变形;其次,通过凝聚层次聚类分析将不同温度下的桥梁温度变形分为4类,确定了以10阶多项式拟合桥梁温度变形的各项拟合系数;最后,提出实际轨道不平顺即为实测垂向偏差数据与拟合桥梁温度变形间的差值,并对此进行了相关性验证。结果表明:提出的实际轨道不平顺与实测轨道不平顺数据在现行规范要求的10 m中点弦测值、30 m矢距差值与60 m中点弦测值的时域相关性分别介于0.998 0~0.999 5、0.986 0~0.996 6、0.912 3~0.956 8,且时域波形基本吻合;频域上,不同测量结果频谱图上各频率对应谱密度值基本相同,相干函数在各频率上均介于0.9~1.0,实测结果与拟合结果具有极强的相似性。证明该拟合方法有效,对应得到的实际轨道不平顺可以作为现场养护维修作业的依据。

基于分形理论的城市轨道交通客流动态特征研究

随着城市轨道交通的发展,其站点与线路设施将逐渐完善,并引发客流的变化。为评价轨道交通客流的动态特征,针对轨道交通客流时空不确定的特点,采用半径-面积法,分析轨道交通客流进/出站维数与其分枝维数,探究轨道交通建设过程中客流分维的短时与长期变化特征。为研究轨道客流的自仿射特性,采用功率谱分析法,计算自仿射记录维数。以苏州市轨道交通为例,发现客流的全天变化趋势可用分形维数量化分析。采用功率谱分析方法逐一求解不同时间段下的自仿射记录维数,发现平峰期的客流空间衰减率更高,同质性更低。研究成果可为进一步解析与优化轨道交通的利用效率与服务能力提供理论指导。

基于优化G-P算法求解关联维数

为了解决研究混沌关联维数主流算法G-P算法存在的问题,包括相空间和距离矩阵的循环构造,相关参量选取不当影响结论,Heaviside阶跃函数判断冗余等,提出改进的G-P算法。该算法在原理和重复计算上作出优化,在原矩阵的基础上操作形成后续矩阵及对距离矩阵进行排序,避免了循环判断,大大缩减了计算周期;对相关参量取值做出决策,使结论更严谨;对双对数图像的无标度区间采用Taylor级数法确定,使其更加直观。后续以Lorenz系统数据进行实例分析,仿真的结果也证明了改进算法的准确性。

无砟轨道不平顺对行车安全性影响的可靠性分析

轨道不平顺的状态控制分析是保证高速铁路行车安全性的核心问题之一。从轮轨动力学角度建立行车安全性的极限状态方程,将轨道不平顺作为系统输入量、轮轨力作为输出量,采用响应面与轮轨动力学相结合的方法进行极限状态方程显示化求解。利用二次多项式响应面作为响应函数、中心复合选点法以及一次二阶矩法进行行车安全性的可靠性及失效概率的计算。通过实测轨道不平顺数据以及蒙特卡洛法进行实例分析与验证,结果表明:采用响应面与轮轨动力学相结合的方法可以有效地实现行车安全性状态的可靠性评估,且现有的轨道不平顺状态可以保证列车的安全运行。建议将概率分析因素纳入结构设计及日常线路维修中。

基于Lamb波的CRTSⅡ型板式无砟轨道层间损伤检测方法

CA砂浆层间损伤直接影响CRTSⅡ型板式无砟轨道的服役性能。通过建立刚性边界条件下Lamb波在CRTSⅡ型板式无砟轨道中传播的理论模型,研究了无砟轨道Lamb波的频散特性,确立对缺陷敏感的Lamb波模态以及在空气耦合方式下该模态的激励参数。通过实验室等比例模型试验对所提CA砂浆层间损伤空气耦合Lamb波检测方法进行验证。结果表明:当空气耦合超声探头中心激励频率为28 kHz、入射角3.5°时,可在CRTSⅡ型无砟轨道板中激励产生Lamb波A3模态,利用该模态可以进行无砟轨道层间损伤检测;随着CA砂浆层间脱空损伤尺寸增加,能量泄漏减少,接收的Lamb波A3模态能量增加,幅值增大,呈现线性变化规律;采用非接触式空气耦合Lamb波可实现CRTSⅡ型板式无砟轨道层间损伤的快速定量检测。

基于随机有限元的无砟轨道服役可靠性分析

无砟轨道结构的服役可靠性是影响高速列车的行车安全的关键性因素之一。采用随机有限元和人工智能混迭建模的方法分析轨道不平顺对无砟轨道服役的可靠性影响;通过轮轨动力学随机因素构建无砟轨道服役极限状态方程,利用有限元理论建立CRTS II型板式无砟轨道单元模型和CRH 3车辆单元模型,采用交叉迭代法进行求解;将实测轨道不平顺数据作为输入,轮轨动力学响应作为输出,采用三层BP神经网络模型进行轮轨关系的映射,并与有限元蒙特卡洛联合建模,计算轨道不平顺作用下的无砟轨道服役可靠性及失效概率;利用实测轨道不平顺数据进行轨道谱的拟合与反演,将混迭建模结果与传统计算结果进行比较分析。结果表明:采用混迭模型计算的结果可以有效地表征无砟轨道服役的可靠性,建议采用此方法进行相应的无砟轨道结构服役安全性检算。

高速铁路无砟轨道不平顺分形特征分析

无砟轨道不平顺作为线路服役状态的直接表征,一直是高速铁路检查与维修作业的核心。为了深刻而有效地掌握无砟轨道不平顺的时空分布特征,从分形几何的基础物理含义出发,确定轨道不平顺的分形特征,比选轨道不平顺分形维数的计算方法,通过分析典型高速铁路无砟轨道不平顺的累计检测数据,讨论分形维数进行轨道区段质量管理的可行性与合理性。结果表明:轨道不平顺具有典型自相似性和标度不变性的分形特征,各种分形维数方法进行轨道不平顺计算的结果具有显著差异性,变差法计算的精度、鲁棒性好,适合进行轨道不平顺分形维数计算;分形维数可以有效地表征线路轨道服役状态逐渐恶化的趋势,受线路作业维修干扰较少。建议结合线路具体养修条件,进一步对不同线路条件下轨道不平顺分形维数特征进行深入研究。

无砟轨道服役状态的移动端监测系统开发应用

随着无砟轨道结构在役服役时间的增长,无砟轨道服役性能劣化现象突显,有效地掌握无砟轨道结构实时服役状态具有重要价值。笔者提出了一种无砟轨道服役状态移动端在线监测系统技术,利用关系型数据库和微信小程序相结合的方式,以阿里云服务器为中介,采用WXML和MXSS进行微信小程序页面设计,利用Http Request请求技术进行实现小程序和服务器之前的数据交互。结果表明:所开发的无砟轨道服役状态移动端在线监测系统运行稳定可靠,可以有效地实现服役性能关键参数的查看和分析,对于移动端的工务信息管理平台的搭建具有十分积极的现实价值。

轨道板性能在线监测系统

轨道服役性能参数是轨道结构状态的总体反映。当轨道出现病害或是潜在病害时,轨道服役性能参数势必会发生变化。自主研发出的1套轨道板性能在线监测系统,可实现在线采集轨道板温度并对其性能进行分析,已成功运用于华东地区某客运专线轨道性能的在线监测中。该系统主要由便携式前端采集硬件、后端处理分析中心及用户终端三部分构成,具有测试参数全面、高精度采集、远程传输等优势。

基于空耦超声导波的无砟轨道CA砂浆脱空检测方法

CA砂浆层是板式无砟轨道的重要结构之一,其服役状态劣化而产生的离缝、脱空等结构性病害严重影响高速列车的行车安全。通过建立无砟轨道超声导波有限元模型,分析多种工况下CA砂浆脱空的超声导波特征模态;针对脱空病害引起的超声导波模态混迭问题,采用时间反转聚焦方法进行CA砂浆脱空特征模态识别,利用时域特征模态比较和损伤指数对病害识别效果进行验证。研究结果表明:空耦超声导波方法可以有效地识别板式无砟轨道的CA砂浆脱空病害,通过时间反转方法可以有效地提取CA砂浆脱空特征模态。建议采用超声导波方法对无砟轨道的破损、裂缝等病害进行检测。

基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法

针对接触式超声检测方法在金属板结构内部缺陷实际工程检测中存在的环境要求高、效率低、操作难度高等问题,提出了空耦超声Lamb波检测方法,该方法能更好地适应现场应用环境,提高检测效率,减少传感器数量。通过有限元仿真和实验分析比较了空耦超声检测与接触式超声检测两种方法接收到的信号和成像效果。结果表明:有限元仿真和实验中,空耦超声检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和3.6 mm,接触式检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和11.3 mm,空耦检测具有较高的定位精度;单侧激励条件下,适合采用A0模态Lamb波对板内缺陷进行检测;空耦超声检测可以通过调整信号接收角度接收单一模态Lamb波,避免伪像产生。该方法为后续金属板状结构内部缺陷的空耦超声检测提供参考。

无砟轨道监测数据信息管理系统的设计与实现

无砟轨道在役服役状态的劣化现象突显,对服役性能关键参数进行监测和管理具有重要价值。提出CRTSⅡ型板式无砟轨道监测数据信息管理系统的总体架构和各个模块的功能;基于Oracle数据库开发平台,建立相应的轨道板服役性能关键参数数据库系统;以C/S方法对轨道板监测数据库的管理和使用,并利用华东地区某高速铁路作为实例对所提方法进行验证。结果表明:采用云端服务器和Oracle数据库可以实现CRTSⅡ型板式无砟轨道监测数据信息管理系统的开发;利用OLE-DB数据库可以有效地实现轨道板监测数据库的功能;且该系统可以实现监测数据查询、可视化和服役状态实时预警等功能;建议可以采用此系统对轨道在役服役状态进行监测和管理,以便更好地保障高速列车行车安全。

考虑波长因素的提速线路捣固作业质量评价方法研究

捣固作业质量直接关系到线路轨道服役状态,多维度研究捣固作业后轨道几何形位的变化规律是有效提升线路捣固作业效率的关键。以某160 km/h提速干线改造工程为例,提出考虑波长因素的捣固方案,针对捣固作业后的轨道几何形位的变化,分析轨道静态不平顺数据及动态不平顺数据,研究70 m弦矢高、轨道质量指数、功率谱密度、小波变换、小波能量谱等时频分布特征,确定捣固作业前后轨道不平顺波长及幅值的变化规律。研究结果表明:考虑波长因素的捣固作业方法可以有效地改善线路的长波不平顺状态,高低不平顺的改善效果优于轨向不平顺;曲线区段改善率大于直线区段且曲线轨道质量改善率随圆曲线半径的增大而降低;线路线形得到基本控制后不能通过盲目地增加捣固作业次数来达到改善轨道质量的目的。

考虑波长因素的高铁无砟轨道不平顺分形分析

保证无砟轨道几何形位服役状态是高速铁路线路养护维修的核心内容,轨道不平顺波长因素直接影响列车运营舒适性。采用分形尺码法对无砟轨道不平顺的分形特征进行分析,讨论分形维数表征轨道不平顺短波、中波和长波的能力,确定分形维数对应的波长范围。对某高铁线路实测200 m区段长度的高低和轨向不平顺样本进行分析,研究不同波段分形维数对应波长尺码的稳定性。研究结果表明:无砟轨道不平顺的分形维数可分为3个波长区间,即D_(1)(0.135~2.16 m),D_(2)(4.32~17.28 m)和D_(3)(34.56~138.24 m);分形维数对应波长尺码具有较好地稳定性;采用分形维数指标可以有效地对区段轨道不平顺的波长进行定量化评定。

基于支持向量机的CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板正温度梯度预警方法

无砟轨道板温度梯度是温度荷载作用在轨道结构上的重要表征,也是结构设计和养护维修的关键参数。针对轨道板温度梯度状态监测预警问题,基于运营线实测高铁轨道板数据样本,以气温、太阳辐射、风速等气象参数为特征输入参量,轨道板正温度梯度为输出参量,建立基于支持向量机的轨道板正温度梯度分类预警模型,给出模型关键性参数的选择方法;利用实测数据验证预警模型的有效性和准确性,并结合历史气象资料数据,采用所建立模型确定气象参数的预警阈值。研究结果表明:无砟轨道板正温度梯度预警模型识别准确率为98.648 6%,气温、太阳辐射量、风速的预警指标值为33.9℃,733W/m2和2 m/s且可靠性为96%,可为轨道结构的设计改进、病害预防以及养护维修提供方向性指导与建议。

无砟轨道板表面裂缝的红外热成像检测方法

纵连无砟轨道板作为无砟轨道主要结构类型之一,表面裂缝是轨道板最常见的结构病害类型,也是高铁运维重点作业内容之一。实现非接触快速的红外热成像检测裂缝病害方法对于提高作业精度和效率具有显著作用。针对红外热成像仪采集的图像数据存在的边缘模糊、对比度低等问题,提出基于NSCT变换(Non-subsampled Contourlet Transform)的多尺度积阈值红外图像增强算法。基于相位一致性原理,采用形态学处理、k-means聚类手段提取出红外图像中的完整裂缝区域,并建立基于红外热像图中完整裂缝区域的裂缝检测方法。通过现场病害检测实例对所提算法的有效性进行验证。研究结果表明:采用基于NSCT变换的多尺度积阈值红外图像增强算法,可以有效改善轨道板裂缝红外图像中的噪声、边缘模糊、对比度低的问题,强化图像中裂缝边缘细节;通过相位一致性原理可以获取红外热像图中的裂缝区域,利用形态学处理方法可有效去除图像中的孤立噪声和伪边缘区域,结合红外热像图的温度和温度梯度信息通过k-means聚类算法可对裂缝区域细化,提取出完整的裂缝区域图像;算法对轨道板表面裂缝的检测准确率达90%以上,可以有效地实现表面裂缝病害的检测,建议在高铁无砟轨道运维中采用红外热成像方法对纵连轨道板的表面裂缝进行检测。

基于热成像的高速铁路轨道板表面裂缝检测方法研究

针对高铁检修天窗的轨道板表面裂缝检测问题,采用红外热成像方法进行研究。首先,通过实际调研,确定了轨道板表面裂缝的主要表现形式和结构特征。其次,基于红外热成像检测原理,推导轨道板表面温差计算公式,得到裂缝检测的控制性因素。在此基础上,建立了含表面裂缝轨道板红外热成像检测有限元三维模型,分别研究了环境温度、裂缝宽度和裂缝长度对检测效果的影响,最后,通过对不同热激励辐射强度和激励时间的仿真计算,优化了检测条件,提高了检测精度。研究结果表明:利用热成像技术可以实现对轨道板表面裂缝的夜间检测,且环境温度越高、裂缝尺寸越大,检测效果越好。在20℃条件下,可以实现对宽度大于0.1 mm,长度大于15 cm裂缝的有效检测。在施加热激励辐射强度为1 000 W/m^2的条件下,可以实现对细小裂缝5 km/h的动态检测。