基于Event-B与ADT的TACS形式化开发方法与验证

为克服Event-B方法在开发全新一代列车自主运行控制系统(Train Autonomous Circumambulate System,TACS)中所出现的建模复杂性问题,提出将抽象数据类型(Abstract Data Types,ADT)实例化与Event-B相结合的方法,对TACS进行形式化开发和验证。首先,根据TACS的需求以及案例研究等相关内容,提取TACS的功能需求和安全需求,并将功能需求和安全需求以非形式化的语言进行描述;然后,根据TACS的功能需求和安全需求进行模型精化层次的设计,避免因在抽象模型中建模复杂的需求而导致证明困难;最后,在模型中使用形式化语言Event-B对TACS的功能需求和安全需求进行建模并验证其正确性,且在建模过程中,利用ADT的抽象概念将轨道网络、轨道区域以及移动授权(Movement Authority,MA)等复杂系统组件在初始模型中指定组件的必要属性,且在后续系统建模过程必要的精化阶段引入组件的具体定义,以降低系统开发和证明的复杂度。结果表明:提出的方法有助于在早期开发阶段减少TACS中复杂的细节部分,使得证明义务成功率为100%,自动证明成功率占比83%,手动证明成功率仅占比仅17%,在简化证明义务的同时有效提高了自动化证明的占比。

滑坡蠕动作用下高速铁路隧道结构安全预警技术与应用

依托某滑坡蠕动作用下的高速铁路隧道工程,设计并构建包括5大子系统,具备监测数据自动采集、数据传输、结构安全评价及预警等功能的隧道结构安全预警系统;分析滑坡蠕动作用下依托工程隧道结构应力在时间、空间上的分布规律,验证系统的可靠性和应用效果。结果表明:通过静态监测系统对隧道结构应力开展自动、实时、长期的安全监测及预警,设计思路具有可行性,构建的结构安全预警系统具备工程可靠性;隧道衬砌结构应力对滑坡蠕动作用的响应是长期而缓慢的,应力在经过4年“波浪式”增长后仍未稳定,其中套衬段最大钢架应力为-19.95 MPa、最大混凝土应力为-15.51 MPa,拆换段最大钢筋应力为-59.14 MPa、最大混凝土应力为-29.55 MPa;当滑面位于隧道下方时,隧道结构承受偏压荷载,拱顶、靠河侧拱部及靠山侧边墙部位的应力较大,且位于滑体边界处断面的应力大于其他断面。该系统可用于高速铁路隧道结构安全状况的评价和预警,并为保障隧道运营安全提供技术支持。

节段拼装梁抗剪承载力计算研究

针对国内外相关规范及研究人员提出的节段拼装梁抗剪承载力计算式差别较大的问题,结合24 m预制混凝土节段胶接缝拼装梁的静载试验,进行节段拼装梁抗剪承载力计算研究。结果表明:在对节段拼装梁进行未开裂接缝截面的抗剪承载力计算时,计算面积应取腹板面积;依据研究人员提出的接缝截面抗剪承载力计算式计算的结果均偏大,应考虑合理的折减;铁路规范、公路规范和轨道交通技术标准中提供的斜截面抗剪承载力计算式可用于节段拼装梁实体段和接缝截面的抗剪承载力计算,计算结果偏安全;在对铁路、公路、城市轨道交通和城市桥梁的节段拼装梁进行接缝截面抗剪承载力计算时,可取国内各规范斜截面抗剪承载力计算值与美国《节段式混凝土桥梁设计与施工指南》计算值中的较小者。

应对潮汐客流的城市轨道交通列车节能和乘客节时运行图优化模型

为应对城市轨道交通客流潮汐现象中因客流断面与客流方向不均衡而引起的列车牵引能耗高和乘客等待时间长的问题,提出一种考虑大小交路和列车放空运行的列车节能和乘客节时运行图优化模型。先通过优化上、下行方向大小交路站站停载客列车和非站站停放空列车开行序列,设计满足实际运营环境的6项约束条件,实现列车总牵引能耗和乘客总等待时间的双目标最小化;再采用非支配排序遗传算法Ⅱ与熵权法相结合的方法进行求解;最后以具有潮汐客流特征的某地铁线为背景,验证模型的适用性及其优化效果。结果表明:优化后的运行图不仅缩短了大客流方向乘客总等待时间、降低了小客流方向列车总牵引能耗,而且在实际运行图的基础上进一步实现列车节能1.71%和乘客节时2.40%。为保证实际服务水平,采用本模型时应合理控制相邻2列大交路站站停列车之间小交路列车与放空列车的数量。

新建高速铁路有砟轨道精捣作业环节改进及效果

为实现对新建高速铁路有砟轨道平顺性状态的控制,对精捣作业中的方案制定、大机捣固和效果评价3个环节进行改进。建立基于中长波不平顺控制理论、结合基础单元逐点移动优化策略、采用矢距差法和中点矢距法控制轨向及高低不平顺的精捣起拨量优化算法;提出一、二、三捣作业对轨道进行大幅度调整,四捣作业对轨道进行小幅度调整,并严格核查各点起道量与拨道量比例关系的大机捣固质量控制方法,以及基于轨道状态时频特征的精捣效果综合评价方法。将改进后的精捣作业应用于某新建高速铁路有砟轨道,结果表明:改进后的精捣作业可充分改善全波段范围内高低平顺性,对30和70 m等特定波长的轨向不平顺具有明显的控制效果;实施区段轨道质量指数(TQI)改善率为53.0%,其中,轨向改善率为21.0%,高低改善率为72.7%,10 m矢高、30和300 m矢距差降幅为30%~70%,改进后的精捣作业方法可有效提升新建高速铁路有砟轨道养护维修质量。

铁路一体化信息集成平台总体架构及关键技术研究

在分析铁路信息化当前面临问题及国家"十三五"期信息化发展外部环境的基础上,依托铁路信息化"CR1623"标志性工程建设,提出基于"平台+应用"模式的铁路一体化信息集成平台总体架构,包含客户服务平台、集成服务平台、数据服务平台和基础设施平台4大子平台。各子平台在建设过程中解决的关键技术包括:数据负载均衡、软件分发、服务过程实时监控和异常报警、业务建模与解析、海量数据智能分析与工作流调度、基于深度学习的图像及文本特征提取和智能分析挖掘、软件定义数据中心、自主可控超融合云平台、绿色节能等技术。国铁集团级一体化信息集成平台的建成使用,使铁路业务不断强化与物联网、云计算、大数据等信息技术的深度融合和创新应用,形成能力强大、运行稳定、保障有力的信息基础设施,完善了大数据分析、应用集成以及客户服务能力,将有力支撑和促进整个铁路信息化大综合、大集成的实现。

基于一维流动模型的高速列车隧道交会空气阻力数值模拟研究

应用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,考虑列车交会诱发的空气压力和流速变化,提出高速列车隧道交会空气阻力的计算方法。研究中国标准动车组CR400AF隧道交会列车空气阻力变化规律,分析列车交会位置、隧道长度、阻塞比、列车运行速度和列车长度对列车空气阻力的影响。结果表明:在研究隧道内列车空气阻力和列车周围气流流动时必须考虑压缩波和膨胀波的传播方向,交会位置对平均列车空气阻力的影响较小;在隧道中央等速交会时,列车空气阻力随隧道长度、阻塞比和车速增大而增大,且这3者的影响程度依次增大;平均列车空气阻力与车速的2次方近似成正比,与阻塞比的0.67～0.75次方成正比,与隧道长度的0.01次方成正比;时速300～400km等级16辆编组高速列车的平均列车空气阻力约为8辆编组的1.65～1.70倍。

风沙流对兰新高铁挡风墙的响应规律

以兰新高铁沿线穿越的烟墩风区为背景,基于现场试验和数值模拟,进行风沙流结构特征和挡风墙周围积沙特征研究。结果表明:兰新高铁烟墩风区风沙流携沙量随高度呈负指数分布,且沙粒主要以细沙为主,中沙次之,粗沙最少;挡风墙迎风侧、正上方、背风侧分别处于气流减速区、加速区和紊流区;挡风墙与上行线之间的风速廓线随高度呈先增大后减小的趋势,上行线中心线处呈先增大后减小再增大的趋势,但下行线变化幅度明显大于上行线;风沙流的携沙量一定时,随着风速的增大,挡风墙迎风侧积沙量逐渐减少,背风侧积沙量逐渐增大,且积沙分布区域逐渐向下行线转移;风速一定时,随着风沙流携沙量的增大,沉积在挡风墙两侧的积沙量呈递增趋势;线路沙害主要原因是既有积沙的2次转移,需及时清理挡风墙与上行线之间的积沙。

基于LCC的外部电源薄弱地区同相贯通牵引供电方案优化

基于同相贯通牵引供电系统原理,以系统的全寿命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)最小为优化目标,分别以牵引变电所设置数目和位置为优化变量,将牵引供电方案主要设计原则设置为约束条件,建立基于LCC的同相贯通牵引供电系统规划模型;采用粒子群算法对模型进行求解时,为提高算法的全局收敛性,提出非线性进化策略用以改进学习因子并采用高斯函数递减策略动态调整惯性权重系数,采用种群适应度方差值体现种群中个体的汇聚程度。以青藏铁路格拉段为算例,采用自主开发的牵引供电负荷过程仿真平台和改进粒子群算法,对基于LCC的同相贯通牵引供电方案进行优化配置和经济性评估。结果表明:与既有AT牵引供电方案相比,基于LCC的同相贯通牵引供电方案在满足技术要求的同时体现了良好的经济性。

列车制动下铁路斜拉桥梁轨动力相互作用研究

运用ANSYS软件建立某大跨度铁路斜拉桥梁轨相互作用有限元模型,进行列车制动力作用下的梁轨动力响应分析,研究梁轨相对位移及钢轨制动附加力的动力放大效应以及制动力作用位置、制动距离、斜拉桥结构体系等参数对梁轨动力响应的影响。结果表明:列车制动过程中,钢轨制动附加力峰值产生于斜拉桥梁端;斜拉桥结构在列车制动作用下的动力放大效应并不明显;制动力作用位置、斜拉桥结构体系对梁轨动力响应峰值有较大的影响,而制动距离对动力响应计算结果的影响不大。

27t轴重条件下重载铁路钢轨适应性研究

对27t轴重重载铁路钢轨伤损类型及发展规律进行统计,分别研究直线和曲线区段钢轨寿命关键控制因素,开展钢轨适用性设计及分析。结果表明:钢轨主要伤损类型为焊缝伤损和母材核伤,焊缝伤损约为母材伤损的2~3倍;温度对钢轨伤损影响明显,冬季伤损约为夏季的2倍;使用75N新廓形及75m长钢轨可降低钢轨的伤损率;钢轨伤损是影响直线、大半径曲线和小半径曲线下股钢轨使用寿命的关键因素,侧磨是影响小半径曲线上股钢轨使用寿命的关键因素。建议选用75N新廓形钢轨和长定尺钢轨,直线及大半径曲线地段按现有维修周期进行打磨,小半径曲线地段每50~100Mt打磨1次,侧磨、伤损严重地段可适当缩短打磨周期。

基于小波能量熵的铁路简支钢桁梁桥损伤预警方法

以铁路简支钢桁梁桥为研究对象,将列车荷载简化为移动荷载列,对移动荷载作用下的结构响应进行离散小波变换,计算各层小波能量。利用小波能量熵对信号突变的敏感性,提出一种基于小波能量熵的桥梁损伤预警方法,并应用该方法对某下承式钢桁梁桥各种类型损伤预警工况进行分析,研究损伤程度、损伤位置和测点位置对预警效果的影响规律。结果表明:所提方法可对钢桁梁桥不同位置和程度损伤的出现时刻进行准确预警,具有较强的鲁棒性,且可较为完善地解决边界效应问题;损伤预警效果与损伤程度呈正相关,测点位置与损伤位置距离越近,损伤预警效果越明显。

30t轴重重载铁路钢轨轨型和材质对比试验

在某重载铁路铺设不同轨型、不同廓形、不同材质计8种组合的钢轨,通过实测和仿真,从轮轨接触几何关系、轨道结构动力学、货车动力学性能和钢轨使用性能等方面进行对比试验,对钢轨的廓形、轨型、材质进行分析和比选,提出30t轴重重载铁路的用轨策略。结果表明:与标准型面LM车轮接触时,60钢轨的轮轨接触光带偏向于轨距角一侧,60N和75N钢轨的则移向踏面中心部位,且轮轨接触应力显著降低;与实测廓形60,60N和75N钢轨接触时,车轮的等效锥度分别为与标准廓形75N钢轨接触的1.35~1.5,0.77~0.86和0.94~1倍;在8 000和12 000t载重条件下,60N和75N钢轨对轨道结构动力学指标的影响基本相当,60钢轨最大;3种廓形钢轨对货车动力学指标的影响不显著。建议在30t轴重重载铁路上,选用轨型为75kg·m^(-1)、廓形为75N的钢轨,在直线线路上铺设980 MPa级及以上、曲线线路上铺设1 300 MPa级及以上强度等级的钢轨,在小半径曲线且伤损形式以滚动接触疲劳为主的线路上可推广使用贝氏体钢轨。

卤水井开采对铁路桥梁群桩的影响分析

为研究卤水井开采对德州—大家洼铁路沿线桥梁安全性的影响,在现场监测数据的基础上,采用有限差分软件FLAC3D建立多口卤水井开采条件下带承台群桩的三维计算模型,分析井内不同地下水位降时的桩土沉降特性及各单桩的内力分布规律。结果表明:随着地下水位的下降,地面沉降范围逐渐增大且呈漏斗状分布,沉降漏斗的中心位于群井的中心,地面沉降范围在距群井中心100m内;群桩沉降主要发生在地下水位从-9m下降至-33.1m的过程中,此阶段群桩沉降量占工后总沉量的64.7%;随着地下水位的下降,各桩的轴力沿桩身先增大后减小,桩身上部负摩阻力的作用区域逐渐增大,且负摩阻力沿桩身先增大后减小,各桩最大轴力所在截面和中性点不断下移;在相同的地下水位降条件下,各桩轴力和负摩阻力的大小顺序为角桩>侧桩>近井中桩>中桩;抽水结束且群桩沉降达到稳定后,角桩桩底侧面受到的正摩阻力最大,为75kPa。

高速铁路轮轨型面匹配对车辆动力学性能的影响

针对我国高速铁路LMA,S1002CN,XP55这3种典型型面车轮与60,60N和60D这3种廓形钢轨匹配的情况,建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合等效锥度、Polach指数、轮轨接触带宽变化率和接触点移动速率,分析新轮与新轨匹配和磨耗车轮的型面与钢轨原始廓形在服役条件下匹配的轮轨三维接触非线性关系,研究轮轨接触非线性关系对车辆动力学性能的影响。结果表明:S1002CN型面车轮时轮轨接触点跳跃最明显,LMA型面车轮时轮轨接触点分布最均匀,XP55型面车轮时轮轨接触带宽最窄,而且新轮与60N和60D钢轨匹配时轮轨接触点较60钢轨更集中在轨头中心处;S1002CN型面磨耗车轮与60钢轨匹配时脱轨系数、轮重减载率的相对增长率均大于与60N和60D钢轨匹配时;在1个镟修周期内,S1002CN型面车轮与3种廓形钢轨匹配时,随着运营里程的增加,滚动圆附近轮轨接触带宽和接触点移动速率均增大,且与60N和60D钢轨匹配时Polach指数由正值变为负值,影响车辆的蛇行失稳临界速度、失稳后的蛇行振动幅值以及车辆蛇行失稳极限环分岔特征。

地震条件下高速铁路桥上接触网系统安全阈值

采用有限元分析软件ABAQUS建立桥上接触网系统动力学模型,对受到不同频谱特性和强度地震波激励下不同墩高简支梁桥上接触网系统进行地震响应分析,研究地震作用下高速铁路桥上接触网系统地震动强度的安全阈值。结果表明:在不同频谱特性的地震波激励下,桥上接触网系统的动力响应不同,其中以天津波激励下的桥上接触网系统动力响应最明显,迁安波激励下的桥上接触网系统动力响应最弱;随着地震动强度的增大以及墩高的增加,桥上接触网系统的动力响应随之增大,安全性降低,因此,桥上接触网系统地震动强度的安全阈值应随着桥墩高度的增加而降低;地震作用下桥上接触网系统的导线变形最大;桥上接触网支柱(含腕臂)的变形主要为腕臂变形,表现为垂直于线路方向的振动;依据计算得到25m墩高桥梁的桥上接触网系统最不利情况下的地震动强度限值为0.127g,考虑一定安全冗余,建议墩高25m以下的32m简支梁桥桥上接触网系统地震动强度的安全阈值为0.12g。

基于支持向量回归机的铁路货运订车数预警方法

采用主成分分析法遴选出与铁路货运订车数关系密切且包括订车数在内的12个指标作为预警指标;将警报级别分为无警、低警、中警和高警4个;分别采用均匀取值法和非均匀取值法2种警报区间划分法确定4个警报级别的警报区间;取警报区间的中间值作为对应的警报值。由这12个预警指标某一时间段的并归一化处理后的指标值及对应2种警报区间划分方法得到的2组警报值构建出2个样本数据集。分别用这2个样本数据集与多项式核函数、高斯径向基核函数和Sigmoid函数组合成6种条件,分别进行支持向量回归机(SVR)的训练,根据训练的预警效果提出基于均匀取值法和高斯径向基核函数的SVR铁路货运订车数预警方法。以2016年3—6月的铁路货运订车数为例进行预警分析,验证了该方法的适用性和有效性。该方法已应用于中国铁路货运营销辅助决策系统预警模块的开发中。

1万t重载组合列车的车钩力特性分析

通过测试某运煤专线开行的1万t重载组合列车不同车位处的车钩力,并结合机车操纵运行记录,得到牵引启动、通过长大下坡道、制动、通过曲线、装/卸车等典型工况下车钩力的时程曲线及沿整列车分布的规律;采用数理统计方法得到置信度为95%、可靠度分别为50%,99%和99.9%下的车钩力,再运用最小二乘法拟合出不同可靠度下各车位处车钩力的表达式;采用雨流计数法和变均值法编制车钩力的二维载荷谱。结果表明:靠近主控和从控机车车位处的车钩力大于其他车位处的车钩力;在99.9%的可靠度下与主控和从控机车相连车位处的最大拉钩力为2 114kN,最大压钩力为2 502kN;在测试过程中拉钩力和压钩力大于800kN的出现次数仅占少数;编制的车钩力谱大于AAR标准中90.7t敞车的车钩力谱,但小于90.7t漏斗车在恶劣环境下的车钩力谱。

欠驱动的倒三角铁路集装箱门式起重机吊具动力学建模与分析

针对铁路集装箱门式起重机吊具与起重机小车构成的强耦合、欠驱动系统,为研究集装箱吊具系统的动力学特性和影响因素,根据倒三角集装箱吊具的物理结构特点,建立集装箱吊具交替摆动的二自由度椭圆摆动力学模型;并应用第二类拉格朗日理论得到集装箱吊具摆动动力学方程;再根据集装箱吊具在大车运行方向和小车运行方向的不同运动条件,分别递推出求解吊具残余摆动的微分方程。仿真结果表明：当小车与集装箱吊具耦合摆动时,小车的制动力能够减小集装箱吊具残余摆动的最大摆幅和摆动时间;由于小车的耦合运动也会损耗集装箱吊具摆动的能量,因而当集装箱吊具在小车方向上运动时残余摆动的最大摆幅平均减少约11.7%;合理地控制起重机起升钢丝绳的长度和小车的运行速度,能够有效地将集装箱吊具残余摆动时间控制在5~10s内。

落石碰撞法向恢复系数的模型试验研究

法向恢复系数取值是落石运动路径计算的关键参数。利用高速摄像机拍摄不同坡面铺装、不同坡度、不同下落高度、不同落石质量和形状试验条件下落石碰撞坡面的过程,提取落石碰撞坡面前后落石的运动参数,据此反算法向恢复系数,得到如下规律:坡面铺装和坡度是法向恢复系数的主要影响因素,落石的形状和质量以及下落高度对法向恢复系数的影响不明显;随坡面由硬到软,法向恢复系数逐渐减小;随着坡度的增大,法向恢复系数逐渐增大;由试验数据计算所得各种试验条件下的法向恢复系数多集中在0.4以下,占总数量的94%,其中0.3以下的占84.8%,0.1以下的占36.5%,且有超过1/3的试验落石几乎没有法向回弹,说明以前仅基于坡面软硬程度的法向恢复系数取值方法在实际工程中会使计算的落石弹跳高度偏大。从坡面铺装和坡度两方面综合考虑,给出了法向恢复系数取值建议表,并建议坡面越硬、坡度越大时取区间内高值,反之则取区间低值。