戚妍娟

(海南鐵路有限公司，海南 海口 570100)

曲線要素關(guān)系到列車運(yùn)行的平穩(wěn)性與穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到列車允許的最高運(yùn)行速度。對于高速鐵路，維護(hù)曲線的良好狀態(tài)對于提高旅客舒適度、保障列車安全運(yùn)行極為重要[1]。我國自主研發(fā)的GJ-5型軌檢車適用于行車速度較低的線路，檢測的曲線半徑范圍為150～8 000 m，而對于提速線路和高速線路上半徑超過 8 000 m 的大半徑曲線，存在檢測精度不高、檢測值與設(shè)計(jì)值偏差較大的問題[2]。本文針對高速鐵路中大半徑曲線參數(shù)檢測問題開展研究，分析影響曲線參數(shù)檢測的關(guān)鍵參數(shù)、它們之間的關(guān)系及對曲線線型判別的影響，合理匹配關(guān)鍵參數(shù)的閾值。此外，在QNX操作系統(tǒng)下編制出適合高速鐵路曲線參數(shù)檢測的算法模型，為高速鐵路曲線參數(shù)檢測提供理論依據(jù)[3]。

1 大半徑曲線參數(shù)檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

大半徑曲線參數(shù)檢測系統(tǒng)是一套在QNX操作系統(tǒng)下開發(fā)的軌道檢測軟件。

測量曲率的傳感器分布如圖1。搖頭陀螺YAW測量車體搖頭角速率；位移計(jì)DT1測量車體一位端心盤處與一位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間的相對位移；位移計(jì)DT2,DT3分別測量車體二位端心盤前、后兩側(cè)與二位轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的相對位移；光電編碼器TACH提供距離脈沖信息，經(jīng)采樣后輸入計(jì)算機(jī)用于里程計(jì)算[4]。

圖1 測量曲率的傳感器分布

軟件算法采用慣性基準(zhǔn)法。首先，將搖頭陀螺YAW信號(hào)依次經(jīng)過一階模擬低通濾波器和數(shù)字濾波處理，得到單位采樣距離對應(yīng)的車體方向角；然后，用位移計(jì)DT1,DT2和DT3采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出單位采樣距離對應(yīng)的車體與2轉(zhuǎn)向架中心連線間的相對夾角；最后，通過以上兩者的結(jié)合計(jì)算出2轉(zhuǎn)向架中心連線對應(yīng)于單位采樣距離的方向角，對該信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾除不必要的波長成分，即獲得曲率ci和曲率變化率ri。ci定義為一定弦長的曲線軌道對應(yīng)的圓心角;ri描述曲率變化的快慢，通過對曲率的求導(dǎo)運(yùn)算求得。

根據(jù)ci,ri，通過關(guān)鍵參數(shù)和相關(guān)閾值確定曲線線型變換，進(jìn)而識(shí)別曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，最后求出曲線的一系列參數(shù)值，如半徑、速度、超高、曲線加寬等，并輸出曲線分析報(bào)告。

搖頭陀螺YAW的輸出信號(hào)須經(jīng)過一階模擬低通濾波器處理。由于一階模擬濾波器在處理YAW所表示的空間域頻率信號(hào)時(shí)頻率特性發(fā)生變化，為保證檢測結(jié)果不受速度影響，須把輸出信號(hào)經(jīng)采樣后輸入計(jì)算機(jī)，在程序中對信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，使得信號(hào)經(jīng)模擬濾波和數(shù)字濾波混合處理后，在設(shè)計(jì)的通帶范圍內(nèi)幅值特性為常量[5]。

信號(hào)經(jīng)一階模擬濾波和一階數(shù)字濾波混合處理后的幅值響應(yīng)見圖2。

圖2 混合處理后的幅值響應(yīng)

2 曲線線型判別關(guān)鍵參數(shù)及算法

在大半徑曲線參數(shù)檢測中，須利用一些關(guān)鍵參數(shù)來控制和判斷曲線動(dòng)態(tài)，最終檢測出曲線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、半徑和長度。曲率變化跟蹤量ki的計(jì)算方法見表1，其中k為曲率變化跟蹤量的調(diào)整值。根據(jù)曲線變化情況，通過適當(dāng)定義調(diào)整值的大小來對曲率進(jìn)行較為準(zhǔn)確的跟蹤。表中δt為曲率變化跟蹤量的閾值。

表1 曲率變化跟蹤量的計(jì)算方法

用軌道線型變化表征量mi對曲線的線型變化進(jìn)行描述，利用mi-1和mi可判別出當(dāng)前的線型變換情況,mi的計(jì)算方法見表2。曲率線性描述量記為τi,其在緩和曲線和圓曲線上均為常量;曲率變化率的閾值記為βi,βa為范圍內(nèi)曲率變化率閾值，βb為范圍外曲率變化率閾值。線型輸出代碼記為tsc,當(dāng)tsc=0時(shí)線路為直線；當(dāng)tsc=±1時(shí)線路為緩和曲線；當(dāng)tsc=±2時(shí)線路為圓曲線。

表2 軌道線型變化表征量的計(jì)算方法

當(dāng)軌道線型變化表征量確定后，就可以根據(jù)mi-1和mi的值確定軌道線型變化情況，見表3。

表3 軌道線型變化的判別方法

表3總共包含了以下6種線型變化情況[6]：N表示線型無變化;M表示緩和曲線缺失;B表示直線/曲線線型變化;R表示重新設(shè)定缺失的緩和曲線;B，R表示直線/重設(shè)緩和曲線線型變化;S表示緩和曲線。

當(dāng)線型變化情況確定后，即可確定曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后根據(jù)線型代碼的輸出值進(jìn)行曲線半徑、速度、超高、曲線加寬等參數(shù)的計(jì)算。輸出的曲線分析報(bào)告見表4。

表4 曲線分析報(bào)告示例

通過試驗(yàn)和大量數(shù)據(jù)分析，為實(shí)現(xiàn)曲線要素的正確檢測判別，針對算法模型中關(guān)鍵參數(shù)的閾值提出2種方案，見表5。

表5 曲線檢測方案

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

結(jié)合研究課題，以廣深線的實(shí)時(shí)檢測為例進(jìn)行大半徑曲線檢測方案的功能驗(yàn)證。選取K35+095—K64+863的檢測數(shù)據(jù)，通過對2種檢測方案實(shí)測值和線路參數(shù)設(shè)計(jì)值三者之間的對比分析對算法模型作進(jìn)一步驗(yàn)證[7]，結(jié)果見圖3。

圖3 曲線半徑實(shí)測值與設(shè)計(jì)值的對比

從圖3可以看出，方案2對曲線半徑的檢測結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合較好，尤其是針對半徑在 8 000 m 以上的大半徑曲線。

4 結(jié)語

本文針對高速鐵路大半徑曲線參數(shù)的檢測方法展開了研究，找到了影響曲線線型判別的關(guān)鍵參數(shù)，即曲率變化跟蹤量、曲率線性描述量、曲率變化跟蹤量的調(diào)整值和曲率變化跟蹤量的閾值。提出曲線線型判別關(guān)鍵參數(shù)的閾值，在QNX操作系統(tǒng)下給出了大半徑曲線參數(shù)檢測算法模型。通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性和可行性。