金花 楊佳樂 蔡堃 柴雪松 于國丞

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.中鐵科學(xué)技術(shù)開發(fā)有限公司， 北京 100081；3.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 成都 610031

軌道剛度定義為當(dāng)一個(gè)集中荷載作用在鋼軌上，鋼軌產(chǎn)生單位下沉所對(duì)應(yīng)的集中荷載大?。?］。軌道剛度過大或過小都會(huì)影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。瑞典、日本、美國等都開展了針對(duì)軌道剛度檢測(cè)的移動(dòng)式軌道加載試驗(yàn)車研究，如瑞典的滾動(dòng)剛度測(cè)試車、日本的移動(dòng)式軌道動(dòng)態(tài)加載裝置、美國的軌道加載試驗(yàn)車等［2-3］。中國于20世紀(jì)80年代開始開展軌道振動(dòng)加載試驗(yàn)裝置研究。2011 年，中國鐵道科學(xué)研究院成功研制了移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)車（簡稱移動(dòng)加載車），實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、高速、高精度的軌道剛度檢測(cè)［4-7］。

移動(dòng)加載車進(jìn)行軌道剛度檢測(cè)時(shí)采用雙弦弦測(cè)法，可以有效消除軌道本身引起的不平順的影響，提高檢測(cè)精度。自成功研制以來，檢測(cè)里程近1萬公里，積累了大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)。但是，其檢測(cè)數(shù)據(jù)仍存在異常干擾值、里程校正、輕載重載數(shù)據(jù)對(duì)齊等問題。因此，有必要對(duì)軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)快速處理軟件（簡稱數(shù)據(jù)處理軟件）進(jìn)行研發(fā)，以期有效提高數(shù)據(jù)處理速度和精度，減少人工處理數(shù)據(jù)的人為干預(yù)誤差。

1 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)處理軟件中，首先導(dǎo)入移動(dòng)加載車軌道剛度檢測(cè)的輕載、重載檢測(cè)數(shù)據(jù)和里程、曲率等臺(tái)賬信息，然后利用小波變換、中值濾波、相關(guān)性分析、插值等分析處理方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異常值剔除、里程修正、剛度解算等功能，最終生成軌道剛度結(jié)果文件。數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)框架見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)框架

數(shù)據(jù)處理過程主要步驟如下。①粗調(diào)里程：根據(jù)輕重車檢測(cè)數(shù)據(jù)及臺(tái)賬曲率信息調(diào)整里程。②濾除噪聲：濾除軌道變形的干擾異常值。③計(jì)算變形差值、濾波：利用相關(guān)系數(shù)法，計(jì)算輕車、重車對(duì)應(yīng)的軌道變形差值并進(jìn)行濾波處理。④計(jì)算軌道剛度：同一位置下輕車、重車加載力差值與變形差值的比值，為此位置的軌道剛度。⑤精調(diào)里程：讀取臺(tái)賬長短鏈信息，修正長短鏈里程后，按0.25 m 間隔對(duì)全線進(jìn)行插值精調(diào)。⑥剛度、位移帶通濾波：對(duì)處理后的軌道剛度、變形差值進(jìn)行帶通濾波處理。⑦生成結(jié)果文件。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 剔除干擾信號(hào)

檢測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是濾除信號(hào)中的沖擊噪聲，一般有線性濾波法、自適應(yīng)濾波法、中值濾波法等。文獻(xiàn)［8-9］通過對(duì)鐵路軌道幾何數(shù)據(jù)的特征分析及各種濾波方法的對(duì)比，提出了小波-有序中值濾波方法。該方法根據(jù)數(shù)據(jù)特征，利用小波變換的多分辨率性質(zhì)，將信號(hào)分解成含沖擊噪聲的高頻部分和正常的低頻部分，再利用有序中值方法自動(dòng)識(shí)別高頻信號(hào)中沖擊噪聲位置并進(jìn)行濾波。

軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)的來源與軌道幾何數(shù)據(jù)的類似，都存在由于外界干擾、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫鸬臎_擊噪聲，因此本軟件采用小波-有序中值濾波方法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除干擾信號(hào)處理。首先利用小波變換將重載、輕載的原始弦值數(shù)據(jù)分解為高頻部分和低頻部分；然后，保留低頻的有用信息，對(duì)高頻中的異常噪聲信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并用相鄰數(shù)據(jù)的有序中值替換該異常值；最后，將不含沖擊噪聲的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)疊加，得到濾波信號(hào)。對(duì)重載弦值采用小波-有序中值濾波方法濾除脈沖噪聲前后及濾除脈沖噪聲前后差值波形見圖2?？芍?，采用小波-有序中值濾波能有效識(shí)別軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)中的沖擊噪聲并進(jìn)行修正。

圖2 濾除脈沖噪聲前后的重載弦值及其差值

2.2 里程修正

軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)的里程信息來自安裝在走行輪上的編碼器信息及全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）信息。初始里程信息的記錄誤差、車輪輪徑的磨耗和鏇輪引起的輪對(duì)直徑變化、車輪行駛過程中由于車輪橫移或搖頭等產(chǎn)生的偏離、編碼器本身的誤差以及其他軟硬件的誤差，都能導(dǎo)致檢測(cè)里程偏離實(shí)際里程，須要對(duì)檢測(cè)里程進(jìn)行校正。

里程修正有絕對(duì)和相對(duì)兩種方法。絕對(duì)里程修正以線路臺(tái)賬里程信息為參照物，檢測(cè)里程向臺(tái)賬里程逼近，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)里程對(duì)于實(shí)際里程的修正；相對(duì)里程修正以某一次檢測(cè)里程數(shù)據(jù)為參照物，其他檢測(cè)里程向參照里程逼近，實(shí)現(xiàn)同區(qū)段檢測(cè)數(shù)據(jù)里程統(tǒng)一的目的。對(duì)于兩種里程修正，本軟件均可實(shí)現(xiàn)。

以絕對(duì)里程修正為例，提取線路臺(tái)賬信息中的曲線信息和長短鏈信息，其中曲線信息字段包含曲線的起始里程、終止里程、曲線方向（左-1，右1）和曲線半徑四個(gè)字段；長短鏈信息包含長短鏈的起始里程、終止里程和長短鏈長度（正數(shù)表示長鏈，負(fù)數(shù)表示短鏈）三個(gè)字段。軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)中，輕載、重載數(shù)據(jù)與檢測(cè)里程、曲線方向、GPS信息一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)臺(tái)賬信息曲線的起始、終止里程及曲線方向，利用相關(guān)性分析，自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線的頭尾，先對(duì)曲線段進(jìn)行里程修正，再結(jié)合檢測(cè)里程特點(diǎn)對(duì)全線里程粗調(diào)，最后調(diào)用長短鏈信息，通過插值方法對(duì)全線路里程進(jìn)行0.25 m間隔精調(diào)修正。具體流程見圖3。

圖3 里程修正流程

2.3 輕載數(shù)據(jù)與重載數(shù)據(jù)對(duì)齊

軌道剛度檢測(cè)采用雙弦弦測(cè)法，在實(shí)際檢測(cè)過程中，必須得到同一位置不同加載力下的軌道變形，從而得到此位置的軌道彈性下沉量，計(jì)算得到軌道剛度。因此，在數(shù)據(jù)處理中，必須將輕載、重載的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊處理。

根據(jù)上節(jié)的里程修正方法，分別將輕載、重載的檢測(cè)里程數(shù)據(jù)粗調(diào)修正后，再分段逐一提取輕載和重載弦值數(shù)據(jù)波形；以重載檢測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行波形相關(guān)性分析，得到最佳輕載、重載檢測(cè)數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

濾波、里程精調(diào)處理后的輕載、重載位移弦值波形對(duì)齊及其差值見圖4。兩者波形一一對(duì)齊，對(duì)兩者差值計(jì)算后得到的位移差值即軌道變形波形。

圖4 處理后輕載、重載弦值波形對(duì)齊及其差值

軌道剛度是加載力與軌道變形的比值，由此得到圖5 所示的軌道剛度波形?？芍涸搮^(qū)段軌道剛度平均值為93.9 kN/mm。

圖5 軌道剛度波形

2.4 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件采用編程工具M(jìn)icrosoft Visual Studio 2019（VS2019）實(shí)現(xiàn)［10-11］。VS2019 具有界面友好、兼容性強(qiáng)、易移植等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果需要設(shè)計(jì)軟件界面，如圖6所示。

圖6 軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)快速處理軟件界面

界面中，參數(shù)設(shè)置模塊主要包括算法參數(shù)、文件參數(shù)、修正參數(shù)、標(biāo)定參數(shù)等。算法參數(shù)主要有里程修正、數(shù)據(jù)異常點(diǎn)濾除、數(shù)據(jù)濾波等算法的參數(shù)；文件參數(shù)是生成結(jié)果文件的文件名信息參數(shù)；修正參數(shù)是修正弦值至加載點(diǎn)處；標(biāo)定參數(shù)是零載下的左右軌弦值標(biāo)定值。

當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，同時(shí)選擇讀取軌道剛度檢測(cè)的原始輕載、重載數(shù)據(jù)的二進(jìn)制文件以及臺(tái)賬曲線信息、臺(tái)賬長短鏈信息四個(gè)文件，即可按照設(shè)定的參數(shù)要求，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波，里程校正，輕載、重載差值處理等過程，生成處理后的文本文件。其結(jié)果文件字段說明見表1。其中：1 ～ 15 字段為處理后的里程、位移弦值、剛度值等信息，16 ～ 20 字段為處理前的原始里程和原始位移弦值信息，方便數(shù)據(jù)溯源。

表1 結(jié)果文件字段說明

目前該軟件已成功應(yīng)用于移動(dòng)加載車實(shí)際檢測(cè)過程中，應(yīng)用情況良好。

3 結(jié)論

1）利用小波變換的多分辨率性質(zhì)，將信號(hào)分解成含沖擊噪聲的高頻部分和正常的低頻部分，再利用相鄰有序中值數(shù)據(jù)替換高頻信號(hào)中沖擊噪聲，以剔除軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)。

2）采用以臺(tái)賬里程信息為基準(zhǔn)的絕對(duì)里程修正方法。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和臺(tái)賬中曲線的起始、終止里程及曲線方向自動(dòng)提取各段曲線信息，通過相關(guān)性分析進(jìn)行初步修正，再采用插值方法結(jié)合長短鏈信息，對(duì)全線路里程進(jìn)行修正。

3）對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)濾波、里程校正處理以及對(duì)輕載和重載數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析后，求差值得到恒定加載下的軌道位移變形，從而可以得到軌道剛度。

4）依據(jù)數(shù)據(jù)處理算法，采用VS2019 編程工具，實(shí)現(xiàn)了軌道剛度檢測(cè)數(shù)據(jù)快速處理軟件的開發(fā)。