轨道安全智能计算方法

1.本发明属于行驶安全技术领域，更具体地说，是涉及轨道安全智能计算方法。


背景技术：

2.目前我国国内大部分地铁的安全控制系统使用的是基于通信的列车运行控制系统。该系统是一种闭塞式的控制系统，主要通过地面设备如无线通信基站和轨道电路等来与列车进行数据通信，获取列车运行时刻的速度、位置等信息。在列车行驶过程中轨道的平顺度是列车安全运行的另一重要因素，轨道交通列车尤其是高速列车，对轨道的平顺度要求高，当轨道出现一定的不平顺时，轮轨相互作用加强，列车的振动加剧，从而影响旅客乘坐的舒适性，甚至影响列车行驶的安全性，此外，振动与噪声的加剧也将增加列车运营过程中的能耗。当轨道不平顺后，轮轨相互作用加强，导致轨道基础动应力加大，从而加速地基基础的沉降。
3.现有的轨道计算方法多在列车运行前进行测量和修复，但是当所有的轨道不平顺值均不超过预定标准阈值时，列车仍有可能会产生较大的轮轨作用力或剧烈振动，威胁行车安全，使得最终的计算方法数据可靠性较差，仍然影响列车的行驶安全。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供轨道安全智能计算方法，旨在解决当所有的轨道不平顺值均不超过预定标准阈值时，列车仍有可能会产生较大的轮轨作用力或剧烈振动，威胁行车安全的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供轨道安全智能计算方法，包括：
6.在列车行驶过程中，测量轨道与列车的车轮之间应力的大小以及分布情况生成应力图；
7.测量列车与轨道两侧钢轨之间的距离值，距离值用于模拟出轨道相对于列车的位置；
8.将应力图和距离值进行对应，将距离值标定在应力图的对应位置；
9.根据设定的阈值，对应力图和距离值进行分析，最终确定出轨道发生的故障。
10.在一种可能的实现方式中，车轮可拆卸套装有用于测量应力图的应力套；列车上安装有测距仪，两侧钢轨上安装有多个标定单元，测距仪用于测量与相应标定单元的距离值。
11.在一种可能的实现方式中，测距仪包括多个与标定单元一一对应的测距单元，测距单元与相应的标定单元位于同一侧钢轨上，测距单元用于测量与标定单元之间的最小值也即距离值。
12.在一种可能的实现方式中，距离值用于模拟出轨道相对于列车的位置包括：
13.以列车为基准，在测距单元位置基础上加上相应的距离值，通过整合多个距离值，即可确定出此时轨道相对于列车的位置和角度。
14.在一种可能的实现方式中，测距单元用于测量与标定单元之间的最小值也即距离值包括：
15.测距单元电连接有储存模块，储存模块用于在列车行驶过程中依次记载测距单元与多个标定单元之间的距离值，并将记载的结果上传至上位机；上位机将收到的距离值标定在应力图的相应位置。
16.在一种可能的实现方式中，对应力图和距离值进行分析包括：
17.根据列车的行驶速度，当应力图和距离值同频率波动时且频率较大时，判定为短波波磨；
18.根据列车的行驶速度，当应力图和距离值同频率波动时且频率较小时，判定为长波波磨；
19.当应力图出现空白但距离值无变化时，判定为轨道断裂；
20.当应力图出现部分缺失距离值无变化时，判定为轨道变形。
21.在一种可能的实现方式中，阈值包括应力最值、应力偏转程度、应力中断、应力波动、距离值最值和距离值的波动等。
22.在一种可能的实现方式中，对应力图和距离值进行分析包括：
23.在相邻的两节钢轨之间设置应变片，应变片用于确定出两节相邻钢轨之间的位置以及角度的变化。
24.在一种可能的实现方式中，对应力图和距离值进行分析还包括：
25.根据应变片的变化，拟合出轨道的模型。
26.在一种可能的实现方式中，应变片电连接有预警器，预警器根据应变片的变化用于对轨道上出现的障碍物进行预警。
27.本发明提供的轨道安全智能计算方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明轨道安全智能计算方法中在列车行驶时，应力图包括列车车轮与轨道之间应力的大小以及应力分布情况，距离值为列车与轨道两侧钢轨之间的距离，然后将距离值标定在应力图的对应位置上。
28.在实际应用时，对应力图和距离值进行分析，应力图表明轨道与车轮之间的作用力，通过应力图可以判断出车轮与轨道的接触情况，而通过距离值能够对列车与轨道之间的相对位置做出判断，通过分析应力图和对应的距离值最终可确定出轨道的故障，整个方法可靠性较强，能够真实反映出列车在行驶过程中与轨道的接触情况，为列车安全的运行提供了强有力的数据支持，为轨道的修复提供了可靠的参考依据。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例提供的轨道安全智能计算方法的流程图。
具体实施方式
31.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.请参阅图1，现对本发明提供的轨道安全智能计算方法进行说明。轨道安全智能计算方法，包括：
33.在列车行驶过程中，测量轨道与列车的车轮之间应力的大小以及分布情况生成应力图。
34.测量列车与轨道两侧钢轨之间的距离值，距离值用于模拟出轨道相对于列车的位置。
35.将应力图和距离值进行对应，将距离值标定在应力图的对应位置。
36.根据设定的阈值，对应力图和距离值进行分析，最终确定出轨道发生的故障。
37.本发明提供的轨道安全智能计算方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明轨道安全智能计算方法中在列车行驶时，应力图包括列车车轮与轨道之间应力的大小以及应力分布情况，距离值为列车与轨道两侧钢轨之间的距离，然后将距离值标定在应力图的对应位置上。
38.在实际应用时，对应力图和距离值进行分析，应力图表明轨道与车轮之间的作用力，通过应力图可以判断出车轮与轨道的接触情况，而通过距离值能够对列车与轨道之间的相对位置做出判断，通过分析应力图和对应的距离值最终可确定出轨道的故障，整个方法可靠性较强，能够真实反映出列车在行驶过程中与轨道的接触情况，为列车安全的运行提供了强有力的数据支持，为轨道的修复提供了可靠的参考依据。
39.在铁路轨道运营过程中，轨道在列车载荷的反复作用下，会产生几何的位移变形，这些问题都会导致轨道不平顺的产生。当轨道不平顺超过一定范围时，就会影响列车运行的安全性。因此，为保障铁路行车安全，铁路部门定期采用轨道检测车测量轨道不平顺状态，包括测量轨道的高低、水平、轨距和轨向等，然后按照已颁布的铁道线路维修规则评判轨道不平顺状态，给出是否限速等安全性建议及相应的轨道维修建议。
40.现行轨道不平顺状态的安全性评判，主要是采用幅值法，将轨道检测车测量得到的高低、水平、轨距和轨向等轨道不平顺数值，与预先设定的容许偏差阈值进行比较，判定轨道不平顺测量值是否超限，从而实现轨道不平顺状态的安全性评判。在工程实践中，这种方法已被证明存在重大缺陷，即这种方法无法识别某些可能导致列车发生不安全行为的轨道不平顺状态，当所有的轨道不平顺值均不超过预定标准阈值时，列车仍有可能会产生较大的轮轨作用力或剧烈振动，威胁行车安全。造成这种现象的原因是轨道不平顺幅值与列车动力学响应之间的相关性较差，幅值法未考虑轮轨作用力的动力学响应。
41.国内外少数铁路部门采用测力轮获取轮轨作用力，并采用轮轨力进行轨道不平顺状态的安全性评判，但这种方法需要在轨道检测车上加装测力轮对，而测力轮对存在价格高昂，故障率高，维修困难，使用寿命短等缺陷，因此这种方法在实践中未获得大面积推广。
42.传统的通常在列车未运行时对轨道的平顺状态进行检测，对于发生沉降以及变形的轨道通常会进行垫高等处理，而对应升高的轨道会进行降低处理，但是由于列车本身运行的速度较快，当列车行驶在已经修复的轨道上时，轮轨作用力依然较大。列车的振动虽然
得到了一定的改善但是轨道的不平顺问题依然存在，因此本技术目的在于提供一种在列车行驶的基础上对轨道平顺度的检测，这种检测基于实际出发，能够对轨道的状态做出直观且准确的评判。
43.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，车轮可拆卸套装有用于测量应力图的应力套；列车上安装有测距仪，两侧钢轨上安装有多个标定单元，测距仪用于测量与相应标定单元的距离值。
44.列车借助多个车轮行驶在轨道上，由于列车自身的运行速度较高，因此在运行一段时间后列车的车轮就会产生一定的磨损需要进行更换。本技术中在车轮的周向安装有应力套，应力套可直接与轨道接触，也即轨道通过应力套支撑列车。当外部环境较为复杂同时环境较为恶劣时，可在应力套的外侧面设置一圈耐磨层，此时耐磨层直接与轨道接触，而应力套用于检测轨道与车轮之间的作用力。
45.当车轮需要进行更换时，首先需要对应力套进行检测，当应力套可正常使用时，仅将外部的耐磨层进行更换即可。相较于现有的整个车轮的更换，节约了材料，降低了维修的成本。
46.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，测距仪包括多个与标定单元一一对应的测距单元，测距单元与相应的标定单元位于同一侧钢轨上，测距单元用于测量与标定单元之间的最小值也即距离值。
47.在车轮上设置的应力套用于采集车轮与轨道之间的作用力，轨道的顶面与车轮有一定的接触面积，当轨道自身发生倾斜时，那么轨道与车轮之间最大的应力接触点的位置就会发生改变，设置在车轮上的应力套就是要在列车行驶过程中实时的收集轨道对车轮的作用应力的分布情况，通过对异常应力状态的分析从而确定出轨道当前的状态。应力套通讯连接有上位机，上位机根据应力套上应力的变化会生成应力图，由于轨道通常有两个钢轨组成，因此最终生成的应力图包括两条应力带，应力带的长度与车轮转动的圈数有关。
48.若没有应力套，那么车轮与轨道直接接触并且之间具有一定的接触面积，该接触面积有一定的宽度。当轨道平顺时并且安装应力套之后，生成的应力图的中间部分应力值较高，而两侧应力值较小。但是当轨道发生倾斜时，一侧的应力值增大而另一侧的应力的会减少。
49.在列车上安装有测距仪，测距仪包括至少三个测距单元，在轨道长度方向上间隔安装有多个标定仪，每个标定仪至少包括三个标定单元，三个标定单元间隔分布在轨道的两个钢轨上，测距仪跟随列车运动，当测距仪运动至标定单元的正上方时，测距仪读取与标定单元之间的距离并进行记录。
50.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，距离值用于模拟出轨道相对于列车的位置包括：
51.以列车为基准，在测距单元位置基础上加上相应的距离值，通过整合多个距离值，即可确定出此时轨道相对于列车的位置和角度。
52.当轨道发生向下倾斜时，由于列车行驶的速度较快，列车运行到发生下陷的轨道上时车轮与相应的钢轨之间的作用力会减少，在极限条件上车路与钢轨之间可能会发生轻微的分离，而标定单元跟随钢轨一同运行，此时标定单元与测距仪之间的距离会增加，此时应力图上的应力值会减少甚至短暂的为零。
53.综上，在对轨道进行分析时，一旦轨道平顺状态发生变化，那么在应力图和距离上必然有有所反映。因此为了对轨道的状态进行精确的判断需要将应力图与距离值进行对应和对比，最终得出最准确的结论。
54.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，测距单元用于测量与标定单元之间的最小值也即距离值包括：
55.测距单元电连接有储存模块，储存模块用于在列车行驶过程中依次记载测距单元与多个标定单元之间的距离值，并将记载的结果上传至上位机；上位机将收到的距离值标定在应力图的相应位置。
56.为了保证分析的准确，可沿轨道长度方向上均匀设置多个标定仪，标定仪中包含至少三个标定单元，信三个标定单元可以确定一个平面，而通过三个标定单元与测距仪之间的间距从而间接反映出轨道在列车行驶时的角度变化。标定单元向上连续的发出信号，当列车上的测距仪感应到标定单元发出的信号时，测距仪的储存模块随即会开始计数，当列车驶离相应的标定仪时，储存模块记载的数值会逐渐增大直至终止。从储存模块中提取出最小值，即可作为当测距仪位于标定单元正上方时测距仪测量的与标定单元之间的间距。
57.由于标定单元需要输入能量，因此按照列车行驶的方向以及速度依次启动多个标定仪，当列车驶离之后，关闭相应的标定仪，从而减少资源的浪费。
58.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，对应力图和距离值进行分析包括：
59.根据列车的行驶速度，当应力图和距离值同频率波动时且频率较大时，判定为短波波磨。
60.根据列车的行驶速度，当应力图和距离值同频率波动时且频率较小时，判定为长波波磨。
61.当应力图出现空白但距离值无变化时，判定为轨道断裂。
62.当应力图出现部分缺失距离值无变化时，判定为轨道变形。
63.轨道上出现的故障可分为短波波磨、长波波磨、断裂、倾斜和变形等，当列车行驶在上述故障的轨道上时，车轮与轨道之间的应力会发生变化，从而反映在应力图上，同时不同的故障类型标定仪与测距仪之间的间距也会发生变化。
64.为了更加详细的说明，本技术中尽可能的将每种故障类型与相应的反应到应力图和距离值的特征进行说明。当轨道发生短波波磨时，短波波磨可视为在轨道顶面形成的多个连续的凹坑，这些凹坑就会使应力图发生多次空白或者在应力图上有间隔出现多个应力峰值，这是由于车轮与轨道撞击导致的，同时在距离值上会出现一定范围的波动，这是由于车轮无法相对于轨道稳定造成的。长波波磨应力图和距离值与短波波磨类似，但是变化的次数较少，应力图上会出现应力值的减小而后增大至正常值，距离值上会出现缩小而后增大的情况。
65.当轨道出现断裂时，当列车行驶速度较快时，由于惯性的影响距离值可能不会发生显著的变化，但是在应力图上出现明显的断层。当出现倾斜故障时，应力图中应力值最大的区域由中部向一侧转移，但此时距离值一侧不变一侧减小或者增大。当发生变形故障时，应力图上会出现部分区域应力带的缺失，这是由于轨道与应力套部分区域不再接触，但是
距离值不会发生较大的变化。
66.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，阈值包括应力最值、应力偏转程度、应力中断、应力波动、距离值最值和距离值的波动等。应力套跟随车轮转动，车轮每转一圈列车就会行驶相应的距离，当列车到达终点站之后，最终生成的应力图的数据量较大，为了能够有效的从得到的应力图和距离值中分析出故障的片段，因此首先需要设定一个阈值，阈值包括对应力图的筛选以及对距离值的筛选。
67.阈值包括应力图中出现应力的最值、应力最大值的偏转程度、应力图中应力带的中断、应力图中应力值持续的减少或者增大和应力图中应力带的缺失等，同时针对距离值，阈值包括距离最大值以及最小值、距离值的波动和距离值持续的减少和增大等。将出现上述特征且超过阈值要求的应力图以及相应的距离值进行综合分析，最终判断出现的故障类型。并且一般情况下应力图的故障和距离值的故障会在同一区域同时出现。
68.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，对应力图和距离值进行分析包括：
69.在相邻的两节钢轨之间设置应变片，应变片用于确定出两节相邻钢轨之间的位置以及角度的变化。
70.为了能够更为准确的对轨道的状态进行分析与判断，由于轨道由多节钢轨拼接而成，因此当一节钢轨相对于另一个钢轨的角度以及位置发生改变时，那么两个钢轨之间的作用力的大小以及方向均会发生变化。为了提前对这种状态进行识别，在轨道施工时在两节钢轨之间设置应变片，应变片与钢轨的截面相同，并且贴合在两节钢轨之间。
71.当一侧的钢轨以一点摆动一定的角度时，那么一侧的应变片受压而应变增大，另一侧的应变片应变变小。当一侧的钢轨向上摆动时，应变片顶部的变形变大，而底部的变形减少。上述应变片采集到的数据直接通过网络上传至上位机，当变形超过一定的量时即需要进行预警和检查。
72.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，对应力图和距离值进行分析还包括：
73.根据应变片的变化，拟合出轨道的模型。
74.基于目前上位机强大的计算能力，可根据应力图、距离值和每节钢轨的长度等信息，可以拟合出列车在行驶过程中轨道的状态模型。该状态模型可直观的展示出在列车运动过程中轨道的形态，从而为后续的故障处理提供直观的数据支持。
75.为了实现上述效果，可尽量增加标定单元的数量，列车运行到一节钢轨时会产生多个距离值，而通过距离值可以知道钢轨相对于列车的方位，而通过应力图和距离值即可确定出钢轨与车轮之间的接触情况，最终模拟出整个轨道的运行模型。
76.在本技术提供的轨道安全智能计算方法的一些实施例中，应变片电连接有预警器，预警器根据应变片的变化用于对轨道上出现的障碍物进行预警。应变片贴合在两节钢轨之间，当钢轨上有障碍物出现时，钢轨自身会振动，而振动的钢轨会使应变片的状态产生相应的变化，需要特别指出的是，这种变化较为急促，振动幅度较大，因此通过实时的对应变片的采集，最终实现对障碍物的及时预警。
77.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。