考虑日照识别的高铁无砟轨道温度场特征计算方法及系统

本发明涉及高铁无砟轨道温度场计算，具体涉及一种解决了无砟轨道实时温度场中，不同地区温度场取值模糊及太阳辐射下日照阴影遮挡规律计算困难的问题，考虑日照识别的高铁无砟轨道温度场特征计算方法及系统。

背景技术：

1、高速铁路跨越地区气候多样，轨道系统服役环境温度复杂多变。无砟轨道因其高平顺性、耐久性、低维修等突出的优点，在高铁中的应用日渐广泛。无砟轨道作为多层异质结构暴露于自然环境中，在太阳辐射、大气温度和环境风速等因素的影响下会产生不均匀温度场，轨道结构承受着较大的不均匀温度荷载。当前无砟轨道温度效应分析多采用规范结果，但不同地区气候差异显著，在服役初期出现了非均匀温度场导致的道床瞬时上拱、层间伤损等系列问题，无砟轨道设计温度荷载并不能满足实际运营的需求。因此，如何准确高效地识别无砟轨道实时温度场是一个亟需解决的重要问题。

2、在无砟轨道温度场分析方面，现有研究多是基于无砟轨道的温度测试或是传热学基本理论开展无砟轨道温度场分析，但存在着现场测点布置数有限，结构理论分析过于简化等缺点。在温度测试方面，现场试验可获取测点位置的真实温度，但由于测点布置数目有限，试验结果难以全面反映结构的温度分布，且测试期间不可避免地出现仪器故障、数据缺失等问题，难以捕捉最不利时刻的温度场，并且成本较高。在理论分析方面，当前无砟轨道温度场的分析多基于纵向温差与日照遮挡可忽略的假定展开的，得到的结果难以准确反映结构真实温度场。相比于现有的无砟轨道温度场特征计算方法，本发明采取的方法大大提高了无砟轨道温度场的计算效率及准确性，可方便、快捷地实现不同地区、不同时刻日照遮挡状态的模拟及无砟轨道温度场的输出。研究日照辐射条件下无砟轨道温度场分布，对于指导无砟轨道设计及运维，保障高速列车运营安全有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑日照识别的高速铁路无砟轨道温度场特征计算方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种考虑日照识别的高铁无砟轨道温度场特征计算方法，包括：

4、依据高速铁路无砟轨道结构特征，确定无砟轨道实时温度场计算的输入参数，建立不同地理位置与无砟轨道实时温度场间的映射关系；

5、根据确定的无砟轨道实时温度场计算的输入参数，结合实时太阳运行轨迹的太阳高度角，计算不同地点的日出日落时刻，确定无砟轨道日照辐射时段；

6、在日照辐射时段，构建考虑无砟轨道实时温度场计算的输入参数和无砟轨道方位的结构边界条件，计算太阳入射角；

7、根据实时太阳入射角，进行无砟轨道遮挡状态判断，获取轨道结构的日照和阴影情况；

8、结合获取的轨道结构的日照和阴影情况，考虑对流换热和辐射换热，求得考虑日照识别的高速铁路无砟轨道辐射热流；

9、根据高速铁路无砟轨道结构的传热特征，构建描述轨道结构传热的热传导方程及其解的边界条件，将无砟轨道辐射热流作为边界条件输入到轨道结构热传导方程；

10、求解轨道结构热传导方程，得到无砟轨道结构实时温度分布数据的集合。

11、进一步的，在日照辐射环境下的无砟轨道表面会受到来自日照的短波辐射，在太阳照射时段短波辐射包括太阳直接辐射idi、大气散射辐射idβ和地面反射辐射ifβ，各参数的表达式为：

12、qs＝as×(idi+idβ+ifβ)

13、idi＝(0.9tukmi0)cosi

14、idβ＝[(0.271i0-0.294id)sinβs]·(1-cosβ)/2

15、ifβ＝ρ*(id×sinβs+id)(1-cosβ)/2

16、其中，as为太阳辐射吸收系数；i0为太阳常数，n日序数，th为大气相对气压，与海拔高度有关；tu为林克氏浑浊度系数；ρ*为地表反射率；

17、自然环境下，无砟轨道所受大气逆辐射为faβ，地表或水平面反射的太阳光线对无砟轨道外表面的辐射作用为地面辐射fbβ，且结构自身外部辐射能量为fl，可得辐射换热热流密度qr：

18、qr＝ε(faβ+fbβ)-fl

19、faβ＝εac0(273+ta)4cos2(β2)

20、fbβ＝c0(273+ta)4sin2(β/2)

21、fl＝εac0(273+ta)4

22、其中，ε指物体的发射率；ta为物体表面温度；c0为史蒂芬-玻尔兹曼常数；εa为大气辐射系数。

23、进一步的，根据确定的无砟轨道实时温度场计算的输入参数，结合实时太阳运行轨迹的太阳高度角，计算不同地点的日出日落时刻，确定无砟轨道日照辐射时段；包括：

24、以观察者为原点建立直角坐标系，太阳方位角α是观察者与太阳的连线在地平面上的投影与正南方向之间的夹角；太阳高度角βs是观察者与太阳的连线与其在地面上的投影之间的夹角，与太阳高度角βs互余的那个角称之为天顶角z；太阳方位角计算：

25、

26、

27、z＝90°-βs

28、

29、其中，为地理纬度，δ为赤纬角，τ为时角，n为日序数。

30、进一步的，计算太阳入射角，包括：太阳入射角指太阳入射线与照射面外法线之间的夹角，它可根据太阳与照射面的位置关系来确定。太阳入射角i的表达式为：

31、cosi＝cosβcosβs+sinβcosβscos(α-γ)；

32、根据实时太阳入射角，进行无砟轨道遮挡状态判断，获取轨道结构的日照和阴影情况；包括：如果构件表面发出的所有射线都能穿过该构件，那么该面处于永久遮挡效应中；当构件表面不处于永久遮挡效应，并且在某一时刻下光线的入射角大于90度，则该表面处于自遮挡效应；当构件某表面不处于上述两种遮挡状态时，并且在某一时刻下由于该构件的不同部位的遮挡，该表面上某点不接受光线辐射，则该点处于相互遮挡状态。

33、进一步的，求得考虑日照识别的高速铁路无砟轨道辐射热流；包括：混凝土表面与周围空气的对流交换遵循牛顿冷却定律，对流换热形成的热流密度qc为：

34、qc＝hc(t-ta)；

35、其中，t、ta分别为混凝土表面温度和空气温度；hc对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面每秒所传递的热量；

36、对于倾角为β的倾斜面，其表面上所受到的大气辐射faβ，其表面上所受到的地面辐射fbβ；可求得因长波辐射由外界通过混凝土表面进入内部的辐射换热热流密度：

37、fl＝εc0(273+ta)4

38、faβ＝εac0(273+ta)4cos2(β/2)

39、fbβ＝c0(273+ta)4sin2(β/2)

40、qr＝ε(faβ+fbβ)-fl

41、其中，ε指物体的发射率，t为物体表面温度，c0为史蒂芬-玻尔兹曼常数，εa为大气辐射系数；

42、则倾角为β的面上所受到的太阳辐射强度及太阳辐射换热热流密度为：

43、qs＝as(idi+idβ+ifβ)

44、其中，as为结构物表面的太阳辐射吸收系数。

45、进一步的，根据高速铁路无砟轨道结构的传热特征，构建描述轨道结构传热的热传导方程及其解的边界条件，将无砟轨道辐射热流作为边界条件输入到轨道结构热传导方程；求解轨道结构热传导方程，得到无砟轨道结构实时温度分布数据的集合；包括：

46、日照辐射条件下，无砟轨道受到太阳辐射作用，同时还与边界大气进行辐射换热和对流换热，外部边界条件为：

47、

48、其中，n为边界面的法线方向；qs为边界面的太阳辐射热流密度；qc为边界面的对流换热热流密度；qr为边界面的辐射换热热流密度；is为边界面上的总太阳辐射强度；hc为对流换热系数；hr为辐射换热系数；qri为斜面天空效应；

49、采用第三类边界条件，求得综合温度表达式为：

50、tzj＝ta+(asij-qrj)/h

51、其中，tzj为无砟轨道表面的综合温度，ta为边界大气温度，as为太阳辐射吸收系数,ij为无砟轨道表面总辐射强度，qrj为无砟轨道表面域斜面天空效应。

52、第二方面，本发明提供一种考虑日照识别的高铁无砟轨道温度场计算系统，包括：

53、第一构建模块，用于依据高速铁路无砟轨道结构特征，确定无砟轨道实时温度场计算的输入参数，建立不同地理位置与无砟轨道实时温度场间的映射关系；

54、第一计算模块，用于根据确定的无砟轨道实时温度场计算的输入参数，结合实时太阳运行轨迹的太阳高度角，计算不同地点的日出日落时刻，确定无砟轨道日照辐射时段；

55、第二计算模块，用于在日照辐射时段，构建考虑无砟轨道实时温度场计算的输入参数和无砟轨道方位的结构边界条件，计算太阳入射角；

56、判断模块，用于根据实时太阳入射角，进行无砟轨道遮挡状态判断，获取轨道结构的日照和阴影情况；

57、第三计算模块，用于结合获取的轨道结构的日照和阴影情况，考虑对流换热和辐射换热，求得考虑日照识别的高速铁路无砟轨道辐射热流；

58、第二构建模块，用于根据高速铁路无砟轨道结构的传热特征，构建描述轨道结构传热的热传导方程及其解的边界条件，将无砟轨道辐射热流作为边界条件输入到轨道结构热传导方程；

59、求解模块，用于求解轨道结构热传导方程，得到无砟轨道结构实时温度分布数据的集合。

60、第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如上项所述的考虑日照识别的高铁无砟轨道温度场特征计算方法。

61、第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的考虑日照识别的高铁无砟轨道温度场特征计算方法。

62、第五方面，本发明提供一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如上所述的考虑日照识别的高铁无砟轨道温度场特征计算方法的指令。

63、本发明有益效果：基于传热学无砟轨道温度场理论分析，综合考虑太阳辐射、对流换热和辐射换热等因素，编写了太阳辐射作用下的无砟轨道温度瞬时边界的求解思路。编写考虑地理及环境参数的无砟轨道温度场，可以满足不同地理参数及环境条件，进行无砟轨道温度场计算。利用光线追踪技术的阴影识别算法，实现了实时日照阴影识别效果，得到更符合真实环境下的无砟轨道热边界。依据上述计算的热边界，建立了无砟轨道热传导方程，实现了日照环境下，无砟轨道瞬态温度场的实时输出。

64、本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。