[发明专利]一种全息轮轨力辨识方法及系统

说明书

本发明提供了一种全息轮轨力辨识方法及系统，利用综合检测列车采集车辆的动态响应数据，将动态响应数据输入最优控制轮轨力载荷辨识模型，获得车辆的各轮对的轮轨垂向力，将一轮对的轮轨垂向力输入单轮对的滚动接触轮轨力载荷辨识模型，获得当前轮对对应的轮轨横向力。本发明基于最优控制轮轨力载荷辨识模型辨识各轮对的轮轨垂向力及轮轴横向力，在根据单轮对的滚动接触轮轨力载荷辨识模型辨识当前轮对对应的轮轨横向力，解决了轮轨横向力辨识机理模型遇到的方程数不适定问题，具有在测试数据不足的情况下，能够准确的辨识整车全部轮轨横向力及轮轨垂向力显著效果。

技术领域

本发明涉及铁路安全运行控制技术领域，尤其涉及一种全息轮轨力辨识方法及系统。

背景技术

轮轨之间的相互作用是轨道交通的重要特征，轮轨之间的作用力是衡量铁路运行安全的基本参数。因此，如何对高铁运行中轮轨力进行监测并基于监测数据对轨道-车辆系统进行状态评判是高铁基础理论和方法研究的关键技术之一(参照文献[1])。

轮轨作用力同振动加速度一样，受行车速度和车辆和轨道状态等影响。采用测力轮对测量时，测力轮对的制作过程复杂，需要专门的标定装置，安装维护也比较复杂。因此国内外都只有少数轨检车安装测力轮对设备，仅在情况比较复杂，用于对轨道不平顺影响确认。

可以采用机械结构动力学方法中的正问题方法及第二类反问题方法对轮轨动态作用力进行间接测量。把轨道-车辆系统看作一个正问题对轮轨力进行求解，即我们通常所说的动力学仿真方法，该方法发展相对成熟，主要是利用自编或者商业动力学软件，建立动车组的动力学模型，把轨道不平顺作为仿真输入，进行仿真分析，获取轮轨动态作用力。目前该领域常用的商业动力学软件主要有VI-Rail、Simpack、Nucars以及Vampire等。在获取线路的轨道不平顺数据的情况下，可以采用该方法对轮轨力进行计算。但计算结果的准确度对轨道结构参数(如轨道刚度、阻尼等)的选取有很大的依赖性，而轨道结构参数的选取很大程度上靠经验选取。因此，利用该方法获取轮轨力存在一定的局限性(参照文献[2][3])。

利用机械结构动力学方法中第二类反问题方法即载荷辨识的方法对轮轨力进行辨识，即可以克服测力轮对价格较高，维修不方便的缺点，又可以克服动力学仿真需要轨道几何不平顺作为输入，对轨道结构参数的选取存在依赖性等缺点，是对轮轨动态作用力进行监测一条非常可行的方法。由于动载荷辨识属于反问题，其解往往是不适定的，并且由于给定信息不充分，经常不能得到唯一解，同时求解过程中，载荷辨识通常需要迭代求解，很容易遇到病态问题。上述问题限制了载荷辨识技术的进展。近年来，随着计算机技术的日益提高以及新兴学科的持续涌现，载荷辨识技术取得了长足进步，辨识的精度越来越高，速度越来越快，这为动态轮轨力的辨识可行性提供了理论基础(参照文献[4][5][6])。

载荷辨识根据结构响应(如应变、加速度等)结合结构系统的数学模型对系统的输入进行识别。传统的动态载荷识别方法主要有频域法与时域法两种。频域法主要根据测得的响应，依据系统的传递函数矩阵与响应谱的关系，在频域内确定动态载荷谱，或经模态坐标变换计算模态力在频域内的特性。该法比较成熟。一般适用于稳态动态载荷或平稳随机载荷的识别。

时域法是20世纪80年代中期发展起来的一种方法，时域法的基本思想是利用结构的模型参数如质量、刚度、阻尼等建立系统在时域内的逆向模型,通过测量结构系统响应来识别输入动态载荷。常用的方法有基于逆系统的动载荷识别技术，基于广义正交域级数展开的动载荷识别技术、基于加权加速度求和的动载荷识别技术(SWAT)、以及基于小波分析等。

近年来，一些新型的算法被开发出来应用于实际工程,并逐渐推广到动态载荷识别领域,如模拟人工智能的神经网络算法和生物进化理论的遗传算法,以及模仿生物行为的蚁群算法等等。