[发明专利]一种基于捣固车作业特性的起拨量综合优化方法

权利要求书

1.一种基于捣固车作业特性的起拨量综合优化方法，其特征在于，所述起拨量综合优化方法以适应捣固车的机械作业特性作为目标，计算精捣起拨量，具体包括以下步骤：

A.以待整道线路为目标，掌握待整道线路状态信息和现场作业条件信息，反映轨道不平顺状态；

确定本次整道作业采用的捣固车型号，收集该捣固车在检修标定后的所有作业数据；

根据该整道线路的设计行车速度和轨道状态，明确用于检测轨道不平顺状态的检测弦l和平顺性管理标准；

应用轨道测量仪精确采集轨道内部的几何尺寸和轨道外部的几何尺寸，得到轨道的实际位置与设计位置之间的横向偏差量和轨道垂向偏差量；

引入回归分析法计算起拨道系数，基于捣固车型号及历史作业数据，阐明捣固车作业习惯，形成定量分析结果，削弱机械设备的精度造成的影响，起拨量回归方程的具体公式如式（1）所示，

（1）

其中，S_i为：调整点i的实际起拨量，单位为：mm；

F_i为：调整点i的方案起拨量，单位为：mm；

a为：常数项的最小二乘估计量；

b为：斜率的最小二乘估计量；

i为：待调整点的编号；

a和b也均为起拨道系数；

利用拟合优度检验判定实际起拨量与方案起拨量之间的一致性，构造判定系数R²，R²越接近1，表明：实际起拨量与方案起拨量的离散性越低和相关性越强；

B.根据捣固车的作业特性，综合优化作业方案，计算整段待整道线路的精捣起拨量；

C.评估精捣效果，改进和优化控制条件，得到更优的精捣起拨量；

所述步骤B具体包括以下步骤：

B-1.以步骤A中确定的检测弦l为综合优化单元，以1m为步长，在待整道线路内逐点移动综合优化单元，在综合优化单元内设计符合捣固车作业特性的拟起拨量；对综合优化单元内的各点的拟起拨量的绝对值进行求和，以实现综合优化单元内起拨量之和最小作为捣固方案的设计目标，目标函数f(i)如式（2）所示，

（2）

其中，t(i)为：待调整点i的拟起拨量，单位为：mm；

n为：检测弦l内的待调整点的总个数，n∈(1,+∞)；

B-2.为了适应捣固车对起拨量的敏感性，在捣固方案制定环节对起拨量进行约束，在步骤B-1建立的目标函数的基础上，建立各点拟起拨量范围约束，具体数学公式如式（3）所示，

（3）

其中，α为：待调整点单次起拨量下限；

β为：待调整点单次起拨量上限；

为了便于后续的凸优化理论迭代计算，将t(i)由正数t'(i)和t''(i)的差值表示，t(i)=t'(i)-t''(i)；

将t'(i)和t''(i)代入不等式（3），轨道点单次起拨量范围约束变形为公式（4），

（4）

将式（4）转化为矩阵不等式组，如式（5）所示，

（5）

其中，B_2n×2n为t(i)对应的系数矩阵，系数矩阵的行数为2n，系数矩阵的列数为2n；b_2n×1为t(i)对应的约束矩阵，约束矩阵的行数为2n，列数为1；X_2n×1为起拨量矩阵，起拨量矩阵的行数为2n，列数为1；

B-3.对相邻待调整点的起拨量施加约束，建立起拨量顺坡率约束，具体数学公式如式（6）所示，

（6）

其中，u为：相邻待调整点之间的距离，单位为：m；

ε为：起拨量顺坡率，以‰表示；

t(i+1)为：与待调整点i相邻的待调整点的拟起拨量，单位为：mm；

将t(i)=t'(i)-t''(i)代入不等式（6），轨道点拟起拨量顺坡率约束如公式（7）所示，

（7）

将式（7）转化为矩阵不等式组，如式（8）所示，

（8）

其中，C_4(n-1)×2n为t(i)对应的系数矩阵，系数矩阵的行数为4(n-1)，系数矩阵的列数为2n；c_4(n-1)×1为t(i)对应的约束矩阵，约束矩阵的行数为4(n-1)，列数为1；X_2n×1为起拨量矩阵，起拨量矩阵的行数为2n，列数为1；

B-4.采用中点矢距法建立轨向平顺性约束条件；

假设各点平纵断面偏差为H(i)，H(i)通过与t(i)代数运算，得到调整后的剩余偏差H'(i)，公式如式（9）所示，

（9）

将剩余偏差代入中点矢距计算公式，得到轨向平顺性状态，对比步骤A中确定的平顺性管理标准；根据对比结果，更正t(i)，检测弦l对应的轨向平顺性约束公式如式（10）所示，

（10）

其中，E和F分别为检测弦l的起点位置和终点位置，

H'(E)和H'(F)分别为检测弦l起点调整后的剩余偏差和终点调整后的剩余偏差；

δ为检测弦l对应的轨向平顺性管理值；

将t(i)=t'(i)-t''(i)和式（9）代入不等式（10），则轨向平顺性约束公式如式（11）所示，

（11）

将式（11）转化为矩阵不等式组，如式（12）所示，

（12）

其中，D_2×2n为t(i)对应的系数矩阵，系数矩阵的行数为2，系数矩阵的列数为2n；d_2×1为t(i)对应的约束矩阵，约束矩阵的行数为2，列数为1；X_2n×1为起拨量矩阵，起拨量矩阵的行数为2n，列数为1；

B-5.统计步骤A中得到的起拨道系数，以此为基础，优化步骤B-1至步骤B-4中符合各项约束条件的拟起拨量，计算得到匹配捣固车作业习惯的方案起拨量，假设捣固车进行精捣作业（13）

其中，p(i)为：实际给定的方案起拨量，单位为：mm；

b为：起拨道系数；

a为：起拨道系数；

将所述实际给定的方案起拨量p(i)作为：精捣起拨量；

B-6.整合步骤B-1至步骤B-5的控制条件，组成基于捣固车作业特性的起拨量综合优化算法，进一步实现对轨道不平顺的控制与约束，综合优化约束条件表达式如式（14）所示，

（14）

其中，①式为起拨量最大值约束，②式为起拨量最小值约束，③式为起拨量顺坡率约束，④式为轨向平顺性约束，⑤式为起拨道系数表达式；

将式（14）转化为矩阵不等式组数学模型，具体公式如式（15）所示，

（15）

其中，A_(6n-2)×2n为t(i)对应的系数矩阵，系数矩阵的行数为6n-2，系数矩阵的列数为2n；a_(6n-2)×1为t(i)对应的约束矩阵，约束矩阵的行数为6n-2，列数为1；X_2n×1为起拨量矩阵，起拨量矩阵的行数为2n，列数为1；

系数矩阵的具体展开式如式（16）所示，约束矩阵的具体展开式如式（17）所示，

（16）

（17）

其中，B为单次起拨量限值系数矩阵，C为起拨量顺坡率系数矩阵，D为轨向平顺性系数矩阵；b为单次起拨量限值约束矩阵，c为起拨量顺坡率约束矩阵，d为轨向平顺性约束矩阵；

利用凸优化理论迭代求解式（16），得到待整道线路内各点的精捣起拨量，依据现场作业条件，并应用起拨道系数，最终得到符合捣固车作业特性的精捣起拨量综合优化方案，由此实现对轨道线形的调整和平顺性状态的控制，指导捣固车捣固作业。