[发明专利]一种基于卡尔曼滤波算法的数字孪生无砟轨道优化方法

说明书

本发明公开了一种基于卡尔曼滤波算法的数字孪生无砟轨道优化方法。涉及无砟轨道领域。为提高轨道板安全运行，本发明包括步骤：基于卡尔曼滤波算法，建立无砟轨道板数字孪生分析预测系统；根据气候环境参数与轨道板结构参数，利用现代控制理论建立模型的状态空间方程，对服役参数进行预测，得到符合当前轨道板服役状态的新优化方案；基于有限元热结构耦合方法，建立无砟轨道虚拟样机模型，对无砟轨道板系统进行仿真分析，对新优化方案进行验证；更新当前方案，直至得到符合当前甚至未来某段时间内的新优化方案。本技术方案在进行优化设计的同时，能够对现有的无砟轨道服役性能进行监测和预测，保证无砟轨道运行的安全性，避免监测和预测的滞后。

技术领域

本发明涉及无砟轨道领域，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波算法的数字孪生无砟轨道优化方法。

背景技术

无砟轨道板因其结构性能好，稳定性强，安全性高等特点而被广泛应用，但在部分区间仍然出现轨道板损伤，尤其在温度高和列车运行密度大的区域。在夏季高温天气下会出现上拱贯通离缝，给列车运行带来很大隐患。而在冬季不仅温度低，昼夜温差也较大，会导致轨道板承受较大的负温度梯度载荷，轨道板不仅会出现离缝现象，还存在宽窄接缝，对轨道板的结构带来了严重破坏。

轨道板与填充砂浆层的粘结处作为轨道结构体系中最薄弱环节，其所产生的离缝问题将严重影响高速铁路行车速度与安全。国内学者和科研机构针对无砟轨道板结构存在的问题，在前人研究的基础上，结合国内外维修实践，提出了大量轨道板病害检测与修复的方法。但由于轨道施工质量的误差、线路下基础的变形、维修经验不足和运行时间较短，维护效率的影响并不显著。为完善轨道高速铁路养护技术体系，提高养护维修效率，降低养护维修成本，必须对无砟轨道板的结构病害进行调查，制定相应的技术措施。

由于轨道结构复杂，而且外界温度一年四季温差很大，多层结构体系难以协调，导致离缝病害出现。所以针对轨道板，建立一套具有监测和预测功能的优化系统，对轨道板的安全运行具有重要的实际意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于卡尔曼滤波算法的数字孪生无砟轨道优化方法，以达到提高轨道板安全运行的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种基于卡尔曼滤波算法的数字孪生无砟轨道优化方法，包括以下步骤：

1)通过高速铁路轨道监测系统，采集气候环境参数与轨道板结构参数，其中气候环境参数包括温度、风速、阳光辐射，轨道板结构参数包括轨道板位移；

2)获取采集的气候环境参数与轨道板结构参数，并通过轨道数字孪生分析预测系统进行参数预测，得到轨道板服役状态的优化方案，轨道数字孪生分析预测系统基于卡尔曼滤波算法，根据气候环境参数与轨道板结构参数，并利用现代控制理论建立状态空间，预测服役参数，并得到符合当前轨道板服役状态的优化方案。其中，服役参数包括对轨道板温度参数和轨道板位移参数；

3)基于有限元热结构耦合方法，建立轨道板虚拟样机模型，对轨道板进行热结构耦合仿真分析，对新优化方案进行验证，仿真分析包括层间位移和应力分布分析；

4)将优化方案验证结果与当前方案进行差值分析，作为输入偏差，重新返回至轨道数字孪生分析预测系统，对当前方案进行更新，直至得到符合当前甚至未来设定时间段内的新优化方案。

本技术方案在进行优化设计的同时，能够对现有的无砟轨道服役性能进行监测和预测，保证无砟轨道运行的安全性，避免监测和预测的滞后。

作为优选技术手段：在步骤2)中，利用现代控制理论建立轨道监测系统状态空间，输入参数为温度湿度、日照辐射、轨道板初始位移，输出参数为轨道板当前状态以及未来状态的内部温度梯度参数。

作为优选技术手段：步骤2)中，进行方案优化时，将现有轨道板的结构方案与有限元验证结果进行对比，得到新的轨道板植筋优化方案。