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近年来,我国高速铁路得到快速发展,已建设一批在世界上具有影响的高铁项目。伴随列车不断提速,对轨道状态平顺性提出了更高的要求,线路的几何形位误差需严格控制在毫米级范围内。因此,目前轨道静态几何状态检测与控制已成为铁路部门在铁路建设、验收、维护等全生命周期不同阶段必备项目之一,其检测参数既包括轨向、高低、正矢、水平及轨距等轨道内部参数,也包括线路坐标、横垂向偏差等轨道外部参数。针对轨道静态几何状态的检测,现在通行的方法有两种:一种是采用全站仪通过对线路基准桩上坐标已知的控制点观测进行自由设站,再结合对轨检仪棱镜中心点的三维坐标测量,与轨检仪同步检测的轨距、水平等数据融合,得到线路中线及左右轨的坐标位置参数,以客运专线轨道测量仪为代表,通常被称之为绝对测量方法;另一种是以光纤陀螺仪为惯性测量基准、结合倾角传感器和位移传感器等,进行轨道相对轨迹和姿态的测量,获取线路的相对不平顺,以轨道检查仪为代表,通常被称之为相对测量方法。两种方法都是工务检测与养护维修必不可少的专用精密测量器具,前者以测量轨道的三维坐标进行位置定位为主要特征,操作复杂、效率低,且由于光学设备受温度、光照、风雨等环境影响大,很难与铁路线路施工、运维、特别是运行“天窗”管理相适应;后者以测量轨道的相对位置关系进行平顺性控制为主要特征,操作简单、效率高、受环境影响小,但只能测量轨道的内部参数,失于对线路坐标的控制。论文在介绍现有轨道静态几何状态测量方法各自特点的基础上,详细阐述三维约束测量技术的总体思路,提出在相对测量系统采集轨道相对不平顺信息的同时,测量较少的线路坐标控制点(三维坐标和横垂向偏差)作为约束条件进行数据融合,高效地实现线路三维坐标和平顺性的综合测量与控制。为此,论文以继承现有相对测量方法为前提,研究一种能够简捷、快速地测量线路坐标控制点(约束点)横垂向偏距及三维坐标的机构学测量方法,构建约束基准桩点与被约束线路之间横垂向偏距的三角测量数学模型,推导测量线导轮误差修正迭代算法、线路约束点垂足正交搜索算法,并建立以线路线形线位参数、线路约束基准点坐标为已知条件,以约束测量所得线路横垂向偏距,以及相对测量所得轨距、水平等为输入的线路约束点中线坐标计算模型。在此基础上,建立以约束点坐标为约束条件的相对测量惯性轨迹约束数学模型,从而实现以非光学方法直接、精确测量约束点线路中线三维坐标,并进而推算线路全线任意点线路中线三维坐标、左右轨三维坐标。由于轨道相对测量部份的测量精度和稳定性对轨道三维约束测量的最终效果有直接影响,论文针对相对测量工程实际应用中所表现的典型问题进行了专题研究。为了解决光纤陀螺温度漂移引起精密测角累积误差对相对测量惯性轨迹测量精度的影响,针对传统神经网络隐含层映射函数的缺陷,提出一种小波神经网络的光纤陀螺温度漂移误差补偿模型,并采用时间序列分析方法建立了能够有效抑制光纤陀螺仪零漂中随机噪声的卡尔曼滤波算法,提高了惯性轨迹测量的数据质量。同时,为了解决瞬态冲击引起的倾角传感器信号失真对水平测量精度的影响,引入MEMS水平动态修正陀螺仪与倾角传感器同步测量,建立了两种传感器的数据融合算法,提高了轨道水平参数的动态测量精度。为了验证研究成果的有效性,论文还完成约束测量立柱、滑轮座等测量机构,以及约束控制点基桩、基桩适配器部件等结构的设计。同时,分析了机械结构等对测量误差的影响,进而从测量不确定度的角度对以轨道静态几何状态三维约束测量技术所构建系统的精度予以计算和评价。最后,在张呼客运专线左线K28182.500~285057.500开展线路实际测试,并运用测量结果指导大型捣固机进行线路精调作业,实验结果表明轨道静态几何状态三维约束测量技术构建的系统满足工程现场的需要,为解决轨道定位测量精度与效率之间的突出矛盾找到了一种快速、精确和易用的线路三维坐标和平顺性综合测量新方法。