高速铁路动静检数据对比的新方法

高速铁路动静检数据对比的新方法

刘正然1，陈盛辉1，申彦军1

1.四川电力设计咨询有限责任公司， 成都 610031

摘要：高速铁路轨道平顺性的控制依赖于轨道检测。在工务实践中,轨道动静检数据超限幅值常不一致,直接影响了对超限病害的诊断。动态检测和静态检测是采用不同系统对同一测量对象的测量过程。本文针对其存在差异的原因，提出一种采用傅里叶变换的滤波方法对比动态检测数据与静态检测数据的新方法。研究结果表明：采用傅里叶变换滤波方法进行动静检数据的对比，其对比结果呈现高度相似性，两者之间的相关系数达到0.95以上，为高速铁路超限病害的诊断提供一种新思路。

关键词：动静检数据；轨向；高低；快速傅里叶变换；相关系数

Discussion on Evaluation Method of Fine Tuning Scheme for Ballasted Track of High Speed Railway

SHEN Yan-jun1，CEN Min-yi1,2,3，JIANG Lai-wei1，DONG Fei-fei1

(1.PowerChina Sichuan Electric Power Engineer Co., Ltd, China Railway ERYUAN Engineering Group.CO.LTD Chengdu 610031,China.)

Abstract: The control of high-speed railway track smoothness depends on track detection. In the practice of track maintenance, the over limit amplitude of track dynamic and static inspection data is often inconsistent, which directly affects the diagnosis of over limit diseases. Dynamic detection and static detection are the process of measuring the same object with different systems. In this paper, a new method is proposed to compare the dynamic detection data with the static detection data. The results show that the comparison results of static and dynamic inspection data by using the Fourier transform filtering method show a high degree of similarity, and the correlation coefficient between the two is more than 0.95, which provides a new idea for the diagnosis of high-speed railway overrun diseases.

Key words: Dynamic and static inspection data；direction；height；Fast fourier transform；Correlation coefficient

0 引言

高速铁路动态检测数据需提交工务部门指导线路维修，然而超限的数据必须进行静态复核。多数情况下动态超限幅值与静态复核结果并不一致，直接影响超限病害的诊断。铁科院的研究表明[1]，存在差异的原因与有砟线路道床密实度，空吊，捣固效果等有关，无砟轨道动静检之间测差异很小，可能与无砟轨道均匀性好有关。但是，无砟轨道同样存在部分动静检数据难以核实的问题，同样影响超限病害的诊断。南昌大学魏晖指出[2]，轨距等部分参数的差异可解释为系因轮载作用引起，然而部分参数如高低、轨向以的差异，其主要是由动静态测量中关于不平顺的定义不同引起的。动态检查通过对测量信号的移动平均获得惯性基准，进而得到轨道几何尺寸的偏差，即惯性测量法，静态检查中高低和轨向一般为弦测量的中点矢距，即弦测法。南昌大学魏晖同样指出[3]，惯性测量的动检幅值增益在截止波长内近似为1，弦测法的静检幅值增益则在0~2。这两类测量系统增益幅值的不同可以解释动静检数据的差异。针对存在该差异的原因，本文采用快速傅里叶变换滤波的方法，对动静检数据进行对比分析。

1 动静检数据对比分析

轨道检查车等动态轨道检测系统能够更加精确地检测轨道的真实空间域波形，很大程度减小轨道波形相位与幅值的失真，为轨道维修养护部门提供准确可靠的养护数据。轨道检查车等大型轨道动态检测系统多采用数字滤波技术来检测轨道的波长成分，数它可以保证轨道检测系统在检测到轨道的原始不平顺性波长后，在一定的波长范围内，系统频率响应函数具备优异的相频及幅频特性，使得检测的轨道原始不平顺波长不失真，从而更加真实反映轨道的实际状况。

1.1快速傅里叶变换

离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）是一种常用的数字滤波方法。但如果直接用DFT定义进行滤波处理时计算量很大，无法满足实际工程实践中效率问题。快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）是实现DFT的一种快速运算手段，能以较少计算量实现DFT的算法，在实际中应用广泛[4-6[58][]。其滤波的数学表达式为：

(1)

式中  表示原始信号的傅里叶频谱；

表示滤波后信号的傅里叶频谱；

表示该滤波函数的传递函数。

1.2长波对比效果

在某运营无砟线路（里程范围为K2299+250~K2300+450）下行线，采用惯导与轨道检测仪相结合的轨道快速检测系统（Fast Track Inspection System，FTIS）[7-9]对这一段轨道进行测量。采集的轨道原始检测数据经长轨精调软件处理后，得到轨道的300m长波轨向高低数据，为与动检的70m长波数据进行对比，将静检得到的300m长波轨向高低值采用matlab快速傅里叶变换进行滤波处理得到的70m长波数据。

图1  FTIS与动检70m长波轨向对比

图2  FTIS与动检70m长波高低对比

图1，图2直观的反映出静态检测轨向高低与动态检测轨向高低之间整体上波形高度相似，统计动检轨向(高低)与静检轨向(高低)的相关系数如下表1所示。可以得到两者之间相关系数位于0.9-1.0之间，呈高度相关。

表1 动检轨向高低与静检轨向高低之差标准差对比

1.3中波对比效果

将FTIS所检测数据经软件处理后的300m长波轨向高低值采用快速傅里叶变换进行滤波处理得到的30m中波数据与动检得到的70m长波轨向高低值进行滤波处理得到的30m中波数据进行对比。

图3  FTIS与动检30m中波轨向对比

图4  FTIS与动检30m中波高低对比

图3，图4直观的反映出静态检测轨向高低与动态检测轨向高低之间整体上波形高度相似，统计动检轨向(高低)与静检轨向(高低)的相关系数如下表2所示。可以得到两者之间相关系数位于0.9-1.0之间，呈高度相关。

表2 动检轨向高低与静检轨向高低之差标准差对比

1.4短波对比效果

为直观清晰的看出两种测量方式所得到短波检测效果的差异，所选的对比线路不宜太长，在某运营有砟线路（里程范围为K1987+110+000~K1987+610）下行线，将FTIS（在图上表示为静检轨向/静检高低）检测所得到的10m波长数据与动检10m波长数据进行对比，如下图5，图6，所示。

图5 10m弦轨向对比

图6 10m弦高低对比

图5，图6直观的反映出静态检测轨向高低与动态检测轨向高低之间整体上波形高度相似，统计动检轨向(高低)与静检轨向(高低)的相关系数如下表3所示。可以得到两者之间相关系数位于0.9-1.0之间，呈高度相关。

表2 动检轨向高低与静检轨向高低之差标准差对比

2 结论

本文针对动检数据与静检数据存在差异的原因，本文提出采用傅里叶变换滤波的方法对两者进行比较，得到以下结论：

从长、中、短三中常用波长进行分析，采用傅里叶变换滤波得到的动静检对比结果图具有高度相似性，且两者之间的相关系数在0.95以上，呈高度相关。本文采用的傅里叶变换滤波方法可以为工务部门高速铁路的病害检测提供一种新的思路。

参考文献

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[11] 中华人民共和国铁道部. TB10601-2009 高速铁路工程测量规范[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2009.

作者简介：刘正然（1988—），男，四川德阳，本科学士，研究方向：电力工程测量，E-mail:835182559@qq.com。

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