[發明專利]一種基于卡爾曼濾波算法的數字孿生無砟軌道優化方法

在審

• 申請號: 202111101653.5
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113821952A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 張秀峰;史令彬;韓磊;丁同臻;馬勛;沈清野;丁明磊;程林;趙浩然
• 申請（專利權）人: 國網浙江省電力有限公司舟山供電公司;國網浙江省電力有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20;G06F111/06;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 浙江翔隆專利事務所(普通合伙) 33206
• 代理人: 王曉燕

本發明公開了一種基于卡爾曼濾波算法的數字孿生無砟軌道優化方法。涉及無砟軌道領域。為提高軌道板安全運行，本發明包括步驟：基于卡爾曼濾波算法，建立無砟軌道板數字孿生分析預測系統；根據氣候環境參數與軌道板結構參數，利用現代控制理論建立模型的狀態空間方程，對服役參數進行預測，得到符合當前軌道板服役狀態的新優化方案；基于有限元熱結構耦合方法，建立無砟軌道虛擬樣機模型，對無砟軌道板系統進行仿真分析，對新優化方案進行驗證；更新當前方案，直至得到符合當前甚至未來某段時間內的新優化方案。本技術方案在進行優化設計的同時，能夠對現有的無砟軌道服役性能進行監測和預測，保證無砟軌道運行的安全性，避免監測和預測的滯后。

技術領域

本發明涉及無砟軌道領域，尤其涉及一種基于卡爾曼濾波算法的數字孿生無砟軌道優化方法。

背景技術

無砟軌道板因其結構性能好，穩定性強，安全性高等特點而被廣泛應用，但在部分區間仍然出現軌道板損傷，尤其在溫度高和列車運行密度大的區域。在夏季高溫天氣下會出現上拱貫通離縫，給列車運行帶來很大隱患。而在冬季不僅溫度低，晝夜溫差也較大，會導致軌道板承受較大的負溫度梯度載荷，軌道板不僅會出現離縫現象，還存在寬窄接縫，對軌道板的結構帶來了嚴重破壞。

軌道板與填充砂漿層的粘結處作為軌道結構體系中最薄弱環節，其所產生的離縫問題將嚴重影響高速鐵路行車速度與安全。國內學者和科研機構針對無砟軌道板結構存在的問題，在前人研究的基礎上，結合國內外維修實踐，提出了大量軌道板病害檢測與修復的方法。但由于軌道施工質量的誤差、線路下基礎的變形、維修經驗不足和運行時間較短，維護效率的影響并不顯著。為完善軌道高速鐵路養護技術體系，提高養護維修效率，降低養護維修成本，必須對無砟軌道板的結構病害進行調查，制定相應的技術措施。

由于軌道結構復雜，而且外界溫度一年四季溫差很大，多層結構體系難以協調，導致離縫病害出現。所以針對軌道板，建立一套具有監測和預測功能的優化系統，對軌道板的安全運行具有重要的實際意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題和提出的技術任務是對現有技術方案進行完善與改進，提供一種基于卡爾曼濾波算法的數字孿生無砟軌道優化方法，以達到提高軌道板安全運行的目的。為此，本發明采取以下技術方案。

一種基于卡爾曼濾波算法的數字孿生無砟軌道優化方法，包括以下步驟：

1)通過高速鐵路軌道監測系統，采集氣候環境參數與軌道板結構參數，其中氣候環境參數包括溫度、風速、陽光輻射，軌道板結構參數包括軌道板位移；

2)獲取采集的氣候環境參數與軌道板結構參數，并通過軌道數字孿生分析預測系統進行參數預測，得到軌道板服役狀態的優化方案，軌道數字孿生分析預測系統基于卡爾曼濾波算法，根據氣候環境參數與軌道板結構參數，并利用現代控制理論建立狀態空間，預測服役參數，并得到符合當前軌道板服役狀態的優化方案。其中，服役參數包括對軌道板溫度參數和軌道板位移參數；

3)基于有限元熱結構耦合方法，建立軌道板虛擬樣機模型，對軌道板進行熱結構耦合仿真分析，對新優化方案進行驗證，仿真分析包括層間位移和應力分布分析；

4)將優化方案驗證結果與當前方案進行差值分析，作為輸入偏差，重新返回至軌道數字孿生分析預測系統，對當前方案進行更新，直至得到符合當前甚至未來設定時間段內的新優化方案。

本技術方案在進行優化設計的同時，能夠對現有的無砟軌道服役性能進行監測和預測，保證無砟軌道運行的安全性，避免監測和預測的滯后。

作為優選技術手段：在步驟2)中，利用現代控制理論建立軌道監測系統狀態空間，輸入參數為溫度濕度、日照輻射、軌道板初始位移，輸出參數為軌道板當前狀態以及未來狀態的內部溫度梯度參數。

作為優選技術手段：步驟2)中，進行方案優化時，將現有軌道板的結構方案與有限元驗證結果進行對比，得到新的軌道板植筋優化方案。