高速鐵路線路安全狀態(tài)評(píng)估理論與關(guān)鍵算法研究結(jié)題摘要

首先在已有車輛軌道耦合模型的基礎(chǔ)上，仿真分析了不同線路（不同軌道不平順）、不同列車運(yùn)行速度、不同車輛類型作用下車輛軌道動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性，為軌道幾何不平順的估計(jì)提供了仿真數(shù)據(jù)。 為實(shí)現(xiàn)利用運(yùn)營(yíng)車輛的車輛振動(dòng)響應(yīng)感知軌道幾何靜態(tài)不平順，提出了一種基于微種群遺傳算法和車輛軌道耦合模型相結(jié)合的軌道幾何靜態(tài)不平順估計(jì)算法，將軌道幾何靜態(tài)不平順看做車輛軌道耦合模型非線性系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)，進(jìn)而將軌道不平順求解轉(zhuǎn)換為模型參數(shù)的估計(jì)。參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則采用車輛軌道耦合模型與車輛測(cè)量模型輸出之差平方和最小，利用遺傳算法在解空間內(nèi)直接搜索軌道靜態(tài)不平順的最優(yōu)解。由于車輛軌道耦合模型動(dòng)力學(xué)方程為大型非線性方程組，為縮短計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量，研究了改進(jìn)的微種群遺傳算法，撇棄了一般微種群遺傳算法中的重啟步驟，增大了變異概率，在進(jìn)化過程中使用了最優(yōu)保留策略，仿真計(jì)算結(jié)果表明估計(jì)的軌道幾何靜態(tài)不平順在檢測(cè)誤差允許范圍內(nèi)。 軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)缺陷引起的剛度突變是造成軌道剛度不平順的主要原因，在列車通過時(shí)會(huì)引起較大的動(dòng)態(tài)不平順。在分析了軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)缺陷下車輛軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于支持向量機(jī)和車輛振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行軌道剛度突變的識(shí)別算法，為了提高軌道剛度不平順的識(shí)別率和分類準(zhǔn)確性，在支持向量機(jī)的參數(shù)選擇上，使用了粒子群算法和遺傳算法，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的支持向量機(jī)，通過仿真分析表明這兩種算法對(duì)于提高分類準(zhǔn)確率和縮短計(jì)算時(shí)間都十分有效，在軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)缺陷的識(shí)別中取得了良好效果，同時(shí)為構(gòu)建真實(shí)的軌道模型進(jìn)行軌道動(dòng)態(tài)不平順估計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 由于測(cè)量傳感器和理論模型都存在誤差，為了提高軌道不平順的估計(jì)精度，提出了一種基于遺傳算法和無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF）技術(shù)相嵌套的軌道動(dòng)態(tài)不平順優(yōu)化算法。借助車輛軌道耦合模型、測(cè)量傳感器的已知特性，優(yōu)化軌道振動(dòng)響應(yīng)，提高軌道動(dòng)態(tài)不平順的估計(jì)精度。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過GA與UKF嵌套算法后的軌道幾何靜態(tài)不平順、車輛、軌道振動(dòng)響應(yīng)精度都得到了提高，減小了軌道動(dòng)態(tài)不平順估計(jì)誤差。研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)了根據(jù)車輛振動(dòng)響應(yīng)估計(jì)不同運(yùn)營(yíng)列車不同速度通過時(shí)的軌道動(dòng)態(tài)不平順，為實(shí)現(xiàn)車對(duì)地的檢測(cè)提供了一種新的解決方案。 2100433B

軌道檢測(cè)車動(dòng)態(tài)獲取的線路不平順是評(píng)價(jià)高速鐵路線路安全狀態(tài)最為重要的線路參數(shù)。由于檢測(cè)車輛與實(shí)際運(yùn)營(yíng)的各種列車在速度、軸重、懸掛系統(tǒng)等存在差異，檢測(cè)車輛動(dòng)態(tài)獲取的軌道不平順參數(shù)不能反映運(yùn)營(yíng)列車通過時(shí)的線路真實(shí)狀態(tài)。本課題重點(diǎn)研究基于車輛軌道耦合動(dòng)力模型的多尺度非線性濾波算法，融合車載慣性敏感元件獲取的車輛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和軌道檢測(cè)設(shè)備獲取的軌道動(dòng)態(tài)不平順數(shù)據(jù)，估計(jì)軌道靜態(tài)不平順參數(shù)和軌道動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建真實(shí)的軌道數(shù)學(xué)模型，結(jié)合不同運(yùn)營(yíng)列車的數(shù)學(xué)模型，通過仿真運(yùn)算獲得各種運(yùn)營(yíng)列車在不同速度下通過時(shí)，可能經(jīng)歷的軌道不平順?biāo)剑u(píng)估列車運(yùn)行的安全性和舒適性，為線路養(yǎng)護(hù)維修、列車設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行組織等提供科學(xué)依據(jù)。本課題的研究將有助于建立更為科學(xué)的高速鐵路線路安全狀態(tài)評(píng)估理論和評(píng)價(jià)體系，對(duì)于我國(guó)正在自主開發(fā)和大規(guī)模建設(shè)的時(shí)速350公里以上高速鐵路具有重要意義。

在連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法中，

狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法狀態(tài)轉(zhuǎn)換算子

(1) 旋轉(zhuǎn)變換（Rotation Transformation, RT）

這里

(2)平移變換（Translation Transformation, TT）

這里

(3)伸縮變換（Expansion Transformation, ET）

這里

(4)坐標(biāo)搜索（Axesion Transformation, AT）

這里

狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法鄰域和采樣

對(duì)于一個(gè)給定的當(dāng)前狀態(tài)

對(duì)于給定的

狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法更新策略

在給定當(dāng)前最好解

狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法基本連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法的流程

基本連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法由上面介紹的狀態(tài)變換算子，采樣機(jī)制與更新策略融合而成，其算法的流程如下：

Step 1：隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)初始解

Step 2: 基于當(dāng)前最好解

Step 3: 基于當(dāng)前最好解

Step 4: 基于當(dāng)前最好解

Step 5: 置

狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法基本連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法背后的原理

• 伸縮變換算子具有在整個(gè)空間進(jìn)行搜索的能力，使其滿足全局性；

• 旋轉(zhuǎn)變換算子中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)因子充分小時(shí)，當(dāng)前的最好解將變成一個(gè)局部最優(yōu)解，即；

• 更新策略可以保證狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法的收斂性，因?yàn)?/li>

且假定

• 采樣機(jī)制(它有效地避免了窮舉)和各種狀態(tài)轉(zhuǎn)變算子的交替使用可以很好的節(jié)省搜索時(shí)間;

• 狀態(tài)轉(zhuǎn)移中對(duì)變換因子的調(diào)整可以控制搜索空間的幾何形態(tài)。

過程挖掘旨在從業(yè)務(wù)過程執(zhí)行產(chǎn)生的事件日志中挖掘有價(jià)值的客觀信息，這些信息對(duì)部署新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)（過程建模），或者分析、審計(jì)、改進(jìn)已實(shí)施的業(yè)務(wù)系統(tǒng)（變化分析）具有重要的參考價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。近年來各種過程挖掘算法發(fā)展非常迅速，但缺乏通用的方法來評(píng)估由這些算法發(fā)現(xiàn)的過程模型的質(zhì)量，進(jìn)而很難對(duì)算法的優(yōu)劣進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。本項(xiàng)目嘗試建立一個(gè)包含三部分內(nèi)容的過程挖掘算法評(píng)估框架：(1)提供具有各類典型特征的多組事件日志以及對(duì)應(yīng)參考模型作為公共測(cè)試集（含過程模型及日志自動(dòng)生成工具）；(2)提供一組常見過程建模語(yǔ)言到Petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)換工具；(3)提供一整套針對(duì)Petri網(wǎng)的綜合度量工具。本項(xiàng)目的研究將有助于形成過程挖掘算法的基準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)，從而推動(dòng)過程挖掘技術(shù)的成熟和完善；同時(shí)將有助于推廣過程挖掘技術(shù)在企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，降低業(yè)務(wù)過程建模、審計(jì)和優(yōu)化的難度，提高業(yè)務(wù)過程管理的效率和效益，進(jìn)而提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

狀態(tài)檢修理論與工程應(yīng)用研究正進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估的現(xiàn)有研究成果定量地指導(dǎo)檢修決策，擬展開以下研究：(1)可靠性研究。從統(tǒng)計(jì)分析角度研究基于狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的輸變電設(shè)備平均可靠性，建立基于時(shí)間、狀態(tài)的可靠性模型以指導(dǎo)中長(zhǎng)期檢修決策；從物理機(jī)理角度研究基于關(guān)鍵狀態(tài)量的動(dòng)態(tài)可靠性模型以指導(dǎo)短期檢修決策。（2）檢修經(jīng)濟(jì)性研究。從成本、效益兩方面建立輸變電設(shè)備檢修經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)模型。（3）在安全、經(jīng)濟(jì)的總目標(biāo)下構(gòu)建統(tǒng)一的檢修決策框架。探討決策準(zhǔn)則、決策條件、備選方案的分類方法以及各種決策方法的適用特點(diǎn)，解決單設(shè)備檢修時(shí)機(jī)、檢修方式?jīng)Q策模型與方法，以及多設(shè)備協(xié)調(diào)決策及聯(lián)檢決策模型與方法。檢修決策理論研究具有深遠(yuǎn)的理論意義和重大的工程實(shí)用價(jià)值。