一种控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法

1.一种控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选取测量点和铁路轨道调整点，将测量点处的测量数据作为基础数据；S2、通过多约束重构模型对基础数据进行拟合，得到铁路拟合线形；计算实测铁路线形与拟合线形之间的纵断面偏差；S3、以纵断面偏差为基础，建立组合弦平顺性及坡度变化率双重控制模型，计算单个待调整区段各测量点处线路的调整量；S4、根据单个待调整区段各测量点处线路的调整量和测量点与调整点的位置关系，通过插值的方法获取对应调整点的调整量，完成对运营铁路的调整；步骤S3中以纵断面偏差为基础，建立组合弦平顺性及坡度变化率双重控制模型，计算单个待调整区段各测量点处线路的调整量的具体方法包括以下子步骤：S3-1、以当前待调整区段的总调整量最小构建线路调整目标，其表达式为：其中 表示线路调整目标； 为测量点 n 处的调整量； 表示测量点 n 处调整后线路垂向偏差； 表示测量点 n 处调整前线路垂向偏差；min表示取最小值； N 为当前待调整区段中测量点总数； 表示当前待调整区段中测量点 n 处的里程；待调整区段为单个直线坡段或单个竖圆曲线区段；S3-2、根据所控制的高低不平顺波长范围选配相应长度基弦，并计算单个测量点处的中点矢距，其表达式为：其中 为测量点 n 处的中点矢距； 表示以测量点 n 为中点的基弦的起点位置 处调整后线路垂向偏差； 表示以测量点 n 为中点的基弦的终点位置 处调整后线路垂向偏差； L 为基弦长度；S3-3、计算基弦 L 内不同长度检测弦 首尾两点的矢距差，即每个测量点处的矢距差，其表达式为：其中 为测量点 n 处的矢距差； 表示包含测量点 n 的检测弦 的终点位置处调整后线路垂向偏差； 表示包含测量点 n 的基弦的起点位置处调整后线路垂向偏差； 表示包含测量点 n 的基弦的终点位置处调整后线路垂向偏差；S3-4、计算测量点 n 处的线形的坡度变化率，其表达式为：其中 为测量点 n 处的线形的坡度变化率，当当前待调整区段为直线坡段时， ； 、 和 分别表示当前待调整区段中测量点 n 及前后间隔 距离处测量点的里程； 、 和 分别表示测量点 n 及前后间隔 距离处测量点的高程；S3-5、对 、 和 施加约束条件建立约束不等式方程组，结合线路调整目标 ，得到组合弦平顺性及坡度变化率双重控制模型；S3-6、以纵断面偏差为基础，通过非线性规划算法求解组合弦平顺性及坡度变化率双重控制模型，得到单个待调整区段各测量点处线路的调整量。 2.根据权利要求1所述的控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，步骤S1中选取铁路轨道调整点的具体方法为：选定测量起点，以测量起点为起点、5米为间隔确定有砟轨道的调整点，以测量起点为起点、2.5米为间隔确定无砟轨道的调整点；或选定测量起点，以双轨中基准轨一侧、0.625m为间隔的各扣件位置作为双轨轨道的调整点。 3.根据权利要求1所述的控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，步骤S1中将测量点处的测量数据作为基础数据的具体方法包括以下子步骤：S1-1、计算各铁路轨道调整点位置处的矢高，根据矢高计算结果将铁路轨道划分为直线坡段和竖圆曲线区段；S1-2、对于直线坡段，以直线坡段内测量点数据为基础，通过正交最小二乘原理拟合斜率和截距，进而计算直线坡段内各测量点的偏差值及偏差值的3倍均方差；其表达式为：其中 为直线坡段内各测量点的偏差值； 为直线坡段内各测量点的偏差值的平均值； 为直线坡段内测量点总数； 为3倍均方差； 为直线坡段斜率； 为截距； 为直线坡段内第 i 个测量点的坐标；S1-3、剔除直线坡段内偏差值超过3倍均方差的测量点；S1-4、重复步骤S1-2和步骤S1-3，直至直线坡段中保留的各测量点的偏差值均小于3倍均方差，将直线坡段内保留的测量点处的测量数据作为基础数据。 4.根据权利要求3所述的控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，步骤S2中通过多约束重构模型对基础数据进行拟合，得到铁路拟合线形；计算实测铁路线形与拟合线形之间的纵断面偏差的具体方法包括以下子步骤：S2-1、基于基础数据拟合直线坡段的直线斜率和截距，得到当前最佳拟合直线线形，并计算最佳拟合直线线形各测量点偏差、坡度、坡段长度、变坡点坐标和坡段夹角；S2-2、对于竖圆曲线区段，根据竖圆曲线区段前后最佳拟合直线线形的直线斜率计算该竖圆曲线区段的夹角平分线斜率 ，其表达式为：其中 为竖圆曲线区段前最佳拟合直线线形的直线斜率； 为竖圆曲线区段后最佳拟合直线线形的直线斜率；S2-3、根据夹角平分线斜率 计算夹角平分线下降单位梯度向量，进而得到融入夹角平分线梯度约束的拟合圆心坐标表达式：其中 为拟合得到的圆心坐标； 为变坡点里程； 为变坡点高程； 为竖圆曲线半径； 为坡段夹角； 为夹角平分线下降单位梯度向量；csc表示余割函数；S2-4、将步骤S2-3中拟合得到的圆心坐标表达式带入圆心正交最小二乘拟合表达式中，优化竖圆曲线半径计算函数，得到竖圆曲线半径 拟合表达式：其中 为竖圆曲线区段中第 j 个测量点的坐标； 为竖圆曲线区段中测量点的总数；S2-5、根据竖圆曲线半径 计算竖圆曲线区段中各测量点处的线形偏差值，其表达式为：其中 为竖圆曲线区段中第 j 个测量点处的线形偏差值；S2-6、进行设计参数约束：验证当前拟合得到的竖圆曲线半径、坡度和坡段长度是否满足行业相关规范，若是则进入步骤S2-7；否则以行业相关规范中相关指标为准调整相应拟合结果，直至拟合得到的竖圆曲线半径、坡度和坡段长度满足行业相关规范，进入步骤S2-7；S2-7、进行线形偏差量约束，优化竖圆曲线区段的竖圆曲线半径，并记为最终拟合半径；S2-8、根据当前的最终拟合半径拟合线形并更新线元分界点；其中根据当前的最终拟合半径拟合得到的线形即为最佳竖圆曲线线形；S2-9、根据当前的线元分界点坐标，采用与步骤S1-1相同的方法对线路进行重新分段，并采用与步骤S1-2至步骤S1-4，以及步骤S2-1至步骤S2-8相同的方法再次计算最佳线形和线元分界点坐标；其中最佳线形包含最佳拟合直线线形和最佳竖圆曲线线形；S2-10、判断前后两次线元分界点坐标差值是否大于阈值，若是则更新线元归属并采用与步骤S2-9相同的方法再次计算最佳线形和新线元分界点坐标，直至前后两次线元分界点坐标差值小于等于阈值，获取当前的最佳线形、线元分界点坐标，以及实测铁路线形与最佳线形之间的纵断面偏差；其中实测铁路线形与最佳线形之间的纵断面偏差即为实测铁路线形与拟合线形之间的纵断面偏差。 5.根据权利要求4所述的控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，步骤S2-7中进行线形偏差量约束，优化竖圆曲线区段的竖圆曲线半径的具体方法为：根据当前的竖圆曲线半径拟合线形，计算该拟合线形与实测铁路线形在各测量点的偏差；通过将单个偏差超过偏差阈值的调整点的偏差指定为偏差阈值，对拟合线形进行调整；将调整后的拟合线形进行反算得到满足调整后的拟合线形的竖圆曲线半径；遍历所有测量点，以各测量点的偏差均在最大偏差范围内为基础，将各测量点的反算最大竖圆曲线半径作为该竖圆曲线区段的最终拟合半径。 6.根据权利要求5所述的控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，步骤S3-5中组合弦平顺性及坡度变化率双重控制模型的表达式为：其中 表示单个待调整区段所有测量点的调整量的集合； ， ， ， ， ， ； 为中点矢距平顺性阈值； 为矢距差平顺性阈值； 为坡度变化率阈值； 为测量点 n 位置处调整前线路垂向偏差； 为包含测量点 n 的检测弦 的终点位置处调整前线路垂向偏差； 为包含测量点 n 的基弦 L 的起点位置处调整前线路垂向偏差； 为包含测量点 n 的基弦 L 的终点位置处调整前线路垂向偏差。 7.根据权利要求6所述的控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，坡度变化率阈值 通过计算不同坡度代数差竖曲线在不同曲线半径变化区间内的纵面线形坡度变化率得到，其表达式为：其中 、 和 分别表示不同坡度代数差竖曲线在不同半径组合下，在无线路变形影响时测量点 n 及其前后各一个间隔距离处的理论高程； 、 和 分别表示不同坡度代数差竖曲线在不同半径组合下，在无线路变形影响时测量点 n 及其前后各一个间隔距离处的理论里程。 8.根据权利要求5所述的控制线形几何特性的运营铁路轨道调整方法，其特征在于，在步骤S3-6中通过非线性规划算法求解组合弦平顺性及坡度变化率双重控制模型时，执行如下操作：选定60m基准弦作为最长控制弦，并以60m/10mm为线形平顺性控制标准；在60m弦测单元内逐点移动10m基准弦，并以10m/2mm平顺性和10m弦坡度变化率为控制标准；在60m基准弦单元内逐点移动30m基准弦，按照30m/5m/2mm矢距差标准控制线形平顺性；逐点移动60m基准弦遍历所有测点，叠加各次计算调整量得到单个待调整区段各测量点处线路的调整量。