一种铁路纵断面线形的识别重构方法技术

本发明专利技术公开了一种铁路纵断面线形的识别重构方法，包括获取铁路的纵断面测量点数据；计算相邻测量点间连线的坡度数据；对铁路进行测量点分段聚类；构建满足约束条件的参数矩阵并计算参数的初始值；计算系数矩阵和抬落道量矩阵并构建整体线形误差方程；确定导向搜索步；更新系数并对导向搜索步进行取舍；优化铁路的纵断面线形整体参数并得到最终的铁路纵断面线形整体参数矩阵，完成铁路纵断面线形的识别重构。本发明专利技术用独立参数建立了纵断面整体线形的内部一致性约束表达；建立了顾及外部约束的优化模型，设计了导向搜索算法，能高效地搜索出最优纵面线形；因此，本发明专利技术能够将测量点进行分段聚类并搜索出最优纵面线形，可靠性高、精度高且效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种铁路纵断面线形的识别重构方法
本专利技术属于轨道交通领域，具体涉及一种铁路纵断面线形的识别重构方法。
技术介绍
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，轨道交通已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，轨道交通的稳定可靠运行，就成为了轨道交通系统最重要的任务之一。铁路在经过列车长期行驶之后，其纵面线形会发生一定程度的变化，具体表现为线路的直坡部分发生凹凸弯曲，竖曲线部分的转角及半径等纵面线形参数与原设计不完全相符，不再符合相关线形标准。同时，造成纵面线形几何平顺性变差。这种线路不平顺，将直接影响到旅客乘车的舒适性和列车运行的安全。因此，无论是既有铁路的养护维修，还是增、改建设计，都需要对既有铁路纵面线形进行重构，得到抬落道工程量最优，同时又符合线形标准的铁路纵面线形。传统的既有铁路线位测量方法主要有绳正法、偏角法、坐标法等。但随着列车运行速度和密度的提高，以及运营安全管理措施的加强，在轨道上的测量工作时间日益受到限制。针对这一问题，国内外学者提出了基于卫星和惯性测量技术的铁路线位测量方法，快速获取既有铁路线位三维坐标点。铁路重构的方法是由采样坐标，通过最小二乘原理拟合铁路线位，使得测点距拟合线位的距离平方和最小。而铁路线形由线元组合而成，平面线元分为直线、缓和曲线和圆曲线三种类型，纵面线元分为直线和圆曲线两种类型。拟合不同类型线元的回归方程不同，因此进行拟合计算前需对不同线元类型的测点进行聚类。现有的测点聚类方法分为辅助聚类和自动聚类两种。辅助聚类方法效率低，不能满足高密度、大数据量的快速计算要求。基于曲率和方位角等几何特征的自动聚类是目前普遍采用的方法。该类方法在噪声较大的情况下常常无法准确识别测点类型，导致聚类错误。竖曲线相对平面曲线而言具有更小的转角及更大的半径，因此更易受到噪声的影响。现有的线形重构方法是将直线线元和曲线线元分别拟合，再将这些线元组合成整体线形。目前已有的既有铁路平面线位重构的专利技术专利是依据各测点切线方位角变化率(曲率)识别测点所属的线元类型，进行测点的聚类；并拟合局部线位；最后连接各局部线位形成初始整体拟合线位；再采用非线性网格自适应直接搜索算法(Nonlinearoptimizationwiththemeshadaptivedirectsearch,NOMAD)对拟合线位进行优化，得到最终的铁路平面线位。但是，基于曲率分段聚类易受噪声的影响，对于半径大的竖曲线而言，噪声的影响更大，造成无法准确识别测点类型。而现有的线形重构方法仅考虑局部线位的最优拟合，未从全局角度考虑整个线路的最优拟合。同时NOMAD方法类似枚举法，搜索效率低，难以搜索到最优方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够将测量点进行分段聚类并搜索出最优纵面线形，可靠性高、精度及效率高的铁路纵断面线形的识别重构方法。本专利技术提供的这种铁路纵断面线形的识别重构方法，包括如下步骤：S1.获取铁路的纵断面测量点数据；S2.根据步骤S1获取的数据，计算相邻测量点间连线的坡度数据；S3.根据步骤S2得到的坡度数据，对铁路进行测量点分段聚类；S4.构建满足约束条件的参数矩阵，根据步骤S3的分段结果计算各个参数的初始值；S5.根据步骤S4得到的各个参数的初始值，计算系数矩阵和抬落道量矩阵，从而构建整体线形误差方程；S6.确定导向搜索步；S7.更新系数并对导向搜索步进行取舍；S8.对铁路的纵断面线形整体参数进行优化，直至满足设定条件，从而得到最终的铁路纵断面线形整体参数矩阵，完成铁路纵断面线形的识别重构。步骤S2所述的根据步骤S1获取的数据，计算相邻测量点间连线的坡度数据，具体为采用如下步骤计算坡度数据：A.采用如下算式计算相邻测量点连线的坡度值gi：式中(xi,yi)为测量点i的数据，xi为铁路纵断面测量点i的里程，yi为铁路纵断面测量点i的高程；B.根据步骤A得到的坡度值，采用如下算式计算相邻的坡度值之间的差值，从而得到坡度差Δgi＝gi-gi-1,i＝1,2,...,n；C.采用如下原则计算累积坡度差θns：将累积坡度差Δgi为同一正负符号的测量点合并为一段线元，并将该段线元内所有的累积坡度差Δgi进行累加，从而得到该段线元的累积坡度差θns。步骤S3所述的根据步骤S2得到的坡度数据，对铁路进行测量点分段聚类，具体为采用如下步骤进行测量点分段聚类：a.根据步骤S2得到的累积坡度差θns，进行初步线元分段：若θns＞θmin，则判定第ns段线元为曲线线元；若θns≤θmin，则判定第ns段线元为直线线元；其中，θmin为设置的线元判定阈值；b.将相邻的若干段直线线元合并为一段直线线元，从而得到初始SA矩阵；初始SA矩阵中包括各个测量点的编号、分段线元编号、该点处的累积坡度差和分属性元直曲特性；c.根据铁路纵断面线性规范，对步骤b得到的合并后的各个线元，采用如下规则再次进行修正，从而得到修正后的修正SA矩阵：情形1：若存在两段相邻的反向曲线段，且其中一段或两段曲线长度小于设定的第一阈值Lc,min，则将长度小于设定的第一阈值Lc,min的反向曲线段与相邻的直线合并为一直线段；情形2：若存在两段同向曲线段被一段直线段分隔，且该直线段长度小于第二设定值Lt,min，则将该三段线元合并为一曲线段；情形3：若存在两段直线段被一段曲线段分隔，且该曲线段长度小于Lc,min，则将该三段线元合并为一直线段；情形4：若存在两段反向曲线段被一段直线段分隔，且该直线段长度小于Lt,min，则将该三段线元合并为一直线段。第二阈值Lt,min设置为铁路纵断面设计直坡线最小长度LT的60％；第一阈值Lc,min取值为铁路纵断面设计竖曲线最小长度LC的60％和测量点最小间距中的较小值。步骤S4所述的构建满足约束条件的参数矩阵，根据步骤S3的分段结果计算各个参数的初始值，具体为采用如下步骤构建参数矩阵并计算参数初始值：gi表示某直坡段线元的坡度；hi表示某直坡段线元的截距；Li表示某竖曲线段线元的长度；纵断面线形由直坡线段和竖曲线段组成，且满足竖曲线段起点和竖曲线段终点处连续且坡度相等；在一个单元线形内，满足内部约束条件的独立参数阵为：Θ＝(g1,h1,L1,g2,h2)T；在由ns个线元组成的整体纵断面线形内，存在个直坡段和个竖曲线；满足内部约束条件的独立参数阵为：Θ＝(g1,h1,L1,...,L(ns-1)/2,g(ns+1)/2,h(ns+1)/2)T；然后根据步骤S3的分段结果，采用最小二乘法计算参数初值。步骤S5所述的根据步骤S4得到的各个参数的初始值，计算系数矩阵和抬落道量矩阵，从而构建整体线形误差方程，具体为采用如下步骤构建整体线形误差方程：(1)采用如下算式作为目标函数：式中||||为欧几里得范本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁路纵断面线形的识别重构方法，包括如下步骤：/nS1.获取铁路的纵断面测量点数据；/nS2.根据步骤S1获取的数据，计算相邻测量点间连线的坡度数据；/nS3.根据步骤S2得到的坡度数据，对铁路进行测量点分段聚类；/nS4.构建满足约束条件的参数矩阵，根据步骤S3的分段结果计算各个参数的初始值；/nS5.根据步骤S4得到的各个参数的初始值，计算系数矩阵和抬落道量矩阵，从而构建整体线形误差方程；/nS6.确定导向搜索步；/nS7.更新系数并对导向搜索步进行取舍；/nS8.对铁路的纵断面线形整体参数进行优化，直至满足设定条件，从而得到最终的铁路纵断面线形整体参数矩阵，完成铁路纵断面线形的识别重构。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁路纵断面线形的识别重构方法，包括如下步骤：
S1.获取铁路的纵断面测量点数据；
S2.根据步骤S1获取的数据，计算相邻测量点间连线的坡度数据；
S3.根据步骤S2得到的坡度数据，对铁路进行测量点分段聚类；
S4.构建满足约束条件的参数矩阵，根据步骤S3的分段结果计算各个参数的初始值；
S5.根据步骤S4得到的各个参数的初始值，计算系数矩阵和抬落道量矩阵，从而构建整体线形误差方程；
S6.确定导向搜索步；
S7.更新系数并对导向搜索步进行取舍；
S8.对铁路的纵断面线形整体参数进行优化，直至满足设定条件，从而得到最终的铁路纵断面线形整体参数矩阵，完成铁路纵断面线形的识别重构。


2.根据权利要求1所述的一种铁路纵断面线形的识别重构方法，其特征在于步骤S2所述的根据步骤S1获取的数据，计算相邻测量点间连线的坡度数据，具体为采用如下步骤计算坡度数据：
A.采用如下算式计算相邻测量点连线的坡度值gi：



式中(xi,yi)为测量点i的数据，xi为铁路纵断面测量点i的里程，yi为铁路纵断面测量点i的高程；
B.根据步骤A得到的坡度值，采用如下算式计算相邻的坡度值之间的差值，从而得到坡度差Δgi＝gi-gi-1,i＝1,2,...,n；
C.采用如下原则计算累积坡度差θns：
将累积坡度差Δgi为同一正负符号的测量点合并为一段线元，并将该段线元内所有的累积坡度差Δgi进行累加，从而得到该段线元的累积坡度差θns。


3.根据权利要求2所述的一种铁路纵断面线形的识别重构方法，其特征在于步骤S3所述的根据步骤S2得到的坡度数据，对铁路进行测量点分段聚类，具体为采用如下步骤进行测量点分段聚类：
a.根据步骤S2得到的累积坡度差θns，进行初步线元分段：
若θns＞θmin，则判定第ns段线元为曲线线元；
若θns≤θmin，则判定第ns段线元为直线线元；
其中，θmin为设置的线元判定阈值；
b.将相邻的若干段直线线元合并为一段直线线元，从而得到初始SA矩阵；初始SA矩阵中包括各个测量点的编号、分段线元编号、该点处的累积坡度差和分属性元直曲特性；
c.根据铁路纵断面线性规范，对步骤b得到的合并后的各个线元，采用如下规则再次进行修正，从而得到修正后的修正SA矩阵：
情形1：若存在两段相邻的反向曲线段，且其中一段或两段曲线长度小于设定的第一阈值Lc,min，则将长度小于设定的第一阈值Lc,min的反向曲线段与相邻的直线合并为一直线段；
情形2：若存在两段同向曲线段被一段直线段分隔，且该直线段长度小于第二设定值Lt,min，则将该三段线元合并为一曲线段；
情形3：若存在两段直线段被一段曲线段分隔，且该曲线段长度小于Lc,min，则将该三段线元合并为一直线段；
情形4：若存在两段反向曲线段被一段直线段分隔，且该直线段长度小于Lt,min，则将该三段线元合并为一直线段。


4.根据权利要求3所述的一种铁路纵断面线形的识别重构方法，其特征在于第二阈值Lt,min设置为铁路纵断面设计直坡线最小长度LT的60％；第一阈值Lc,min取值为铁路纵断面设计竖曲线最小长度LC的60％和测量点最小间距中的较小值。


5.根据权利要求4所述的一种铁路纵断面线形的识别重构方法，其特征在于步骤S4所述的构建满足约束条件的参数矩阵，根据步骤S3的分段结果计算各个参数的初始值，具体为采用如下步骤构建参数矩阵并计算参数初始值：
gi表示某直坡段线元的坡度；hi表示某直坡段线元的截距；Li表示某竖曲线段线元的长度；纵断面线形由直坡线段和竖曲线段组成，且满足竖曲线段起点和竖曲线段终点处连续且坡度相等；
在一个单元线形内，满足内部约束条件的独立参数阵为：Θ＝(g1,h1,L1,g2,h2)T；
在由ns个线元组成的整体纵断面线形内，存在个直坡段和个竖曲线；满足内部约束条件的独立参数阵为：Θ＝(g1,h1,L1,...,L(ns-1)/2,g(ns+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋占峰，杨飞，刘辉春，李军，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43