基于混沌分形的高速铁路轨道几何形位评价方法及其对服役可靠性影响研究

The track geometry of high speed railway is one of the main factors influencing the stability and safety of high speed train. Accurate and effective method to evaluate the track geometry is the important scientific issues in the infrastructure maintenance of high speed railway. This project proposes a novel approach to assess the track geometry based on the fractal and chaos theory. Through analysis of the structure parameters and characteristics of the fractal surfaces for track geometry parameters, the fractal characteristic parameters of track geometry are identified, and the fractal dimension evaluation of track geometry are modeled and designed. The quantitative evaluation of track irregularity wavelength is the core point of this research. The probability measure distribution of track irregularity wavelength is studied, and the fractal features matrix of track quality assessment is molded. The generalized fractal.dimension index of track quality evaluation is established by using correlation analysis method. An approach combining the wheel rail dynamic simulation and dynamic test is adopted to develop the management limit of the new index. Thus, this project is presented a novel track quality evaluation theory based on the inherent characteristics of the deep track geometry, which has important significance.

高速铁路轨道几何状态是影响高速列车平稳性和安全性的主要因素，轨道几何形位准确而有效地评价是高速铁路基础设施养护维修的重要科学问题。本项目提出一种基于混沌分形的轨道几何形位评价的新方法并确定其对服役可靠性的影响。通过确定轨道几何形位参数的分形表面特性，揭示轨道几何形位分形参数特征，建立表征轨道几何形位的分形维数评价模型；以轨道不平顺波长定量化评价为核心，分析轨道不平顺波长的概率测度分布规律，构建轨道不平顺评价的分形特征矩阵模型，采用相关分析方法，建立轨道几何形位广义分形维数特征评价指标；采用响应面方法，确定轨道几何分形指标对列车运行安全的可靠性影响，并利用轮轨动力仿真和动力学试验相结合的方法，通过大数据分析，形成蕴含轨道服役状态本质特征的轨道几何形位评价方法及管理限值。本项目基于轨道几何形位的深层固有特征来构建相应评价理论，具有重要的科学和工程意义。

轨道结构作为高速铁路的重要组成部分，是高速列车行车基础，其服役状态直接影响高速列车运行的平稳性和安全性。因此，如何准确有效地评价轨道几何形位并确定其对结构服役可靠性的影响是高速铁路基础设施养护维修的核心问题之一。本项目从轨道几何形位的动态检测数据着手，以混沌分形理论为基础，采用可靠性与轮轨动力学理论相结合的方法，从结构可靠性的角度对轨道几何形位服役状态进行分析，主要研究内容和结论如下：.（1）轨道几何形位分形行为研究. 从分形几何的基础物理含义出发，确定轨道不平顺的分形特征，比选轨道不平顺的分形维数的计算方法，研究了分形维数进行轨道区段质量管理的可行性与合理性，探明了不同波长和列车运行速度条件下轨道几何分形维数的变化规律，给出了轨道不平顺具有典型自相似和标度不变性的分形特征、变差法适合进行轨道不平顺分形维数计算的结论。.（2）轨道几何形位对列车运行状态影响研究. 结合轮轨时频振动响应的特征，基于Hurst指数基本理论，对轨道不平顺及车辆振动加速度实测数据的自相似性和标度不变形进行研究，采用小波分析和经验模态分解等时频分析方法，研究了各个波长段下轨道不平顺与车辆振动加速度的分形维数关系，结果表明：车辆振动加速度具有典型分形特性，在长波区段两者间有较好地对应关系，达到强相关。.（3）轨道平顺性对轨道结构服役可靠性影响规律研究. 建立了无砟轨道服役状态监测系统，从轮轨动力学角度建立行车安全性的极限状态方程，将轨道不平顺作为系统输入量、轮轨力作为输出量，采用响应面与轮轨动力学相结合的方法进行极限状态方程显示化求解，采用人工智能算法进行相关的优化计算，研究了轨道不平顺波长及轨道刚度阻尼对轨道服役安全性的影响。结果表明所提方法可以有效地实现轨道服役状态的有效监测，可以实现行车安全性状态的可靠性评估，建议将概率分析因素纳入结构设计及日常线路维修中。