(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111441715.7 (22)申请日 2021.11.30 (71)申请人 石家庄铁道大 学 地址 050000 河北省石家庄市北二环东路 17号 (72)发明人 谢铠泽　赵佳　赵维刚　杨勇　 田秀淑　王佳　 (74)专利代理 机构 青岛鼎丞智佳知识产权代理 事务所(普通 合伙) 3727 7 代理人 吴春艳 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 高速铁路无砟轨道结构性能预测方法与控 制系统 (57)摘要 本发明涉及高速铁路无砟轨道结构性能预 测方法与控制系统， 其包括数据采集模块， 用于 获取监测对象的病害几何尺寸信息、 分布信息， 病害类型的数据； 病害扩展演化模型， 用于预测 检出病害随外部环境因素及列车荷载作用下病 害在时间维度上的演化信息； 无砟轨道结构性能 预测模型， 通过病害演化模型的输入信息， 完成 轨道结构各性能指标的变化情况， 并获得无砟轨 道结构综合性能指标的演化规律； 决策维修模 型， 由建立的优化目标函数， 通过优化算法， 获得 无砟轨道结构维修时机和病害维修组合的范围 分布， 由决策者选择目标解开展相应的维修作 业， 并向信息模块反馈， 形成病害和结构性能预 测、 控制闭环运行。 权利要求书6页 说明书8页 附图9页 CN 114139452 A 2022.03.04 CN 114139452 A 1.一种高速 铁路无砟轨道结构性能预测方法， 其特 征在于： 包括以下内容； S1， 采集一设定单元长度 范围内无砟 轨道结构层间病害信息， 利用分形理论、 几何拓扑 理论对病害特征分类标记， 记为 其中， 表示第i轨道单元的病害状 态信息， i∈n,n表示监测路段划分为n份轨道单元， 一轨道单元包含一块或若干块轨道板单 元长度； dk表示第k个病害的状态信息， k表示一轨道单元 内含有的病害数量， 病害特征包括 病害的几何数据、 分形维数； S2， 首先， 假设已检出的病害之间发展变化规律是相互独立的， 选择其中一病害dk作为 研究对象， 开展类疲劳试验获取结构材料的动态本构关系； 然后， 假设通过相应的本构试验 获得轨道结构病 害层材料应力初始应变本构关系为σ1‑ε1， 经过大小为F1的荷载作用N1次， 测定此时的结构材料应力 ‑应变本构关系为σ2‑ε2， 通过有限元分析软件， 建立针对单一病害 dk的精细化分析模型， 模型 中设置该状态下的材料本构关系， 施加F1荷载,基于裂缝扩展的 判断准则， 获取该荷载作用下病害dk边界的扩展变化； 其次， 按上述方法开展不同荷载大小 和作用次数 的类疲劳试验， 将动态本构参数输入建立的单一病害精细化分析模型， 最终获 得病害的特征参数演化规律； 再次， 基于此可拟合荷载作用大小、 循环次数与病害 特征参数 演化的映射关系， 即 F是作用荷载， d是病害状态函数； S3， 根据S1， S2， 建立 一轨道单 元内所有已检出病害的演化 规律 S4， 首先， 对于S1至S3中建立的已检出的病害的发展规律， 假设由轨道单元病害状态 开始， 时间记为ti， 至维修时刻的时间间隔是t， 期间可预测 无砟轨道结构 所受荷载时程， 记为 Fi， 按应力等效原则换算为精细化分析模型中施加的等效荷载Fe； 然后， 根据病害的几何分布， 取病害所在结构层包含病害在内的局部区域的几何规则结构， 设为 模型结构， 尺寸根据病害几何尺寸取其2倍； 其次， Fi荷载作用通过轨道结构时， 按最不利情 况取模型结构 范围内的多个节点的应力水平， 计算均值σa,按式(1)计算精细 化模型中施加 的等效荷载 Fe； Fe＝σa×A  式(1)； σa： 模型结构表面平均应力； A： 模型 结构受荷表面 面积； S5， 首先， 将初始状态 中各病害通过各自精细化分析模型， 在相应的等 效荷载Fe的作用下， 各病害沿自身演化规律扩展； 然后， 当在扩展过程中， 病害之间发生空 间形状范围重合时， 将发生重合的病害进行叠加融合处理， 形成新的病害； 其次， 在t时间 内， 根据S2中病害的演化规律， 通过判断相 邻病害扩展的尺寸范围， 对相 邻病害发生融合的 临界时间点进 行判断， 即当病害尺寸的交集达到一定阈值r后即为融合临界点， 此时时刻点 记为tl， 并对此时病害状态进行修正， 代入相应的精细 化分析模型， 修正新病害的演化规律 发展， 通过病害扩展—融合过程， 形成融合示意图， 完成t时间段内病害的扩展， 其中， 此 阶 段内病害的演化是分阶段演化， 即包 含若干次融合过程； S6， 按t时间段内， 病害扩展过程中， 融合时刻点的顺序将不同状态的病害信息嵌入列 车‑无砟轨道耦合模型， 施加相应 的性能测试荷载F， 得到由病害状态Di开始扩展的结构各 类性能指标的过程变化规律， 并将其形成的性能演化规律集合记为Ei， 完成一单元无砟轨 道结构在t时间内无砟轨道结构性能随病害扩展过程的变化 规律。权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 114139452 A 22.根据权利要求1所述的高速铁路无砟轨道结构性能预测方法， 其特征在于： S7， 首先， 若在t时刻进行维修Vi后， 该单元内病害状态发生变化超过设定阈值， 则经过重新检测， 确 定新病害状态 然后， 将新病害状态 代入列车 ‑无砟轨道耦合模型中， 施加荷载， 此时无砟轨道结构的性能发生跳跃提升； 其次， 进入下一 维修周期， 此时维修后的无砟轨道 结构性能值为该周期的起始值； 重复S2 ‑S6步骤， 完成下一周期无砟轨道结构性能变化规 律。 3.一种高速 铁路无砟轨道结构性能预测方法， 其特 征在于： 其内容包括： SA， 首先建立决策目标， 对于无砟轨道结构而言， 以监测路段无砟轨道结构在计算周期 内以最少次数维修和 最佳维修病害组合的维修作用下使综合性能指标Q保持最优为 目标， 亦即： 使综合性能函数乘积y＝ Q(E， V)·T取最大值时， n 最小； 其中， v(tn； GK)是tn维修时刻， n是计算时间T内的维修次数； GI、 GJ、 GK是需要维修的轨道 单元集合； Q()是轨道结构综合性能函数； E是综合性能指标； V是维修作用， 即维修对轨道 结构综合 性能的提高； SB， 由于无砟轨道结构性能指标种类较多， 对病 害扩展具有不同的敏感性， 因此开展敏 感性分析， 根据决策者的对无砟轨道结构的行能需求， 筛选出对病害敏感但相关程度低于 设定阈值的性能指标El， 对其配置 权重Wl， 形成无砟轨道结构综合评价指标Q； SC,建立决策模型， 步骤 包括： SC1， 取监测无砟轨道线路长度L， 划分为m段， 编号： G1、 G2、…、 Gm； SC2， 设计算周期T， 期间维修n ‑1次， 则维修时刻记为： T1、 T2、…、 Tn‑1； 因此,两次维修之 间时间间隔ti＝Ti‑Ti‑1， i∈[1， n ‑1],而最后维修至计算周期结束， tn＝T‑Tn‑1， 因此共有 n个 时间段； SC3， 病害状态 其中， d()是关于时间的递增的正函数， 表示病害发展 的变化量； 表示Gj单元第 i‑1次维修后获取的病害状态； Fi表示第i‑1次维修后至第i次维修前 结构所经历的荷载； SC4， 首先， Gj轨道单元在第i次维修后的下一周期内的性能指标函数表示为： 其中， e()是随病害的扩展而递减的函数， 表示性能的逐渐劣化； F ′表示轨道结构性能 测试荷载； 然后， 关于维修作业Vi， 因为维修后无砟轨道结构的性能是随维修后的病害状态 而确定的， 在Ti维修时刻前后的病害状态存在跳跃变化， 相应的结构性能也随之相应跳跃， 令： 表示维修作业Vi后轨道单 元结构性能； 其次， 则第i次维修后轨道单 元性能指标 即第i+1维修周期开始的轨道单 元性能指标； SC5， 首先， 由SC4步进行不同结构性能指标随病害扩展的变化规律； 随之， 分析不同结权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 114139452 A 3