本發(fā)明屬于高速鐵路無砟軌道施工，尤其涉及一種基于虛擬軌道仿真的高鐵扣件預配置方法。

背景技術：

1、為使高速鐵路軌道滿足高速列車平穩(wěn)安全運行的條件，需在建設期和運營期間測量高速鐵路軌道的平順性，并通過調整扣件和結構件的組合方式進行長鋼軌精調，實現(xiàn)長鋼軌橫豎向偏移量的調整進而保證軌道平順性合格。傳統(tǒng)的扣件配置方案是在鋼軌鋪設前全線逐軌枕安裝標準扣件，待長軌應力放散鎖定后進行軌道靜態(tài)檢測和扣件方案重新配置。其中，軌道首次測量過程不考慮承軌臺實際情況，統(tǒng)一采用標準規(guī)格的扣件系統(tǒng)進行安裝，待軌道鋪設后采用“固定工裝”來獲取軌道測量數(shù)據，隨即計算出調整件的規(guī)格，對扣件系統(tǒng)進行更新并重新測量軌道數(shù)據，不斷重復計算調整件規(guī)格，更新扣件系統(tǒng)，直到軌道平順性滿足要求。調整件是指需要調整的結構件，結構件分為不同的型號。

2、上述方案中存在以下問題：

3、(1)工作模式的時間效率低下，極大程度拖慢施工進度，同時長時間跨度下的環(huán)境條件(溫度、光照、外部力影響、偶然性干涉)改變亦會影響測量結果準確性和精度，進而影響精調方案的設計有效性，多次重復作業(yè)，造成精調效率低下。

4、(2)除因測量效率的提高可降低的人力物力成本外，現(xiàn)有工況中經濟成本占比較高的一項為長鋼軌精調過程中由標準扣件更換為精調扣件的費用。某項目中長鋼軌精調階段絕緣擋塊平均更換率95％，軌距擋塊平均更換率12％，軌下墊板平均更換率205％，更換成本約為9.3萬元/鋪軌公里。因此，在長鋼軌鋪設前開展鋪設環(huán)境測量，特別是對軌道板和承軌臺的精密測量，同時開展模擬精調和方案仿真工作尤為重要。

5、(3)目前在軌道板精調至軌道鋪設階段內仍采用“cpiii+全站儀+承軌臺標架”的測量模式。此工作方式下，一方面測量精度嚴重受限于cpiii點復核準確性、全站儀設站容差及多站間搭接精度、承軌臺支架放置偏差和人工測量誤差的多因素；另一方面，將大范圍的三維空間信息以局部稀疏點位信息代替，直接影響測量結果的覆蓋完整度、信息分布均勻性和特征描述能力。

6、(4)現(xiàn)階段的測量及精調視角仍較小，主要關注線路局部平順性和全線靜態(tài)平順性，無法提前介入動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試過程。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種施工效率高、扣件更換率低、鋪設成本較少的基于虛擬軌道的高鐵扣件預配置方法，該方法借助虛擬軌道仿真技術，在高速線路無砟軌道長鋼軌的鋪設階段，實現(xiàn)軌道場景重建和扣件的精準配置，極大程度降低施工成本。

2、一種基于虛擬軌道仿真的高鐵扣件預配置方法，包括：

3、s1，數(shù)據采集：采集并獲取待精調線路的軌道板上的全要素點云，包括軌道板點云、承軌臺點云和cpiii點云；

4、s2，噪聲濾波：使用濾波算法對所述全要素點云進行噪聲祛除和數(shù)據清洗；

5、s3，目標區(qū)域分割：將s2得到的點云初步分割為多個子點云,構成子點云集合，其中每個子點云中僅包含一個承軌臺；將所述子點云集合中所有子點云的各點坐標借助cpiii控制網轉換到虛擬軌道坐標系下；對每個子點云中的承軌臺進行編號并記錄；從每個子點云中提取承軌臺點云；依據所述虛擬軌道坐標系建立理想姿態(tài)下的一個標準承軌臺點云{pk}，其中，k表示標準承軌臺點云中點的編號；

6、s4，提取承軌臺點云的姿態(tài)和中心位置；

7、s5，虛擬軌道環(huán)境建立：對s3中其余所有子點云的承軌臺點云依次執(zhí)行步驟s4，獲取所有承軌臺點云的位姿表征信息，并結合待精調線路中長鋼軌的設計參數(shù)建立虛擬軌道；

8、s6，軌道模擬精調，具體包括以下步驟：

9、s61，計算目標單元區(qū)段的虛擬軌道的tqi值；

10、s62，模擬精調原則：對所述虛擬軌道進行模擬精調，輸出模擬精調方案，步驟如下：

11、s621，確定曲線段、緩和曲線段和直線段的基準軌；

12、s622：采用削峰填谷原則，對s5中的虛擬軌道進行模擬調整，以使虛擬軌道的平順性指標整體上合格；

13、s623，局部調整高程時，在s61確定的基準軌的高程偏差符合驗收要求的基礎上，再依次調整基準軌的30m中波高低不平順值和300m長波高低不平順值，當基準軌的中、長波高低不平順值均已滿足驗收要求后，利用水平和扭曲對非基準軌進行調整控制；

14、s644，局部調整平面時，在s61確定的基準軌的平面偏差符合驗收要求的基礎上，再依次調整基準軌的30m中波軌向不平順值和300m長波軌向不平順值，當基準軌的中、長波軌向不平順值均已滿足驗收要求后，利用軌距和軌距變化率對非基準軌進行調整控制；

15、s63，計算s62模擬精調后的虛擬軌道的目標單元區(qū)段的tqi值，并判斷該tqi值是否符合精調驗收指標：如果符合，則輸出模擬精調方案并執(zhí)行步驟s64；如果不符合，則重復執(zhí)行s62-s63；

16、s64，以扣件可調整量作為約束因素，將所述模擬精調方案中的總調整量的改變量z的極小化作為優(yōu)化目標，建立整數(shù)規(guī)劃模型ilp簡化后的lp模型：

17、

18、其中，σ為待優(yōu)化的各承軌臺編號對應的精調量；α為全局非線性優(yōu)化因子常數(shù)；β為局部約束下的非線性優(yōu)化因子常數(shù)；b為優(yōu)化截止設定閾值；其中，m和n的取值取決于可接受的優(yōu)化程度；

19、s65，基于s64建立的lp模型和分支定界法對模擬精調方案內總調整量的改變量z進行非線性優(yōu)化，生成新的模擬精調方案；

20、s7，扣件配置：依據s65所生成的新的模擬精調方案進行扣配件配置。

21、步驟s3中，所述虛擬軌道坐標系的原點設于首次測量時采集設備的幾何中心處；y軸方向為原點處的小里程向大里程的延展方向且平行于軌道板；x軸方向為原點處的基準軌指向非基準軌的方向且平行于軌道板；z軸方向為x軸與y軸建立的右手坐標系方向。

22、步驟s3中，從每個子點云中提取承軌臺點云的方法為：使用隨機采樣一致性算法對每個子點云進行軌道板板面的剔除，再對剔除軌道板板面后的每個子點云使用最小包圍盒算法，精確提取每個子點云中的承軌臺點云。

23、步驟s4包括以下分步驟：

24、s41，承軌臺點云結構細分：基于點線特征提取一個s3所述承軌臺點云的表面點云數(shù)據，所述表面點云數(shù)據包括承軌面點云數(shù)據、內外鉗口面點云數(shù)據和預埋套管中心點云數(shù)據；

25、s42，承軌臺點云姿態(tài)提取，包括以下步驟：

26、s421，計算承軌臺點云的姿態(tài)向量：對s41中獲取的承軌面點云數(shù)據進行隱式曲面參數(shù)化，得到隱式曲面；求解所述隱式曲面的各點法向量；基于誤差平均理念和阿貝原則將所述各點法向量歸一，擬合得到三軸姿態(tài)向量

27、s422，承軌臺點云姿態(tài)配準向量計算：利用icp算法對s41中獲取的承軌面點云數(shù)據和s3中建立的標準承軌臺點云{pk}進行最鄰近點迭代配準，輸出姿態(tài)轉換向量

28、s423，承軌臺點云姿態(tài)矯正：若所述三軸姿態(tài)向量與姿態(tài)轉換向量滿足以下條件：

29、

30、則當前承軌臺點云的姿態(tài)表征為三軸姿態(tài)向量若不滿足上述條件，則重復執(zhí)行步驟s421至步驟s423；

31、s43，承軌臺點云中心位置提取，包括以下步驟：

32、s431，對s41中獲取的內外鉗口面點云數(shù)據進行數(shù)據清洗，剔除內外鉗口面點云數(shù)據中的離群值和異常值，得到內外鉗口面點云數(shù)據的點集{pl}，其中，l表示內外鉗口面點云數(shù)據中點的編號；

33、s432，擬合內外鉗口面點云數(shù)據的點集{pl}的質心：點集{pl}中的總點數(shù)為s，點集{pl}中第t個點在所述虛擬軌道坐標系下的坐標為其中，t＝1,2,3,…,s，則點集{pl}在s32中所述的虛擬軌道坐標系下的質心點pl(xl,yl,zl)擬合為：

34、

35、s433，承軌臺點云中心位置矯正：將質心點pl(xl,yl,zl)沿滿足s423中式(1)時的三軸姿態(tài)向量中的向量投射至滿足s423中式(1)時對應的隱式曲面，獲得投影交點pr(xr,yr,zr)；

36、s434，判斷所述投影交點pr(xr,yr,zr)與質心點pl(xl,yl,zl)之間的歐式距離是否小于閾值：如果是，則承軌臺點云的中心位置為(xr,yr,zr)；如果不是，則重復執(zhí)行步驟s431～s434。

37、所述s421的三軸姿態(tài)向量中，為沿承軌面長邊方向的點云內綜合平均向量；為沿承軌面短邊方向的點云內綜合平均向量；為得到的隱式曲面上的綜合平均向量，且與和形成右手坐標系。

38、優(yōu)選的是，s434中所述的閾值為0.25mm。

39、優(yōu)選的是，s1中的點云采集設備為自移動式rc-slam高精度三維掃描系統(tǒng)。

40、優(yōu)選的是，s2所述濾波算法使用多尺寸分區(qū)域統(tǒng)計濾波算法。

41、優(yōu)選的是，s3中，按照“小里程在先，大里程在后；軌向左側在先，軌向右側在后”的原則，對每個子點云中的承軌臺進行編號并記錄。

42、優(yōu)選的是，s64中，m＝5、n＝8。

43、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

44、1.本發(fā)明在施工前能夠依靠虛擬軌道開展模擬精調，減少實際精調工作的耗時，避免低效精調和重復作業(yè)流程，進一步加快了施工進度、提高了工作效率；

45、2.本發(fā)明基于虛擬軌道仿真技術，在長鋼軌鋪設前實現(xiàn)高鐵扣件預配置，極大地降低了原精調工作中由標準扣件更換為精調扣件的更換率和成本費用；

46、3.本發(fā)明以虛擬軌道的全場景重建數(shù)據替代傳統(tǒng)工作模式的稀疏采樣點數(shù)據，進一步提高了精調所需數(shù)據的覆蓋完整度、信息分布均勻性和特征描述能力，進而減少了施工安全質量問題；

47、4.在長鋼軌鋪設階段開展全線路仿真工作，通過本發(fā)明的方法能夠提前介入動態(tài)聯(lián)調聯(lián)試階段和動態(tài)不平順驗收階段，為施工質量和成本控制提供依據。