一种基于铁路轨道检测数据进行里程校准的方法与流程

本发明属于轨道几何参数检测技术领域，具体涉及一种基于铁路轨道检测数据进行里程校准的方法。

背景技术：

轨道是铁路的主要技术装备之一，是行车的基础。轨道的作用之一是确保车轮运行在固定的线形上，实现光滑的车轮走形路线，轨道不平顺将破坏这种机能的发挥，使车轮走形路线不再光滑。不光滑的车轮走形路线将引起车辆振动和轮轨作用力变化。车辆振动和轮轨作用力的变化不仅影响列车行驶舒适性和安全性，还会縮短轨道设备的寿命，同时将使轨道不平顺进一步劣化。故而，为了保证轨道为列车运行提供可靠的运行基础，铁路公务部分针对轨道经常组织实施修理作业，而轨检车检测数据(trackgeometrymeasurements，tgm)是铁路公务部门把握轨道不平顺状态最重要的状态数据之一。

轨检车检测数据的里程偏差指中记录的采样点的里程与线路上真实里程之间的偏差。里程偏差的存在不仅降低天窗的利用率、增加现场作业人员的劳动强度，更为重要的是由于里程偏差的存在，不能从轨检车检测数据中准确地获取单个设备上的数据，进而不能利用轨检车检测数据评价单个设备的状态，导致无法实现针对单个设备(例如，曲线、各种过渡段等)的管理；另外，如果直接以存在里程偏差的数据计算轨道几何状态，计算结果会影响实施修理作业方案的准确性，也就无法确保现场养护维修的效果，进而会造成行车的安全隐患，故使得轨道不平顺状态变化规律的研宄失去可靠的状态数据基础。现有技术中中里程校准主要可分为两种，第一种为台账信息的里程校准，第二种为多批次平移的里程校准。这两种里程校准方法存在的不足主要表现在两个方面，其一为台账信息的里程校准局限性大，不能充分利用波形数据，其二为多批次里程校准没有应用台账信息进行更加精确的匹配。因而，除了可以通过进一步提高检轨车里程定位的技术外，同样亟需一种能够尽可能地减小里程偏差，进而实现修正里程偏差的方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于铁路轨道检测数据进行里程校准的方法，运用该方法能够实现轨道几何状态数据的里程校正，进而提高轨道检测数据处理效率，可应用于大量轨检车检测数据的分析与处理。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于铁路轨道检测数据进行里程校准的方法，包括以下步骤：

一种基于铁路轨道检测数据进行里程校准的方法，包括以下步骤：

步骤a：根据所设定进行区段划分的搜索域范围，通过顺序遍历各记录点获取各记录点的曲率，然后按照曲率是否为零分别对待校准波形和基准波形进行区段划分，并且分别按序储存待校准波形各区段信息和基准波形各区段信息，所述区段信息包括区段编号s、起始里程b，起始里程下标bi，终止里程e，终止下标bi，里程偏移量o及各区段内所有记录点的最大曲率值z；

步骤b：顺序计算待校准波形各区段的里程偏移量；

b1：在完成步骤a后，从待校准波形的第一个区段开始向后逐一与基准波形的第一区段进行匹配，匹配标准为区段方向，再判断区段方向一致后再计算待校准波形区段和相应基准波形区段中记录点的失配度值a，根据设定的匹配步数阈值，若在规定步数则按序获取待校准波形下一区段，若超出规定匹配步数内则保存相应区段编号及amin，至此将上述得到待校准波形区段中amin所在区段的区段编号作为基本匹配点p；

b2：以基准波形的区段作为基准，从待校准波形中基本匹配点p所在区段开始，顺序遍历待校准波形各区段，逐一与基准波形各区段进行匹配；匹配过程综合正向匹配模式、反向匹配模式以及计算里程累计值和误差累计值匹配模式这三种模式：

首先判断区段类型是否为直线区段，若是则直接将待校准波形区段记录点个数与相应基准波形区段记录点个数的差值作为里程偏移量并保存数据，然后顺序匹配基准波形的下一区段；若否则判断失配度值a是否小于阈值，若是则直接将待校准波形区段记录点个数与基准波形区段记录点个数的差值作为里程偏移量并保存数据，然后顺序匹配基准波形的下一区段；若否根据设定的匹配步数阈值进行判断，若在规定步数内匹配成功，则按序将失配区段到匹配点之间的区段合并为一个区段，然后与基准波形的区段计算其记录点个数的差值作为里程偏移量并保存数据，若超出规定步数内则按序获取下一基准波形区段与待校准波形的失配区段进行反向匹配，继续判断反向匹配是否成功，若是则将待校准波形区段记录点个数与基准波形区段记录点个数的差值作为里程偏移量并保存数据，然后顺序获取基准波形的下一区段与待校准波形区段进行匹配；若否则计算区段编号为l的失配区段之前所有区段的里程累计值及里程偏移量累计值，进而获得匹配区段，将基准波形区段和该匹配区段的记录点个数的差值作为里程偏移量并保存数据；至此获取待校准波形各区段的里程偏移量；

步骤c：采用待校准波形各区段里程偏移量对各区段数据进行校准。

本发明步骤c中采用待校准波形各区段里程偏移量对各区段数据进行校准的具体操作如下；

根据步骤b所获取的待校准波形中各区段里程偏移量的正负及其绝对值大小，在各区段内均匀删除或者均匀增加记录点，从而完成对铁路轨道检测数据的里程校准。

本发明中基准波形可以为存储在系统数据库中的台账数据，也可以为经过人工处理形成的标准波形。

根据本领域人员公知常识可知：由于轨道数据存在很多小的毛刺数据，因此，在划分完曲率区段后会有很多的多余小区段出现，为了解决上述毛刺数据对本发明里程校准的影响，本发明步骤a在完成区段划分后还包括间断性误差修正及滤除掉多余的毛刺区段，然后删除待校准波形中曲率值小于基准波形所有记录点的曲率值中最小值的区段，并且将删除部分前后区段进行合并。

本发明中在存在标注曲线的情况在进行步骤b操作之前还包括步骤b0：

步骤b0：根据台账数据校准标准波形；具体为：通过比对标准波形每一曲线区段所对应台账曲线区段附近的里程信息，左右平移标准波形得到与台账曲线区段的理想匹配。

本发明步骤b2中寻找匹配点进而计算得到各区段的里程偏移量，采用如下三种技术手段：

一、正向匹配，即以基准波形的区段作为基准，从待校准波形中基本匹配点所在区段开始向后依次与基准波形各区段匹配；

二、反向匹配，即以待校准波形的失配区段作为基准，从基准波形的相应区段开始向后依次与上述失配区段匹配；

三、通过计算里程累计值及误差累计值的方法获取匹配区段。

本发明在匹配过程中综合运用了上述三种技术手段，匹配过程主要是以基准波形中各区段作为校正标准，从待校准波形中基本匹配点p所在区段开始，顺序遍历待校准波形各区段，逐一与基准波形各区段进行匹配，在匹配过程中如果未在规定步数内实现正向匹配，则对失配区段进行反向匹配，失配区段反向匹配成功则继续获取下一基准波形区段进行正向匹配，失配区段反向匹配失败则采用计算里程累计值及误差累计值的方法获取与基准波形区段相匹配的待校准波形的区段。

进一步地，本发明进行匹配时规定步数具体为16～36个区段。

在匹配算法中因为基准波形所采用的数据来源不同，因此，造成两种情况下失配度值a的计算不同，具体来说：

本发明步骤b1中，以台账数据作为基准波形，计算失配度值a的公式为：

a＝(mi-ni)

其中，mi为基准波形区段第i个记录点的曲率值，ni为待校准波形第i个记录点的曲率值；

本发明步骤b1中，以标准波形作为基准波形，计算失配度值a的公式为：

其中，mi为基准波形区段第i个记录点的曲率值，ni为待校准波形第i个记录点的曲率值。

进一步地，本发明步骤b2中计算里程累计值和误差累计值匹配模式具体如下：

将基本匹配点p所在区段的起始里程作为基准里程b，然后向后逐一累加各区段的长度和里程偏差值直至区段编号为l的失配区段处结束，具体计算公式为：

b+(t1-t2)×sl

式中：b为基本匹配点p所在区段的起始里程值，t1为从基本匹配点p所在区段至失配区段的各区段原始长度累计值，t2为从基本匹配点p所在区段到失配区段的各区段偏移量的累计值，sl为步长，具体为表示待校准波形数据中任意两个相邻记录点里程差值的绝对值；

其中：t1和t2的计算公式具体分别如下：

式中：bm为区段的起始里程，em为区段的结束里程，l为失配区段的区段编号，b为基本匹配点p所在区段的起始里程值，s[i]表示任意一区段，o为区段的里程偏移量。

本发明步骤c主要是根据各区段的里程偏移量对待校准波形数据进行逐段里程校准，校准的方式是根据里程偏移量的正负及其绝对值大小在各区段内均匀插入记录点或者均匀删除记录点，所谓“均匀”即为每隔sc个点进行一个记录点的操作，上述sc称为步数，具体计算公式如下：

sc＝[n÷o]

式中：sc为步数，o为区段的里程偏移量，n为区段的长度；

其中，n的计算公式如下：

n＝s[i]->ei-s[i]->bi

s[i]表示任意一区段，bi为区段的起始下标，ei为区段的终止下标。

进一步地，步骤c中各区段里程校准的具体计算公式如下：

式中：n为区段数，s[i]表示任意一区段，bm为区段的起始里程，em为区段的结束里程，o为区段的里程偏移量。

相比现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种消除轨道检测数据中里程漂移误差的数据预处理方法，通过寻找匹配点，并从匹配点开始采用多种匹配模式将待校准波形区段与基准波形区段进行匹配，计算获取里程偏移量；本发明可以利用台账信息进行里程校准，或者进一步通过将标准波形数据与台账信息相结合实现更加精准的匹配。本发明适用于不同区域及不同级别轨道的检测数据的里程校准，很大程度上满足了轨道检测数据里程校准算法设计与展示的需求；本发明能够采用轨道检测数据进行质量评估和预测，进而为指导轨道维护提供了更加精确地理论基础。

附图说明

图1是本发明里程校准的算法流程示意图；

图2是里程校准中区段划分的算法流程示意图；

图3是本发明里程校准中区段划分及剔除毛刺区段的总流程示意图；

图4是里程校准中获取基本匹配点的算法流程示意图；

图5是里程校准中寻找匹配点进而计算得到各区段的里程偏移量的算法流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明进行详细阐述：

如图1所示为本发明基于铁路轨道检测数据进行里程校准的总算法流程图，具体包括以下步骤：

步骤a：将待校准波形和基准波形分别进行区段划分；

步骤b：采用区段匹配算法计算待校准波形各区段的里程偏移量o，其中步骤b包括以下两点：

b1：搜寻与基准波形第一区段匹配的待校准波形的区段编号作为基本匹配点p；

b2：以基本匹配点p为始点遍历待校准波形各区段并且计算及记录各区段的里程偏移量；

步骤c：采用待校准波形各区段里程偏移量对各区段数据进行校准；

然后下文根据算法流程示意图依次对各个步骤进一步说明：

步骤a的主要目的是将待校准波形和基准波形分别进行区段划分，而波形数据基于曲率进行区段划分的步骤如图2所示，具体如下：

(1)令指针指向待校准波形或者基准波形的起点，并获取该点的曲率数据；

(2)新建一个区段s，令区段的起始点，起始点方向以及起始里程同指针指向点，并且令s的长度为1；

(3)获取指针当前点的曲率数据及区段方向；

(4)判断此点是否为结束点，若是则结束算法，若否则执行步骤(5)；

(5)此点方向是否与上一点的方向相同，若否则实行步骤(7)，若是执行步骤(6)；

(6)令区段s的长度加1，使得波形数据的指针向后移动，设定区段s曲率数据中最大值作为区段s的曲率值，执行步骤(3)；

(7)区段令s的坐标与结果里程设定为指针指向的坐标与里程，并将区段s保存到区段列表中，执行步骤(2)；

其中，关键数据结构区段s的属性包含以下内容：区段编号s、起始里程b，起始里程下标bi，终止里程e，终止下标bi，偏移量o及区段所有记录点的最大曲率值z。

本实施例中区段划分是按照曲率是否为0进行划分，即通过判断指针在待校准波形的方向与上一点方向是否相同进行判断。

根据本领域常识可知：在划分完曲率区段后会有很多的多余小区段出现，这是因为轨道数据存在很多小的毛刺数据。如图3所示，解决方法是在区段划分后进行间断性误差修正，过滤掉这些多余的小数据，然后删除待校准波形中曲率值小于基准波形所有记录点的曲率值中最小值的区段，并且将删除部分前后区段进行合并。

在存在标注曲线的情况下，在进行步骤b操作之前还包括通过台账数据进行初步校正的步骤b0，具体操作如下：

步骤b0：通过比对基准波形每一曲线区段所对应台账曲线区段附近的里程信息，左右平移基准波形得到与台账曲线区段的理想匹配。

步骤b的主要目的是采用区段匹配算法计算待校准波形各区段的里程偏移量o，本发明首选基于最小二乘法搜寻最佳匹配区段，流程示意图如图4所示，然后综合不同技术手段来获取里程偏移量，具体分为以下两个步骤：

b1：采用最小二乘法在待校准波形中按照顺序搜寻与基准波形的第一区段相匹配的区段，并将其区段编号作为基本匹配点p，具体操作如下：

(1)从待校准波形数据起点开始获取第一个区段数据；

(2)将步数记录值c置为0；

(3)判断标准波形的区段方向与待校准波形的区段方向是否一致，若一致则执行步骤(4)，若不一致则执行步骤(7)；

(4)分别计算并保存待校准波形区段和标准波形之间相应记录点之差的平方和值a；

(5)判断步数记录值c是否大于目标步数s，若一致则执行步骤(6)，若不是则执行步骤(7)；

(6)保存所有a值中的最小值所在区段的区段编号，执行步骤b2；

(7)获取待校准波形的下一个区段；

(8)步数记录值c自动增加1，然后执行步骤(3)；

根据本领域常识可知：当基于台账数据进行里程校准时，附图4中判断匹配程度的标准(均采用a值来表述)应由“分别计算并保存待校准波形区段和标准波形或者台账数据之间相应点之差的平方和值a”改为“判断待校准波形区段的曲率值与相应台账第一区段的曲率值的差值a是否小于阈值”，所述阈值具体根据实际操作设定。

b2：以基本匹配点p为始点遍历待校准波形各区段并且计算及记录各区段的里程偏移量，如图5所示，具体操作如下：

(1)获取标准波形第一个区段；

(2)判断标准波形区段是否结束，若是，则执行步骤(14)，若否则执行步骤(3)；

(3)判断该标准区段是否为直线区段，若是，则认为匹配成功，执行步骤(12)，若否则执行步骤(4)；

(4)将初参步数值c置零；

(5)用该标准区段匹配待校准波形下一区段；

(6)判断是否成功匹配，若是则执行波形步骤(12)，若否则执行步骤(7)；

(7)判断步数值c是否小于阈值s，若是，则执行步骤(8)，若否则执行步骤(9)；

(8)步数值c自增1，执行步骤(5)；

(9)进行反向匹配；

(10)判断反向匹配是否成功，若是，则执行步骤(12)，若否则执行步骤(11)；

(11)计算里程累计值及误差累计值的获得匹配区段；

(12)计算偏移量；

(13)获取下一个标准波形区段，执行步骤(2)；

(14)结束算法。

根据本领域常识可知：当基于台账数据进行里程校准时，附图4中判断是否成功匹配应判断待校准波形区段的曲率值与相应台账第一区段的曲率值的差值a是否小于阈值；当基于标准波形进行里程校准时，附图4中判断是否成功匹配应判断待校准波形区段与台账第一区段相应记录点之差的平方和a是否小于阈值。

通过上述算法流程可以看出：在匹配成功后需要计算并校正偏移量，本发明设计的算法思想具体如下：若与标准波形区段匹配的待校准波形区段为直线区段，则直接取待校准波形区段里程值与基准波形区段里程值的差值作为里程偏移量；若与标准波形区段匹配的待校准波形区段为曲线区段，分为两种情况：

其一：一次就匹配成功，则直接取待校准波形区段里程值与基准波形区段里程值的差值作为里程偏移量；

其二：一次未匹配成功，则将失配区段合并到待匹配标准波形区段或者待匹配台账数据形成一个新区段，然后再进行匹配，直至匹配成功获取里程偏移量。

进一步地，与标准波形区段进行匹配的待校准波形区段是曲线区段时，第二种情况下无法在规定步数内成功匹配，则采用反向匹配来获取里程偏移量，具体是以失配区段作为基准，从基准波形未匹配区段开始依次向后进行匹配，无法在规定步数内成功匹配，则采用计算所有区段的里程累计值及里程偏移量累计值的方法获取匹配区段。。这种计算方式是基于确定基本匹配点的方式进行匹配，并且将理论里程与之结合作为判定依据。这里的理论里程是指将基本匹配点p所在区段的起始里程作为基准里程b，然后逐一向后累加每一个区段的长度以及偏差值，直至区段编号为l的失配区段处结束。理论上，上述计算方式很接近标准波形的里程，故可保证匹配准确。

本实施例给出上述所提到计算所有区段的里程累计值及里程偏移量累计值的方法，具体如下所示：

将基本匹配点p所在区段的起始里程作为基准里程b，然后向后逐一累加各区段的长度和里程偏差值直至区段编号为l的失配区段处结束，具体计算公式为：

b+(t1-t2)×sl

式中：b为基本匹配点p所在区段的起始里程值，t1为从基本匹配点p所在区段至失配区段的各区段原始长度累计值，t2为从基本匹配点p所在区段到失配区段的各区段偏移量的累计值，sl为步长，具体为表示待校准波形数据中任意两个相邻记录点里程差值的绝对值；

其中：t1和t2的计算公式具体分别如下：

式中：bm为区段的起始里程，em为区段的结束里程，l为失配区段的区段编号，b为基本匹配点p所在区段的起始里程值，s[i]表示任意一区段，o为区段的里程偏移量。

步骤c的主要操作是步骤b所得待校准波形各区段里程偏移量对各区段数据进行校准；校准的方式是根据里程偏移量的正负及其绝对值大小在各区段内均匀插入记录点或者均匀删除记录点，所谓“均匀”即为每隔sc个点进行一个记录点的操作，上述sc称为步数，具体计算公式如下：

sc＝[n÷o]

式中：sc为步数，o为区段的里程偏移量，n为区段的长度；

其中，n的计算公式如下：

n＝s[i]->ei-s[i]->bi

s[i]表示任意一区段，bi为区段的起始下标，ei为区段的终止下标。

进一步地，步骤c中各区段里程校准的具体计算公式如下：

式中：n为区段数，s[i]表示任意一区段，bm为区段的起始里程，em为区段的结束里程，o为区段的里程偏移量。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。