一种高速铁路隧道口缓冲结构设计方法及系统

本发明涉及铁路隧道工程，尤其涉及一种高速铁路隧道口缓冲结构设计方法及系统。

背景技术：

1、高速列车车头通过隧道时，由于受到隧道壁面的限制，会在隧道内形成初始压缩波，初始压缩波以声速向隧道出口传播，当初始压缩波传播到隧道出口时，部分初始压缩波会向隧道外脉冲辐射，导致产生强烈的微气压波，对隧道口周围的建筑和当地居民的生活产生严重不利的影响。

2、在隧道口安装缓冲结构是缓解微气压波最为有效的方式之一，其参数和规格的设计对于有效缓解微气压波具有非常重要的意义，目前，国内外学者普遍采用传统数值模拟和动模试验方法对铁路隧道口缓冲结构参数进行研究，但这极大地依赖于设计者的经验和专业知识，往往需要消耗大量的时间和资源才能设计出理想的缓冲结构参数。近年来，一种基于pod(proper orthogonal decomposition,本征正交分解)的逆向设计方法开始应用于建筑物和交通工具内部的通风参数设计，该方法在设计效率上相比与传统设计方法具有显著的优势，但是基于pod的逆向设计方法目前的应用场景大多是针对稳态工况的室内环境，而高速列车通过隧道产生的微气压波具有明显的强非线性瞬态特征，两者在原始数据上具有本质的区别，所以目前应用于建筑物和机舱内的基于pod的逆向设计方法并不能直接应用于铁路隧道口缓冲结构的设计。

3、因此，亟需提出一种针对铁路隧道口缓冲结构参数的pod重构设计方法，进而显著提升其设计效率，大幅节省其设计成本。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高速铁路隧道口缓冲结构设计方法及系统，用以解决现有传统设计方法的设计效率低，成本高等问题，并最大化实现隧道口微气压波缓解。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高速铁路隧道口缓冲结构设计方法，包括以下步骤：

3、s1、设计m组样本工况的隧道口缓冲结构参数，m为正整数；对样本工况进行数值模拟并监测预选数值项作为标量场；

4、s2、基于pod重构原理，根据数值模拟和标量场得到pod模态；根据隧道口缓冲结构参数和pod模态，预测不同缓冲结构下的pod模态系数；

5、s3、根据pod模态和不同缓冲结构下的pod模态系数，重构出不同缓冲结构下的标量场数据，记为重构标量场数据集；

6、s4、对重构标量场数据集中的标量场数据进行寻优处理，得到最优标量场数据；根据最优标量场数据，逆向分析即得到最优隧道口缓冲结构参数，使用最优隧道口缓冲结构参数对高速铁路隧道口的缓冲结构进行设计。

7、优选的，预选数值项至少包括以下两种可选方案：

8、第一种可选方案为：隧道口内预设位置处的微气压波数据；

9、第二种可选方案为：隧道内大于车辆长度的预设位置处的压力梯度数据。

10、优选的，方法还包括：设计n组测试工况的隧道口缓冲结构参数，n为正整数；对测试工况进行数值模拟并监测预选数值项作为测试标量场；将测试工况的隧道口缓冲结构参数和测试标量场进行记录，作为测试集工况；

11、在s3中重构出不同缓冲结构下的标量场数据后，使用测试集工况，对重构出的标量场数据进行测试，验证重构结果精度是否达标：

12、使用测试集工况中的测试标量场对重构出的标量场数据进行测试，若测试集工况中的测试标量场与重构出的标量场数据之间的决定系数均不小于0.98，且幅值偏差不大于2％，则认为重构出的标量场数据精度满足要求，进入s5；

13、若重构出的标量场数据精度不满足要求，则增大m的取值，即增大样本工况的数量，进入s1。

14、优选的，寻优处理包括：

15、当预选数值项选择隧道口内预设位置处的微气压波数据时，寻优处理为寻找微气压波数据幅值最小值；

16、当预选数值项选择隧道内大于车辆长度的预设位置处的压力梯度数据时，寻优处理为寻找压力梯度数据幅值的最小值。

17、优选的，在s2中，根据数值模拟和标量场得到pod模态包括：根据数值模拟和标量场得到标量场的最优正交基函数δ，最优正交基函数δ即pod模态；

18、最优正交基函数δ可通过标量场数据u在其协方差矩阵s的特征向量v上投影得到：

19、δ＝uv

20、其中协方差矩阵s可表示为：

21、

22、其中，m表示样本数，t表示矩阵转置；

23、基于特征向量v的特征值λ大小，按大到小对δ内的各个pod模态进行排序，即第一模态到第m个模态；

24、将协方差矩阵s在排序后的δ上投影，可得到正交工况下对应的模态系数矩阵c，c＝sδ；

25、在s2中，使用插值函数，预测样本工况中不同缓冲结构参数下标量场的模态系数矩阵c。

26、优选的，根据隧道口缓冲结构参数和pod模态，预测不同缓冲结构下的pod模态系数包括：

27、使用插值函数，建立隧道口缓冲结构参数与pod模态的系数的关联关系式，根据关联关系式预测不同缓冲结构参数下的pod模态系数。

28、优选的，在s1中，对样本工况进行数值模拟并监测预选数值项作为标量场时，标量场用矩阵的形式可以表示为：

29、

30、其中u表示标量场数据，m表示样本工况组数，n表示数值计算的时间步，i和j分别表示样本工况和时间步的索引。

31、优选的，在s3中，根据pod模态和不同缓冲结构下的pod模态系数，重构出不同缓冲结构下的标量场数据包括：

32、将前k个pod模态依次与某个缓冲结构参数下的pod模态系数依次相乘并累加，即可得到对应缓冲结构参数下标量场的重构结果：

33、

34、其中，ur表示第r个重构工况下标量场预测结果，k表示用于重构的pod模态，cir表示第r个重构工况下第i个pod模态对应的模态系数，δi表示第i个pod模态。

35、优选的，在s4中，得到最优标量场数据后，根据最优标量场数据对应的缓冲结构参数，设计验证工况a，通过数值仿真计算验证工况a的标量场数据；将最优标量场数据与验证工况a的标量场数据进行对比，比较基于pod重构的最优标量场数据与基于数值模拟的标量场数据的差异，进而验证并确保基于pod重构的最优标量场数据的准确性。

36、本发明还提供了一种高速铁路隧道口缓存结构设计系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本方法的任一步骤。

37、本发明具有以下有益效果：

38、本发明的高速铁路隧道口缓冲结构设计方法，通过将数值计算方法与pod重构方法相结合，提出了一种基于pod重构的高速铁路隧道口缓冲结构快速设计方法，结合数值模拟和pod重构原理重构出了不同pod模态系数对应缓冲结构参数下的标量场数据，并从中进行寻优，再逆向分析得到了最优的隧道口缓冲结构参数，使得本方法有效地结合了pod重构原理，无需对所有可能的工况全部进行数值模拟，仅需对基于pod原理重构处的标量场数据进行寻优，再逆向分析出对应的隧道口缓冲结构参数即可，节约了大量的时间和资源，并且设计将pod重构原理运用到了具有强非线性瞬态特征的铁路隧道工程领域。

39、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。