基于控制图理论的轨道几何状态数据分析方法研究

摘要

铁路轨道几何状态的好坏，直接影响行车的安全性、平稳性和舒适性。近年来，随着铁路线路的增加及列车速度的提高，对于轨道几何状态的养护与管理提出了更高的要求。轨道检查车是一种最常用的轨道几何状态检测工具，在轨道的养护和管理中发挥了重要作用，深度分析轨道检查车检测数据，对实现轨道几何状态精细化管理具有重要意义。
　　本文将控制图技术引入铁路轨道状态分析领域，针对铁路现场轨检车检测数据，研究建立单值控制图和Z-MR控制图模型，对轨道几何状态数据进行了深入分析。主要研究工作如下:
　　首先，对轨道几何状态数据的自相关性进行了分析。针对数据统计独立是统计过程控制理论的假设前提，数据自相关会使控制图理论失效的问题，利用自相关函数(ACF)和偏自相关函数(PACF)分别对轨检车检测数据在空间和时间上的自相关性进行了检验和识别，并对轨检车检测数据自相关性产生的原因进行了分析，给出了几种解决数据自相关性的措施。
　　其次，对轨道几何状态数据统计（概率分布）特征进行了分析。针对轨道不平顺的随机性，应用数理统计原理和方法，对轨检车检测数据进行了统计分析，绘制频率分布直方图，并选取主要概率分布函数进行拟合优度检验，研究了轨道不平顺的概率分布特性。
　　第三，研究建立了轨道几何状态空间数据分析的单值控制图模型。针对轨检车检测数据具有较强的自相关性，采用经验百分位数的控制限来调宽控制限，获得接受虚假警报的比率，建立了空间数据分析的单值控制图模型。以三角坑不平顺病害为例，采用神朔铁路的实际数据验证了单值控制图模型的有效性。
　　最后，研究建立了轨道几何状态时空数据分析的Z-MR控制图模型。鉴于基于静态警戒限的单值控制图方法仅使用空间数据诊断轨道几何不平顺病害，为了达到更精确的监测目的，研究建立了同时进行时空数据分析的Z-MR控制图模型。采用了数据分箱方法来克服轨检车定位误差对数据分析的影响，利用Box-Cox幂转换模型对不满足正态分布的数据采取“治疗”措施，以改善数据的正态性，并利用实际数据验证了Z-MR控制图模型的有效性。
　　研究结果表明所采用的方法可以用于轨道状态评定。相比传统方法，所使用的两种控制图可以给出早期病害预警，为状态修提供决策支持，提升轨道设备可用性，确保轨道始终处于可靠受控状态。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景

1．1．1 轨道健康状态对铁路运输的重要性

1．1．2铁路维修理念的转变

1．1．3精细化分析轨道状态的必要性

1．2国内外轨道几何状态数据分析方法研究现状

1．2．1 国内外铁路管理机构研究现状

1．2．2国内外学者研究现状

1．3问题提出

1．4研究内容

1．5研究技术路线

1．6论文组织结构

2轨道几何统计状态监测控制图理论研究

2．1统计过程控制(SPC)

2．1．1过程波动的两类原因

2．1．2统计控制状态

2．1．3统计过程控制的基本概念

2．1．4统计过程控制的工具

2．2控制图理论

2．2．1控制图的概念

2．2．2控制图的原理

2．2．3控制图的判断准则

2．2．4控制图的类型

2．2．5应用控制图的步骤

2．3本章小结

3轨道几何状态数据的采集和数据特征分析

3．1轨道几何状态概述

3．1．1轨道几何状态的概念

3．1．2轨道几何不平顺的分类

3．2轨道几何状态数据(轨检车数据)的采集

3．2．1轨道几何状态检测数据描述

3．2．2轨道几何状态检测数据整理

3．3轨道几何状态数据的自相关性分析

3．3．1 自相关性的数学描述

3．3．2 自相关性的检验

3．3．3 自相关性产生的原因分析

3．3．4自相关性的解决方法

3．4轨道几何状态数据统计(概率分布)特征分析

3．4．1轨道几何不平顺的频率分布

3．4．2常用的概率分布函数

3．4．3拟合优度检验及概率分布函数的选择

3．4．4轨道几何不平顺分布规律再认识

3．5本章小结

4基于常规单值控制图的轨道几何状态空间数据分析

4．1概述

4．2建立单值控制图模型

4．3控制限的调整

4．3．1基于百分位数的控制限

4．3．2百分位数控制限的优点

4．3．3百分位数的计算步骤

4．4案例分析

4．4．1背景介绍

4．4．2正态性检验

4．4．3控制限的计算

4．4．4单值控制图结果分析

4．5本章小结

5 基于Z-MR控制图的轨道几何状态时空数据分析

5．1概述

5．2数据分箱方法

5．2．1轨检车数据存在里程定位误差

5．2．2轨道几何状态数据分箱

5．3 Box-Cox幂转换模型

5．4建立Z-MR控制图模型

5．4．1 Z-MR控制图的控制限

5．5案例分析

5．5．1 背景介绍

5．5．2数据分箱结果

5．5．3正态性检验

5．5．4 Box-Cox数据变换

5．5．5 Z-MR控制图结果分析

5．6本章小结

6结论

6．1 全文总结

6．2研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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