一种多重约束下的接触网线岔设计方法及系统

摘要

本发明涉及一种多重约束下的接触网线岔设计方法及系统。该方法包括：获取受电弓的轮廓宽度、工作范围以及最大横向偏移量，并确定直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值；根据接触网弹性计算直股通过和直侧股转换时接触线的抬升量；按照弓网始触模式的优先级，根据直股接触线拉出值、侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；根据接触线的抬升量以及特征位置参数确定极限位置处的侧股接触线高度约束条件以及约束区间；根据约束条件确定侧股接触线高度；根据侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔。本发明能提高线岔设计的容错率，避免线岔处的弓网异常磨损和弓网事故以及提高弓网系统的寿命与安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路接触网设计领域，特别是涉及一种多重约束下的接触网线岔设计方法及系统。

背景技术

道岔把一条轨道分支为两条或两条以上的轨道(直股道与侧股道)，在道岔上方，沿轨道架设的两支或多支接触悬挂称之为线岔，线岔的布置应使列车受电弓在所有方向通过线岔时，能够沿接触悬挂安全、平顺地横越。受电弓通过线岔的工况可分为：直股通过、直股转侧股、侧股转直股。

高速铁路在运营过程中，个别列车经过线岔时，由侧股转直股过程中，受电弓与直股接触线之间的非预期接触导致弓网事故的案例已多次出现，主要表现为进入支接触线无法平顺地过渡至受电弓滑板上，常见接触线与滑板端头的擦刮故障，在故障严重时，进入支接触线在接触过程中钻入受电弓滑板的下方，对接触网和受电弓带来破坏性的损伤，造成严重的弓网事故。

目前运营经验证明，线岔设计处于接触网设计的薄弱点，线岔的事故反应了线岔设计的容错性较低，原因是线岔在设计阶段未考虑极限状态下的空间位置校验，且对进入支接触线与受电弓的接触过程(简称“弓网始触过程”)无法做到精确控制与预测。

发明内容

本发明的目的是提供一种多重约束下的接触网线岔设计方法及系统，以解决线岔在设计阶段未考虑极限状态下的空间位置校验，且对进入支接触线与受电弓的接触过程无法做到精确控制与预测的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多重约束下的接触网线岔设计方法，包括：

获取受电弓的轮廓宽度、工作范围以及最大横向偏移量；

根据所述受电弓的轮廓宽度、所述工作范围以及所述最大横向偏移量确定直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值；

根据接触网弹性计算直股通过和直侧股转换时接触线的抬升量；

按照弓网始触模式的优先级，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；所述弓网始触模式包括模式1、模式2、模式3、模式4以及模式5；所述模式1为进入支始触点在滑板的接触线往复运动范围内；模式2为进入支始触点在滑板工作范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式3为进入支始触点在滑板工作范围内，退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧；模式4为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式5为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧，但弓头不会翘起使弓头端头处于弓角轮廓线上方；所述特征位置参数包括特征位置下的受电弓与线岔起点距离、受电弓中心线与直股接触线相对位置、以及受电弓中心线与侧股接触线相对位置；

根据所述接触线的抬升量以及所述特征位置参数确定极限位置处的侧股接触线高度约束条件以及约束区间；所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件包括直股通过时，侧线高度不低于极限偏转受电弓的同位置轮廓线高度、直侧股转化时，由特征位置确认的进入区间，进入支接触线高度不低于受电弓的同位置轮廓线高度、以及直侧股转化时，由特征位置确认的最晚接触区间，进入支高度不高于受电弓的同位置轮廓线高度；

根据所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件确定侧股接触线高度；

根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔。

可选的，所述按照弓网始触模式的优先级，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数，具体包括：

按照优先级由高至低的顺序，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；所述模式1的优先级>所述模式2的优先级>所述模式3的优先级>所述模式4的优先级>所述模式5的优先级。

可选的，所述特征位置具体包括：侧转直工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、侧转直工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、以及直线通过工况中直线通过时受电弓极限偏转位置。

可选的，所述受电弓在任一特征位置处的轮廓线高度为：

H＝H

其中，H为受电弓在任一特征位置处的轮廓线高度，H

可选的，所述根据所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件确定侧股接触线高度，之后还包括：

判断在所述约束区间内所述侧股接触线高度对应的侧股接触线是否满足所有所述约束条件，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为在所述约束区间内所述侧股接触线高度对应的侧股接触线满足所有所述约束条件，根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔；

若所述第一判断结果表示为在所述约束区间内所述侧股接触线高度对应的侧股接触线未满足所有所述约束条件，选取优先级排序中下一级的弓网始触模式，并返回步骤“根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数”。

可选的，所述根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔，具体包括：

线岔处支柱设于所述约束区间之外；

按照直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值布置正线与侧线拉出值；

按照标准接触线高度布置正线高度，按照所述根据所述侧股接触线高度布置侧线高度，完成接触网线岔设计。

可选的，所述根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔，之后还包括：

对所述接触网线岔进行跨距校验；所述跨距校验包括接触网风偏校验、接触网最大跨距校验以及接触网最小跨距校验。

一种多重约束下的接触网线岔设计系统，包括：

受电弓参数获取模块，用于获取受电弓的轮廓宽度、工作范围以及最大横向偏移量；

直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值确定模块，用于根据所述受电弓的轮廓宽度、所述工作范围以及所述最大横向偏移量确定直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值；

抬升量确定模块，用于根据接触网弹性计算直股通过和直侧股转换时接触线的抬升量；

特征位置参数确定模块，用于按照弓网始触模式的优先级，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；所述弓网始触模式包括模式1、模式2、模式3、模式4以及模式5；所述模式1为进入支始触点在滑板的接触线往复运动范围内；模式2为进入支始触点在滑板工作范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式3为进入支始触点在滑板工作范围内，退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧；模式4为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式5为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧，但弓头不会翘起使弓头端头处于弓角轮廓线上方；所述特征位置参数包括特征位置下的受电弓与线岔起点距离、受电弓中心线与直股接触线相对位置、以及受电弓中心线与侧股接触线相对位置；

极限位置处的侧股接触线高度约束条件以及约束区间确定模块，用于根据所述接触线的抬升量以及所述特征位置参数确定极限位置处的侧股接触线高度约束条件以及约束区间；所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件包括直股通过时，侧线高度不低于极限偏转受电弓的同位置轮廓线高度、直侧股转化时，由特征位置确认的进入区间，进入支接触线高度不低于受电弓的同位置轮廓线高度、以及直侧股转化时，由特征位置确认的最晚接触区间，进入支高度不高于受电弓的同位置轮廓线高度；

侧股接触线高度确定模块，用于根据所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件确定侧股接触线高度；

接触网线岔设计模块，用于根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔。

可选的，所述特征位置参数确定模块，具体包括：

特征位置参数确定单元，用于按照优先级由高至低的顺序，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；所述模式1的优先级>所述模式2的优先级>所述模式3的优先级>所述模式4的优先级>所述模式5的优先级。

可选的，所述特征位置具体包括：侧转直工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、侧转直工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、以及直线通过工况中直线通过时受电弓极限偏转位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种多重约束下的接触网线岔设计方法及系统，通过确认弓网始触模式的优先级，利用受电弓通过线岔时极限位置的求解，找出多重约束条件，通过有序校验算法不断迭代计算，找出线岔布置的最优解。从数学原理上实现了对受电弓过线岔过程的弓网接触位置控制，提高了线岔设计的容错率，避免了线岔处的弓网异常磨损和弓网事故，提高弓网系统的寿命与安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的多重约束下的接触网线岔设计方法流程图；

图2为本发明所提供的不同弓网始触模式示意图；其中，图2(a)为弓网始触模式为模式1时的示意图；图2(b)为弓网始触模式为模式2时的示意图；图2(c)为弓网始触模式为模式3时的示意图；图2(d)为弓网始触模式为模式4时的示意图；图2(e)为弓网始触模式为模式5时的示意图；

图3为本发明所提供的接触网特征位置示意图；其中，图3(a)为侧转直工况中4个特征位置示意图；图3(b)为直转侧工况中4个特征位置示意图；图3(c)为直线通过工况中1个特征位置示意图；

图4为本发明所提供的特征位置参数示意图；

图5为本发明所提供的弓网位置关系图；

图6为本发明所提供的侧线高度约束图；

图7为本发明所提供的配套分析软件界面示意图；

图8为本发明所提供的侧线高度计算结果示例图；

图9为本发明所提供的多重约束下的接触网线岔设计系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种多重约束下的接触网线岔设计方法及系统，提高了线岔设计的容错率，避免了线岔处的弓网异常磨损和弓网事故，提高了弓网系统的寿命与安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的多重约束下的接触网线岔设计方法流程图，如图1所示，一种多重约束下的接触网线岔设计方法，包括：

步骤101：获取受电弓的轮廓宽度、工作范围以及最大横向偏移量。

步骤102：根据所述受电弓的轮廓宽度、所述工作范围以及所述最大横向偏移量确定直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值。

直股接触线拉出值需要在考虑最大受电弓横向偏移的同时，接触线不脱离受电弓的接触线往复运动范围，即直线的最大拉出值为单侧受电弓的接触线往复运动范围减去受电弓最大横向偏移量；侧线拉出值需要避开直线的无线夹区，标准规定在左右1050mm以内称之为无线夹区。

步骤103：根据接触网弹性计算直股通过和直侧股转换时接触线的抬升量。

抬升量的选定，在直线通过时按照接触网设计允许最大抬升量考虑，在侧直线转化时按照准静态过程考虑，即利用静态接触力与接触网弹性进行计算。

抬升量的计算公式具体为：接触网弹性＝弓网动态力/抬升量。

步骤104：按照弓网始触模式的优先级，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；如图2所示，所述弓网始触模式包括模式1、模式2、模式3、模式4以及模式5；所述模式1为进入支始触点在滑板的接触线往复运动范围内；模式2为进入支始触点在滑板工作范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式3为进入支始触点在滑板工作范围内，退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧；模式4为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式5为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧，但弓头不会翘起使弓头端头处于弓角轮廓线上方，即过渡点不消失；在后续计算过程中，首先选用优先级最高的模式；所述特征位置参数包括特征位置下的受电弓与线岔起点距离、受电弓中心线与直股接触线相对位置、以及受电弓中心线与侧股接触线相对位置。

所述步骤104具体包括：按照优先级由高至低的顺序，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；所述模式1的优先级>所述模式2的优先级>所述模式3的优先级>所述模式4的优先级>所述模式5的优先级。

所述特征位置具体包括：侧转直工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、侧转直工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、以及直线通过工况中直线通过时受电弓极限偏转位置。

特征位置参数指弓网运动过程中，接触线运动到受电弓轮廓上或净空上某些特征点位置瞬间，受电弓、与道岔和接触线相对位置的相关参数。如图3所示，特征点根据弓网始触模式确定，特征位置共9个，分别是侧转直工况中4个特征位置(受电弓处于a、b、c、d时的位置)，直转侧工况中4个特征位置(受电弓处于e、f、g、h时的位置)，直线通过工况中1个特征位置(受电弓处于k时的位置)。

d、e点为最早进入点，此时左偏受电弓的规定特征点进入了进入支接触线的净空；b、g点为最晚进入点，此时右偏受电弓的规定特征点进入了进入支接触线的净空；f、c点为最早接触限界，左偏受电弓在此位置之前必须与进入支接触；a、h点为最早接触限界，左偏受电弓在此位置之前必须与进入支接触；k点为直股通过时，左偏受电弓与侧股接触线的交点；A-H为受电弓分别通过a-h点，受电弓与直股接触线的交点。

如图4所示，特征位置参数共3类，分别是受电弓与线岔起点距离Lo、受电弓中心线与直股接触线相对位置Lz和受电弓中心线与侧股接触线相对位置Lc

步骤105：根据所述接触线的抬升量以及所述特征位置参数确定极限位置处的侧股接触线高度约束条件以及约束区间；所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件分为3类：1、直股通过时，侧线高度不低于极限偏转受电弓的同位置轮廓线高度；2、直侧股转化时，由特征位置确认的进入区间，进入支接触线高度不低于受电弓的同位置轮廓线高度；3、直侧股转化时，由特征位置确认的最晚接触区间，进入支高度不高于受电弓的同位置轮廓线高度。

如图5所示，所述受电弓在任一特征位置处的轮廓线高度为：

H＝H

其中，H为受电弓在任一特征位置处的轮廓线高度，H

步骤106：根据所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件确定侧股接触线高度。

如图6所示，即找到一条直线或者抛物线(所述侧股接触线高度对应的侧股接触线)，能够在所有约束区间内满足所有约束条件，判断在所述约束区间内所述侧股接触线高度对应的侧股接触线是否满足所有所述约束条件，若是，根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔；若否，选取优先级排序中下一级的弓网始触模式，并返回步骤104；图6中H

步骤107：根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔。

所述步骤107具体包括：线岔处支柱设于所述约束区间之外；按照直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值布置正线与侧线拉出值；按照标准接触线高度布置正线高度，按照所述根据所述侧股接触线高度布置侧线高度，完成接触网线岔设计。

所述步骤107之后还包括：对所述接触网线岔进行跨距校验；所述跨距校验包括接触网风偏校验、接触网最大跨距校验以及接触网最小跨距校验。

图7为本发明的配套分析软件，能够根据要求自动找到特征位置参数并求解约束区间与约束条件，最终生成侧线高度的约束图，如图8所示。

本发明通过制定约束条件的方式，达到了线岔布置设计中对弓网始触模式的控制，即在考虑极限情况时，进入支接触线与受电弓始触位置始终控制在设计的范围内，从而理论上避免了进入支接触线在接触过程中钻入受电弓滑板的下方而引起的弓网事故，提高了线岔的安全性与可靠性。

图9为本发明所提供的多重约束下的接触网线岔设计系统结构图，如图9所示，一种多重约束下的接触网线岔设计系统，包括：

受电弓参数获取模块901，用于获取受电弓的轮廓宽度、工作范围以及最大横向偏移量。

直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值确定模块902，用于根据所述受电弓的轮廓宽度、所述工作范围以及所述最大横向偏移量确定直股接触线拉出值以及侧股接触线拉出值。

抬升量确定模块903，用于根据接触网弹性计算直股通过和直侧股转换时接触线的抬升量。

特征位置参数确定模块904，用于按照弓网始触模式的优先级，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；所述弓网始触模式包括模式1、模式2、模式3、模式4以及模式5；弓包括滑板和弓角，所述模式1为进入支始触点在滑板的接触线往复运动范围内，其中，接触线往复运动范围、过渡区范围、弓角接触区范围都是滑板的属性，根据弓的型号，这两个属性的取值有所不同，接触线往复运动范围小于工作范围；模式2为进入支始触点在滑板工作范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式3为进入支始触点在滑板工作范围内，退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧，其中，滑板是个对称结构，位于中心线异侧是指退出支和进入支不再同一侧；模式4为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线同侧；模式5为进入支始触点在弓角接触区范围内，且退出支位置与进入支始触点位于弓头中心线异侧，但弓头不会翘起使弓头端头处于弓角轮廓线上方；所述特征位置参数包括特征位置下的受电弓与线岔起点距离、受电弓中心线与直股接触线相对位置、以及受电弓中心线与侧股接触线相对位置。

所述特征位置参数确定模块904，具体包括：特征位置参数确定单元，用于按照优先级由高至低的顺序，根据所述直股接触线拉出值、所述侧股接触线拉出值以及当前弓网始触模式确定受电弓的特征位置参数；所述模式1的优先级>所述模式2的优先级>所述模式3的优先级>所述模式4的优先级>所述模式5的优先级。

所述特征位置具体包括：侧转直工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、侧转直工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中左偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、直转侧工况中右偏受电弓的最早进入点以及最晚接触点、以及直线通过工况中直线通过时受电弓极限偏转位置。

极限位置处的侧股接触线高度约束条件以及约束区间确定模块905，用于根据所述接触线的抬升量以及所述特征位置参数确定极限位置处的侧股接触线高度约束条件以及约束区间；所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件包括直股通过时，侧线高度不低于极限偏转受电弓的同位置轮廓线高度、直侧股转化时，由特征位置确认的进入区间，进入支接触线高度不低于受电弓的同位置轮廓线高度、以及直侧股转化时，由特征位置确认的最晚接触区间，进入支高度不高于受电弓的同位置轮廓线高度。

侧股接触线高度确定模块906，用于根据所述极限位置处的侧股接触线高度约束条件确定侧股接触线高度。

接触网线岔设计模块907，用于根据所述侧股接触线高度以及所述约束区间，设计接触网线岔。

本发明提供了一种多重约束下的接触网线岔设计方法及系统，从理论上实现对弓网始触位置的控制，让进入支接触线在选定的弓网始触模式下与受电弓接触，用以提高线岔设计的容错性，解决受电弓过线岔时不平顺的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。