捣固车轨道参数自动引导系统的关键技术研究

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铁路轨道经过一段时间的使用以后,由于多种因素的影响会导致铁路线路的几何形状发生改变,这将严重影响铁路运输的速度和安全,必须对其进行维护与修正。捣固车就是一种用于铁路线路维护的高效现代化有碴轨维护设备。捣固车轨道参数自动引导系统(Automatic Guiding Computer,简称AGC)是捣固车作业控制系统的核心部件。AGC系统的主要作用是根据预先输入并存贮的轨道线路理论几何数据,根据公里标的位置,利用捣固车上的测量系统实时测量维护作业所需的作业参数,依据误差理论计算出捣固车作业时作业控制系统所需的线路几何偏差数值,作为系统的给定量输出到捣固车作业控制系统,以实现捣固车的自动作业。目前国内尚无完全自主研制开发的AGC系统,国产捣固车上配置的AGC系统基本都是由奥地利普拉塞公司引进。AGC系统是捣固车研发的核心技术,也是阻碍国内捣固车发展的主要瓶颈,本文依托《轨道参数自动引导计算机系统的研制》项目,与昆明中铁大型养路机械集团有限公司技术人员一起,开发和设计了具有完全自主知识产权的AGC系统,为将来进一步开发新一代高性能、高精度的捣固车打下牢固的基础。在充分掌握捣固车轨道参数自动引导系统相关理论的基础上,深入研究了AGC的关键技术,创建了适合我国各种铁路线路线型作业参数计算的数学模型,利用捣固车配置的测量系统,完成了捣固车所需的作业参数的计算;分析了AGC系统的计算数据与作业控制单元进行数据交换的方法,实现了作业数据的实时传输。从不同的角度对AGC系统的功能实现进行了验证,获得了较好的效果,从而完成了捣固车自动引导系统的总体设计。本论文完成了以下主要内容:1.建立所有可能的铁路轨道几何形状模型,是保证AGC系统正确有效工作的基础。由于国内地形复杂、铁路轨道线型组合多样,因此,在铁路线路设计规范框架内建立了轨道线路的全部线型组合模型。针对目前研制的0832和093X车型的测量系统,采用动态创建局部坐标系,确定分别在三点法、四点法检测系统中,对应全部轨道线型组合的正矢、超高、起道量等作业参数的计算数学模型。2.铁路是由多段曲线按规范构成的曲线段集合,按照不同的数据用途以最便于使用为目的,分别建立合理的数据结构;每一作业点的作业参数计算涉及相关的多段线型线路,数据结构应便于搜索作业点附近的数据。设计合理的数据结构以提高计算效率3.针对不断变化的轨道线型组合,捣固车作业时必须不间断地实时计算各作业点的作业数据,计算量巨大。依据传统计算方法AGC系统的计算过程复杂、繁琐,很难准确完成作业参数的计算,为此,设计合理有效的计算策略,针对AGC系统的特点设计了在线路数据输入完毕后、捣固作业开始前,AGC系统先预处理输入的线段数据,根据已输入的线路数据分析与辨识线路的特征,根据辨识结果由软件自动构造每一段线路的参数计算数学模型。在实施作业的过程中根据捣固车测量系统在线测量的数据,利用该计算数学模型自动计算产生作业控制系统所需的作业参数值,保证捣固车作业时的实时计算和控制需求。4.为了实现捣固车连续工作,AGC系统必须具备较强的实时数据处理及交换能力。现有设备的AGC系统均随整车引进,其数据结构及数据通信等均是国外技术保密的重点。为了达到国外技术水平、满足国内需要,并提升系统的技术含量,自主研制合理的数据结构及数据通信模式。5.通过对捣固车的工作原理、作业方式进行深入的分析、研究,设计了捣固车AGC系统的整体结构,选用了通用、可靠的硬件技术平台,利用C#,完成了系统软件设计,在Net Framework支持下完成了捣固车AGC系统的的设计与开发。本论文研究的捣固车自动引导系统实现了捣固车上AGC所需要的各种功能,并根据我国铁路线路维护的实际情况,与国外引进的ALC系统相比做了大量改进。完成了捣固车自动引导系统的自主设计并通过了测试和验证,为大型养护机械的国产化进程提供了实际的支持,为下一步的国产化研究打下了良好的基础,为大型养路机械及其配件的国产化研究做出了积极的贡献。
摘要第3-5页
Abstract第5-7页
第一章 绪论第11-32页
    1.1 课题背景与捣固车简介第11-15页
        1.1.1 研究背景第11-13页
        1.1.2 捣固车的用途及AGC的概念第13-15页
    1.2 国内外研究现状与分析第15-27页
    1.3 本论文的技术难点第27-29页
    1.4 学位论文的主要研究内容第29-30页
    1.5 论文的框架第30-32页
第二章 捣固车自动引导系统概述第32-43页
    2.1 捣固车控制系统组成第32-35页
    2.2 AGC硬件构成第35-37页
    2.3 AGC系统的软件构成第37-41页
        2.3.1 AGC系统功能第39-40页
        2.3.2 AGC系统工作过程第40页
        2.3.3 AGC的操作系统选用第40-41页
        2.3.4 开发工具的选择第41页
    2.4 系统整体设计第41-42页
    2.5 本章小结第42-43页
第三章 铁路线路作业参数计算的数学模型的创建第43-94页
    3.1 铁路轨道概述第44-48页
        3.1.1 铁路曲线的线型第45-47页
        3.1.2 单弦法整正曲线的基本原理第47-48页
    3.2 线路方向的偏差检测及整正原理第48-55页
        3.2.1 单弦检测系统中的三点式检测原理第50-51页
        3.2.2 单弦检测系统中的四点式检测原理第51-52页
        3.2.3 线路方向整正后的残留偏差分析第52-55页
    3.3 修正值计算原理第55-59页
        3.3.1 三点法检测拨道数学模型第55-56页
        3.3.2 三点法修正值计算数学模型第56-57页
        3.3.3 四点法检测修正值计算原理第57-58页
        3.3.4 四点法修正值计算数学模型第58-59页
    3.4 修正值的计算第59-77页
        3.4.1 三点法检测拨道修正值计算第59-61页
        3.4.2 四点式检测拨道修正值计算第61-62页
        3.4.3 轨道线型的构成第62-65页
        3.4.4 正矢修正值计算方程的具体实现第65-77页
    3.5 起道抄平系统原理第77-84页
        3.5.1 纵向水平检测起道原理及起道计算模型第78-79页
        3.5.2 横向水平检测起道原理及超高计算模型第79-83页
        3.5.3 横纵平综合检测及起道原理第83-84页
    3.6 计算方程的正确性验证第84-93页
        3.6.1 对线路平面的线型方程验证的方法第84-87页
        3.6.2 对轨道线路数学模型采用人工验算的方式进行验证第87-93页
    3.7 本章小结第93-94页
第四章 作业参数计算的程序实现第94-143页
    4.1 铁路线型的表达方式第95页
    4.2 数据的组织结构第95-110页
        4.2.1 原始数据输入表的结构第97-102页
        4.2.2 线路计算数据表的构造第102-109页
        4.2.3 图型数据表的构造第109-110页
    4.3 铁路设计的原始数据到图形数据的转换第110-114页
    4.4 表格数据与图形数据的通信第114-119页
    4.5 数据兼容性第119-121页
    4.6 坐标变换的原理及实现方法第121-122页
    4.7 计算模型的实现第122-133页
        4.7.1 数据的预处理第123-125页
        4.7.2 矢计算第125-126页
        4.7.3 超高计算第126-127页
        4.7.4 捣固车工作过程分析第127-128页
        4.7.5 实时问题的解决方案第128页
        4.7.6 实时计算管理的实现第128-130页
        4.7.7 实时计算过程第130-133页
    4.8 数据合理性检查第133-137页
        4.8.1 语法检查规则第134页
        4.8.2 语法检查的实现第134-137页
    4.9 捣固车AGC系统与作业控制单元数据交换任务分析第137-142页
        4.9.1 PCI接口的D/A板第138-139页
        4.9.2 TCP/IP网络接口第139-141页
        4.9.3 虚拟接口第141-142页
    4.10 本章小节第142-143页
第五章 AGC系统正确性的验证第143-156页
    5.1 解算数据正确性的验证第143-153页
        5.1.1 典型验算1:发现并更正一个程序缺陷第144-146页
        5.1.2 典型验算2:正确的超高验算第146-147页
        5.1.3 典型验算3:正确的起道验算第147-148页
        5.1.4 与国外同类产品比较第148-152页
        5.1.5 验算总结第152-153页
    5.2 系统硬件部分正确性的验证第153-154页
    5.3 在实验线路装车实地验证系统的正确性第154页
        5.3.1 替代GVA试验第154页
        5.3.2 替代ALC试验第154页
    5.4 AGC系统投入工程现场试用验证系统的正确性第154-155页
    5.5 本章总结第155-156页
第六章 总结与展望第156-159页
    6.1 论文的研究工作总结第156-157页
    6.2 主要创新点第157-158页
    6.3 未来的工作展望第158-159页
参考文献第159-166页
致谢第166-167页
附录A: 正矢测量数据比对表第167-169页
附录B: 超高验算数据表第169-170页
附录C: 起道量验算数据表第170-171页
附录D: 现场测试报告第171-175页
附录E: 攻读博士期间发表学术论文和科研成果第175页
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