轨道短波不平顺谱拟合方法及装置与流程

1.本发明涉及铁路轨道技术领域，尤其涉及轨道短波不平顺谱拟合方法及装置。

背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
3.在高速铁路系统中，轨道作为支撑列车运行的关键载体，其出现的几何不平顺会加剧车辆与轨道间的动力相互作用，缩短列车与轨道结构的维修周期和使用寿命，乃至影响高速行车的安全性和平稳性。因而，科学、准确地评价轨道平顺状态，是保持高速铁路轨道服役性能的必然要求。
4.而在各类轨道平顺性评价方法中，轨道不平顺谱作为描述轨道平顺状态随空间频率变化的指标，是表征轨道不平顺幅频特性的有效工具。
5.现阶段，轨道不平顺谱大多由轨道检查车等大型检测设备测试数据拟合得到，目前对高速铁路轨道不平顺谱的研究集中于2m及以上的波长范围，现有设备难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺。而随着高速铁路运营期的增长，既有高铁轨道几何状态逐渐发生变化，尚缺少能够准确描述当下轨道几何状态的轨道不平顺谱。而且由于列车速度的提高，轨面短波不平顺对车轮系统的激扰愈加突出，针对这一问题，目前尚不存在解决方案。

技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种轨道短波不平顺谱拟合方法，用以实现对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，提升对轨道不平顺状态的评定效率和准确率，完善了对高速轨道几何状态的评价，该方法包括：
7.获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；
8.对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
9.根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；
10.根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。
11.本发明实施例还提供一种轨道短波不平顺谱拟合装置，用以实现对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，提升对轨道不平顺状态的评定效率和准确率，完善了对高速轨道几何状态的评价，该装置包括：
12.测试数据获取模块，用于获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；
13.功率谱特征分析模块，用于对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
14.分段线性拟合模块，用于根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；
15.补充拟合模块，用于根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。
16.本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述轨道短波不平顺谱拟合方法。
17.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述轨道短波不平顺谱拟合方法。
18.本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述轨道短波不平顺谱拟合方法。
19.本发明实施例中，获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平，从而实现了对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，解决了现有技术下难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺的问题，使得对轨道不平顺的分析更准确，对轨道不平顺状态的评定效率更高，同时，通过对上限谱和下限谱进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
附图说明
20.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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
21.图1为本发明实施例中一种轨道短波不平顺谱拟合方法的流程示意图；
22.图2为本发明实施例中一种短波不平顺粗糙度级与标准限值对比的示意图；
23.图3为本发明实施例中一种高速铁路无砟轨道轨面短波不平顺谱的具体示例图；
24.图4为本发明实施例中一种轨道短波不平顺谱拟合方法的具体示例图；
25.图5为本发明实施例中一种高速铁路无砟轨道轨面短波不平顺拟合谱的示意图；
26.图6为本发明实施例中一种轨道短波不平顺谱拟合装置的结构示例图；
27.图7为本发明实施例提供的计算机设备的系统组成结构示意图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发
明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
29.本文中术语“和/或”，仅仅是描述一种关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括a、b、c中的至少一种，可以表示包括从a、b和c构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
30.在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本技术的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
31.本技术技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合国家法律法规的相关规定。
32.在高速铁路系统中，轨道作为支撑列车运行的关键载体，其出现的几何不平顺会加剧车辆与轨道间的动力相互作用，缩短列车与轨道结构的维修周期和使用寿命，乃至影响高速行车的安全性和平稳性。因而，科学、准确地评价轨道平顺状态，是保持高速铁路轨道服役性能的必然要求。在各类轨道平顺性评价方法中，轨道不平顺谱作为描述轨道平顺状态随空间频率变化的指标，是表征轨道不平顺幅频特性的有效工具。
33.轨道不平顺谱大多由轨道检查车等大型检测设备测试数据拟合得到，目前对高速铁路轨道不平顺谱的研究集中于2m及以上的波长范围，现有设备难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺。随着高速铁路运营期的增长，既有高铁轨道几何状态逐渐发生变化，尚缺少能够准确描述当下轨道几何状态的轨道不平顺谱。而且由于列车速度的提高，轨面短波不平顺对车轮系统的激扰愈加突出，针对这一问题，本发明实施例基于大量高速铁路轨面粗糙度测试数据，研究了轨面短波不平顺谱的拟合表达方案。
34.本发明实施例提供的一种轨道短波不平顺谱拟合方法，用以实现对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，提升对轨道不平顺状态的评定效率和准确率，完善了对高速轨道几何状态的评价，参见图1，该方法可以包括：
35.步骤101：获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；
36.步骤102：对上述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
37.步骤103：根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对上述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；
38.步骤104：根据上述上限谱和上限谱，对上述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；上述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。
39.本发明实施例中，获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；对上述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对上述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；根据上述上限谱和上限谱，对上述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；上述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平，从而实现了对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，解决了现有技术下难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺的问题，使得对轨道不平顺的分析更准确，对轨道不平顺状态的评定效率更高，同时，通过对上限谱和下限谱进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
40.具体实施时，首先获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据。
41.实施例中，上述轨面粗糙度测试数据的测试区段：包括区间正线与站区正线线路；上述轨面粗糙度测试数据的平面线形：包括直线和曲线；上述轨面粗糙度测试数据的轨面状态包括：波磨工况数据和无波磨工况数据，上述波磨工况数据包括打磨作业前后的数据。
42.在一个实施例中，可通过采集多条无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据，分析其功率谱特征，采用分段幂函数拟合轨面短波不平顺谱的表达公式。实施例中，可采用钢轨波磨测试小车对多条无砟轨道高铁线路开展测量试验，并按照1mm的采样间隔记录钢轨表面短波不平顺状态。测试区段可涵盖区间正线与站区正线线路；平面线形可包括直线、大半径曲线与小半径曲线；轨面状态可包含有波磨工况和无波磨工况，其中，波磨区段可包括打磨作业前后的测试数据。
43.发明人发现：结合图2，图2采用1/3倍频程波长谱给出了轨面短波不平顺粗糙度级，由于部分测试区段存在钢轨波磨，使得粗糙度级在1/3倍频程中心波长63mm处较为突出。与iso3095:2013规定的粗糙度级限值相比，实测数据在中心波长大于4mm时普遍超限；与iso3095:2005规定的粗糙度级限值相比，实测数据在中心波长介于5～31.5mm和大于315mm时超限。
44.因此，发明人为了定量描述高速铁路钢轨磨耗严重程度，采用了welch提出的修正周期图法计算轨面短波不平顺谱，每个计算单元长度为4.096m，结果绘于图3中。分别对每个波长条件下的各计算单元短波不平顺谱值进行排序，可选取1％和99％分位数作为短波不平顺谱的下限谱和上限谱。可以看出，均值谱的整体幅值介于上下线谱之间，与上限谱更为接近。
45.具体实施时，在获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据后，对上述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱。
46.实施例中，对上述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的上限谱和下限谱，包括：
47.采用周期图法，根据上述轨面粗糙度测试数据，计算轨面短波不平顺谱；
48.对不同波长条件下的短波不平顺谱值进行排序，并选取第一预设数值的第二预设数值的短波不平顺谱值，作为短波不平顺谱的上限谱和下限谱。
49.在上述实施例中，通过确定上限谱和下限谱，并在后续步骤中进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供
参考和借鉴。
50.具体实施时，在对上述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱后，根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对上述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式。
51.实施例中，还包括：
52.将轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱，转换至双对数坐标系；
53.对预设波段内的双对数坐标系下的均值谱、上限谱和下限谱，进行线性拟合和数据分析，确定轨道短波不平顺谱的分段特征。
54.在一个实施例中，根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对上述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式，包括：
55.对双对数坐标系下的均值谱进行等间隔重采样处理和消峰处理，得到处理后的均值谱数据；
56.采用幂函数，根据处理后的均值谱数据，对轨面短波不平顺谱进行拟合，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；上述第一拟合公式包括功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数；
57.根据轨道短波不平顺谱的分段特征对应的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数。
58.在上述实施例中，可依据对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，从而确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数，因此确定出了轨道短波不平顺谱拟合直线的系数。
59.在一个实施例中，根据轨道短波不平顺谱的分段特征对应的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数，包括：
60.采用最小二乘法，根据轨道短波不平顺谱的分段特征对应的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，得到两条拟合直线；
61.在两条拟合直线的交点的空间频率、和分段点的第二空间频率的差值，大于预设数值时，将上述两条拟合直线的交点作为新的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，再次得到两条拟合直线；重复执行上述步骤，直到再次得到的两条目标拟合直线的交点处空间频率、和前次得到的两条拟合直线的交点处空间频率的差值，小于预设数值；
62.根据再次得到的两条目标拟合直线，确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数。
63.在上述实施例中，通过重复执行上述步骤，直到再次得到的两条目标拟合直线的交点处空间频率、和前次得到的两条拟合直线的交点处空间频率的差值，小于预设数值，并根据再次得到的两条目标拟合直线，确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数，同样可得出拟合出的两条目标拟合直线，即为目标的轨道短波不平顺谱拟合线条。
64.在上述实施例中，按如下公式采用幂函数，根据处理后的均值谱数据，对轨面短波不平顺谱进行拟合，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式：
65.s(f)＝af-k
66.其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率。
67.举一实例，考虑到波磨测试小车的测试精度以及轨面短波不平顺谱在仿真计算的应用场景，可将拟合波长范围取为0.002～1m。
68.并采用幂函数对轨面短波不平顺谱进行拟合，见式(1)。
69.s(f)＝af-k
ꢀꢀ
(1)
70.其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第一拟合公式，单位为mm2/m-1
；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率，单位为m-1
。
71.其中，a、k为待拟合系数。
72.而对上述式(1)求以10为底的对数后得到
73.q＝-kp+lg(a)
ꢀꢀ
(2)
74.式中：p＝lg(f)，单位为m-1
；q＝lg(s(f))，单位为mm2/m-1
。
75.由(2)可知，采用幂函数在双对数坐标系下对功率谱进行拟合时可以转换为对自变量p和因变量q的线性拟合。而系数a描述了功率谱的幅度，k描述了功率谱随空间频率的变化速率。对0.002～1m波段内双对数坐标系下的均值谱、上限谱和下限谱直接进行线性拟合时发现，在空间频率20m-1
附近均存在较为明显的分段特征。因此，将高速铁路轨面短波不平顺谱分2段幂函数进行拟合。
76.在一个实施例中，轨面短波不平顺均值谱的拟合流程可如图4所示。首先可将均值谱转换至双对数坐标系下；然后对其进行等间隔重采样，以均衡各波长均值谱的拟合权重；再进行消峰处理提取出轨面短波不平顺的随机性成分；以空间频率20m-1
为首个分段点，分2段采用最小二乘法进行线性拟合，两条拟合直线的交点即为新的分段点；判断前后两次分段点空间频率是否小于给定阈值，否则根据新的分段点重新分段线性拟合，直至满足阈值条件完成拟合，系数拟合结果见表1。
77.表1高速铁路轨面短波不平顺谱拟合公式系数
[0078][0079]
具体实施时，在根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对上述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式后，根据上述上限谱和上限谱，对上述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；上述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。
[0080]
在上述实施例中，通过对上限谱和下限谱进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
[0081]
实施例中，根据上述上限谱和上限谱，对上述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式，包括：
[0082]
对上述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公
式；上述第二拟合公式中包含上下限谱变换系数；
[0083]
根据上述上限谱和上限谱，确定上下限谱变换系数。
[0084]
在一个实施例中，按如下公式对上述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式：
[0085]
s(f)＝10baf-k
[0086]
其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率；b为上下限谱变换系数。
[0087]
在上述实施例中，为了描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平，引入系数b(即上下限谱变换系数)对上限谱和下限谱进行补充拟合，高速铁路轨面短波不平顺谱的最终拟合公式见式(3)。系数b表示上限谱、下限谱相比于均值谱幅度的差距，b的引入能够保证这3种谱的拟合形式和变化趋势一致。通过变换系数b，当消峰处理后的上限谱(或下限谱)与分段幂函数在双对数坐标系下拟合误差整体最小时，得到上限谱(或下限谱)系数b的拟合结果见表1，均值谱的系数b取0。
[0088]
s(f)＝10baf-k
[0089]
其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率；b为上下限谱变换系数。
[0090]
其中，b为待拟合系数。
[0091]
下面给出一个具体实施例，来说明本发明的方法的具体应用，该实施例中，可通过采集多条无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据，分析其功率谱特征，采用分段幂函数拟合轨面短波不平顺谱的表达公式。如下进行具体说明：
[0092]
(1)测试方法与数据样本
[0093]
采用钢轨波磨测试小车对多条无砟轨道高铁线路开展测量试验，按照1mm的采样间隔记录钢轨表面短波不平顺状态，现场测试照片如图1所示。测试区段涵盖区间正线与站区正线线路，平面线形包括直线、大半径曲线与小半径曲线。轨面状态包含有波磨工况和无波磨工况，波磨区段包括打磨作业前后的测试数据。
[0094]
(2)轨面短波不平顺功率谱特征分析
[0095]
图2采用1/3倍频程波长谱给出了轨面短波不平顺粗糙度级，由于部分测试区段存在钢轨波磨，使得粗糙度级在1/3倍频程中心波长63mm处较为突出。与iso3095:2013规定的粗糙度级限值相比，实测数据在中心波长大于4mm时普遍超限；与iso3095:2005规定的粗糙度级限值相比，实测数据在中心波长介于5～31.5mm和大于315mm时超限。
[0096]
因此，发明人为了定量描述高速铁路钢轨磨耗严重程度，采用了welch提出的修正周期图法计算轨面短波不平顺谱，每个计算单元长度为4.096m，结果绘于图3中。分别对每个波长条件下的各计算单元短波不平顺谱值进行排序，可选取1％和99％分位数作为短波不平顺谱的下限谱和上限谱。可以看出，均值谱的整体幅值介于上下线谱之间，与上限谱更为接近。
[0097]
(3)轨面短波不平顺谱拟合公式
[0098]
考虑到波磨测试小车的测试精度以及轨面短波不平顺谱在仿真计算的应用场景，可将拟合波长范围取为0.002～1m。
[0099]
并采用幂函数对轨面短波不平顺谱进行拟合，见式(1)。
[0100]
s(f)＝af-k
ꢀꢀ
(1)
[0101]
其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第一拟合公式，单位为mm2/m-1
；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率，单位为m-1
。
[0102]
其中，a、k为待拟合系数。
[0103]
而对上述式(1)求以10为底的对数后得到
[0104]
q＝-kp+lg(a)
ꢀꢀ
(2)
[0105]
式中：p＝lg(f)，单位为m-1
；q＝lg(s(f))，单位为mm2/m-1
。
[0106]
由(2)可知，采用幂函数在双对数坐标系下对功率谱进行拟合时可以转换为对自变量p和因变量q的线性拟合。而系数a描述了功率谱的幅度，k描述了功率谱随空间频率的变化速率。对0.002～1m波段内双对数坐标系下的均值谱、上限谱和下限谱直接进行线性拟合时发现，在空间频率20m-1
附近均存在较为明显的分段特征。因此，将高速铁路轨面短波不平顺谱分2段幂函数进行拟合。
[0107]
在一个实施例中，轨面短波不平顺均值谱的拟合流程可如图4所示。首先可将均值谱转换至双对数坐标系下；然后对其进行等间隔重采样，以均衡各波长均值谱的拟合权重；再进行消峰处理提取出轨面短波不平顺的随机性成分；以空间频率20m-1
为首个分段点，分2段采用最小二乘法进行线性拟合，两条拟合直线的交点即为新的分段点；判断前后两次分段点空间频率是否小于给定阈值，否则根据新的分段点重新分段线性拟合，直至满足阈值条件完成拟合，系数拟合结果见表1。
[0108]
为了描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平，引入系数b(即上下限谱变换系数)对上限谱和下限谱进行补充拟合，高速铁路轨面短波不平顺谱的最终拟合公式见式(3)。系数b表示上限谱、下限谱相比于均值谱幅度的差距，b的引入能够保证这3种谱的拟合形式和变化趋势一致。通过变换系数b，当消峰处理后的上限谱(或下限谱)与分段幂函数在双对数坐标系下拟合误差整体最小时，得到上限谱(或下限谱)系数b的拟合结果见表1，均值谱的系数b取0。
[0109]
s(f)＝10baf-k
[0110]
其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率；b为上下限谱变换系数。
[0111]
其中，b为待拟合系数。
[0112]
基于上述方法得到高速铁路轨面短波不平顺谱拟合结果，如图5所示。可以看出，分段幂函数能很好地描述轨面短波不平顺随机性成分的变化趋势。在0.002～1m波段范围内与常用短波不平顺谱对比发现：高速铁路轨面短波不平顺上限谱幅值整体小于stao谱的上限谱；当波长小于0.025m时，上限谱幅值大于stao谱的下限谱；当波长小于0.045m时，上限谱幅值大于王澜谱；其余波段上限谱幅值小于stao谱的下限谱和王澜谱。均值谱幅值整体小于stao谱；当波长小于0.006m时，均值谱幅值大于王澜谱；其余波段均值谱幅值小于王澜谱。下限谱幅值均小于stao谱和王澜谱。
[0113]
当然，可以理解的是，上述详细流程还可以有其他变化例，相关变化例均应落入本发明的保护范围。
[0114]
本发明实施例中，获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平，从而实现了对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，解决了现有技术下难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺的问题，使得对轨道不平顺的分析更准确，对轨道不平顺状态的评定效率更高，同时，通过对上限谱和下限谱进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
[0115]
如上述，本发明实施例提出了一种短波不平顺谱表征方法，丰富高速铁路短波不平顺谱的制定工作，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，可基于高速铁路轨面粗糙度测试数据，确定出轨面短波不平顺谱，而高速铁路轨面短波不平顺谱的研究结果，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
[0116]
本发明实施例还提供一种轨道短波不平顺谱拟合装置，用以实现对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，提升对轨道不平顺状态的评定效率和准确率，完善了对高速轨道几何状态的评价，如图6所示，该装置包括：
[0117]
测试数据获取模块601，用于获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；
[0118]
功率谱特征分析模块602，用于对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
[0119]
分段线性拟合模块603，用于根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；
[0120]
补充拟合模块604，用于根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。
[0121]
本发明实施例中提供的一种轨道短波不平顺谱拟合装置，如上面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与轨道短波不平顺谱拟合方法相似，因此该装置的实施可以参见轨道短波不平顺谱拟合方法的实施，重复之处不再赘述。
[0122]
本发明实施例中，获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平，从而实现了对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，解决了现有技术下难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺的问题，使得对轨道不平顺的分析更准确，对轨道不平顺状态的评定效率更高，同时，通过对上限谱和下限谱进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
[0123]
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种用于实现上述轨道短波不平顺
谱拟合方法中的全部或部分内容的计算机设备实施例。该计算机设备具体包含有如下内容：
[0124]
处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(communications interface)和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述通信接口用于实现相关设备之间的信息传输；该计算机设备可以是台式计算机、平板电脑及移动终端等，本实施例不限于此。在本实施例中，该计算机设备可以参照实施例用于实现上述轨道短波不平顺谱拟合方法的实施例及用于实现上述轨道短波不平顺谱拟合装置的实施例进行实施，其内容被合并于此，重复之处不再赘述。
[0125]
图7为本发明实施例中提供的一种计算机设备的系统组成结构示意图。如图7所示，该计算机设备70可以包括处理器701和存储器702；存储器702耦合到处理器701。值得注意的是，该图7是示例性的；还可以使用其他类型的结构，来补充或代替该结构，以实现电信功能或其他功能。
[0126]
在一个实施例中，轨道短波不平顺谱拟合方法实现的功能可以被集成到处理器701中。其中，处理器701可以被配置为进行如下控制：
[0127]
获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；
[0128]
对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
[0129]
根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；
[0130]
根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。
[0131]
由上可知，本发明的实施例中提供的计算机设备，实现了对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，解决了现有技术下难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺的问题，使得对轨道不平顺的分析更准确，对轨道不平顺状态的评定效率更高，同时，通过对上限谱和下限谱进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
[0132]
在另一个实施例中，轨道短波不平顺谱拟合装置可以与处理器701分开配置，例如可以将轨道短波不平顺谱拟合装置配置为与处理器701连接的芯片，通过处理器的控制来实现轨道短波不平顺谱拟合方法的功能。
[0133]
如图7所示，该计算机设备70还可以包括：通信模块703、输入单元704、音频处理单元705、显示器706、电源707。值得注意的是，计算机设备70也并不是必须要包括图7中所示的所有部件；此外，计算机设备70还可以包括图7中没有示出的部件，可以参考现有技术。
[0134]
如图7所示，处理器701有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该处理器701接收输入并控制计算机设备70的各个部件的操作。
[0135]
其中，存储器702，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还
可存储执行有关信息的程序。并且处理器701可执行该存储器702存储的该程序，以实现信息存储或处理等。
[0136]
输入单元704向处理器701提供输入。该输入单元704例如为按键或触摸输入装置。电源707用于向计算机设备70提供电力。显示器706用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为lcd显示器，但并不限于此。
[0137]
该存储器702可以是固态存储器，例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、sim卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为eprom等。存储器702还可以是某种其它类型的装置。存储器702包括缓冲存储器7021(有时被称为缓冲器)。存储器702可以包括应用/功能存储部7022，该应用/功能存储部7022用于存储应用程序和功能程序或用于通过处理器701执行计算机设备70的操作的流程。
[0138]
存储器702还可以包括数据存储部7023，该数据存储部7023用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由计算机设备使用的数据。存储器702的驱动程序存储部7024可以包括计算机设备的用于通信功能和/或用于执行计算机设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。
[0139]
通信模块703即为经由天线708发送和接收信号的发送机/接收机。通信模块(发送机/接收机)703耦合到处理器701，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。
[0140]
基于不同的通信技术，在同一计算机设备中，可以设置有多个通信模块703，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)703还经由音频处理单元705耦合到扬声器709和麦克风710，以经由扬声器709提供音频输出，并接收来自麦克风710的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理单元705可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理单元705还耦合到处理器701，从而使得可以通过麦克风710能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器709来播放本机上存储的声音。
[0141]
本发明的实施例中还提供了一种用于实现上述实施例中轨道短波不平顺谱拟合方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的轨道短波不平顺谱拟合方法的全部步骤，例如，该处理器执行该计算机程序时实现下述步骤：
[0142]
获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；
[0143]
对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；
[0144]
根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；
[0145]
根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。
[0146]
由上可知，本发明的实施例中提供的计算机可读存储介质，实现了对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，解决了现有技术下难以准确测量波长在2m以下的短波不平顺的问题，使得对轨道不平顺的分析更准确，对轨道不平顺状态的评定效率更高，同时，通过对上
限谱和下限谱进行补充拟合处理，可进一步描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平；因此，能够更科学、准确地评价高速铁路轨道短波不平顺状态，完善了对高速轨道几何状态的评价，也能为轮轨振动、噪声分析提供参考和借鉴。
[0147]
本发明的实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述轨道短波不平顺谱拟合方法。
[0148]
需要说明的是，本技术技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合国家法律法规的相关规定。
[0149]
虽然本发明提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
[0150]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0151]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0152]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0153]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0154]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0155]
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括
没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0156]
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0157]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。可单独使用本发明的每个方面和/或实施例，或者与一个或更多其他方面和/或其他实施例结合使用。
[0158]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种轨道短波不平顺谱拟合方法，其特征在于，包括：获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轨面粗糙度测试数据的测试区段：包括区间正线与站区正线线路；所述轨面粗糙度测试数据的平面线形：包括直线和曲线；所述轨面粗糙度测试数据的轨面状态包括：波磨工况数据和无波磨工况数据，所述波磨工况数据包括打磨作业前后的数据。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的上限谱和下限谱，包括：采用周期图法，根据所述轨面粗糙度测试数据，计算轨面短波不平顺谱；对不同波长条件下的短波不平顺谱值进行排序，并选取第一预设数值的第二预设数值的短波不平顺谱值，作为短波不平顺谱的上限谱和下限谱。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱，转换至双对数坐标系；对预设波段内的双对数坐标系下的均值谱、上限谱和下限谱，进行线性拟合和数据分析，确定轨道短波不平顺谱的分段特征。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式，包括：对双对数坐标系下的均值谱进行等间隔重采样处理和消峰处理，得到处理后的均值谱数据；采用幂函数，根据处理后的均值谱数据，对轨面短波不平顺谱进行拟合，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；所述第一拟合公式包括功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数；根据轨道短波不平顺谱的分段特征对应的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据轨道短波不平顺谱的分段特征对应的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数，包括：采用最小二乘法，根据轨道短波不平顺谱的分段特征对应的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，得到两条拟合直线；在两条拟合直线的交点的空间频率、和分段点的第二空间频率的差值，大于预设数值时，将所述两条拟合直线的交点作为新的分段点，对处理后的均值谱数据进行分段线性拟合处理，再次得到两条拟合直线；重复执行上述步骤，直到再次得到的两条目标拟合直线的交点处空间频率、和前次得到的两条拟合直线的交点处空间频率的差值，小于预设数值；
根据再次得到的两条目标拟合直线，确定功率谱幅度系数和功率谱随空间频率的变化速率系数。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，按如下公式采用幂函数，根据处理后的均值谱数据，对轨面短波不平顺谱进行拟合，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式：s(f)＝af-k
其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式，包括：对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述第二拟合公式中包含上下限谱变换系数；根据所述上限谱和上限谱，确定上下限谱变换系数。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，按如下公式对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式：s(f)＝10
b
af-k
其中，s(f)表示轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；a为功率谱幅度系数；k为功率谱随空间频率的变化速率系数；f为空间频率；b为上下限谱变换系数。10.一种轨道短波不平顺谱拟合装置，其特征在于，包括：测试数据获取模块，用于获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；功率谱特征分析模块，用于对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；分段线性拟合模块，用于根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；补充拟合模块，用于根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。11.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9任一所述方法。12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9任一所述方法。13.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9任一所述方法。

技术总结

本发明公开了一种轨道短波不平顺谱拟合方法及装置，该方法包括：获取无砟轨道高铁线路的轨面粗糙度测试数据；对所述轨面粗糙度测试数据，进行功率谱特征分析，确定轨道短波不平顺谱的均值谱、上限谱和下限谱；根据确定的轨道短波不平顺谱的分段特征，对所述均值谱进行分段线性拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第一拟合公式；根据所述上限谱和上限谱，对所述第一拟合公式，进行补充拟合处理，得到轨道短波不平顺谱的第二拟合公式；所述补充拟合处理用于描述轨面短波不平顺谱的上下边界水平。本发明可实现对轨面短波不平顺均值谱的分段拟合，提升对轨道不平顺状态的评定效率和准确率，完善了对高速轨道几何状态的评价。完善了对高速轨道几何状态的评价。完善了对高速轨道几何状态的评价。