抗差卡尔曼滤波在高速铁路变形监测中的应用

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页1．1研究的背景及意义第1章绪论随着社会的进步与国民经济的不断发展，国家对制约经济的发展的交通基础设施的需求也越来越大，其中作为我国主要的交通运输之一的铁路已不能适应经济社会的发展，运输能力的矛盾日趋尖锐，因此为满足当前日益增长的客运需求，高速铁路应运而生。自1964年日本东海道新干线开通以来，目前，世界上投入运营的高速铁路总长约达6300公里，拥有高速铁路的国家主要有德国、日本、法国、西班牙、意大利、比利时、英国、瑞典、丹麦、韩国等，其中德国、日本、法国高速铁路里程已分别达到917、2300、158

2、0余公里；正在修建高速铁路的有lO个国家和地区，累计约为2660公里；同时，国外铁路既有线通过改造达到时速200公里及以上的营业里程有2万余公里阳1。．我国高速铁路的建设起步较晚，通过借鉴国外先进成熟的技术，经过大量的理论研究和实践经验，总结出了符合我国国情和路情的高速铁路技术。我国高速铁路的建设正进入一个全新的时代。我国建立的第一条准高速铁路——广深线在1994年底通车，时速达到160km／h，随后建成的秦沈客运专线时速为200km／h、京津城际铁路、武广客运专线以及在建中的京沪高速铁路等等设计时速均达300公里以上。高速铁路的建设是

3、一个庞大而复杂的系统工程，建设过程中的每个小环节都至关重要。其中线下沉降变形监控决定了施工过程中的安全性及运营的安全性。由于我国本身地质结构复杂、自然灾害频繁，同时由于人类对自然资源的过度开采，对原有地质结构所造成的影响也越来越明显，如山体的滑破，区域性的地表下沉等。反过来，由于地质结构的不稳定性对我国的工程建构筑物的建设产生了重大的影响，这种影响不仅体现在技术上，最重要的是对运营安全的影响不可估量。如刚刚开通不久的石太客运专线，因连续的暴雨导致部分地段路基严重下沉，晃车严重。其中K178+910、K158+300、K106+300三处

4、路基下沉病害严重，最大下沉分别达到64．2cm、16cm、9．7cm，造成列车限速运行，严重影响铁路正常运输秩序、危及行车安全。虽然不能确定沉降变形监测不力而成为路基下沉的原因之一，但这给予了我们教训和警示，即对于建设高速铁路这一重大工程，变形监测是确保运营安全的重要保障，不可疏之大意，心存侥幸。因此对于高速铁路的安全监控，与其它工程建筑物的安全监控一样。在高速铁路线下工程沉降变形监测过程中，由于受多种主观或客观因素的影响，沉降监测数据会西南交通大学硕士研究生学位论文第2页m。m。。。mlIllIII鼍!!曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼含有多种误

5、差甚至粗差，使监控数据的可靠性降低，如不进行有效数据处理，则有可能直接影响安全监控分析的结果，影响下一步的决策和施工，甚至有可能导致难以挽回的损失。因此，对高速铁路线下工程沉降变形的监控，并对监控数据进行有效的处理及工程的安全状况的合理分析评价进行研究是十分重要和非常有意义的内容Ⅲ。卡尔曼滤波是一种对动态系统进行实时数据处理的有效方法，它最大的特点是能够剔除随机干扰噪声从而获取逼近真实情况的有用信息。但普通卡尔曼滤波无法对数据中的粗差进行有效探测和处理，然而在实际的观测过程中难免不会存在粗差，因此如何寻求一种能够有效抵抗粗差的卡尔曼滤波

6、来替代普通卡尔曼滤波，正是本文研究的重点。大量的理论和实践证明建立抗差卡尔曼滤波模型可以有效的减弱粗差的影响，研究利用抗差卡尔曼滤波对动态监测数据进行处理，减弱或消除粗差对监控数据的影响，提高数据处理的精度，为决策人员提供准确可靠的数据分析、决策并及时采取相应的安全措施应对可能存在变形带来的危险，具有一定的应用价值和现实意义。1．2国内外现状分析1．2．1高速铁路的定义对于“高速"的概念，不同的国家在不同的时代具有不同的定义，随着科学技术的不断进步而变化。从1964年日本建成世界上第一条时速210公里的高速客运专线后，法、德、西、意、韩

7、、中国台湾等国家和地区纷纷修建高速客运专线，设计速度从210km／h到270、300、350km／h。1985年5月欧洲经济委员会(ECE)对铁路最高运行速度的观点是：高速客运专线为300km／h，既有线提速改造为160～200km／h。国际铁路联盟(UIC)高速部在“速度320～350km／h的新线设计科技发展动态(第一部分)"(2001年10月25日版本)资料中的观点：新建高速铁路的速度目标值是320～350km／h[61。可见，对于“高速”的定义，随着科学技术的不断进步而得到刷新。1．2．2国外高速铁路发展概况日本、法国、德国是当

8、今世界高速铁路技术发展水平最高的三个国家。而高速铁路的实际应用发源于日本。1964年10月世界上出现了第一条高速铁路——日本东海道新干线，时速高达210km／h，此后，日本又连续修建了三条高速铁路线[41。