(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211164461.3 (22)申请日 2022.09.23 (71)申请人 中铁第四勘察设计院集团有限公司 地址 430063 湖北省武汉市武昌杨园和平 大道745号 申请人 武汉理工大 学 (72)发明人 李秋义　朱彬　张政　李启航　 张泽　肖祥　和中华　徐晓宇　 (74)专利代理 机构 北京汇泽知识产权代理有限 公司 11228 专利代理师 吴静 (51)Int.Cl. G01G 19/03(2006.01) G01M 1/12(2006.01) G06F 17/11(2006.01)G06F 17/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于车桥耦合效应的铁路桥梁动态称 重方法 (57)摘要 本发明提出一种基于车桥耦合效应的铁路 桥梁动态称重方法。 在时变的车桥系统中， 通过 建立以货车质量和偏心距为未知参数的扩展状 态空间模型， 提出了一种基于卡尔曼滤波理论的 货车质量识别方法， 进而提高了铁路桥梁货车的 称重效率。 权利要求书6页 说明书14页 附图4页 CN 115435882 A 2022.12.06 CN 115435882 A 1.一种基于车桥耦合效应的铁路桥梁动态称重方法， 其特 征在于， 包括： S100.设定货车称重检测所采用车辆的力学参数， 在桥梁上布设加速度传感器， 用于采 集车辆在线路上行驶时的桥梁振动加速度响应； 力学参数至少包括： 车体质量mc， 初始系数 β， 转向架质量mt， 转向架转动惯量Jt， 轮对质量mw， 偏载距离dc， 系悬挂刚度kct， 系悬挂阻尼 cct， 前、 后转向架重心 距离的一半L1和L2， 同一转向架两轮对重心 距离的一半Lt； S200.设货车第一个车轮刚上桥的时间为初 始时刻t0， 铁路货车第一个车轮刚离开桥的 时间为终止时刻tend， 离散时间步长 为Δt， 设k＝1； 在初始时刻t0时， 设定货车质量mc和货车 偏心距dc的初始值， 建立车桥系 统的刚度矩阵K、 阻尼矩阵C、 质量矩阵M以及荷载矩阵fs和 fr， 设车桥系统的扩展状态向量初始值 和协方差矩阵初始值 构建扩展状态空 间模型 的系数矩阵Φ'、 Θ'、 H'和Λ以及非线性关系f(.)和h(.)； S300.由 和 计算t＝(k ‑1)Δt时刻车桥系统扩展状态向量X的Sigma ‑Point集ξX 和过程噪声V的Sigma ‑Point集ξV， 并计算相应Sigma ‑Point集的权 重值； S400.由f(.)关系计算t＝kΔt时刻的扩展状态向量预测值 和协方差 并由向量 预测值 和协方差 通过h(.)关系计算 桥梁观测向量的预测值 和协方差 S500.基于预测的协方差矩阵 和 计算卡尔曼滤波增益矩阵Kk， 基于当前桥梁观测 向量实测值yk进行校正， 得到当前t＝kΔt时刻系统状态向量的最优估计 即可得到当前 时刻的货车质量 和货车偏心 距 S600.若当前时刻tk<tend， 重复S200 ‑S500， 直到t＞tend， 货车前轮离开梁段， 可以得到铁 路货车重量和偏心 距识别情况。 2.如权利要求1所述的一种基于车桥耦合效应的铁路桥梁动态称重方法， 其特征在于， S200中， 首先通过第一公式组建立车桥系统的动力方程， 作为后续识别的基础； 然后根据第 二公式组对车桥系统状态定义， 对系统状态空间方程进行离散化处理， 基于已经得到的M、 C、 K矩阵， 根据第三公式组求出系统状态方程的系数矩阵Φk,Θk,Hk,Λk， 根据第四公式组 车桥系统状态进行扩展定义， 并求出求出扩展系统状态方程的系数矩阵Φ'k,Θ'k,H'k, Λk。 3.如权利要求2所述的一种基于车桥耦合效应的铁路桥梁动态称重方法， 其特征在于， 建立车桥系统的动力方程的第一公式组为： 建立如下 车辆‑桥梁耦合系统的时变运动方程： 其中， M、 C和K分别表示车桥系统的质量矩阵、 阻尼矩阵和刚度矩阵， fs表示静轴载向量， fr表示轨道不平顺向量； 该运动方程可进一 步写成如下 形式：权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 115435882 A 2其中， Mvv、 Cvv、 Kvv表示铁路货 车的质量矩阵(待识别)、 阻尼矩阵与刚度矩阵； q、 分 别表示车桥系统的总自由度及其一阶与二阶导数； Kvb与Kbv表示车辆与轨道耦合的刚度矩 阵， Cvb与Cbv表示车辆与轨道耦合的阻尼矩阵； 与 分别表示车辆与轨道接触点处轨 道单元的形函数； pv表示车辆受到的荷载， pb表示下部桥梁所受到的荷载； 公式(2)系数矩阵 可由式(3)～(4)求得,车体的静轴重Wj和质量惯性矩Jc可表示为： Jc＝β mc+mcdc2               (4) 其中， j(j＝1～4)为车辆的第j轴； Wj,0为初始设计静轴重； β 为初始设计常数； g为重力 加速度； L1,L2,Lt分别表示前、 后转向架重心距车体中心的距离和同一转向架两轮对中心距 离， L1＝L2＝Lh。 4.如权利要求2所述的一种基于车桥耦合效应的铁路桥梁动态称重方法， 其特征在于， 对车桥系统状态定义的第二公式组为： 定义状态向量x是描述整个车桥系统状态的变量， 其具体形式为： 其中q表示车桥系统的总自由度， 表示其对应的一阶导数； 这一状态向量满足如下的 系统连续时间状态方程： 其中x(t)表示随时间变化的车桥系统状态向量， 表示其一阶导数， fs(t)表示静轴 重输入荷载向量， fr(t)表示轨道不平顺荷载向量， A(t)和B(t)是随时间变化的系 数矩阵， 其具体形 式为： 其中M、 C、 K分别表示车辆 ‑桥梁 系统的刚度 矩阵、 阻尼矩阵、 质量矩阵， I表 示单位矩阵； 这一连续时间状态方程可被转换为 离散时间状态方程， 再加上系统噪声Wk(E(WjWk)＝Πwδjk)有： xk＝Φk‑1xk‑1+Θk‑1(fs,k‑1+fr,k‑1)+Wk                (7) 其中xk表示当前时刻车桥系统状态向量， Φk‑1和Θk‑1表示上一时刻离散时间状态方程 中的系数矩阵。 5.如权利要求2所述的一种基于车桥耦合效应的铁路桥梁动态称重方法， 其特征在于， 求出系统状态方程的系数矩阵Φk,Θk,Hk,Λk的第三公式组为：权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 115435882 A 3