专利摘要

本发明涉及一种轨道交通减振设备布置和参数优化的方法，所述布置和参数优化的方法包括：根据现场条件确定是否需要组合使用减振设备和减振后目标点的振动水平位置，获取隔振参数的优化范围带入到计算参数中，确定目标函数和约束条件；采用无导数优化方法对目标函数进行非连续优化，选择所需优化的参数以及定义土层参数和优化参数初值；设置最大迭代次数，输入上述的参数并调用有限元计算软件进行求解得到参数优化的结果。本发明所使用的有限元模型可以对包括隔振垫、钢弹簧浮置板等轨道系统隔振装置的模拟。针对具体的地层和建筑物条件，利用优化算法就可以实现对轨道隔振设备的参数设计。做到了因地制宜的轨道交通减振，增强减振设备的利用效率。

权利要求

1.一种轨道交通减振设备布置和参数优化的方法，其特征在于：所述布置和参数优化的方法包括：

S1、根据现场条件确定是否需要组合使用减振设备和减振后目标点的振动水平位置，获取隔振参数的优化范围带入到计算参数中，确定目标函数和约束条件；

S2、采用无导数优化方法对目标函数进行非连续优化，选择所需优化的参数以及定义土层参数和优化参数初值；

其中，对于目标函数非连续的优化问题，采用无导数优化方法Nelder-mead算法；

首先根据现场条件，确定模型宽度，主要指隧道埋深和隧道中心线距振动评价位置的水平距离；之后根据资料调查获取隧道参数和土层分层情况及各土层的参数，包括地层厚度、地层土动弹性模量、密度和泊松比；按照几何参数进行有限元建模而将材料参数赋予相应几何单元，然后对土层底部和远离隧道方向划分完美匹配层区域，并于边界上施加低反射边界条件，而后剖分网格；

输入希望优化的参数的初始条件，包括：模拟隔振垫、钢弹簧浮置板的轨道系统隔振装置的弹性模量和阻尼系数，隔振桩距离轨道中心线距离、直径、深度，以及材料参数，以及输入这些被优化参数的范围；

优化过程采用的是Nelder-mead算法，根据上一步已确定的参数范围，生成多个测试点，形成一个样本群，而后进入以下优化步骤：

优化步骤一：将此样本群中的各个向量的参数值赋予有限元模型中后计算各测试点的目标函数并排序，记为：f(X1)≤f(X2)...≤f(Xn+1)，并计算样本群质心X0,等于前n个X的平均值；

优化步骤二：计算反射点Xr＝X0+α(X0-Xn+1)，并计算测试点Xr目标函数值f(Xr)；

(a)若此情况下的目标函数优于样本群第二差的测试点，但劣于最好的测试点，则将用测试点Xr替换Xn+1形成新的样本群，回到优化步骤一进行计算f(X1)≤f(Xr)≤f(Xn)；

(b)若此情况下的目标函数优于样本群最好的测试点，那么在这一方向上延伸寻找，计算扩展点：Xe＝X0+γ(Xr-X0)；

若f(Xe)<f(Xr)，则用Xe替代Xn+1，并回到优化步骤一；否则，则用Xr替代Xn+1，并回到优化步骤一；

(c)若此情况下的Xr的目标函数值劣于样本群第二差的测试点Xn，则计算收缩点Xc＝X0+ρ(Xn+1-X0)；如果f(Xc)<f(Xn+1)，则用Xc替换Xn+1，并返回优化步骤一；

(d)若上述三种情况都不满足，则将除将X1以外的点全部按Xi＝X1+σ(Xi-X1)的方式替换，然后返回优化步骤一；

所 述优化参数初值包括定义隧道直径初值、定义隧道深度初值、定义隔振桩距离轨道中心线初值、定义隔振桩中心距初值、定义隔振垫刚度初值和定义隔振垫面积初值；

S3、设置最大迭代次数，输入上述的参数并调用有限元模型进行求解得到参数优化的结果。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通减振设备布置和参数优化的方法，其特征在于：所述选择所需优化的参数包括弹簧刚度、隔振桩直径、间距和深度；所述隔振参数的优化范围包括隔振桩距离轨道中心线距离优化范围、隔振桩直径优化范围、隔振桩深度优化范围、隔振垫弹性优化范围和隔振垫面积优化范围。

3.根据权利要求1所述的一种轨道交通减振设备布置和参数优化的方法，其特征在于：所述定义土层参数包括定义模型宽度，定义第一层、第二层、第三层以及第四层土层厚度、弹性模量、密度和泊松比，定义隧道直径和深度。

4.根据权利要求1所述的一种轨道交通减振设备布置和参数优化的方法，其特征在于：所述组合使用减振设备主要指在隧道内采用隔振垫或者钢弹簧浮置板与隔振桩的同时使用，当使用低频振动敏感的仪器设备或在建的建筑物距离轨道小于阈值时，则需要组合使用减振设备；当对已经完成建设的建筑物或没有施工条件的地区施工时，则不需要组合使用减振设备。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通安全技术领域，尤其涉及一种轨道交通减振设备布置和参数优化的方法。

背景技术

在当前的轨道交通减振实践中，一般把全部传递路径分为三个部分，即振源（主要包括车辆和轨道系统）、传递路径（主要指土体也包括隧道结构和建筑基础等）和敏感目标（主要指建筑物内的人和设备）；轨道交通的隔振技术基本原理是通过在接受体和振动源之间插入弹性元素，以降低经过弹性元素的振动能量，其隔振能力与震动系统的固有频率是密切相关的。

现有的轨道交通隔振技术主要包括浮置板轨道、减振扣件、隔振桩波阻块技术等等，属于以上技术的具体产品非常广泛，目前投入运营使用的有如GJ-III型减振扣件、钢弹簧浮置板轨道和周期性的混凝土隔振桩等。

在优化方法方面，现有针对轨道交通领域的优化方法主要集中于城市轨道交通网络线路规划、行车组织等方面的优化方法，目的是获得最优的运行效率；在国内轨道交通减振设备的布置方案上，一般都是通过预设工况，通过仿真计算或是经验公式等方法进行计算，如能达到减振目标水平，再对布置后的减振设备效果进行实测评估。

现有技术中公开有周期性排桩隔离减振设计的App，其为用户提供了四种排桩设计类型，分别为正方形排列的实心圆桩、空心管桩和六边形排列的实心圆桩、空心管桩；首先计算这四种排桩的衰减域，分析影响衰减域的参数并建立数值分析模型验证这四种排桩确实能够起到减振作用，然后，借助COMSOL采用Java语言编程实现排桩设计和模拟隔振效果。但是该App仅针对一类隔振设备的优化设计很难为工程决策人员提供不同减振设备的效果对比，不能实现两种以上隔振设备的组合减振效果的优化设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种轨道交通减振设备的布置和参数优化方法，考虑多种减振设备的布置方式和参数优化设计，以及两种以上的隔振设备组合使用优化设计。尤其是在使用轨道系统和建筑物中的隔振设备时，兼顾地层的振动过滤效应，从而实现减振设备效果的最大化。另外，在一些仅需使用低等级减振设备的地区，运用此优化方法则可以避免减振资源的浪费。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种轨道交通减振设备的布置和参数优化方法，所述布置和参数优化方法包括：

根据现场条件确定是否需要组合使用减振设备和减振后目标点的振动水平，获取隔振参数的优化范围带入到计算参数中，确定目标函数和约束条件；

采用无导数优化方法对目标函数进行非连续优化，选择所需优化的参数以及定义土层参数和优化参数初值；

设置最大迭代次数，输入上述的参数并调用有限元计算软件进行求解得到参数优化的结果。

进一步地，所述选择所需优化的参数包括弹簧刚度、隔振桩直径、间距和深度；所述隔振参数的优化范围包括隔振桩距离轨道中心线距离优化范围、隔振桩直径优化范围、隔振桩深度优化范围、隔振垫弹性优化范围和隔振垫面积优化范围。

进一步地，所述定义土层参数包括定义模型宽度，定义第一层、第二层、第三层以及第四层土层厚度、弹性模量、密度和泊松比，定义隧道直径和深度。

进一步地，所述优化参数初值包括定义隧道直径初值、定义隧道深度初值、定义隔振桩距离轨道中心线初值、定义隔振桩中心距初值、定义隔振垫刚度初值和定义隔振垫面积初值。

本发明具有以下优点：一种轨道交通减震设备的布置和参数优化方法，相比于周期性排桩隔振减振设计App，由于本发明可以实现的是自振源至振动接收体的计算，相比于单纯计算隔振桩的带隙特性来设计隔振桩的布置方式，本发明更加有效的针对了振动传递全部路径。同时，本发明所使用的有限元模型可以对包括隔振垫、钢弹簧浮置板等轨道系统隔振装置的模拟。针对具体的地层和建筑物条件，利用优化算法就可以实现对轨道隔振设备的参数设计。真正做到了因地制宜的轨道交通减振，增强减振设备的利用效率。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为轨道与减振设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种轨道交通减振设备的布置和参数优化方法，考虑多种减振设备的布置方式和参数优化设计，以及两种以上的隔振设备组合使用优化设计。尤其是在使用轨道系统和建筑物中的隔振设备时，兼顾地层的振动过滤效应，从而实现减振设备效果的最大化。另外，在一些仅需使用低等级减振设备的地区，运用此优化方法则可以避免减振资源的浪费；其具体包括以下内容：

S1、根据现场条件，确定是否需要组合使用减振设备，并确定减振后目标点振动水平，获取隔振参数的优化范围带入到计算参数中，确定约束条件和目标函数；

组合使用减振设备主要指在隧道内采用隔振垫或者钢弹簧浮置板与隔振桩的同时使用，通常是在具有较高减振需要的位置，如对低频振动敏感的仪器设备、在建的距离轨道很近位置的建筑物等；由于隔振桩的使用时需要打桩条件的，对已经完成建设的建筑物或没有施工条件的地区，不宜采用隔振桩隔振；在已经只针对环境振动评价要求，一般采用隔振垫或者钢弹簧浮置板。

如图2所示，图中隔振桩距离轨道中线的距离、桩径和深度等参数的可浮动范围，对应实际情况，比如距离地铁线路中心线6m内，不宜打桩因为其会影响地铁隧道的几何行位，较远的位置如30m以外则贴近建筑物也不能施工；故而优化隔振桩距离轨道中心线的距离的约束条件即为大于6m且小于30m，将其带入到相应的计算参数中，通过算法换算确定目标函数和约束条件。

目标函数一般为现场的振动敏感点位置的Z计权振级，其计算方法如下：

式中：

——计权加速度振级； ——第 j 个中心频率对应的权系数； ——第 j 个中心频率对应频带内的加速度有效值； ——加速度参考值，取10-6m/s2。

考虑到振动影响的方式和程度取决于频率成分，以及现有《人体全身振动环境的测量规范》中对不同方向、不同频率的振动规定了不同的计权系数，其中按垂直方向计权因子修正后的振级即为Z振级：

其中， ——Z计权振级，dB； ——第 i 个 1/3 倍频程频带的加速度振级，dB； ——第i 个 1/3 倍频程频带的计权系数，dB。

或者

S2、对于目标函数非连续的优化问题，采用无导数优化方法Nelder-mead算法；

首先根据现场调研情况，确定模型宽度，主要指隧道埋深和隧道中心线距振动评价位置的水平距离。之后根据资料调查获取隧道参数和土层分层情况及各土层的参数，包括地层厚度、地层土动弹性模量、密度和泊松比。按照几何参数进行有限元建模而将材料参数赋予相应几何单元，然后对土层底部和远离隧道方向划分完美匹配层区域，并于边界上施加低反射边界条件，而后剖分网格。

在有限元模型中，对包括隔振垫、钢弹簧浮置板等轨道系统隔振装置的模拟是通过在插入在轨道板与隧道结构间的弹性薄层实现的，隔振桩采用实体划分的几何区域，若使用隔振桩则才有混凝土参数对其定义，若不使用隔振桩则采用对应土体参数对其定义。

输入希望优化的参数的初始条件，包括：模拟隔振垫、钢弹簧浮置板等轨道系统隔振装置的弹性模量和阻尼系数，隔振桩距离轨道中心线距离、直径、深度，以及材料参数。进一步地输入这些被优化参数的范围，如对于轨道隔振设备，其弹性模量的最低值应能保证行车过程中，轨道吹向位移不大于3mm。对于隔振桩，其距隧道壁外侧水平距离不宜小于6m等等。

优化过程采用的是Nelder-mead算法，根据上一步已确定的参数范围，生成多个测试点，形成一个样本群。例如：当优化参数为多个时，第n个测试点Xn即为在参数范围的多个被优化参数值组成的向量。而后进入优化步骤

优化步骤一：将此样本群中的各个向量的参数值赋予有限元模型中后计算各测试点的目标函数并排序，记为：

接下来，计算样本群质心X0, 等于前n个X的平均值。

优化步骤二：

而后计算反射点Xr

计算测试点Xr目标函数值f(Xr)。

(a)若此情况下的目标函数优于样本群第二差的测试点，但劣于最好的测试点，则将用测试点Xr替换Xn+1形成新的样本群，回到优化步骤一进行计算。

(b)若此情况下的目标函数优于样本群最好的测试点，那么在这一方向上延伸寻找，计算扩展点：

若f(Xe)< f(Xr)，则用Xe替代Xn+1，并回到优化步骤一；否则，则用Xr替代Xn+1，并回到优化步骤一。

(c)若此情况下的Xr的目标函数值劣于样本群第二差的测试点Xn，则计算收缩点Xc：

如果f(Xc)< f(Xn+1)，则用Xc替换Xn+1，并返回步骤一；

(d)若上述三种情况都不满足，则将除将X1以外的点全部按以下方式替换:

然后返回第一步。

注：

上述优化过程每返回一次第一步视为一次迭代，直至达到最大迭代次数后寻得最优测试点视为本次参数优化的最优解。

S3、设置最大迭代次数，调用有限元模型进行求解即可得到参数优化的结果；其中，定义最大迭代次数为30000次。

在确定振动接受体位置后，确定采用周期性混凝土隔振桩；本发明分布对隔振桩距离轨道中中心线距离、隔振桩直径、隔振桩深度三个布置参数进行了优化；采用Nelder-Mead算法通过梯度优化方法，不断求救各个参数条件下的振动接受体的振级，在适当的范围内优选出合理的混凝土隔振桩布置参数，以此来知道减振设备生产则可以最大化减振设备的效果。

下表为优化后的结果:

表1

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

一种轨道交通减振设备布置和参数优化的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。