本發(fā)明同時涉及信號處理和軌道工程涉及橋梁結(jié)構(gòu)被動控制，特別涉及一種基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法。

背景技術(shù)：

1、鐵路路基作為鐵路軌道的基礎(chǔ)，其健康狀況對鐵路運(yùn)輸安全至關(guān)重要。然而，由于自然環(huán)境、交通荷載和材料老化等多種因素的影響，鐵路路基可能會出現(xiàn)各種病害，如不均勻沉降、翻漿冒泥、滑移病害等，這些病害若不及時發(fā)現(xiàn)和處理，將可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

2、目前，鐵路路基病害的檢測主要依賴于定期的人工巡檢或單一的檢測技術(shù)，這類方法存在以下局限性，首先，人工復(fù)檢效率低下，且受主觀因素影響較大，難以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。且檢測設(shè)備復(fù)雜，對檢測人員的技術(shù)素質(zhì)要求高，檢測效率低下；其次，單一檢測技術(shù)往往只能反映路基病害的某一方面特征，無法全面評估路基的健康狀況。此外，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)時監(jiān)測和早期預(yù)警方面也存在不足，難以實(shí)現(xiàn)對病害的快速響應(yīng)和處理。隨著信息技術(shù)和信號分析技術(shù)的發(fā)展，多源信息融合技術(shù)和基于譜圖理論的信號分析手段為鐵路路基病害的檢測提供了新的思路。多源信息融合技術(shù)能夠綜合多種信號源，通過數(shù)據(jù)層面的整合和特征層面的提取，實(shí)現(xiàn)對路基病害的全面、實(shí)時分析和準(zhǔn)確診斷。然而，如何有效地融合不同信息源，以及如何快速、準(zhǔn)確地從實(shí)時檢測的信號中診斷病害，仍然是目前亟待解決的技術(shù)難題。

3、本發(fā)明針對現(xiàn)有鐵路路基病害監(jiān)測技術(shù)中存在的檢測效率低、準(zhǔn)確性不足、實(shí)時性差的問題，提出了一種基于多源信息融合和譜圖理論的鐵路路基病害時頻域快速診斷方法。該方法利用時頻域分析技術(shù)將時域檢測信號轉(zhuǎn)換成時頻域內(nèi)的信號統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并基于置信指派函數(shù)、ds數(shù)據(jù)融合、譜圖理論形成病害譜圖庫，在此基礎(chǔ)上基于特性向量相關(guān)性對實(shí)時檢測信號進(jìn)行病害診斷，旨在提高鐵路路基病害檢測的效率、準(zhǔn)確性和實(shí)時性，為鐵路運(yùn)輸安全提供有力保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：提供一種基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，該方法首先采集多源信號融合技術(shù)將列車行駛過程中的車輛和路基不同位置處的加速度時程病害信號樣本進(jìn)行融合；然后，基于譜圖理論將融合后的病害特征向量在不同頻率尺度上進(jìn)行病害結(jié)構(gòu)分組，形成病害譜圖庫；最后，結(jié)合實(shí)時檢測的多源加速度信號、衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及病害譜庫、以及基于譜的特性向量相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)病害類型、程度、位置等的實(shí)時診斷和檢測；

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，該方法步驟如下：

3、步驟一：獲取典型鐵路路基病害信號；

4、在列車的車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、路基的軌道板、砂漿層、底座、基床表層設(shè)置加速度傳感器獲取行駛列車和路基的振動加速度典型病害信號(xi(t))；

5、步驟二：典型病害信號時頻域變換與病害特征向量的構(gòu)建；

6、對典型病害信號進(jìn)行基于自相關(guān)的信號清洗，從清洗后的典型病害信號中構(gòu)造信號的上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的均值，基于信號的雙極性和對稱性獲取其本征函數(shù)，然后分析其頻率特性，判斷其平穩(wěn)性。將平穩(wěn)和非平穩(wěn)本征函數(shù)分別相加，得到典型病害樣本信號的平穩(wěn)和非平穩(wěn)分量(ys(t)和yns(t))；

7、將得到的信號平穩(wěn)和非平穩(wěn)分量進(jìn)行傅里葉和小波變換，得到平穩(wěn)和非平穩(wěn)子信號的頻譜(ys(ω)和yns(ω))，基于平穩(wěn)和非平穩(wěn)子信號的時頻譜構(gòu)建基于倍頻、諧波和子波能量差的病害頻譜特征向量δy(ω)；

8、步驟三：病害樣本信號融合；

9、根據(jù)病害特征方程、信任指派函數(shù)、概率分配信任度、ds合成規(guī)則將得到的病害頻譜特征向量δy(ω)構(gòu)建融合病害信息；

10、步驟四：病害信號分組；

11、經(jīng)過信號融合后生成典型病害的概率分配信任度(mn(ai))，基于譜圖理論將融合后的病害特征向量δy(ω)在不同頻率尺度上進(jìn)行病害結(jié)構(gòu)分組，形成多類典型的鐵路路基病害幅頻特征譜圖，編號幅-頻特征譜圖和典型的鐵路路基病害類型；

12、步驟五：監(jiān)測信號的實(shí)時病害識別；

13、實(shí)時收集列車運(yùn)行過程中的車輛和路基加速度信號，重復(fù)步驟一至步驟三，基于譜的特性向量相關(guān)性判斷待測試的振動信號的缺陷類型，即將待測試的振動數(shù)據(jù)的頻譜特征向量與每類典型鐵路路基病害的譜圖共性特征向量進(jìn)行相關(guān)性分析，判斷所述頻譜特征向量是否在常見病害對應(yīng)的譜族之內(nèi)。若是，則認(rèn)為該信號對應(yīng)位置處的路基出現(xiàn)了此類典型病害。此時，根據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)記錄的位置信息給出該類病害出現(xiàn)的位置；若不是，則認(rèn)為該監(jiān)測信號對應(yīng)位置處的路基狀態(tài)正常。然后，不斷對剩余其它類型的病害特征譜圖進(jìn)行判斷；

14、步驟六：路基病害的人工復(fù)檢與修復(fù)；

15、將檢測結(jié)果實(shí)時反饋到可視化模塊和人工復(fù)檢系統(tǒng)，檢測人員針對病害警報(bào)位置進(jìn)行人工復(fù)檢，并根據(jù)病害的位置在三維模型中進(jìn)行定位，對病害所處的結(jié)構(gòu)部位、病害類型和病害程度進(jìn)行文字描述和圖片記錄.

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

17、1.利用多源信息融合技術(shù)融合來自車輛和路基不同位置的加速度時程信號，區(qū)別于傳統(tǒng)單一的數(shù)據(jù)源檢測手段，有效增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的空間多樣性，同時提供了一個全面的信號分析，增加了診斷的準(zhǔn)確性和魯棒性；

18、2.通過構(gòu)建基于倍頻、諧波和子波能量差的病害頻譜特征向量，本發(fā)明能夠更精確地表征病害的特征；

19、3.利用譜圖理論對病害特征向量進(jìn)行結(jié)構(gòu)分組，形成鐵路路基典型病害譜族，區(qū)別于已有基于時程信號檢測方法，本發(fā)明利用傅里葉變換和小波變換對信號進(jìn)行頻域和時頻域轉(zhuǎn)換，能夠快速捕捉到信號的時變特性，實(shí)現(xiàn)對鐵路路基病害的快速診斷；

20、4.結(jié)合生成的鐵路路基典型病害譜族和機(jī)器向量機(jī)進(jìn)行監(jiān)測信號的病害判斷，并基于衛(wèi)星定位信息進(jìn)行病害定位，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了自動化的病害類型、程度、位置的實(shí)時診斷和檢測，省去了繁冗復(fù)雜的人工巡檢工作，顯著提高了鐵路路基病害診斷效率。

技術(shù)特征：

1.一種基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，該方法是基于多源信息融合和譜圖理論的鐵路路基病害時頻域快速診斷方法，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征在于：所述的多源信息融合技術(shù)包括如下內(nèi)容：對采集的病害信號樣本進(jìn)行自相關(guān)重生成，式1所示，并以去除隨機(jī)振動信號成分的干擾，以突出病害信號成分；

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征為：所述重生成的信號采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對自相關(guān)重生成的信號進(jìn)行平穩(wěn)和非平穩(wěn)分解，以提取病害信號的特征；對重建信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到平穩(wěn)部分和非平穩(wěn)部分本征模態(tài)函數(shù)(imfs)：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征為：所述的平穩(wěn)信號ys(t)部分通過傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，而非平穩(wěn)信號yns(t)部分通過小波變換進(jìn)行時頻譜分析；基于穩(wěn)定信號成分的頻譜結(jié)果、非穩(wěn)定信號成分的頻譜時域統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及基準(zhǔn)偏差量構(gòu)建倍頻與諧波和子波能量差病害特征向量構(gòu)建病害特征向量δy(ω)：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征為：所述的病害特征向量δy(ω)獲取方法為：結(jié)合基本置信指派函數(shù)和ds數(shù)據(jù)融合技術(shù)對倍頻與諧波和子波能量差病害特征向量信息進(jìn)行多源信息融合。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征為：來自不同測點(diǎn)的信號根據(jù)如下病害特征方程進(jìn)行融合：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征為：根據(jù)新的概率分配信任度，將n個信息源的頻域統(tǒng)計(jì)參數(shù)用ds合成規(guī)則加權(quán)平均的證據(jù)單集進(jìn)行n-1次合成，從而構(gòu)建融合后的病害信息；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征為：利用譜圖理論將所述的病害頻譜特征和統(tǒng)計(jì)特征集進(jìn)行病害固有結(jié)構(gòu)分組，形成鐵路路基病害數(shù)據(jù)庫；

9.基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于權(quán)利要求1-8任一所述的基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，其特征在于，將列車運(yùn)行過程中的車輛和路基實(shí)時加速度信號頻譜特征參數(shù)與病害譜庫進(jìn)行譜的特性向量相關(guān)性分析，并生成病害診斷結(jié)論以判別路基是否存在病害及病害類別，同時結(jié)合北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和可視化模塊進(jìn)行病害類型和位置顯示，并實(shí)時反饋給人工巡檢系統(tǒng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于譜圖分析的鐵路路基病害快速診斷方法，同時涉及信號處理和軌道工程技術(shù)領(lǐng)域。所述方法首先利用安裝在車輛和路基不同位置處的加速度傳感器采集受典型路基病害影響的加速度信號樣本；其次，采用DS數(shù)據(jù)融合進(jìn)行多源信息融合；結(jié)合不同頻率尺度特征構(gòu)建病害特征向量，并利用譜圖理論形成鐵路路基病害譜圖；再后，將實(shí)時監(jiān)測的加速度信號進(jìn)行譜分析，并與病害譜庫對比判別路基病害。本發(fā)明的有益效果為：通過融合后的信號源可從不同角度和層面反映鐵路路基的健康狀況，克服了單一檢測手段的局限性，提高了病害檢測的全面性；利用譜圖理論和定位系統(tǒng)可精確評估病害程度和位置，顯著提高鐵路路基病害診斷的效率、有效降低監(jiān)測成本。

技術(shù)研發(fā)人員：李泰灃,鄧逆濤,程遠(yuǎn)水,劉振宇,郭瀏卉,王鵬程,張千里,陳鋒,閆宏業(yè),王立軍,姚建平,徐亮,謝康,朱忠林,王李陽,郭惠芹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9