CN111071300B - 高速列车轨道交通故障安全监测预警***和信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列车轨道交通故障安全监测预警***和信号处理方法，将基于萨格奈克干涉的振动传感***与基于相干探测的相位敏感光时域反射振动检测***相结合，对转向架以及铁轨进行损伤监测。通过萨格奈克干涉仪对转向架进行振动监测，在铁轨外侧部署分布式光纤，使用相位敏感光时域反射振动检测***对铁轨进行振动监测；使用短时傅里叶变换进行时频分析，建立频谱特征数据库进行频谱分析，建立振动特征向量，使用相关向量积进行振动模式识别，实现对列车运行状态以及轨道安全健康损伤的监测预警。具有本质安全，信号测量精度高，可直接还原信号相位信息，可靠性高，实时性好，传感距离长，提前获取列车轨道交通危害预警信息等优点。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域以及列车轨道检测领域，具体为一种高速列车轨道交通故障安全监测预警***和信号处理方法。
背景技术
当前，国内外许多轨道交通工程都存在不同程度的安全隐患。列车和轨道的健康监测对人们的生命及财产安全有着至关重要的作用。随着轨道交通工程运行时间的增长以及列车长时间的运转，由于环境荷载的作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，位于列车底层负责支撑整个列车车体的转向架以及轨道交通中的轨道结构不可避免地会产生损伤积累和抗力衰减。若未及时发现和处理，损伤将会迅速扩展，一旦结构关键构件的损伤积累到一定程度，将导致整个结构的损坏，造成无法挽回的悲剧。因此，对列车底层转向架和轨道进行故障安全健康监测预警，是十分必要的。
传统的铁轨检测***代价昂贵，多为点式电学传感器，布设和维护困难，实时性差，局限性较大，故而急需一种可以对铁轨进行全分布式在线监测、对列车底层支撑结构和铁轨结构进行故障安全健康检测预警的***。目前在列车转向架上进行结构安全监测的均为电学点式传感器，若结构发生损伤无法第一时间获取信息；而目前最流行的基于直接探测的相位敏感光时域反射***同样由于其原理限制，只能实现对振动的简单定位，无法直接还原振动的相位信息，且传感距离较短，信噪比较差。此外，现有的相位敏感光时域振动传感***的布设方案都是利用铁路***现有铺设的通信光缆进行信号采集，由于其并不直接接触铁轨和路基，振动耦合到光纤上的效率也较低，影响了***对振动检测的灵敏度，从而影响对列车转向架与轨道损伤的高精度实时健康安全检测。
发明内容
本发明提供了一种高速列车轨道交通故障安全监测预警***和信号处理方法，其目的在于通过将基于萨格奈克干涉原理的振动检测***与基于相干光时域反射技术的振动检测***相结合，使用两种技术分别对列车底层的多个转向架以及轨道损伤健康状态进行安全预警监测；在远程监控中心的信号处理方法中，使用短时傅里叶变换进行时频分析，融合各数据进行频谱分析，分别建立它们的频谱特征库，进而建立起对应的振动特征向量，对相关向量机模式识别模型进行训练和特征提取，最终完成模式识别方案的构建，从而实现对列车运行状态以及轨道安全健康损伤的智能识别探测，达到监测和预警的作用。
本发明提供的技术方案为一种高速列车轨道交通故障安全监测预警***，通过在列车底层的多个转向架的构架平面两侧铺设分布式光纤，并进行耦合固定，实现对转向架构架两侧振动的直接探测，并将其连接在双光开关模块上，实现多个转向架的同步检测监控；在两条轨道的外侧直接布设光缆，并与铁轨进行强耦合固定，同时光缆另一端与光开关连接，实现多条铁轨的同步监控；该***包括：
列车转向架结构损伤健康监测子***部署在列车数字监控室，包括：萨格奈克干涉仪、双光开关模块、数据高速采集模块、第一数据显示装置、第一网络通信端口、列车转向架构架、列车转向架构架第一侧振动检测光纤环、列车转向架构架第二侧振动检测光纤环；萨格奈克干涉仪连接双光开关模块和数据高速采集模块，数据高速采集模块与第一数据显示装置和第一网络通信端口顺次连接；列车转向架构架第一侧振动检测光纤环和列车转向架构架第二侧振动检测光纤环分别固定安装于列车转向架构架的两侧，同时分别连接双光开关模块；
其中，萨格奈克干涉仪与双光开关模块连接用来检测铺设在转向架之上的多路光纤，所述数据高速采集模块用于将萨格奈克干涉仪采集的数据传输到第一数据显示装置进行显示，同时数据通过第一网络通信端口传输到远程监控中心使用信号处理方法进行数据处理和显示；
轨道结构损伤健康监测子***部署在铁路沿线的铁路轨道监控机房，包括：第二数据显示装置、第二网络通信端口、光开关、相干光时域反射仪、线路一铁轨第一外侧耦合光缆、线路一铁轨第二外侧耦合光缆、线路二铁轨第一外侧耦合光缆、线路二铁轨第二外侧耦合光缆；相干光时域反射仪与光开关和第二数据显示装置连接，第二网络通信端口连接第二数据显示装置，线路一铁轨第一外侧耦合光缆、线路一铁轨第二外侧耦合光缆、线路二铁轨第一外侧耦合光缆、线路二铁轨第二外侧耦合光缆分别耦合固定设置于对应铁轨外侧，并分别连接光开关；
相干光时域反射仪通过光开关进行多路切换实时监测多条铁轨健康损伤状态，所述第二数据显示装置与相干光时域反射仪连接，并与第二网络通信端口相连接，将采集的数据进行显示并传输到远程监控中心进行信号处理。
此外，本发明提供了一种高速列车及轨道交通故障安全监测预警信号处理方法，用于对前述技术方案所述的高速列车及轨道交通故障安全监测预警***发送至远程监控中心的数据信号进行信号分析与处理，包括如下处理步骤：
步骤一：远程监控中心分别接收来自列车转向架结构健康监测子***和轨道安全健康监测子***的各振动数据；
步骤二：通过窗函数及参数的设定对时域信号进行分割；
步骤三：通过傅里叶变换对时域信号进行时频转换，获得众多短时的频率信号；
步骤四：通过累加平均、寻峰算法进行降噪和信号提取，最终获得转向架和轨道振动的长时频域信号；
步骤五：根据长时频域信号，分别建立转向架和轨道的振动频谱特征库；
步骤六：融合各参数和两种振动特征库进行频谱分析，建立对应的振动特征向量；
步骤七：对相关向量机模式识别算法进行模型训练和特征提取，并确定算法的权重和相关向量等参数，完成相关向量机模式识别方案的构建；
步骤八：融合短时傅里叶变换时频分析和相关向量机进行模式识别，建立列车与轨道故障损伤模式识别方法模型，实现列车运行状态以及轨道安全健康损伤状态的智能监测预警。
本发明的一种高速列车及轨道交通故障安全监测预警***及信号处理方法，其优点和突出创新点如下：
一、结合了萨格奈克干涉原理和相干探测相位敏感光时域反射技术的优点，在列车上设计并部署列车转向架结构损伤健康监测子***，在铁路沿线的铁路轨道监控机房设计并部署轨道结构损伤健康监测子***；
二、设计了高速列车及轨道交通故障安全监测预警***的信号处理方法，融合短时傅里叶变换时频分析方法进行频率信号的高精度还原，以及机器学习算法相关向量机进行各种振动模式的分类和识别，最终实现对列车转向架和铁轨结构健康损伤状态的智能监测与预警；
三、两种传感器布设方式：在列车转向架的构架平面两侧布设并固定安装萨格奈克振动检测光纤环，实现对转向架健康状态的监测；在铁轨的两侧***铺设固定分布式光纤，并进行强耦合，增强轨道振动耦合到光纤中的效率，实现对铁轨损伤状态的监测。
附图说明
图1为本发明提供的一种高速列车轨道交通故障安全监测预警***的列车转向架结构损伤健康监测子***的结构示意图。
图2为本发明提供的一种高速列车轨道交通故障安全监测预警***的轨道结构损伤健康监测子***的结构示意图。
图3为本发明提供的一种高速列车轨道交通故障安全监测预警信号处理方法的流程示意图。
图中，1、萨格奈克干涉仪；2、双光开关模块；3、数据高速采集模块；4、第一数据显示装置；5、第一网络通信端口；6、列车转向架构架；7、列车转向架构架第一侧振动检测光纤环；8、列车转向架构架第二侧振动检测光纤环；9、第二数据显示装置；10、第二网络通信端口；11、光开关；12、相干光时域反射仪；13、线路一铁轨第一外侧耦合光缆；14、线路一铁轨第二外侧耦合光缆；15、线路二铁轨第一外侧耦合光缆；16、线路二铁轨第二外侧耦合光缆。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
下面结合附图1、附图2和附图3进一步说明本发明一种高速列车及轨道交通故障安全监测预警***的工作原理和具体的工作过程：
如图1和图2所示，本发明提供了一种高速列车轨道交通故障安全监测预警***。列车底部的转向架主要由构架、轮对、轴箱、悬挂装置驱动装置和基础制动装置组成，而构架作为转向架的安装骨架和支撑基础，其结构健康状态影响整个转向架的安全运行，因此通过在列车底层多个转向架的构架平面两侧铺设分布式光纤振动检测环，并进行耦合固定，实现对转向架构架两侧振动的直接探测，并将光纤环与双光开关模块连接，实现多个转向架的同步检测监控；在两条轨道的外侧直接布设光缆，并与铁轨进行强耦合固定，同时光缆另一端与光开关连接，实现多条铁轨的同步监控；该***包括：
列车转向架结构损伤健康监测子***部署在列车数字监控室，包括：萨格奈克干涉仪1、双光开关模块2、数据高速采集模块3、第一数据显示装置4、第一网络通信端口5、列车转向架构架6、列车转向架构架第一侧振动检测光纤环7、列车转向架构架第二侧振动检测光纤环8；萨格奈克干涉仪1连接双光开关模块2和数据高速采集模块3，数据高速采集模块3与第一数据显示装置4和第一网络通信端口5顺次连接；列车转向架构架第一侧振动检测光纤环7和列车转向架构架第二侧振动检测光纤环8分别固定安装于列车转向架构架6的两侧，同时分别连接双光开关模块2；
其中，萨格奈克干涉仪1与双光开关模块2连接用来检测铺设在转向架之上的多路光纤，所述数据高速采集模块3用于将萨格奈克干涉仪1采集的数据传输到第一数据显示装置4进行显示，同时数据通过第一网络通信端口5传输到远程监控中心使用信号处理方法进行数据处理和显示；
轨道结构损伤健康监测子***部署在铁路沿线的机房，包括：第二数据显示装置9、第二网络通信端口10、光开关11、相干光时域反射仪12、线路一铁轨第一外侧耦合光缆13、线路一铁轨第二外侧耦合光缆14、线路二铁轨第一外侧耦合光缆15、线路二铁轨第二外侧耦合光缆16；相干光时域反射仪12与光开关11和第二数据显示装置9连接，第二网络通信端口10连接第二数据显示装置9，线路一铁轨第一外侧耦合光缆13、线路一铁轨第二外侧耦合光缆14、线路二铁轨第一外侧耦合光缆15、线路二铁轨第二外侧耦合光缆16分别耦合固定设置于对应铁轨外侧，并分别连接光开关11；
相干光时域反射仪12通过光开关11进行多路切换实时监测多条铁轨健康损伤状态，所述第二数据显示装置9与相干光时域反射仪12连接，并与第二网络通信端口10相连接，将采集的数据进行显示并传输到远程监控中心进行信号处理。
在列车底层转向架构架6两侧按照附图1所示分别固定两个振动检测光纤环，即列车转向架构架第一侧振动检测光纤环7和列车转向架构架第二侧振动检测光纤环8，并将其强耦合使其完全贴合固定到构架上。列车在运转的过程中将转向架的振动信息通过探测光纤传输到双光开关模块2，再通过双光开关模块2传输到萨格奈克干涉仪1中进行振动信号解调，进一步的，萨格奈克干涉仪1将解调的振动信号通过数据高速采集模块3传输到第一数据显示装置4上，最后第一数据显示装置4与第一网络通信端口5连接，通过该设备将采集的振动信号传输到远程数字监控中心中进行进一步的数据处理。
在轨道***的铁轨外侧按照附图2所示分别布设分布式光纤，即将线路一铁轨第一外侧耦合光缆13、线路一铁轨第二外侧耦合光缆14、线路二铁轨第一外侧耦合光缆15、线路二铁轨第二外侧耦合光缆16分别耦合固定设置于对应铁轨外侧，然后光缆沿着铁路沿线延伸到铁路轨道监测机房中并与光开关11连接，光开关11连接相干光时域反射仪12，对数据进行初步解调，数据采集完成后将振动信号初步的解调结果传输到第二数据显示装置9，并通过连接第二网络通信端口10将解调仪初步解调的数据传输至远程监控中心进行进一步的数据处理。
如附图3所示为高速列车及轨道交通故障安全监测预警***的信号处理方法。该方法的步骤包括：
步骤一：远程监控中心分别接收来自列车转向架结构健康监测子***和轨道安全健康监测子***的各振动数据；
步骤二：通过窗函数及参数的设定对时域信号进行分割；
步骤三：通过傅里叶变换对时域信号进行时频转换，获得众多短时的频率信号；
步骤四：通过累加平均、寻峰算法进行降噪和信号提取，最终获得转向架和轨道振动的长时频域信号；
步骤五：根据长时频域信号，分别建立转向架和轨道的振动频谱特征库；
步骤六：融合各参数和两种振动特征库进行频谱分析，建立对应的振动特征向量；
步骤七：对相关向量机模式识别算法进行模型训练和特征提取，并确定算法的权重和相关向量等参数，完成相关向量机模式识别方案的构建；
步骤八：融合短时傅里叶变换时频分析和相关向量机进行模式识别，建立列车与轨道故障损伤模式识别方法模型，实现列车运行状态以及轨道安全健康损伤状态的智能监测预警。
该方法融合了短时傅里叶变换的时频分析方法和相关向量积模式识别方法，用于远程监控中心进行信号分析与处理。在该处理方法中，首先会分别接收来自列车转向架结构健康监测子***和轨道安全健康监测子***的各振动数据，通过窗函数及参数的设定对时域信号进行分割；然后，通过傅里叶变换对时域信号进行时频转换，获得众多短时的频谱信号；进而再通过累加平均、寻峰算法进行降噪和信号提取，最终获得转向架和轨道振动的长时频域信号。然后根据多数据融合频谱分析，获得转向架和铁轨在列车位于隧道内、隧道口、多山地区以及平原地区等各种位置状态下冲击铁轨发生强烈振动等各种模式下的振动频率特征，建立对应的振动特征向量，用于相关向量机模式识别算法的训练和识别，最终建立列车与轨道故障损伤状态模式识别方法模型，从而实现对列车运行状态以及轨道安全健康损伤状态的预警监测。
现有的相位敏感光时域振动传感***的布设方案都是利用铁路***现有铺设的通信光缆进行信号采集，由于其并不直接接触铁轨和路基，振动耦合到光纤上的效率很低，严重影响***的检测灵敏度。此外，现有的列车转向架检测装置均为点式电学传感器，无法实现结构健康损伤检测。
区别于现有的技术，本发明一种新型的高速列车及轨道交通故障安全监测预警***及其实施方法和信号处理方法，其优点和突出创新点如下：
一、结合了萨格奈克干涉原理和相干探测相位敏感光时域反射技术的优点，在列车上设计并部署列车转向架结构损伤健康监测子***，在铁路沿线的铁路轨道监控机房设计并部署轨道结构损伤健康监测子***；
二、设计了高速列车及轨道交通故障安全监测预警***的信号处理方法，融合短时傅里叶变换时频分析方法进行频率信号的高精度还原，以及机器学习算法相关向量机进行各种振动模式的识别，最终实现对列车转向架和铁轨结构健康损伤状态的智能监测与预警；
三、两种传感器布设方式：在列车转向架的构架平面两侧布设并固定安装萨格奈克振动检测光纤环，实现对转向架健康状态的监测；在铁轨的两侧***铺设固定分布式光纤，并进行强耦合，增强轨道振动耦合到光纤中的效率，实现对铁轨损伤状态的监测。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种高速列车轨道交通故障安全监测预警***，通过在列车底层的多个转向架的构架平面两侧铺设分布式光纤振动检测光纤环，并进行耦合固定，实现对转向架构架两侧振动的直接探测，并将其连接在双光开关模块上，实现多个转向架的同步检测监控；在两条轨道的外侧直接布设光缆，并与铁轨进行强耦合固定，同时光缆另一端与光开关连接，实现多条铁轨的同步监控；其特征在于，该***包括：列车转向架结构损伤健康监测子***部署在列车数字监控室，包括：萨格奈克干涉仪（1）、双光开关模块（2）、数据高速采集模块（3）、第一数据显示装置（4）、第一网络通信端口（5）、列车转向架构架（6）、列车转向架构架第一侧振动检测光纤环（7）、列车转向架构架第二侧振动检测光纤环（8）；萨格奈克干涉仪（1）连接双光开关模块（2）和数据高速采集模块（3），数据高速采集模块（3）与第一数据显示装置（4）和第一网络通信端口（5）顺次连接；列车转向架构架第一侧振动检测光纤环（7）和列车转向架构架第二侧振动检测光纤环（8）分别固定安装于列车转向架构架（6）的两侧，同时分别连接双光开关模块（2）；其中，萨格奈克干涉仪（1）与双光开关模块（2）连接用来检测铺设在转向架之上的多路光纤，所述数据高速采集模块（3）用于将萨格奈克干涉仪（1）采集的数据传输到第一数据显示装置（4）进行显示，同时数据通过第一网络通信端口（5）传输到远程监控中心使用信号处理方法进行数据处理和显示；轨道结构损伤健康监测子***部署在铁路沿线的铁路轨道监控机房，包括：第二数据显示装置（9）、第二网络通信端口（10）、光开关（11）、相干光时域反射仪（12）、线路一铁轨第一外侧耦合光缆（13）、线路一铁轨第二外侧耦合光缆（14）、线路二铁轨第一外侧耦合光缆（15）、线路二铁轨第二外侧耦合光缆（16）；相干光时域反射仪（12）与光开关（11）和第二数据显示装置（9）连接，第二网络通信端口（10）连接第二数据显示装置（9），线路一铁轨第一外侧耦合光缆（13）、线路一铁轨第二外侧耦合光缆（14）、线路二铁轨第一外侧耦合光缆（15）、线路二铁轨第二外侧耦合光缆（16）分别耦合固定设置于对应铁轨外侧，并分别连接光开关（11）；相干光时域反射仪（12）通过光开关（11）进行多路切换实时监测多条铁轨健康损伤状态，所述第二数据显示装置（9）与相干光时域反射仪（12）连接，并与第二网络通信端口（10）相连接，将采集的数据进行显示并传输到远程监控中心进行信号处理。
2.一种高速列车轨道交通故障安全监测预警信号处理方法，用于对权利要求1所述的高速列车及轨道交通故障安全监测预警***发送至远程监控中心的数据信号进行信号分析与处理，其特征在于，包括如下处理步骤：步骤一：远程监控中心分别接收来自列车转向架结构健康监测子***和轨道安全健康监测子***的各振动数据；步骤二：通过窗函数及参数的设定对时域信号进行分割；步骤三：通过傅里叶变换对时域信号进行时频转换，获得众多短时的频率信号；步骤四：通过累加平均、寻峰算法进行降噪和信号提取，最终获得转向架和轨道振动的长时频域信号；步骤五：根据长时频域信号，分别建立转向架和轨道的振动频谱特征库；步骤六：融合各参数和两种振动特征库进行频谱分析，建立对应的振动特征向量；步骤七：对相关向量机模式识别算法进行模型训练和特征提取，并确定算法的权重和相关向量等参数，完成相关向量机模式识别方案的构建；步骤八：融合短时傅里叶变换时频分析和相关向量机进行模式识别，建立列车与轨道故障损伤模式识别方法模型，实现列车运行状态以及轨道安全健康损伤状态的智能监测预警。
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