[發明專利]高鐵鋼軌傷損在線監測方法

在審

• 申請號: 201510016569.1
• 申請日: 2015-01-10
• 公開（公告）號: CN104634872A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 馬立勇;陳玉敏;孫明健;馮乃章;王勝利
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學(威海)
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/44
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明涉及高鐵鋼軌傷損檢測領域，尤其涉及一種高鐵鋼軌傷損在線監測方法。

背景技術

隨著科技的進步，高鐵運輸技術也得到了快速發展。高鐵一方面增強了輸送能力，其低能耗和低污染的特點可以減少資源的浪費和降低對環境的破壞，另一方面高速鐵路網絡的建立，帶動了相關產業的發展，將區域內的城市緊密聯系，促進經濟的發展和文化的交流。同時高速鐵路的發展也對安全運營提出了嚴峻的挑戰。不考慮人為的因素，影響高速鐵路正常運行的主要因素是列車車輛和鋼軌的健康狀況。對于車輛的安全性，通過完備的自動控制系統可以對其健康狀況進行實時的監測；而對于軌道的安全性，則還沒有成熟有效的技術能夠實現對鋼軌的在線監測。事實上，鋼軌傷損是鐵路運輸出現安全事故的最主要原因。鋼軌傷損的類別很多，常見的傷損類型有：核傷、縱向裂紋、水平裂紋、焊接接頭、軌面擦傷和剝離傷損等^[4]。特別地，車速的提高將伴隨著強烈的沖擊、摩擦和擠壓，將對鋼軌的健康狀況造成更大的影響。因此發展快速、準確的鋼軌探傷技術對于高鐵的安全運行至關重要。

超聲波技術很早就被應用到鋼軌傷損的檢測，包括基于傳統超聲技術的小型探傷儀和大型探傷車，超聲檢測技術容易受到鋼軌表面的粗糙度以及清潔程度的影響，其探測速度也受到很大的限制，無法適應高鐵的傷損檢測速度要求。基于超聲導波技術的鋼軌檢測法通過低頻率和長波長的超聲波來檢測軌道傷損，能實現大范圍的快速檢測，有實現對整個軌道檢測的潛力，但是只有當傷損發展到一定程度才能有效檢測，即對微小的傷損效果不明顯。基于電磁超聲技術的鋼軌檢測法通過電磁效應車產生超聲波來檢測鋼軌傷損，速度快，重復性好，但是容易引入噪聲，且超聲轉換效率低。其他渦電流檢測技術、圖像技術等方法也都存在著成本高昂和不能對整個軌道的傷損準確檢出的問題。可見，目前已有方法無法滿足高鐵鋼軌傷損檢測的速度和準確性的要求。

發明內容

針對目前已有的鋼軌傷損檢測方法存在的檢測速度低和準確性差的問題，本發明的基本思路是在高速鐵路軌道沿線，按一定的距離安裝加速度傳感器，采集鋼軌的振動信號，并構成傳感器網絡；接著利用傳感器節點的處理器對信號是否存在傷損進行判斷，若存在傷損，則傷損的信號將通過傳感器網絡送到信息中心，其中對傷損進行判斷的方法是基于稀疏非負矩陣分解方法和支持向量機的。

在現實世界里，很多數據都是非負的，而只有當數據非負時，隱藏的相應成分才具有實際意義。傳統的統計分析方法在分析結果中可能出現負值，無法從物理或生理的角度來解釋結果。因此，在信號處理中，尋找一種在精確度和解釋度兩個目標上都能達到很好效果的方法具有重要的意義。事實上，當數據潛在的成分有很好的物理解釋時，在分解中引入非負性的限制條件是適當而且必要的。在非負矩陣分解中，其分解過程中只存在加性運算，不存在減性運算，這就能夠保證在整個分解過程中不出現負值。因此，非負矩陣分解方法具有同時實現很高精確度和很好的解釋度的潛力。本發明采用非負矩陣分解方法進行振動信號的特征提取。

奇異值分解是一種將相關變量轉變為一組能夠更好表達變量關系的不相關變量，同時，可以對數據點中變化最大的量進行識別和排序。本發明采用奇異值分解的方法進行非負矩陣的初始化。

本發明提供一種高鐵鋼軌傷損在線監測方法，在高速鐵路軌道沿線，按一定的距離安裝加速度傳感器，采集鋼軌的振動信號，并構成傳感器網絡；接著利用傳感器節點的處理器對是否存在傷損進行判斷，若存在傷損，則傷損的信號將通過傳感器網絡送到信息中心或者探傷車進行報警和進一步的處理，其特征在于：其中對傷損進行判斷的方法是按照下面的步驟完成的：

(1)首先采集不同鋼軌傷損類型的振動信號和無傷損的振動信號，并對振動信號進行低通濾波，得到維數為n×p的訓練數據集V^train，記為樣本標簽對應有傷損和無傷損分別設置成1和0；

(2)對訓練數據集進行稀疏非負矩陣分解，得到