一种高铁曲线段连续斜裂纹的诊断方法及装置与流程

本说明书实施例涉及高铁轨道病害检测，尤其涉及一种高铁曲线段连续斜裂纹的诊断方法及装置。

背景技术：

1、随着高铁运营里程持续增长、列车运行密度不断提升，钢轨在长期高频次轮轨动力作用下易产生各类伤损。其中高铁曲线段钢轨因承受较大的轮轨侧向作用力，斜裂纹类短波病害高发且多呈连续分布特征；早期斜裂纹隐蔽性强，外观难以直接识别。

2、目前，基于轴箱加速度信号的轨道冲击指数检测方法，无需在轨额外布设检测设备，可随运营列车实现常态化线路普查，是当前钢轨短波病害大范围筛查的主流技术手段。该类方法的通用实现逻辑为：先对采集的轴箱加速度信号进行固定频段的带通滤波处理，再基于滤波后信号的时域能量计算轨道冲击指数，通过指数大小判定钢轨伤损的严重程度。

3、然而，现有轨道冲击指数检测方法应用于高铁曲线段斜裂纹诊断时，存在显著的技术缺陷：其一，早期隐蔽斜裂纹漏检率居高不下；其二，难以实现精准的区段化损伤程度评估，易出现区段边界处病害特征被割裂、评估结果偏差较大的问题；其三，无法有效分离钢轨伤损引发的冲击成分与车辆自身振动、轨道随机不平顺等背景振动分量，信号信噪比低，轻微冲击特征易被背景噪声淹没，诊断准确性不足。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本说明书实施例提供了一种高铁曲线段连续斜裂纹的诊断方法及装置。

2、本说明书实施例的具体技术方案如下：

3、一方面，本说明书实施例提供了一种高铁曲线段连续斜裂纹的诊断方法，所述方法包括：

4、获取待分析高铁线路的轴箱加速度信号；

5、对所述轴箱加速度信号进行模态分解处理，得到多个冲击成分的精细化时频表示；

6、基于各冲击成分的时频表示计算得到各冲击成分对应的时频边际谱；

7、将待分析线路划分为多个线路区段，基于各冲击成分的时频边际谱，计算得到每个线路区段对应的区段轨道冲击指数；

8、根据线路台账定位所述多个线路区段中的曲线区段，将所述曲线区段对应的区段轨道冲击指数与预设诊断阈值进行比对，若所述曲线区段的区段轨道冲击指数大于等于所述预设诊断阈值，则判定所述曲线区段存在连续斜裂纹。

9、进一步地，对所述轴箱加速度信号进行模态分解处理，得到多个冲击成分的精细化时频表示，包括：

10、预设时频变换窗长、固定带宽、模态分解终止能量阈值以及冲击成分判定的最小峭度系数阈值；

11、采用三阶b样条函数作为窗函数，依据所述时频变换窗长确定窗函数的窗口长度，对所述轴箱加速度信号进行短时傅里叶变换，得到初始时频表示，将其作为首次迭代的残余时频表示；

12、迭代执行以下冲击成分提取操作：

13、从当前残余时频表示中定位能量最高的冲击成分的时频脊线；以所述时频脊线为中心，按照所述固定带宽圈定该冲击成分的时频能量范围；基于该时频能量范围内的时频数据计算得到该冲击成分对应的时域模态信号；将该时域模态信号从当前残余信号中剔除，更新残余时频表示；

14、当满足预设终止条件时停止迭代，所述预设终止条件包括：当前残余信号能量占原始轴箱加速度信号总能量的比例小于所述模态分解终止能量阈值，或下一个待提取的冲击成分对应解析信号的峭度系数小于所述最小峭度系数阈值；

15、将各已提取的各冲击成分的时频能量分别压缩至对应时频脊线，得到各冲击成分的精细化时频表示。

16、进一步地，基于该时频能量范围内的时频数据计算得到该冲击成分对应的时域模态信号的公式为：

17、

18、其中，为第

m个冲击成分在时刻的时域模态信号，表示取实部运算，为窗函数在时刻零点处的归一化幅值，为第

m个冲击成分在时刻、频率为处的时频数据，为频率轴上的全部离散频点，为频率分辨率；

19、时刻的取值区间为，其中，为第

m个冲击成分的时频脊线在频率对应的时间点，为第

m个冲击成分在频率处的所述固定带宽中的上带宽，为第

m个冲击成分在频率处的所述固定带宽中的下带宽。

20、进一步地，当前残余信号能量占原始轴箱加速度信号总能量的比例小于所述模态分解终止能量阈值的判断公式为：

21、

22、所述解析信号的计算公式为：

23、

24、下一个待提取的冲击成分对应解析信号的峭度系数小于所述最小峭度系数阈值的判断公式为：

25、

26、其中，为时刻的第

m次迭代后的残余信号，由时刻的第

m-1次迭代后的残余信号减去时刻的第

m次迭代提取的时域模态信号得到，表示信号的二阶范数平方，对应信号的总能量，为时刻的轴箱加速度信号，为模态分解终止能量阈值，为时刻的第

m+1次迭代对应的残余信号的解析信号，为虚数单位，为希尔伯特变换运算，为对复数取模值的运算，为解析信号的峭度系数，为信号的离散采样点总数量，为信号的全部离散时间采样点，为第

m+1次迭代对应的各时刻的残余信号的解析信号的均值，为最小峭度系数阈值。

27、进一步地，基于各冲击成分的时频表示计算得到各冲击成分对应的时频边际谱的公式为：

28、

29、其中，为第

s个冲击成分在第

i个离散时间采样点对应的时频边际谱，为第

s个冲击成分在第

i个离散时间采样点、第

j个离散频率点对应的时频能量值，

n为频率轴的离散频点总数量，为第

i个离散时间采样点，是第

j个离散频率点。

30、进一步地，计算得到每个线路区段对应的区段轨道冲击指数的公式为：

31、

32、

33、

34、其中，为第个线路区段对应的区段轨道冲击指数，为第个线路区段内所有冲击成分的时频边际谱总能量的平方根值，为待分析高铁线路的全线范围内冲击成分的平均时频边际谱能量的平方根值，为第

s个冲击成分在第

i个离散时间采样点对应的时频边际谱值，为待分析高铁线路的全线范围内分解得到的冲击成分总数量，

l为待分析高铁线路的全线范围内轴箱加速度信号的离散采样点总数量。

35、进一步地，将待分析线路划分为多个线路区段，包括：

36、沿所述待分析线路的里程方向，以预设区段长度作为窗口宽度、以预设重叠率对应的里程距离作为滑动步长，执行滑动窗口划分，得到所述多个线路区段。

37、另一方面，本说明书实施例还提供了一种高铁曲线段连续斜裂纹的诊断装置，所述装置包括：

38、信号获取单元，用于获取待分析高铁线路的轴箱加速度信号；

39、模态分解单元，用于对所述轴箱加速度信号进行模态分解处理，得到多个冲击成分的精细化时频表示；

40、时频边际谱计算单元，用于基于各冲击成分的时频表示计算得到各冲击成分对应的时频边际谱；

41、冲击指数计算单元，用于将待分析线路划分为多个线路区段，基于各冲击成分的时频边际谱，计算得到每个线路区段对应的区段轨道冲击指数；

42、连续斜裂纹诊断单元，用于根据线路台账定位所述多个线路区段中的曲线区段，将所述曲线区段对应的区段轨道冲击指数与预设诊断阈值进行比对，若所述曲线区段的区段轨道冲击指数大于等于所述预设诊断阈值，则判定所述曲线区段存在连续斜裂纹。

43、另一方面，本说明书实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述方法。

44、另一方面，本说明书实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。

45、另一方面，本说明书实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。

46、本说明书实施例的方法至少具有如下技术效果：

47、采用模态分解处理从轴箱加速度信号中直接提取冲击成分的精细化时频表示，无需依赖固定频段带通滤波，可完整保留斜裂纹激发的全频段冲击特征，有效避免早期高频冲击分量被滤除，提升了曲线段早期隐蔽斜裂纹的检出率。

48、基于冲击成分的时频边际谱计算区段轨道冲击指数，仅针对钢轨伤损对应的冲击能量进行统计，剔除了背景振动分量的干扰，提高了冲击指数的信噪比与诊断准确性。

49、采用区段化评价方式，将线路划分为若干评价区段计算对应冲击指数，适配曲线段斜裂纹连续分布的病害特征，可实现对连续斜裂纹损伤程度的区段化量化评估，更贴合现场运维的区段化检修需求。

50、结合线路台账定位曲线区段并针对性开展阈值比对诊断，聚焦高铁曲线段这一斜裂纹高发场景，诊断针对性强，可有效降低非曲线区段正常振动对诊断结果的干扰，进一步提升诊断结果的可靠性。