一种基于道床纹的地铁轨道结构健康状态监测方法及系统

本发明涉及结构健康状态，具体涉及一种基于道床纹的地铁轨道结构健康状态监测方法及系统。

背景技术：

1、随着城市轨道交通的飞速发展，地铁网络规模持续扩张，运营密度与列车运行频次不断提升。在长期高频次运营过程中，列车轮轨间的动态耦合作用及循环载荷对轨道结构形成持续激励，极易引发钢轨、轨枕、道床等核心部件产生累积性损伤与病害，具体表现为钢轨折断、波磨、磨耗超标，轨枕破损、扣件松动失效，以及道床板下脱空、不均匀沉降、道床开裂等典型结构性问题。此类病害会直接导致轮轨作用力分布异常、轨道整体稳定性大幅下降，不仅会加速轨道结构的老化劣化，更会形成运营安全隐患，严重威胁列车行车安全。当前，地铁轨道结构健康监测主要依托加速度、位移、压电等电学类传感器开展。然而传统电学传感器受自身物理特性限制，输出信号极易受电磁干扰、环境温度漂移及电源电压波动等因素影响，不可避免地产生信号畸变、测量精度衰减等问题，难以保障监测数据的可靠性；同时，人工巡检作为辅助监测手段，不仅存在效率低、人力成本高的弊端，更在隧道封闭、光线不足等复杂运营环境下，难以对轨道结构的细微损伤、隐性病害实现精准识别与量化评估，无法满足轨道交通精细化运维的需求。

2、连续光栅阵列振动感知技术凭借其分布式、大范围、高灵敏度及强抗电磁干扰的技术优势，为解决地铁轨道监测的上述痛点提供了有效途径。但在现有技术应用中，该技术多被用于车流统计、交通调度等场景，仅侧重提取列车位置、运行速度等车辆动态信息，未能针对地铁轨道结构的振动响应特性进行深度挖掘与分析，因而无法及时发现道床脱空、不均匀沉降、钢轨破损等病害健康问题。

3、因此，亟需提供一种地铁隧道的洞壁健康状态监测方法及系统，能够实现对地铁轨道结构健康状态的动态评估，从而为隧道安全运营提供可靠的监测依据。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种基于道床纹的地铁轨道结构健康状态监测方法及系统，用以解决现有技术中存在的无法及时发现道床脱空、不均匀沉降、钢轨破损等病害的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种基于道床纹的地铁轨道结构健康状态监测方法，包括：

3、基于光纤振动传感网络获取多趟地铁列车运行激励下地铁轨道的多个振动响应信号；

4、将所述振动响应信号分解为低频段、中频段、高频段的多频段信号，并分别提取各频段信号的多维振动统计特征值；

5、对所述光纤振动传感网络的各测点、各频段和各维振动统计特征值，将所述多个振动响应信号的振动统计特征值的中位数作为基准特征值，并将所述基准特征值按里程顺序连接，构建多条基准动态道床纹；

6、基于所述光纤振动传感网络获取实时振动响应信号，并提取所述实时振动响应信号的实时特征值，计算所述实时特征值和各条所述基准动态道床纹在各测点处的道床纹比值；

7、基于所需监测的病害类型确定所述多条基准动态道床纹中的目标基准道床纹和目标道床纹比值；

8、基于所述目标道床纹比值和基于所述实时特征值构建的实时曲线的曲线形态特征确定所述地铁轨道的实际病害类型和病害里程区间。

9、在一种可能的实现方式中，所述低频段的频率范围为0.5hz-5hz，所述中频段的频率范围为5hz-50hz，所述高频段的频率范围为50hz-100hz。

10、在一种可能的实现方式中，所述多维振动统计特征值包括振动响应强度值、振动离散程度值和振动波动程度值；

11、所述振动响应强度值为：

12、；

13、所述振动离散程度值为：

14、；

15、所述振动波动程度值为：

16、；

17、式中，为振动响应强度值；为第i个测点的振动响应幅值；| |为绝对值运算符；为测点的总个数；为振动离散程度值；为振动波动程度值；、分别为所有测点中的最大振动响应幅值和最小振动响应幅值。

18、在一种可能的实现方式中，所述多条基准动态道床纹包括：低频段振动响应强度基准、低频段振动离散程度基准、低频段振动波动程度基准；中频段振动响应强度基准、中频段振动离散程度基准、中频段振动波动程度基准；高频段振动响应强度基准、高频段振动离散程度基准、高频段振动波动程度基准。

19、在一种可能的实现方式中，所述病害类型包括钢轨折断、扣件松动、道床板下脱空、道床不均匀沉降；

20、对于钢轨折断或扣件松动，所述目标基准道床纹为高频段振动波动程度基准；

21、对于道床板下脱空，所述目标基准道床纹为中频段振动响应强度基准；

22、对于道床不均匀沉降，所述目标基准道床纹为低频段振动离散程度基准。

23、在一种可能的实现方式中，所述基于所述目标道床纹比值和基于所述实时特征值构建的实时曲线的曲线形态特征确定所述地铁轨道的实际病害类型，包括：

24、当所述目标基准道床纹为高频段振动波动程度基准、高频段振动响应强度基准、高频段振动离散程度基准时，判断高频段振动波动程度实时曲线、高频段振动响应强度实时曲线和高频段振动离散程度曲线是否均存在陡升陡降尖峰，若存在，则判定地铁隧道存在钢轨折断或扣件松动；所述陡升陡降尖峰指的是目标道床纹比值在连续1-2个测点大于第一阈值，且与大于第一阈值的测点相邻的测点的目标道床纹比值在[0.9，1.1]范围内；

25、当所述目标基准道床纹为中频段振动波动程度基准、中频段振动响应强度基准、中频段振动离散程度基准时，判断中频段振动波动程度实时曲线、中频段振动响应强度实时曲线和中频段振动离散程度曲线是否均存在陡升缓降隆起，若存在，则判定地铁隧道存在道床板下脱空；所述陡升缓降隆起指的是目标道床纹比值在10-15个测点大于第二阈值，且所述实时曲线上升段的斜率大于所述实时曲线下降段的斜率，所述实时曲线下降段的斜率小于第一斜率阈值；

26、当所述目标基准道床纹为低频段振动波动程度基准、低频段振动响应强度基准、低频段振动离散程度基准时，判断低频段振动波动程度实时曲线、低频段振动响应强度实时曲线和低频段振动离散程度曲线是否均存在缓升缓降山丘，若存在，则判定地铁隧道存在道床不均匀沉降；所述缓升缓降山丘指的是目标道床纹比值在大于或等于20个测点大于第三阈值，且所述实时曲线段上升段的斜率和所述实时曲线段下降段的斜率均小于第二斜率阈值；

27、其中，所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值大于所述第三阈值。

28、在一种可能的实现方式中，所述第一阈值为2.0，所述第二阈值为1.5，所述第三阈值为1.3。

29、在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

30、基于所述光纤振动传感网络连续采集多趟列车的多个实时振动响应信号，并获得所述多个实时振动响应信号对应的多个病害识别结果；所述病害识别结果包括病害类型和病害区间；

31、当所述多个病害识别结果中存在至少两个病害识别结果一致，则确定存在结构病害并输出报警。

32、在一种可能的实现方式中，在基于光纤振动传感网络获取多趟地铁列车运行激励下地铁轨道的多个振动响应信号之后，还包括：

33、采用滑动时间窗方法截取所述振动响应信号，获得多个信号段；

34、获取各所述信号段的信号能量和时间长度，基于所述信号能量和时间长度剔除无效信号段，获得有效振动响应信号。

35、第二方面，本发明还提供了一种基于道床纹的地铁轨道结构健康状态监测系统，包括：

36、振动响应信号获取单元，用于基于光纤振动传感网络获取多趟地铁列车运行激励下地铁轨道的多个振动响应信号；

37、分频和特征提取单元，用于将所述振动响应信号分解为低频段、中频段、高频段的多频段信号，并分别提取各频段信号的多维振动统计特征值；

38、基准动态道床纹构建单元，用于对所述光纤振动传感网络的各测点、各频段和各维振动统计特征值，将所述多个振动响应信号的振动统计特征值的中位数作为基准特征值，并将所述基准特征值按里程顺序连接，构建多条基准动态道床纹；

39、道床纹比值计算单元，用于基于所述光纤振动传感网络获取实时振动响应信号，并提取所述实时振动响应信号的实时特征值，计算所述实时特征值和各条所述基准动态道床纹在各测点处的道床纹比值；

40、筛选单元，用于基于所需监测的病害类型确定所述多条基准动态道床纹中的目标基准道床纹和目标道床纹比值；

41、病害监测单元，用于基于所述目标道床纹比值和基于所述实时特征值构建的实时曲线的曲线形态特征确定所述地铁轨道的实际病害类型和病害里程区间。

42、本发明的有益效果是：本发明提供的基于道床纹的地铁轨道结构健康状态监测方法，基于光纤振动传感网络获取多个振动响应信号，充分发挥了光纤振动传感网络分布式、长距离监测的技术优势，为后续多频段分解与多维统计特征提取提供了全面、精准的原始数据支撑，克服了传统点式监测数据稀疏、人工巡检效率低下的缺陷。在这一基础上，将振动响应信号分解为低频段、中频段、高频段，并分别提取振动响应强度、振动离散程度、振动波动程度等多维统计特征值；通过对每个测点、每个频段、每个统计特征值取多趟列车的中位数构建多条基准动态道床纹，有效抵消了列车车速、载荷波动等偶然因素的影响。当实时动态道床纹与基准道床纹出现偏差时，可直接反映轨道结构状态变化，实现了对轨道健康状态的精准感知与全域覆盖监测。

43、进一步地，本发明根据所需监测的病害类型预先确定对应的目标基准道床纹，并计算道床纹比值，结合实时曲线的形态特征进行综合判定，充分利用了不同病害在多频段、多维特征上的差异化响应规律，实现了轨道典型病害的精准识别与病害里程区间的准确定位，为运营维护提供了清晰、可靠的判定依据。