本發(fā)明涉及鋼軌檢測，特別是涉及基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測設備及方法。

背景技術：

1、近年來，我國軌道交通得到了飛速發(fā)展，但同時也面臨著諸多工程難題。規(guī)模龐大的軌道交通網絡對運行安全性以及高效性提出了迫切的需求。軌道是列車安全平穩(wěn)行駛的基礎，也是維護保養(yǎng)的重點對象。作為軌道系統(tǒng)的重要部件，鋼軌直接承載著列車運行時的所有載荷。焊縫處焊接質量不佳會導致鋼軌出現(xiàn)幾何形態(tài)上的不平順，在車輪的不斷沖擊作用下，鋼軌磨耗和接觸疲勞加劇，焊縫處不平順劣化。鋼軌焊接接頭病害會惡化輪軌接觸關系，極大地加劇輪軌動態(tài)相互作用，導致扣件松動、輪軌疲勞破壞、輪軌系統(tǒng)振動噪聲等一系列問題。輕微的鋼軌病害如果沒有得到及時地治理可能會快速發(fā)展到一定程度并危害軌道系統(tǒng)的安全性。嚴重的鋼軌病害會導致列車軌道系統(tǒng)產生強烈的振動和噪聲，縮短列車和軌道相關零部件的安全使用壽命，使列車運行安全性、舒適性及穩(wěn)定性下降。因此，鋼軌表面狀態(tài)的控制對列車安全和運營舒適性至關重要。

2、隨著我國軌道交通路網規(guī)模的不斷擴大，運營時間的增加和運行速度的提高，現(xiàn)場運營實踐中軌道病害問題逐漸出現(xiàn)，鐵路的保養(yǎng)維護任務也越來越重。其中，鋼軌健康狀態(tài)的監(jiān)測是維保工作中的關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)上，鋼軌病害檢測和監(jiān)測主要依靠人工巡檢，這種方式效率不高、勞動強度大，且與目前軌道交通行業(yè)自動化、智能化的發(fā)展趨勢相悖。目前，針對軌道交通鋼軌病害智能監(jiān)測的研究還相對較少，為有效解決軌道交通系統(tǒng)中鋼軌焊接接頭病害的智能監(jiān)測問題，亟需開展相關的設備與方法研究。鋼軌狀態(tài)智能監(jiān)測技術依賴于各種軌檢數(shù)據(jù)，不同種類的數(shù)據(jù)各有特點。列車軸箱振動加速度能夠反映全線軌道狀態(tài)，而鋼軌振動加速度則能直接反映鋼軌病害的影響?？梢娙绻軌蚪⑤S箱振動加速度和鋼軌振動加速度的關聯(lián)關系，提取出對應鋼軌病害的列車軸箱振動加速度信號特征，將大大提升鋼軌病害檢測的便捷性和高效性。

3、為此，如何提出基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測設備及方法，能夠用于解決鋼軌焊接接頭病害的便捷、高效、智能檢測問題，提高軌道維護效率，有力保障軌道結構安全是本領域技術人員亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測設備及方法，旨在解決上述傳統(tǒng)鋼軌焊接接頭病害檢測人工勞動強度大且效率低的技術問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、本發(fā)明一個方面提供了基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測設備，包括軌道和運行在所述軌道上的列車，軌道包括鋼軌組件和軌枕，所述鋼軌組件包括多根依次焊接相連的鋼軌；還包括：

4、鋼軌病害信息采集組件一，所述鋼軌病害信息采集組件一包括振動檢測組件一，所述振動檢測組件一安裝在存在焊接接頭病害的鋼軌上以采集獲得對應焊接接頭病害位置的鋼軌振動數(shù)據(jù)；

5、鋼軌病害信息采集組件二，所述鋼軌病害信息采集組件二包括振動檢測組件二和列車位置檢測組件；所述振動檢測組件二安裝在所述列車的軸箱上以采集獲得所述列車運行時的軸箱振動數(shù)據(jù)；所述列車位置檢測組件安裝在所述列車的軸箱上，以檢測所述列車的行進距離數(shù)據(jù)；

6、控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)電性連接所述振動檢測組件一、所述振動檢測組件二和所述列車位置檢測組件。

7、本發(fā)明的基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測設備，通過在存在焊接接頭病害的鋼軌上布置振動檢測組件一采集鋼軌振動數(shù)據(jù)，當鋼軌存在焊接接頭病害時，列車經過時輪軌相互作用與普通鋼軌不同，輪軌沖擊激勵更為劇烈，引起鋼軌更大幅度的振動。且不同鋼軌病害導致的鋼軌振動特征不同，頻譜特征存在明顯差異，相對易于區(qū)分；通過存在鋼軌病害區(qū)段鋼軌振動加速度的測量，可直接識別軌道缺陷。通過在列車的軸箱上布置振動檢測組件二采集軸箱振動數(shù)據(jù)，當列車通過存在病害的鋼軌時，車輪受到異常沖擊激勵，產生的振動量值更大，并且不同的缺陷會引發(fā)不同的振動響應特征，這樣就可以通過振動檢測組件二監(jiān)測軸箱振動加速度來間接識別軌道缺陷，通過軸箱振動加速度檢測，可實現(xiàn)軌道線路全線的快速檢測，全面反映線路鋼軌焊接接頭狀態(tài)；以上數(shù)據(jù)通過同步標記的方法進行時間軸對齊，當裝有振動檢測組件二的列車行進至安裝在鋼軌上的振動檢測組件一位置區(qū)間時，同步標記軸箱振動加速度和鋼軌振動加速度數(shù)據(jù)，以標記點為起點，進行加速度數(shù)據(jù)時間軸對齊，進而可建立對應鋼軌焊接接頭病害位置的鋼軌和軸箱振動加速度的相關性，然后通過測量列車軸箱振動加速度即可來檢測鋼軌的病害狀態(tài)，大大減少了鋼軌病害檢測工作量，提高了鋼軌狀態(tài)檢測效率。

8、作為上述技術方案的進一步改進，所述控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器、工控機和遠程工作站；所述數(shù)據(jù)采集器電性連接所述振動檢測組件一、所述振動檢測組件二和所述列車位置檢測組件，以接收與存儲所述鋼軌振動數(shù)據(jù)、所述軸箱振動數(shù)據(jù)及所述行進距離數(shù)據(jù)；所述工控機電性連接所述數(shù)據(jù)采集器；所述遠程工作站與所述工控機無線通訊連接。

9、作為上述技術方案的進一步改進，所述振動檢測組件一包括多個加速度傳感器一；存在病害的鋼軌的軌底上均安裝所述加速度傳感器一；所述振動檢測組件二包括加速度傳感器二；所述加速度傳感器二安裝在所述軸箱上；所述加速度傳感器一與所述加速度傳感器二均與所述數(shù)據(jù)采集器電性連接。

10、作為上述技術方案的進一步改進，存在病害的鋼軌的軌底上對應鋼軌扣件位置以及對應相鄰兩個鋼軌扣件中間位置均安裝所述加速度傳感器一；所述加速度傳感器二為多個，所述列車的每個軸箱上均安裝所述加速度傳感器二。

11、作為上述技術方案的進一步改進，所述列車位置檢測組件包括車輪轉速傳感器和軌枕計數(shù)傳感器；所述車輪轉速傳感器安裝在所述軸箱內部且對應所述列車的車輪轉軸，以檢測車輪轉速；所述軌枕計數(shù)傳感器安裝在所述軸箱上且對應所述軌道，以在隨所述列車行進過程中測量所經過的所述軌道的軌枕的數(shù)量；

12、所述數(shù)據(jù)采集器電性連接所述車輪轉速傳感器和所述軌枕計數(shù)傳感器。

13、作為上述技術方案的進一步改進，所述遠程工作站包括定位模塊，所述定位模塊用于分析與處理所述車輪轉速傳感器與所述軌枕計數(shù)傳感器所采集數(shù)據(jù)和所述軌道的全線鋪軌圖數(shù)據(jù)以對所述鋼軌組件的病害位置進行軌枕級精確定位。

14、本發(fā)明另一方面提供了基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測方法，包括所述基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測設備；檢測步驟包括：

15、s1、建立鋼軌振動時頻信號與鋼軌焊接接頭病害對應的數(shù)據(jù)庫，采用gru神經網絡進行特征捕捉；

16、s2、采集列車在軌道全線運行過程中的軸箱振動加速度信號，采用alexnet卷積神經網絡篩選全線鋼軌焊接接頭對應的軸箱振動加速度數(shù)據(jù)；

17、s3、向gru神經網絡輸入步驟s2篩選后的鋼軌焊接接頭對應的軸箱振動加速度數(shù)據(jù)，進行特征捕捉，與步驟s1中鋼軌振動特征進行相似性分析，輸出對應的鋼軌焊接接頭狀態(tài)。

18、作為上述技術方案的進一步改進，s1具體包括以下步驟：

19、s11、人工調查軌道狀態(tài)，找到存在鋼軌焊接接頭病害位置；

20、s12、在對應步驟s11中鋼軌焊接接頭病害位置的鋼軌上安裝振動檢測組件一，采集鋼軌振動加速度信號；

21、s13、采用小波變換提取步驟s12所采集鋼軌振動加速度信號的時頻分布特征，建立鋼軌焊接接頭病害狀態(tài)下鋼軌振動數(shù)據(jù)庫；

22、s14、采用步驟s13中的鋼軌振動數(shù)據(jù)庫對gru神經網絡進行訓練，捕捉存在鋼軌焊接接頭病害狀態(tài)下的鋼軌振動特征；

23、s2具體包括以下分步驟：

24、s21、利用安裝在列車的軸箱上的振動檢測組件二采集軸箱振動加速度信號；

25、s22、采用小波變換提取步驟s21所采集軸箱振動加速度信號的時頻分布特征；

26、s23、從步驟s21和s22數(shù)據(jù)中人工截取標記多個焊接接頭與非焊接接頭數(shù)據(jù)片段，組成樣本庫對alexnet卷積神經網絡進行遷移訓練；

27、s24、采用步驟s23中alexnet卷積神經網絡篩選軌道全線鋼軌焊接接頭對應的軸箱振動加速度數(shù)據(jù)；

28、其中，步驟s21還包括：根據(jù)同步標記，截取時間軸對齊的列車通過鋼軌焊接接頭病害位置的時間窗口所對應的軸箱振動加速度信號；后續(xù)針對此時間窗口內軸箱振動加速度信號進行分析，確保鋼軌振動加速度與軸箱振動加速度的對應關系。

29、作為上述技術方案的進一步改進，在s3中，捕捉到的特征生成對應軸箱振動加速度特征向量；所述相似性分析具體為結合歐氏距離和余弦相似度計算相似性評分，判斷信號之間的相似度，建立存在鋼軌病害時鋼軌與軸箱振動特征的相關關系，以進行鋼軌與軸箱振動數(shù)據(jù)的深度融合；

30、對當前識別的軸箱振動加速度信號進行定位，定位方式為：通過車輪轉速傳感器得到粗略行進距離，再結合軌枕計數(shù)傳感器和軌道的全線鋪軌圖數(shù)據(jù)進行行進距離修正，得到軌枕級精確行進距離。

31、作為上述技術方案的進一步改進，粗略行進距離具體獲取過程為：利用車輪轉速傳感器測量并記錄車輪滾動的旋轉角速度，旋轉角速度乘以車輪滾動圓半徑得到車速；通過對車速積分得到任意時刻的列車運行距離，結合初始行進距離得到任意時刻的行進距離信息；

32、軌枕級精確行進距離具體獲取過程為：通過安裝在軸箱上的軌枕計數(shù)傳感器對軌枕進行掃描并計數(shù)；最后結合軌道全線鋪軌圖數(shù)據(jù)，得到精確行進距離信息，實現(xiàn)鋼軌焊接接頭病害位置的軌枕級精確定位。

33、經由上述的技術方案可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明公開提供了基于鋼軌和軸箱振動數(shù)據(jù)深度融合的鋼軌檢測設備及方法，具有以下優(yōu)點及有益效果：

34、本發(fā)明采用列車和軌道振動數(shù)據(jù)深度融合的方法，通過gru神經網絡建立鋼軌和軸箱振動加速度信號的相關關系，對不同類型鋼軌病害識別精度高；本發(fā)明建立鋼軌病害特征數(shù)據(jù)庫和鋼軌-軸箱振動相關關系后，通過軸箱加速度數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)全線鋼軌病害的快速檢測，設備安裝操作便捷，可及時且自動化地反映線路鋼軌病害狀態(tài)；本發(fā)明采用車輪轉速傳感器、軌枕計數(shù)傳感器和軌道鋪軌圖相結合的方式，測量車速并積分獲得行進里程信息，通過軌枕掃描及鋪軌圖進行修正，達到鋼軌病害位置的軌枕級定位精度，且定位過程中無需gps無線信號傳輸，從而擴展了應用場景和應用范圍。