[发明专利]高速列车轨道交通故障安全监测预警系统和信号处理方法

说明书

本发明公开了一种列车轨道交通故障安全监测预警系统和信号处理方法，将基于萨格奈克干涉的振动传感系统与基于相干探测的相位敏感光时域反射振动检测系统相结合，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系统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。

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系统和信号处理方法。

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。

传统的铁轨检测系统代价昂贵，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系统。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系统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系统的布设方案都是利用铁路系统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，影响了系统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系统和信号处理方法，其目的在于通过将基于萨格奈克干涉原理的振动检测系统与基于相干光时域反射技术的振动检测系统相结合，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系统，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；该系统包括：

列车转向架结构损伤健康监测子系统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；