[发明专利]一种多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合方法

说明书

本发明属于轨道交通智能监测技术领域，涉及一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合感知算法。一种面向多维轮轨力同步监测的柔性多模态传感装置，包括垂向力应变模块、垂向力压电传感器模块、横向力压电传感器模块以及多模态感知模块，多模态感知模块由柔性衬底层、电极层#1、压电功能材料层、电极层#2、引线层和封装层组成，有3个工作模态：①主动探伤；②动态应变传感；③振动感知。实时采集轮轨垂向力、轮轨横向力信息，以及轨道结构缺陷的主动探测，提出深度神经网络的多维轮轨力融合算法，提高轨道智能化监测水平。

技术领域

本发明属于轨道交通智能监测技术领域，特别涉及一种用于多维轮轨力测量的柔性多模态传感装置及融合方法。

背景技术

铁道是我国交通运输体系的关键基础设施、国家综合交通运输体系的骨干，也是走集约式发展，提高资源能源利用效率的有效运输方式。随着铁路运量的增加，列车运行速度的提升，列车与轨道的相互作用也在增强，车轮和钢轨之间的磨耗现象越来越严重。它不但会增加铁路运输成本，而且会对行车带来极大的安全隐患。

列车与轨道间的作用力也就是轮轨力，主要包含垂向力以及横向力。横向力与垂向力比值过大，会导致较高的脱轨系数，列车发生脱轨的概率会大大增加。此外，轮重减载率也能很好的反映出列车的脱轨安全度。通过对车轮状态进行实时监测能有效预防列车事故发生，其中监测轮轨力能有效预防脱轨事故的发生，可以及时对受损的车轮和铁轨进行维修。因此，实时监测轮轨力对于保障铁路运输安全具有重要意义。

传统的地面式监测轮轨力，如北京交通大学的高亮、肖宏等人发明一种铁路轨道轮轨力的测量方法及装置(CN208621213U)，利用了安装在待测轨道不同位置处的三个光纤光栅传感器获取数据，通过建立第一、第二修正应变分别与横向力、纵向力之间的关系，获取第一、第二修正应变的数值，计算出列车通过待测区域的横向力、纵向力。孙超、史晓桐等发明一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法(CN113029407A)，当列车通过待测区域，钢轨产生变形，通过固定装置安装在轨侧的光纤光栅测量尺产生同步形变，通过对光纤光栅测量尺上的光纤光栅应变计反射波的波长漂移量的度量，实现对应力、应变的测量。这些测量轮轨力的装置安装流程都较为繁琐，成本较高，且装置本身厚重、组成零件较多、不方便携带，拆卸过程复杂，安装过程中易出现传感器角度误差导致不能准确测量轮轨力。单一类型传感器在多种环境下获取的轮轨力信息难免出现误差，环境对数据的影响较大，会对最后的结果分析造成不利的影响。

柔性多模态传感装置具有一定的防水性、抗腐蚀能力、良好的抗电磁干扰能力，装置体积轻薄，安装操作便捷，成本较低，能即拆即用。它能够粘贴在铁轨两侧，达到无缝粘贴效果，且不影响列车与轨道的动态性能，采集与感知轮轨作用状态信息的精准性方面也大大提高。柔性多模态传感装置集成了多种感知功能，均在同一柔性衬底上，能够同时对多维度轮轨力的同步监测。柔性多模态传感装置在轮轨垂向力的测量方面采用了应变式传感器和PZT压电薄膜两种不同类型的传感器来进行测量，测量得到的两种模态数据进行多模态数据融合，得到后的数据准确性有所提高，减小了其他因素给传感器带来的误差影响，能实现更为精准的轮轨力的在线监测。同时，柔性多模态传感装置能实现对轮轨横向力、轮轨垂向力的同时监测，能够用于分析列车的脱轨系数、轮重减载率，对轮轨力的在线监测提供了技术支持，提高了铁轨健康监测的智能化水平，加速了高速铁路的快速发展，对于柔性电子技术在铁路工程领域的应用也有着重大意义。

发明内容