基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法技术

本发明专利技术公开了基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法，属于钢轨伤损监测技术领域，包括：对声发射信号进行WVD高阶谱分析，提取声发射信号特征；采用支持向量机赋予各特征分量不同权重，计算不同特征分量之间的距离，实现声发射信号的聚类处理；结合具备先验知识的完备库对聚类结果进行分类处理，以实现声发射信号的分类处理。通过WVD高阶谱提取信号特征，在保证对背景噪音强抑制能力的同时实现信号高分辨率时频空间重构，提高了特征提取的准确度，为后续精准数据聚类、分类处理提供了数据基础；同时，考虑了不同特征分量对聚类、分类结果的影响贡献不同，对每个特征分量进入不同的权重，以此提升聚类性能。以此提升聚类性能。以此提升聚类性能。

【技术实现步骤摘要】
基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法


[0001]本专利技术涉及钢轨伤损监测
，尤其涉及基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法。

技术介绍

[0002]随着我国高速铁路的大量建成通车，安全运输与设备状态管理的矛盾日益突出。通过建立有效的监控体系，做好固定设备的长期监控成为确保高速铁路安全、可靠、高效运行的保障，特别是固定设备某些关键薄弱环节的监控，诸如道岔、重点桥梁、重点隧道、软弱路基地段等监控。由于高速道岔是实现列车转辙的关键部件，存在直接与轮轨关系相关的可动部件(尖轨、心轨)，车轮过轨接触状态复杂，轨条断面多变，轨条支承及约束条件复杂，岔区零配件多，多种不同类型、不同材质的部件组装，工电联动实现转辙等，这些特点都无一例外的表明道岔是高速铁路固定设备中极为薄弱的环节，一旦发生故障而不能及时排除，将引发灾难性的后果。另一方面，我国高铁采用封闭运行的管理模式，现有管理、监控手段无法及时、全面的了解这些关键环节的状态，确保封闭期内列车的运行安全。
[0003]现有列车运行状态检测手段一般包括超声波检测、相控阵列超声法、电磁超声法、超声导波法、涡电流法、交流电场检测法、轮轨相互作用监测法等，上述方法在钢轨伤损检测方面均存在一定局限性。
[0004](一)超声波检测
[0005]超声波检测是工业无损检测中应用最为广泛、研究最为活跃的方法之一，也是铁路机车车辆关键零部件质量检测的重要手段。超声波利用在介质中传播时，声波的反射、衰减和散射等特性，对各种尺寸的金属和非金属材料和构件、电站设备、船体、锅炉、压力容器、机车车辆轮轴、轨道等进行检测。但传统的超声波检测方法是一种接触式的检测方法，在对轨道进行检测的过程中仍然受到诸多限制：
[0006](1)接触条件受钢轨表面几何形状、粗糙度和清洁度等因素的影响大，例如当轨道上有污物、油脂或锈蚀时，超声信号都会受到不同程度的衰减，是超声波不能充分耦合到钢轨中，从而无法对轨腰或轨底等埋藏得比较深的缺陷进行检测。又如，新打磨过的轨面存在许多小的棱面，也会影响探头与轨面的有效接触。
[0007](2)检测速度受到限制。
[0008](3)轨头表面以下，特别是靠近轨距的一侧，产生的水平方向纵向延伸的剥离会对超声波产生反射作用，阻碍声束入射。这种表面剥离本身并不是影响安全的危险性缺陷，但在其下面往往可能存在严重影响安全的裂纹。
[0009](4)在对晶粒粗大的材料进行检测时，例如，钢轨的铝热焊缝，声波能量衰减严重，宜采用较低的频率，但频率降低，又会影响缺陷检测的分辨力。
[0010](5)当检测速度较高时，小于4mm的滚动接触疲劳(RCF)裂纹检测不出。因此，为了提高对表面和近表面微小缺陷的检出率，常把超声波检测法与漏磁检测法(MFL)或涡流检测法(PEC)法结合起来。
[0011](二)相控阵列超声法
[0012]相控阵列超声技术(Phased Array Ultrasonic Technology)的基本概念源于相控阵雷达技术，其基本特征是在计算机控制下对超声换能器晶片阵列(多个压电晶片按一定形状、尺寸排列；单个晶片称为阵元。)进行激励，分别控制每个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟量，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，从而形成发射聚焦和声束偏转等效果。因此，只需通过改变控制软件，相控阵换能器就可方便地实现对不同方向、不同深度和不同位置的裂纹的检测，这是传统的单晶片超声换能器所不能比拟的。超声相控阵技术在发展应用过程中表现出的局限性主要有以下原因：
[0013](1)价格昂贵。与传统的超声检测设备相比，相控阵检测设备的价格要贵10到20倍，并且需经常进行软件升级。
[0014](2)对操作人员的技术要求较高等。
[0015](3)由于数据处理量大，目前的最高检测速度为5～6km/h，检测速率有待提升。
[0016](三)电磁超声法
[0017]电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)是一种在导体中激励和检测超声波的换能装置。非铁磁性导体中超声波的产生和接收可以用洛伦兹力(Lorentz)原理来解释；而铁磁性导体中除洛伦兹力外，磁致伸缩效应是其工作的主要原因，并且此时磁致伸缩力常占主导作用。EMAT存在的不足主要表现为：
[0018](1)超声转换效率低，接收到超声波信号幅值小，故常需使用40dB左右前置放大器。
[0019](2)仅能对金属或磁性材料进行检测。
[0020](3)采用永久磁铁的EMAT换能器在检测铁磁性材料的构件时，会引入巴克豪森噪声，使接收信号常被淹没在噪声中，故需采用先进的信号处理技术。
[0021](4)辐射模式较宽，能量不集中；
[0022](5)灵敏度与试件间的距离有关，常需用夹具。
[0023](四)超声导波法
[0024]三维无限均匀固体中自由传播的波称为体波，纵波和横波属于体波。当固体参数固定时，它们均以各自的特定速度无耦合地传播。如果均匀固体有边界，例如上下表面为无限延伸的平面(交界面以外为真空或空气)，则形成无限大板状波导。当体波在波导中传播时，在上下交界面处将发生反射，反射后体波的特性只取决于固体弹性参数而同波动本身的性质无关。当固体弹性特征没有变化时，体波将在上下边界内不断地反射，而沿着波导的方向传播，这就形成了超声导波(Ultrasonic Guided Waves)。
[0025]Lamb波是超声无损检测中最常见的一种导波形式，它是一种在厚度与激励声波波长为相同数量级的声波导(例如，金属薄板)中由纵波和横波合成的一种应力波。由于Lamb波在激励、传播、接收以及信号处理方面的复杂性，大大限制了它在工业生产中的广泛应用，而这些所有特点都是由于Lamb波的多模式和频散特性所决定的。
[0026](五)涡电流法
[0027]涡流(Eddy Currents，EC)检测是以电磁感应为基础的无损检测技术，与其它无损检测方法相比，涡流检测缺点如下：
[0028](1)只限于对导电材料进行检测。
[0029](2)只限于对材料表面和近表面的检测。
[0030](3)干扰因素多，需特殊的信号处理。
[0031](4)涡流检测对形状复杂的工件进行检测时效率很低。
[0032](六)交流电场检测法
[0033]交流电场检测(Alternating Current Field Measurement，ACFM)是一种非接触式电磁检测方法，现在被广泛认为是一种可以取代磁粉检测的无损检测方法。ACFM主要是利用趋肤效应，对金属材料表面、近表面缺陷进行检测。对近表面缺陷的检测，完全取决于被测件的电磁特性。对于碳钢，ACFM法能检测的深度约为0.1mm；对于不锈钢可达6mm。把均匀分布的交流电流导引入被检测区域，如果没有缺陷，电流分布将不会受到影响；当材料表面存在裂纹时，电流分布就会发生变化。电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法，其特征在于：其包括以下步骤：采集钢轨声发射信号；对声发射信号进行WVD高阶谱分析，提取声发射信号特征；采用支持向量机赋予各特征分量不同权重，计算不同特征分量之间的距离，实现声发射信号的聚类处理；结合具备先验知识的完备库对聚类结果进行分类处理，以实现声发射信号的分类处理。2.根据权利要求1所述的基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法，其特征在于：WVD高阶谱分析式为：其中，t表示时移；w表示声发射信号的k维傅里叶变换；τ表示积分变量；x表示声发射信号；k表示WVD高阶谱的阶数。3.根据权利要求1所述的基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法，其特征在于：所述计算不同特征分量之间的距离时，距离计算函数为：d
ij
＝∑ω
k
|x
′
i
(k)
‑
x
′
j
(k)|其中，d表示距离；ω表示不同特征分量的权重；x
’
表示声发射信号在特征空间中的数据点。4.根据权利要求1所述的基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法，其特征在于：所述结合具备先验知识的完备库对聚类结果进行分类处理包括：计算各聚类子集数据与完备库中各类型声发射信号的相似度，进而确定声发射信号的类型。5.根据权利要求1所述的基于大数据平台特征工程法钢轨伤损监测方法，其特征在于：所述实现声发射信号的分类处理后还包括：将声发射信号及其对应的分类结果，和/或将未知类型的声发射信号及其对应的钢轨现场探伤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨怀志，朱星盛，侯日根，谷永磊，田惠文，肖翔，薄一军，古文超，
申请(专利权)人：京沪高速铁路股份有限公司，
类型：发明
国别省市：