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一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法

申请号 CN202010275388.1 申请日 2020-04-09 公开(公告)号 CN111651840B 公开(公告)日 2024-04-02
申请人 北京交通大学; 中国国家铁路集团有限公司; 发明人 赵国堂; 余祖俊; 朱力强; 许西宁; 姜子清; 刘浩; 张文达;
摘要 本 发明 属于轨道板上拱检测技术领域,具体涉及一种基于 深度学习 技术的轨道板上拱状态检测方法。本发明所述方法将分类问题转化为时间序列分类问题,即输入为一系列轨道板位移数据 信号 片段 ,输出为轨道板对应的状态分类;针对轨道板上拱状态识别任务的特点,将识别过程分为两个阶段:特征提取阶段和分类阶段;考虑到原始信号的噪声较多,特别是包含轨道板不平顺的信号贯穿始终,使用多种类型的特征来表示脑 电信号 分成两个阶段来简化分类过程的计算量,提高计算速度。
权利要求

1.一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将车辆‑板式轨道动学传统模型改进为考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型;
(2)构造分类神经网络深度学习的数据库:利用步骤(1)得到的考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型,通过设置不同参数输出不同脱空程度下轨道板位移模拟数据,进行多次训练得到足够的模拟数据后,将模拟数据根据病害种类进行添加标签构成数据库,所述数据库包括用于输入分类神经网络的训练集以及用于输入分类神经网络的测试集;
(3)利用步骤(2)构造的数据库训练分类网络:分类网络结构包括四层网络,第一层网络为输入层,第二层网络为BiLSTM,第三层网络为全连接层,第四层网络为softmax层;
(4)根据分类网络结果进行轨道板上拱状态分类:将轨道板位移数据作为训练好的分类网络的网络输入量,将原始轨道板位移数据整理为特征序列输入至BiLSTM网络;经过BiLSTM层循环后输入至softmax层对轨道板上拱状态类型进行判断,给出轨道板上拱状态判断的最终结果;
其中,所述考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型的振型坐标微分方程组的详细形为:
式中:Tn(t)为在轨道板垂向振动微分方程采用Ritz法后,引入自由梁正交函数系{Xn}(n=1~NMS),NMS为轨道板的模态阶数,选取NMS个广义坐标Tn(t); 为Tn(t)的二阶导;
EsIs为轨道板的抗弯刚度;ms为轨道板单位长度质量;βn为常数;m0指m0个离散单元;Csq是CA砂浆在q处的分布阻尼;Xp是自由梁正交函数系{Xn}的意思,p类似于n,取值范围与n相同,Xn是传统轨道板的自由梁正交函数系,Xp是改进后轨道板的自由梁正交函数系;Tp(t)与Xp同理,Tn(t)的p类似n,取值范围与n相同,带n表示传统轨道板的广义坐标,带p表示改进后的轨道板的广义坐标;Ksq为CA砂浆在q处的分布刚度;f对应混凝土支承层,zf(x,t)是混凝土支承层的振动位移(m),zf(xq,t)为第q个CA砂浆离散单元混凝土支承层的振动位移;
为zf(xq,t)求导获得,表示第q个CA砂浆离散单元混凝土支承层的振动速度;Ls为轨道板单长度;n0为一块轨道板上轨的扣件数;下标s对应轨道板;xi是原坐标系的坐标,坐标系以钢轨模型为基础建立的,(i=1~N),N为板式轨道长度范围L内扣件个数;xq是xi的q=i时刻;Cpi是在坐标系xi位置时轨下垫层阻尼;NM为钢轨的模态阶数;Kpi是在坐标系xi位置时轨下垫层刚度;Yp(x(j‑1)×n0+i)qp(t)是采用Ritz法,将钢轨垂向振动位移应用简支梁的正则振型函数表示为 在式子中k=p且x的下标为(j‑1)*n0+i,其中n0
为一块轨道板上钢轨的扣件数。
2.根据权利要求1所述一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,其特征在于,步骤(4)中,将原始轨道板位移数据整理为特征序列,具体方法为:
(1)对轨道板位移信号进行预处理:使用多种类型的特征来表示轨道板位移信号,将时序信号归一化至(0,1)范围,将原始的轨道板位移信号进行分段并进行信号特征提取,所述信号特征提取是将分段获得的小段数据中的数据特征计算出来之后重新排列成一组数据,成为特征数据;信号特征提取后将每段的特征数据按先后顺序连接起来,组成最后的特征数据组;
信号特征提取过程中的所述数据特征包括最大值、最小值、平均值、峰‑峰值、整流平均值、方差、标准差、峭度、均方根、波形因子、峰值因子、峭度因子、脉冲因子、裕度因子;
(2)利用Relief算法对获得的特征数据组每一个特征计算对应的结果相关度权重,按照设定的权重阈值剔除权重较低的特征后,得到最终训练的特征序列。
3.根据权利要求1所述一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,其特征在于,步骤(4)之后还包括步骤(5):根据得出的轨道板上拱状态判断的最终结果进行后处理,所述后处理是结合其他判断程序来判断轨道板是否上拱,分类结果可对明显的识别错误进行校正,进一步优化识别效果,并进行预警工作。
4.根据权利要求1所述一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,其特征在于,步骤(2)中,构造数据库时,选择104米,即16个轨道板作为所述考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型的长度,车速为300公里/小时,选择轨道板的位移作为列车通‑4
过一块轨道板时的样本数据,当采样间隔为10 s时,通过设置不同脱空长度得到不同样品数据,设置纵向长度为0米、0.325米、0.65米、1.3米和1.95米的CA砂浆脱空条件,以获得五种脱空条件的样品,之后针对每个脱空设置条件获得足够多的样本数,获得64组样本。

说明书全文

一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于轨道板上拱检测技术领域,具体涉及一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法。

背景技术

[0002] 我国通过引进德国博格板式无砟轨道后进行学习创新发展起来了新型高速轨道结构CRTS II型板式无砟轨道。京津高速路是我国第一条时速300~350km/h的高速铁路,高速线路全长1318km,是新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路,全线铺设无砟轨道,采用了CRTS II型板式无砟轨道技术。目前CRTS II型板式无砟轨道已经在京津、京沪、沪杭等多条客运专线上使用。路基上CRTS II型板式无砟轨道主要由轨、扣件系统、轨道板、沥青砂浆(Cement Asphalt Mortar,简称CA砂浆)层和混凝土支承层等部件组成。由于CRTS II型板式无砟轨道受列车冲击和环境温度等因素影响,无砟轨道轨下结构不可避免地会出现各种病害,其中板式无砟轨道出现离缝进而导致轨道板上拱是是一种典型病害。
[0003] 目前板式无砟轨道离缝上拱的现场检测维修主要采用目测、钢尺插入量测、现场揭板和轨检车的方法。目测及钢尺插入量测法缺点在于无法检测中间局部离缝及离缝的准确分布情况;揭板法缺点在于仅适用于在建铁路,且费用高昂,效率低下;轨检车缺点在于造价昂贵,且只能在列车运营空窗期进行检测,不能进行实时状态监测。
[0004] 专利CN201910620162.8公开了一种轨道板上拱分布式监控系统及监控方法,实时检测轨道板上拱度,并通过对上拱角度进行数据处理,将火车经过时检测的角度值滤除,从而保留轨道板静态时测量的角度值;该轨道板上拱分布式监控系统及监控方法存在如下缺陷
[0005] 1)由于现有算法只能实现道板静态时测量的角度值测量,应用场景单一;
[0006] 2)当火车经过时现有算法会直接滤除此时数据,采集的原始数据缺失,不利于后期数据分析;
[0007] 3)轨道板上拱分布式监控方法及系统采用节点出进行数据处理,存在电路功率大,耗电快,节点使用寿命降低。

发明内容

[0008] 针对上述技术问题,本发明提供一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法。将分类问题转化为时间序列分类问题,即输入为一系列轨道板位移数据信号片段,输出为轨道板对应的状态分类。
[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0010] 一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,包括以下步骤:
[0011] (1)将车辆‑板式轨道动学传统模型改进为考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型;
[0012] (2)构造分类神经网络深度学习的数据库:利用步骤(1)得到的考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型,通过设置不同参数输出不同脱空程度下轨道板位移模拟数据,进行多次训练得到足够的模拟数据后,将模拟数据根据病害种类进行添加标签构成数据库,所述数据库包括用于输入分类神经网络的训练集以及用于输入分类神经网络的测试集;
[0013] (3)利用步骤(2)构造的数据库训练分类网络:分类网络结构包括四层网络,第一层网络为输入层,第二层网络为BiLSTM,第三层网络为全连接层,第四层网络为softmax层;
[0014] (4)根据分类网络结果进行轨道板上拱状态分类:将轨道板位移数据作为训练好的分类网络的网络输入量,将原始轨道板位移数据整理为特征序列输入至BiLSTM网络;经过BiLSTM层循环后输入至softmax层对轨道板上拱状态类型进行判断,给出轨道板上拱状态判断的最终结果。
[0015] 进一步地,步骤(4)中,将原始轨道板位移数据整理为特征序列,具体方法为:
[0016] (1)对轨道板位移信号进行预处理:使用多种类型的特征来表示轨道板位移信号,将时序信号归一化至(0,1)范围,将原始的轨道板位移信号进行分段并进行信号特征提取,所述信号特征提取是将分段获得的小段数据中的数据特征计算出来之后重新排列成一组数据,成为特征数据;信号特征提取后将每段的特征数据按先后顺序连接起来,组成最后的特征数据组;
[0017] 信号特征提取过程中的所述数据特征包括最大值、最小值、平均值、峰‑峰值、整流平均值、方差、标准差、峭度、均方根、波形因子、峰值因子、峭度因子、脉冲因子、裕度因子;
[0018] (2)利用Relief算法对获得的特征数据组每一个特征计算对应的结果相关度权重,按照设定的权重阈值剔除权重较低的特征后,得到最终训练的特征序列。
[0019] 进一步地,步骤(4)之后还包括步骤(5):根据得出的轨道板上拱状态判断的最终结果进行后处理,所述后处理是结合其他判断程序来判断轨道板是否上拱,分类结果可对明显的识别错误进行校正,进一步优化识别效果,并进行预警工作。
[0020] 进一步地,步骤(1)中,所述考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑ 板式轨道动力学模型的振型坐标微分方程组的详细形为:
[0021]
[0022] 式中:Tn(t)为在轨道板垂向振动微分方程采用Ritz法后,引入自由梁正交函数系{Xn}(n=1~NMS),NMS为轨道板的模态阶数,选取NMS个广义坐标Tn(t); 为Tn(t)的二阶导;EsIs为轨道板的抗弯刚度;ms为轨道板单位长度质量;βn为常数;m0指m0个离散单元; Csq是CA砂浆在q处的分布阻尼;Xp是自由梁正交函数系{Xn}的意思,p类似于n,取值范围与n相同,Xn是传统轨道板的自由梁正交函数系,Xp是改进后轨道板的自由梁正交函数系;Tp(t)与Xp同理, Tn(t)的p类似n,取值范围与n相同,带n表示传统轨道板的广义坐标,带p表示改进后的轨道板的广义坐标;Ksq为CA砂浆在q处的分布刚度;f对应混凝土支承层,zf(x,t)是混凝土支承层的振动位移 (m),zf(xq,t)为第q个CA砂浆离散单元混凝土支承层的振动位移; 为zf(xq,t)求导获得,表示第q个CA砂浆离散单元混凝土支承层的振动速度;Ls为轨道板单长度;n0为一块轨道板上钢轨的扣件数;下标s对应轨道板;xi是原坐标系的坐标,坐标系以钢轨模型为基础建立的,(i=1~N),N为板式轨道长度范围L内扣件个数;xq是xi的q=i时刻;Cpi是在坐标系xi位置时轨下垫层阻尼;NM为钢轨的模态阶数;Kpi是在坐标系xi位置时轨下垫层刚度;Yp(x(j‑1)×n0+i)qp(t)是采用Ritz法,将钢轨垂向振动位移应用简支梁的正则振型函数表示为 在式子中k=p且x的下标为(j‑1)*n0+i,其中n0为一块轨道板上钢轨的扣件数。
[0023] 进一步地,步骤(2)中,构造数据库时,选择104米,即16个轨道板作为所述考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型的长度,车速为300公里/小时,选择轨道板的‑4位移作为列车通过一块轨道板时的样本数据,当采样间隔为10 s时,通过设置不同脱空长度得到不同样品数据,设置纵向长度为0米、0.325米、0.65米、 1.3米和1.95米的CA砂浆脱空条件,以获得五种脱空条件的样品,之后针对每个脱空设置条件获得足够多的的样本数,获得64组样本。
[0024] 本发明的有益技术效果:
[0025] (1)本发明提供的基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,将分类问题转化为时间序列分类问题,即输入为一系列轨道板位移数据信号片段,输出为轨道板对应的状态分类。
[0026] (2)本发明提供的基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,针对轨道板上拱状态识别任务的特点,将识别过程分为两个阶段:特征提取阶段和分类阶段。考虑到原始信号的噪声较多,特别是包含轨道板不平顺的信号贯穿始终,直接使用预处理后的信号训练模型所需的计算资源非常大且学习到的信息类型单一,所以使用多种类型的特征来表示脑电信号分成两个阶段可简化分类过程的计算量,提高计算速度。
[0027] (3)本发明提供的方法中,数据采集采用的是铁路沿线铺设的轨道板监测设备,该轨道板监测设备存在环境干扰大,安装不规范等问题,对于数据的精确性、稳定性等方面的要求更加苛刻;而本发明提供的方法中利用人工智能技术,分类网络训练时已加入轨道不平顺等干扰信号,且分类网络可根据数据集的更新不断学习,所以在信号质量差、干扰大的轨道板位移信号中进行轨道板上拱状态异常识别方面达到高准确度、高健壮性,以大幅度降低后续的人力成本,同时缩短生成最终结论的周期。附图说明
[0028] 图1为本发明实施例中高速铁路车辆‑板式轨道动力学传统模型;
[0029] 图2为本发明实施例中传统模型钢轨受力关系图;
[0030] 图3为本发明实施例中传统模型轨道板模型受力分析图;
[0031] 图4为本发明实施例中高速铁路车辆‑板式轨道动力学改进模型 (即考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型);
[0032] 图5为本发明实施例中改进轨道板模型受力分析;
[0033] 图6为本发明实施例中BiLSTM神经网络结构;
[0034] 图7为本发明实施例中分类神经网络结构;
[0035] 图8为本发明实施例中Relief算法后特征权重排列;
[0036] 图9为本发明实施例中剔除低权重后的特征序列。

具体实施方式

[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
[0038] 相反,本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步,为了使公众对本发明有更好的了解,在下文对本发明的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0039] 针对现有技术中轨道板上拱分布式监控系统及监控方法存在的技术问题,本发明提供一种基于深度学习技术的轨道板上拱状态检测方法,包括以下步骤:
[0040] (1)将车辆‑板式轨道动力学传统模型改进为考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型;
[0041] 高速铁路的车辆‑板式轨道动力学传统模型是由西南交通大学翟婉明教授在《车辆‑轨道耦合动力学》中提出的,简称传统模型。传统模型是运用车辆‑轨道耦合动力学原理,将车辆系统和板式轨道系统作为一个整体,建立如图1所示的车辆‑板式轨道耦合系统垂向模型。
[0042] 该传统模型有以下几个假设条件:
[0043] (1)由于轨道板下CA砂浆主要是支承作用,CA砂浆脱空主要影响无砟轨道的垂向振动,因此,仅考虑车辆‑板式轨道耦合系统垂直方向的振动。
[0044] (2)车辆系统和板式轨道系统均对称于轨道中心线,计算过程中只考虑车辆轨道耦合系统一半的结构研究。
[0045] (3)车辆系统为附有二系弹簧阻尼系统的多刚体模型,包括一个车体,两个转向架和四个轮对。转向架与轮对之间为一系悬挂系统,车体与转向架之间为二系悬挂系统。考虑车体和转向架的沉浮和点头振动,轮对的沉浮振动,车辆系统共十个自由度
[0046] (4)钢轨为离散弹性点支承基础上的有限长简支梁,轨下垫板和扣件的弹性和阻尼分别用弹性系数Kp和阻尼系数Cp表示。
[0047] (5)轨道板为支承在连续分布的线性弹簧与线性阻尼上的有限长自由梁,CA砂浆的分布刚度和分布阻尼分别用弹性系数ks和阻尼系数cs表示。
[0048] (6)车辆系统与板式轨道系统之间的耦合关系通过轮轨相互作用力来实现,采用经典的Hertz非线性弹性接触模型。
[0049] 模型中各符号代表的物理量见表1所示
[0050] 表1传统模型中各符号代表的物理量
[0051]
[0052] 模型运动方程包括:
[0053] (1)车体沉浮运动
[0054]
[0055] zc为车体的沉浮, 为zc求导后,表示车体的沉浮速度,表示车体的沉浮加速度;和zt1同理,其中下标t1表示前转向架,t2表示后转向架。
[0056] (2)车体点头运动
[0057]
[0058] (3)前转向架沉浮运动
[0059]
[0060] (4)前转向架点头运动
[0061]
[0062] (5)后转向架沉浮运动
[0063]
[0064] (6)后转向架点头运动
[0065]
[0066] (7)第一轮对沉浮运动
[0067]
[0068] (8)第二轮对沉浮运动
[0069]
[0070] (9)第三轮对沉浮运动
[0071]
[0072] (10)第四轮对沉浮运动
[0073]
[0074] 式中,pi(t)为单侧车轮的垂向轮轨力(i=1~4)。
[0075] 传统模型中钢轨被视为离散弹性点支承基础上的有限长简支梁,其受力分析模型如图2所示。其中,pi为轮轨力,随车辆以速度ν向前移动;Frsi(i=1~N)为钢轨支点反力,N为板式轨道长度范围L内扣件个数;ox为固结于钢轨的固定坐标系;o′x′为连接在车辆上的移动坐标系。这两种坐标之间的关系为:
[0076] x=x′+x0+νt                   (11)
[0077] 其中,x0为起始时刻后轮的固定坐标;t为时间变量。
[0078] 由图2可知,钢轨的振动微分方程为:
[0079]
[0080] 其中
[0081]
[0082] 式中下标“r”对应钢轨,下标“s”对应轨道板,zr(xi,t)和zs(xi,t) 分别表示钢轨和轨道板在扣件处的垂向位移变量(m); 和 分别表示钢轨和轨道板在扣件处的垂向速度变量(m/s)。
[0083] 各车轮的坐标xwj(j=1~4)分别为:
[0084]
[0085] 各扣件坐标
[0086] xi=ilp                     (15)
[0087] 采用Ritz法,应用简支梁的正则振型函数,可以将钢轨垂向振动位移表示为:
[0088]
[0089] 其中,NM为钢轨的模态阶数,一般取NM=0.5N;钢轨振型
[0090]
[0091] 将式(16)代入式(12)得:
[0092]
[0093] 上式两边同乘以Yh(x)(h=1,2,3,...,NM),对x自0到L积分,并注意到模态的正交性:
[0094]
[0095] 有
[0096]
[0097] 根据δ函数的性质,式(20)可整理得:
[0098]
[0099] 因为
[0100]
[0101]
[0102] 所以,式(21)可化简为:
[0103]
[0104] 此即为钢轨振型坐标二阶常微分方程组的基本形式。
[0105] 进一步,将式(16)代入式(13)
[0106]
[0107] 于是,式(24)变为
[0108]
[0109] 此即为钢轨振型坐标微分方程组的详细形式。
[0110] 板式轨道模型把CA砂浆简化为沿轨道板连续分布的弹簧和阻尼,如图3所示,轨道板被视为支承在连续分布的线性弹簧与线性阻尼上的有限长自由梁。
[0111] 轨道板垂向振动微分方程为:
[0112]
[0113] 式中,ks、cs分别是轨道板下CA砂浆层沿轨道方向的分布刚度 (N/m/m)和分布阻尼(N·s/m/m);n0是一块轨道板上钢轨的扣件数。
[0114] 采用Ritz法,引入自由梁正交函数系{Xn}(n=1~NMS),选取NMS 个广义坐标Tn(t),其中
[0115]
[0116] 式中,Cn、βn为常数。Cn、βnLs的取值见表2。
[0117] 表2自由梁函数系数
[0118]
[0119] 则轨道板的垂向位移可近似表示为:
[0120]
[0121] 其中,NMS为轨道板的模态阶数,取NMS=0.5n0,将式(29)代入式 (27)得:
[0122]
[0123] 上式两边同乘以Xp(x)(p=1~NMS),然后在轨道板全长范围内Ls对x 积分,并注意到模态的正交性
[0124]
[0125] 有
[0126]
[0127] 根据δ函数的性质,式(32)可整理得:
[0128]
[0129] 因为
[0130]
[0131]
[0132] 所以,式(33)可化简为:
[0133]
[0134] 此即为轨道板模型的动力学方程。
[0135] 进一步,将式(29)代入式(25)
[0136]
[0137] 于是,式(36)变为:
[0138]
[0139] 此即为轨道板振型坐标微分方程组的详细形式。
[0140] 式中:式中:Tn(t)为在轨道板垂向振动微分方程(27)采用Ritz 法后,引入自由梁正交函数系{Xn}(n=1~NMS),NMS为轨道板的模态阶数,选取NMS个广义坐标Tn(t); 为Tn(t)的二阶导;EsIs为轨道板的抗弯刚度;ms为轨道板单位长度质量;βn为常数;m0指m0个离散单元;Csq是CA砂浆在q处的分布阻尼;Xp是自由梁正交函数系{Xn}的意思,p类似于n,取值范围与n相同,Xn是传统轨道板的自由梁正交函数系,Xp是改进后轨道板的自由梁正交函数系;Tp(t) 与Xp同理,Tn(t)的p类似n,取值范围与n相同,带n表示传统轨道板的广义坐标,带p表示改进后的轨道板的广义坐标;Ksq为CA 砂浆在q处的分布刚度;f对应混凝土支承层,zf(x,t)是混凝土支承层的振动位移(m),zf(xq,t)为第q个CA砂浆离散单元混凝土支承层的振动位移; 为zf(xq,t)求导获得,表示第q个CA砂浆离散单元混凝土支承层的振动速度;Ls为轨道板单块长度;n0为一块轨道板上钢轨的扣件数;下标s对应轨道板;xi是原坐标系的坐标,坐标系以钢轨模型为基础建立的,(i=1~N),N为板式轨道长度范围L 内扣件个数;xq是xi的q=i时刻;Cpi是在坐标系xi位置时轨下垫层阻尼;NM为钢轨的模态阶数;Kpi是在坐标系xi位置时轨下垫层刚度;Yp(x(j‑1)×n0+i)qp(t)是采用Ritz法,将钢轨垂向振动位移应用简支梁的正则振型函数表示为 在式子中k=p且x的下标为(j‑1)*n0+i,其中n0为一块轨道板上钢轨的扣件数;Xp(xi)Tp(t)是式 (29)代入(42)中得到的,式(29)为采用Ritz法,引入自由梁正交函数系{Xn}(n=1~NMS),选取NMS个广义坐标Tn(t),其中
[0141]
[0142] 式中,Cn、βn为常数。Cn、βnLs的取值见表2。则轨道板的垂向位移可近似表示为:
[0143] 车辆‑板式轨道动力学传统模型的无砟轨道动力学方程中,将CA 砂浆简化为沿轨道板连续分布的弹簧和阻尼,对轨道板的作用力在动力学方程中以分布力的形式体现,因此,只能通过改变整块轨道板底下的CA砂浆刚度阻尼值来模拟整块轨道板长度CA砂浆层的脱空,不能模拟任意范围。本发明提供的改进模型中将CA砂浆模型在纵向方向进行离散化,采用离散的弹簧阻尼代替分布的弹簧阻尼,将CA 砂浆对轨道板的支撑分布力转化为集中力,建立考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型,如图4所示。
[0144] 在本发明提供的考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型中,将一块轨道板对应的CA砂浆平均分为m0个离散单元,每个单元的CA砂浆简化为集中到一点的弹簧和阻尼,分别用弹性系数Ks和阻尼系数Cs表示,每个单元的纵向长度则表示为ls=Ls/m0,在CA砂浆无脱空的状态下,支承面刚度为:
[0145]
[0146] ECA为CA砂浆的弹性模量;hCA为CA砂浆层的厚度(CRTS II 型板式无砟轨道为0.03m),则无脱空工况下CA砂浆模型每个离散弹簧和阻尼的垂向刚度Ks和阻尼系数Cs分别为:
[0147]
[0148] 式中, 支承面刚度、b0为轨道板的整体宽度(CRTS II型轨道板为2.55m);cs为CA砂浆分布阻尼,ls为每个离散单元的纵向长度;
[0149] CA砂浆模型被离散后,在轨道板振动微分方程中对轨道板的分布力转换为集中力,如图5所示,在改进的轨道板模型中,轨道板被视为离散弹性点支承基础上的有限长自由梁,微分方程为:
[0150]
[0151] 其中,
[0152]
[0153] 式中,下标f对应混凝土支承层;zf(x,t)是混凝土支承层的振动位移(m);Fsfq(t)(q=1~m0)表示第q个CA砂浆离散单元对轨道板的支撑力(N);zs(xq,t)是轨道板在q处的垂向位移变量、Ksq为 CA砂浆在q处的分布刚度、Csq是CA砂浆在q处的分布阻尼;
[0154] 其中,EsIs表示轨道板的抗弯刚度;zs(x,t)轨道板在扣件处的垂向位移变量;x、t是变量;ms轨道板单位长度质量;m0为m0个离散单元;q为第q个CA砂浆离散单元混凝土支承层;δ(x‑xq)为微分变量;n0是一块轨道板上钢轨的扣件数;Frsj(t)为第j个CA砂浆离散单元混凝土支承层的支撑力;δ(x‑xi)为微分变量。
[0155] 采用Ritz法,引入自由梁正交函数系{Xn}(n=1~NMS),选取NMS 个广义坐标Tn(t),{Xn}的值按表2给出。
[0156] 将式(29)代入式(41),并在等式两边同乘Xp(x)(p=1~NMS),然后在轨道板全长范围Ls内对x积分:
[0157]
[0158] 利用模态正交性和δ函数的性质可得:
[0159]
[0160] 将式(34)和式(35)代入式(44):
[0161]
[0162] 此即为轨道板改进模型的动力学方程。
[0163] 进一步,将式(29)代入式(42):
[0164]
[0165] 将式(37)和式(46)代入式(45):
[0166]
[0167] 此即为改进轨道板模型振型坐标微分方程组的详细形式。
[0168] 将CA砂浆离散化后,使其对轨道板的分布力转化为集中力,可建立考虑CA砂浆脱空作用下的车轨耦合动力学模型,能解决现有的动力学模型不能仿真任意工况的CA砂浆脱空的问题;由于本建模是基于matlab软件建模,所以可解决有限元模型方法仿真效率低、线路长度有限和轨道不平顺波长较短等实际问题。
[0169] (2)构造分类神经网络深度学习的数据库:利用步骤(1)得到的考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型,通过设置不同参数输出不同脱空程度下轨道板位移模拟数据,进行多次训练得到足够的模拟数据后,将模拟数据根据病害种类进行添加标签构成数据库,所述数据库包括用于输入分类神经网络的训练集以及用于输入分类神经网络的测试集;
[0170] 构造数据库时,本实施例中选择104米,即16个轨道板作为所述考虑CA砂浆脱空作用下的车辆‑板式轨道动力学模型的长度,车速为300公里/小时,选择轨道板的位移作为列‑4车通过一块轨道板时的样本数据,当采样间隔为10 s时,通过设置不同脱空长度得到不同样品数据,分别在轨道板下设置纵向长度为0米、0.325米、0.65 米、1.3米和1.95米的CA砂浆脱空,以获得五种条件的样品;之后针对每个脱空设置条件获得足够多的的样本数,获得
64组样本。
[0171] (3)利用步骤(2)构造的数据库训练分类网络:分类网络结构包括四层网络,第一层网络为输入层,第二层网络为BiLSTM,第三层网络为全连接层,第四层网络为softmax层;第一层网络和第二层网络两者在自然语言处理任务中都常被用来建模上下文信息,其中LSTM的全称是Long Short‑Term Memory,它是RNN(Recurrent Neural Network)的一种。
LSTM由于其设计的特点,非常适合用于对时序数据的建模,如文本数据。BiLSTM是Bi‑directional Long Short‑Term Memory的缩写,是由前向LSTM与后向LSTM组合而成, BiLSTM结构如图6所示;
[0172] (4)根据分类网络结果进行轨道板上拱状态分类:将轨道板位移数据作为训练好的分类网络的网络输入量,将原始轨道板位移数据整理为特征序列输入至BiLSTM网络;经过BiLSTM层循环后输入至softmax层对轨道板上拱状态类型进行判断,给出轨道板上拱状态判断的最终结果。
[0173] 分类网络结构如图7所示,具体地,本步骤中,作为训练好的分类网络的网络输入量的轨道板位移数据可以采用专利 CN201910620162.8中提供的方法进行采集,采集方法具体为使用安装在轨道板上的倾角传感节点,采集轨道板振动位移数据,以后转换为轨道板倾角数据供本发明使用。
[0174] 具体地,步骤(4)中,将原始轨道板位移数据整理为特征序列,具体方法为:
[0175] (1)对轨道板位移信号进行预处理:使用多种类型的特征来表示轨道板位移信号,将时序信号归一化至(0,1)范围,将原始的轨道板位移信号进行分段并进行信号特征提取,一般可分为三段,若信号过长可增加分段数量,所述信号特征提取是将分段获得的小段数据中的数据特征计算出来之后重新排列成一组数据,成为特征数据;信号特征提取后将每段的特征数据按先后顺序连接起来,组成最后的特征数据组;
[0176] 信号特征提取过程中的所述数据特征包括最大值、最小值、平均值、峰‑峰值、整流平均值、方差、标准差、峭度、均方根、波形因子、峰值因子、峭度因子、脉冲因子、裕度因子;
[0177] (2)利用Relief算法对获得的特征数据组每一个特征计算对应的结果相关度权重,如图8所示,按照设定的权重阈值剔除权重较低的特征后,得到最终训练的特征序列,如图9所示。
[0178] 其中,Relief算法是一种特征权重算法(Feature weighting algorithms),根据各个特征和类别的相关性赋予特征不同的权重,权重小于某个阈值的特征将被移除。Relief算法中特征和类别的相关性是基于特征对近距离样本的区分能力。采用Relief算法从训练集D 中随机选择一个样本R,然后从和R同类的样本中寻找最近邻样本H,称为Near Hit,从和R不同类的样本中寻找最近邻样本M,称为 NearMiss,样本Near Hit和NearMiss也均是训练集D中的样本;然后根据以下规则更新每个特征的权重:如果R和Near Hit在某个特征上的距离小于R和Near Miss上的距离,则说明该特征对区分同类和不同类的最近邻是有益的,则增加该特征的权重;反之,如果R和 Near Hit在某个特征的距离大于R和Near Miss上的距离,说明该特征对区分同类和不同类的最近邻起负面作用,则降低该特征的权重。以上过程重复m次,最后得到各特征的平均权重。特征的权重越大,表示该特征的分类能力越强,反之,表示该特征分类能力越弱。Relief 算法的运行时间随着样本的抽样次数m和原始特征个数N的增加线性增加,因而运行效率非常高。
[0179] 进一步地,步骤(4)之后还包括步骤(5):根据得出的轨道板上拱状态判断的最终结果进行后处理,所述后处理是结合其他判断程序来判断轨道板是否上拱,分类结果可对明显的识别错误进行校正,进一步优化识别效果,并进行预警工作。其中,所述其他判断程序可以是专利CN201910620162.8中提到的判定程序,根据设定倾角阈值和采集的倾角数据对比,来判断轨道板是否上拱。
[0180] 与现有技术相比,本发明所述方法能够实现:
[0181] (1)将事件转化为时间序列分类问题,利用新科技分类运用场景更多样;
[0182] (2)采用了深度学习技术,避免了数据信息丢失,可以方便地拓展到其它类似任务中;
[0183] (3)根据采集的数据集的不同,可判断更多种结果类型,使得模型适用范围更广,更具延展性;
[0184] (4)可结合其他结果判断,进一步使得该模块更加准确、可靠。