重载铁路路基形变检测方法研究

王浩

摘要：针对传统重载铁路路基变形检测方法存在检测相对误差较大，无法达到预期的检测效果的问题，提出一种重载铁路路基形变检测方法。通过对检测路段路基变形测试，获取到重载铁路路基振动信号，利用小波变换技术对振动信号预处理，提取到振动信号时域、频域特征，根据信号特征对铁路路基动应力分析，量化路基变形量，以此实现重载铁路路基形变检测。经实验证明，所设计方法检测结果相对误差在1m以内，在重载铁路路基变形检测方面具有良好的应用前景。

关键词：重载铁路路基；形变检测；变形测试；小波变换技术；动应力

0   引言

铁路路基是承受列车荷载以及轨道荷载的基础，在长时间的运行下，铁路路基会发生不同程度的变形。铁路路基变形不仅会影响到车辆驾驶感受，而且还会影响到重载铁路的使用寿命，因此需要采取有效手段对重载铁路路基变形检测，及时对发生变形路段进行维修和养护，以此保证重载铁路可以长期稳定运行。

重载铁路不同于普通铁路，重载铁路车辆行驶速度快、体积大、质量高，重载列车经过时所产生的动荷载更强，对路基的影响更大，因此重载铁路路基变形检测要求更高。最初采取的检测方式为人工检测方式，由技术人员到现场进行实地测量，随着人工智能、物联网等现代化科学技术的不断革新与发展，智能检测方式逐渐取代人工检测方式。国内重载铁路路基变形智能检测起步比较晚，相关技术与理论还不够成熟，现行检测方法相对误差比较大，难以保证检测精度，已经无法满足实际需求。

本文提出一种重载铁路路基形变检测方法。通过对检测路段路基变形测试，获取到重载铁路路基振动信号，利用小波变换技术对振动信号预处理，提取到振动信号时域、频域特征，根据信号特征对铁路路基动应力分析，量化路基变形量，以此实现重载铁路路基形变检测。

1   路基变形测试

通常情况下，如果铁路路基存在变形，重载列车行驶在重载铁路路基上时，路基面会产生不同方向的振动，比如水平方向与垂直方向，因此通过对路基振动进行测试，可获取到重载铁路路基变形数据[1]。

1.1   测试前准备

在测试之前，在测试路段安装无线传感器。考虑到无线传感器性能的好与坏直接关系到路基变形检测精度，因此路基变形测试中选用性能优良的KYHFAP-A4F5型振动传感器。在测试车辆上采用串并联的方式安装一个振动传感器，并通过USB接口将振动传感器与局域网连接。根据实际情况对振动传感器各项参数设定，其中包括测量灵敏度、满刻度测量范围、频率響应范围以及采样频率等[2]。

1.2   测试流程

安装完振动传感器后，开始路基变形测试。选用的测试车辆轴重范围在20～30t之间，车辆最大载重范围在80～100t之间。测试列车在重载铁路上匀速行驶，行驶速度为60km/h。在行驶过程中，车辆因路基变形会产生振动信号，振动信号经过振动传感器，经过截止频率为70～80Hz的低通滤波器滤除高频噪声，再经过差分电路，将振动传感器输出电压调节到1.15～2.25V之间，振动信号经过差分电路调节后输出，以此采集到重载铁路路基水平方向与垂直方向的加速度信号。

2   路基数据预处理

2.1   原始数据标准化处理

考虑到振动传感器采集到的路基变形数据种类较多，各个类别数据之间量纲不同，因此对原始数据进行标准化处理，其用公式表示为：

（1）

式中：y-表示标准化处理后的重载铁路路基数据；y表示原始重载铁路路基水平方向与垂直方向的加速度数据；ymax表示原始加速度数据最小值；ymin表示原始加速度数据最大值[3]。

2.2   提取信号母小波

利用小波变换技术对标准化处理后的数据变换，提取到数据的时域特征与频域特征[4]。将原始数据的时域特征作为信号处理的因变量，将频率作为信号处理的自变量，对原始信号进行傅立叶变换，提取信号母小波。其用公式表示为：

（2）

式中：F（w）表示重载铁路路基振动信号的母小波；y-（t）表示振动信号；e表示频限函数；g（t）表示时限函数[5]。

2.3   获取母小波序列

利用上述公式对路基振动信号进行傅立叶变换，得到的母小波F（w）在一定程度上反映振动信号在时刻、频率的相对信号成分[6]。再将振动信号母小波进行平移与伸缩变换，得到母小波序列，其用公式表示为：

（3）

式中：?（α，b）表示振动信号母小波序列；α表示母小波的伸缩因子；ψ表示小波变换函数；t表示时间因子；b表示母小波的平移因子。通过对振动信号小波变换，提取到振动信号局部时频特征，为后续路基变形识别检测奠定基础。

3   路基变形识别检测

3.1   路基动应力幅值确定

根据以上提取到的路基振动信号时域、频域特征，对重载铁路路基动应力分析，确定路基动应力分布情况。路基动应力幅值与路基上列车行驶速度、路基变形状态等存在线性关系，其用公式表示为：

（4）

式中：σ表示重载铁路路基动应力幅值；K表示常数；P表示列车的静轴重；v表示列车行驶速度；h表示列车行驶速度影响系数，通常情况下该系数取值范围在0.15～0.55之间[7]。

3.2   重载铁路路基变形位移量确定

列车车轮在存在变形的路基上行驶时，受变形影响重载铁路线路路基产生振动简谐振动，根据运动规律，可以得到重载铁路路基变形位移量，其用公式表示为：

（5）

式中：z（t）表示重载铁路路基变形位移量；A表示振动幅度；T表示列车行驶时间周期；  表示角频率；η表示相位。

3.3   重载铁路路基变形量确定

通过以上计算，可以得到重载铁路路基基面速度与变形位移值。根据路基位移值、时间与路基变形量之间的线性关系，将数据代入到变形函数中，即可得到重载铁路路基变形量，其用公式表示為：

（6）

式中：△u表示重载铁路路基变形量；λ表示重载铁路路基表面速度值；△t表示重载铁路路基振动信号采样间隔；k表示重载铁路路基表面加速度值。

3.4   路基变形量识别

利用上述公式即可得到重载铁路路基变形量。根据国内重载铁路路基表层的弹性变形管理规范，设定路基变形阈值。考虑到国内重载铁路路基表层为级配砂砾石，可以将4mm作为路基表层弹性变形控制值，因此将阈值设定为4mm。如果公式（6）计算值大于4mm，则表示当前检测路段存在路基变形，输出变形值；如果公式（6）计算值小于4mm，则表示当前检测路段路基比较平整，不存在变形，按照上述规则检测识别出重载铁路路基变形。

4   实验论证

4.1   实验准备与设计

完成上述重载铁路路基变形检测方法设计后，为实现对设计方法在实际应用中效果的检验，采用对比实验的方式，对设计方法的可行性与可靠性进行检验。

以某重载铁路为实验对象，该铁路长度为1000km，路宽为2.15m。该重载铁路投入运营年限较长，部分路段已经出现变形，利用本文设计方法对该重载铁路路基变形检测。为了使实验数据与实验结果具有一定的说明性，选择两种传统方法作为比较对象。2种传统方法分别为基于无线传感网络的检测方法和基于机器视觉的检测方法，以下分别用传统方法A与传统方法B表示。

根据该重载铁路实际情况，实验准备了10台振动传感器，振动传感器参数设定如下：测量灵敏度设定为15.56mV/g，满刻度测量范围设定为±100g，频率响应范围设定为1.05kHz。路基变形测试车辆型号为HFAS-A7F7。通过路基测试共获取到2.15GB振动数据，按照上述流程对数据标准化处理、傅立叶变换以及小波变换，提取振动信号时域、频域特征，根据信号特征识别检测到路基变形量，具体检测结果如表1所示。

4.2   实验结果与讨论

以检测相对误差作为3种方法检测精度评价指标，实验共设计8组，每组实验设定测点10个。将10个测点检测值与实际变形量比对，得到各个测点测量结果相对误差，取平均值作为最终实验结果，使用电子表格对实验数据记录，具体数据如表2所示。从表2数（转下页）（接上页）据可以看出，3种方法在相对误差方面表现出明显的差异。所设计方法的检测结果相对误差比较小，误差范围在0.04～0.15mm之间，平均相对误差为0.08mm，可以将检测结果相对误差控制在1mm以内，数值较小，基本可以忽略不计。而2种传统方法相对误差比较高，传统方法A检测结果相对误差范围在3.01～5.14mm之间，平均相对误差为4.25mm，比设计方法高将近4.5mm。传统方法B检测结果相对误差范围在4.62～8.15mm之间，平均相对误差为6.75mm，比设计方法高将近7mm。综上所述，文中设计方法在检测精度方面表现出明显的优势，相比较两种传统方法，更适用于重载铁路路基变形检测。

5   结束语

路基变形是重载铁路监测与管理的重要指标，对路基变形进行检测则是重载铁路监管工作中重要环节。针对传统方法存在的不足与缺陷，本文结合相关研究资料，提出了一套新的检测思路，并通过实际应用论证了该思路的可行性，有效降低了重载铁路路基变形检测相对误差，实现了对传统方法的优化与创新，为重载铁路路基变形检测方法研究提供了参考依据。

参考文献

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