高速鐵路服役狀態(tài)智能感知與綜合監(jiān)測項目摘要

高速鐵路是一個復雜動態(tài)系統(tǒng)，其組成設備在服役期始終處在動態(tài)的變化過程中。因此，準確感知和綜合監(jiān)測高速鐵路設備服役狀態(tài)是確保健康平穩(wěn)運營的基礎。本項目以車路耦合關系這一影響高速鐵路安全的核心問題為切入點，通過研究跨多氣候帶無縫線路在長期服役過程中的狀態(tài)演變過程，建立全新的分布參數式服役狀態(tài)模型，描述高速列車及無縫線路的動態(tài)耦合過程以及累積效應和其它環(huán)境因素造成的參數長期演變過程。以此為基礎，重點研究復雜分布參數系統(tǒng)的狀態(tài)感知算法，采用車、地自檢和互檢等多種檢測方式，并在不同時間和空間尺度上重構和簡化系統(tǒng)模型，開發(fā)線性與非線性混合濾波器算法，實現無縫線路應力分布、平順度、剛度、阻尼以及高速列車舒適度、脫軌系數等重要參數的智能感知。同時，開展綜合監(jiān)測網優(yōu)化方法、設備服役狀態(tài)綜合評估方法研究，結合基于環(huán)形鐵道試驗基地和京滬高鐵的驗證研究，為發(fā)展我國高速鐵路設備服役狀態(tài)綜合監(jiān)測理論奠定基礎。

針對高速鐵路無縫線路中軌道、路基、橋梁等在長期運營過程中會發(fā)生服役性能變化的問題，項目對反映線路健康狀態(tài)的關鍵參數和性能指標開展了監(jiān)測和研究。其中重點針對軌道應力的分布演化機制，通過綜合運用機理分析和數據驅動等建模手段，開展了復雜運營條件下無縫線路力學特性演變的基礎理論研究以及多手段融合的軌道設施安全狀態(tài)監(jiān)測方法的研究。 為了描述高速列車及無縫線路的動態(tài)耦合過程以及累積效應和其它環(huán)境因素造成的參數長期演變過程，首先建立了基于統(tǒng)一數學模型和有限元模型的系統(tǒng)仿真平臺，包括車輛-軌道-路基/橋梁的耦合動靜態(tài)模型以及針對長大線路跨區(qū)域溫度載荷的空間多尺度模型。率先從理論上提出了軌道固有振動特性關于軌道縱向應力的精確解析形式，得到了鋼軌溫度應力對車軌動態(tài)響應的影響規(guī)律。提出了計算大型結構平均性能參數的漸進均勻化方法，應用于鐵路橋梁空間多尺度混合模型的建立中，解決了長大線路應力分布的仿真問題?；诜抡嬗嬎闫脚_，開展了局部設備參數老化與整體線路綜合性能之間影響關系的基礎理論研究。研究了復雜運營條件下長大橋梁無縫線路的力學行為，分析了復雜荷載作用下小阻力扣件失效、基礎沉降等多種基礎設施病害發(fā)生、演變規(guī)律。分析并確定了服役狀態(tài)敏感指標及感知區(qū)域，提出了軌道系統(tǒng)的監(jiān)測內容和測點布置方案，在京滬高速鐵路建立了實時在線監(jiān)測工點，基于多手段智能融合的監(jiān)測方法實現了結構服役狀態(tài)由內至外的綜合評價。 根據溫度應力對不同頻次鋼軌振動的影響特點，提出了基于低頻車輛動態(tài)響應的車載鋼軌應力連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和基于高頻超聲導波的地面鋼軌完整性檢測系統(tǒng)，開發(fā)了基于神經網絡、遺傳算法等智能方法的應力參數估計方法，分別應用于快速車載檢測、地面固定監(jiān)測、移動式重點巡檢等多種軌道健康狀態(tài)檢測方案。并在多條實際線路上推廣應用，其中安裝在大西高速鐵路現場試用的無縫線路鋼軌完整性和應力檢測裝置可實現2.5km區(qū)間無縫線路的實時監(jiān)測，達到國際領先水平。 2100433B

無縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測是高速鐵路安全監(jiān)測中的一項重要環(huán)節(jié)，《高速鐵路無縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測理論與實踐》針對無縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測中的鋼軌溫度應力、鋼軌完整性、路基沉降、軌道不平順和砂漿脫空等監(jiān)測內容，系統(tǒng)地介紹了其理論建模、移動監(jiān)測和地面監(jiān)測方法，相關理論和方法在高鐵現場進行了實踐和應用，形成了一整套適用于我國高速鐵路無縫線路服役狀態(tài)監(jiān)測的理論方法和技術體系。

目錄

前言

第1章緒論1

1.1高速鐵路技術與裝備體系1

1.1.1高速鐵路固定設備1

1.1.2高速鐵路移動設備3

1.1.3高速鐵路運營控制3

1.2高速鐵路運營安全要素分析3

1.2.1人員安全要素4

1.2.2機車車輛安全要素4

1.2.3線路安全要素4

1.2.4環(huán)境安全要素4

1.2.5管理安全要素5

1.3無縫線路服役狀態(tài)對鐵路運營安全影響的分析5

1.3.1無縫鋼軌溫度應力5

1.3.2軌道不平順6

1.3.3無縫線路服役狀態(tài)綜合監(jiān)測方法7

1.4本書主要內容8

參考文獻10

第2章無縫線路服役狀態(tài)演變理論與建模11

2.1無縫線路的研究背景11

2.1.1橋上無縫線路基礎理論與模型的發(fā)展11

2.1.2梁、軌縱向相互作用機理簡介16

2.1.3長大線路應力分布模型的建立20

2.2長大線路無砟軌道應力分布模型26

2.2.1橋梁軌道結構的多尺度有限元模型27

2.2.2根據均勻化理論估算宏觀性能31

2.2.3利用多尺度線路模型進行應力計算的數值方法39

2.2.4試驗對比以及計算結果分析42

2.3鋼軌縱向應力作用下的車輛軌道動力響應分析56

2.3.1縱向應力影響下板式軌道模型的振動特性56

2.3.2車軌耦合動力學模型61

2.3.3動態(tài)響應的數值分析63

參考文獻70

第3章無縫線路服役狀態(tài)地面監(jiān)測方法73

3.1無縫線路應力檢測技術73

3.1.1背景與研究現狀73

3.1.2超聲導波技術75

3.1.3半解析有限元方法78

3.1.4仿真與分析82

3.2無縫線路完整性檢測技術96

3.2.1背景與研究現狀96

3.2.2技術方案98

3.2.3實驗驗證103

3.3路基沉降檢測方法107

3.3.1研究現狀107

3.3.2基于PSD技術的檢測方案109

3.3.3路基沉降檢測裝置113

3.3.4實驗與分析117

參考文獻125

第4章無縫線路服役狀態(tài)移動檢測方法128

4.1軌道交通線路全斷面與形變檢測技術128

4.1.1基于車路振動模型的慣性基準測量128

4.1.2線路全斷面動態(tài)檢測系統(tǒng)應用165

4.2基于車輛動態(tài)響應的軌道幾何不平順智能估計176

4.2.1基于微種群遺傳算法和車軌耦合模型的軌道幾何不平順估計176

4.2.2基于UKF的軌道動態(tài)不平順估計優(yōu)化193

4.3軌道剛度參數突變識別算法200

4.3.1基于支持向量機和車輛動態(tài)響應的軌道剛度不平順估計200

4.3.2基于車輛動態(tài)響應的CA砂漿脫空智能檢測218

4.4基于車軌動態(tài)響應的鋼軌應力識別算法227

參考文獻2322100433B

超前感知綜采工作面頂板來壓及發(fā)生局部冒頂、壓架等事故的風險，自主評價初撐力、工作阻力等支護參數的適應性，是提高綜采工作面安全性、生產效率以及智能化開采水平的重要基礎。當前國內外在通過挖掘電液控制液壓支架海量監(jiān)測數據以反映支架與頂板狀態(tài)方面的研究仍然不足。項目圍繞綜采工作面支架與頂板狀態(tài)智能感知的核心科學問題，基于兩柱式電液控制液壓支架采集的海量阻力監(jiān)測數據，結合大數據挖掘及工作循環(huán)分析技術，提取包括支架工作循環(huán)各承載階段增阻速率、安全閥開啟及活柱下縮特征等在內的多因次工作循環(huán)特征參數；進而研究在時間、地質、支架自身特性等多種因素影響下的單臺支架承載特征及支架群組載荷轉移分布規(guī)律；在深入解讀支架阻力及活柱下縮時序曲線所蘊含的支架與圍巖相互作用關系的基礎上，建立基于人工神經網絡及決策樹理論的支架與頂板狀態(tài)智能感知模型，實現對支架與頂板狀態(tài)的智能感知。 2100433B