基于頻譜能量分析的軌道幾何檢測系統(tǒng)常見異常狀態(tài)識別方法

郝晉斐 趙紫珅 王寧 周謙 賀雨

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所， 北京 100081； 2.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司， 北京 100081

軌道幾何檢測系統(tǒng)是基礎(chǔ)設(shè)施檢測的必要裝備，為提高軌道平順性、保障列車安全運行發(fā)揮了重要作用［1］。根據(jù)2022 年我國全路軌道檢查車、高速綜合檢測列車運用情況，軌道幾何檢測系統(tǒng)檢測里程共計535 萬公里［2-3］。軌道幾何檢測系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)良好是客觀評價線路狀態(tài)的先決條件，檢測系統(tǒng)異常造成的漏檢和誤報均會影響線路的客觀評價，特別是對局部峰值Ⅳ級超限（限速管理值）的漏檢，可能影響到列車行車安全風(fēng)險的識別。

我國軌道幾何檢測系統(tǒng)的發(fā)展歷經(jīng)GJ-3、GJ-4、GJ-5、GJ-6 幾代型號［4-6］，目前GJ-6 型軌道幾何檢測系統(tǒng)作為在用主型檢測系統(tǒng)，廣泛安裝于高速綜合檢測列車與軌道檢查車。GJ-6 型軌道幾何檢測系統(tǒng)基于慣性基準(zhǔn)測量原理，采用捷聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、非接觸測量方式。傳感器主要包括慣性測量組件、激光攝像組件和高低位移計。其中，慣性測量組件包括安裝于車體的陀螺平臺、左右高低加速度計以及安裝于檢測梁的軌向加速度計，可以采集車體的滾動和搖頭角速度、車體傾角、車體垂向加速度，檢測梁橫向加速度，以建立軌道檢測的慣性基準(zhǔn)。激光攝像組件和高低位移計分別對檢測梁與軌道橫向的相對位置關(guān)系、車體與軌道垂向的相對位置關(guān)系進(jìn)行測量，最終各傳感器合成輸出軌道幾何參數(shù)。

GJ-6型軌道幾何檢測系統(tǒng)傳感器布置見圖1。

圖1 GJ-6型軌道幾何檢測系統(tǒng)傳感器布置

在檢測過程中，軌道幾何檢測系統(tǒng)故障主要依靠檢測人員個人經(jīng)驗先行識別，然后再采用儀器、儀表對檢測系統(tǒng)各通道零點、增益等項點進(jìn)行排查。該方法需要長期檢測經(jīng)驗積累以及個人感性認(rèn)識，尚無故障量化判定方法。

隨著5G 通信技術(shù)在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，通過車載檢測系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)中心之間構(gòu)建高速、可靠的無線網(wǎng)絡(luò)通道，軌道幾何檢測系統(tǒng)已經(jīng)朝著無人值守檢測、遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控的方向發(fā)展［7］。軌道幾何檢測系統(tǒng)異常狀態(tài)識別方法對于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，進(jìn)行故障排查，減少設(shè)備漏檢以及提升檢測自動化檢測水平具有重要意義。因此，本文以2021 年高速綜合檢測列車軌道幾何檢測系統(tǒng)漏檢情況為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，統(tǒng)計歸納出檢測系統(tǒng)常見異常狀態(tài)類型；基于軌道幾何檢測系統(tǒng)測量原理與車輛振動特性，進(jìn)行異常狀態(tài)頻譜能量影響分析，提出軌道幾何檢測系統(tǒng)常見異常狀態(tài)識別方法。

1 軌檢系統(tǒng)常見異常狀態(tài)

以2021 年全路高速綜合檢測列車運用情況作為統(tǒng)計樣本，對全年軌道幾何檢測系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀態(tài)的成因進(jìn)行分類統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)：①雨雪、強(qiáng)光、鋼軌打磨等外界環(huán)境因素造成激光攝像組件無法測量檢測梁與鋼軌之間的相對位置關(guān)系，該類異常約占漏檢里程的76.2%；②高低位移計因長期暴露于外界環(huán)境，傳感器存在拉弦卡阻、斷裂等現(xiàn)象，該類異常約占11.4%；③激光攝像組件長期服役造成狀態(tài)不良，該類異常約占5.3%；④其他檢測系統(tǒng)硬件、計算機(jī)故障，其中軌道幾何檢測系統(tǒng)采集及參數(shù)合成計算機(jī)故障、服務(wù)器計算機(jī)故障分別約占4.0%、0.5%，車上陀螺平臺、高低與軌向加速度計及信號處理板卡故障約占1.9%，供電單元故障約占0.7%。

通過上述分類統(tǒng)計，軌道幾何檢測系統(tǒng)高低位移計、激光攝像組件因長期暴露于外界環(huán)境，測量環(huán)境和自身狀態(tài)不良是造成系統(tǒng)狀態(tài)異常的主因，占漏檢里程的92.9%，其他檢測系統(tǒng)硬件、計算機(jī)安裝于車體、檢測梁內(nèi)部，總體服役環(huán)境良好，在漏檢里程中的比例僅為7.1%。因此，針對高低位移計、激光攝像組件異常狀態(tài)開展相關(guān)識別方法研究。

2 識別方法

GJ-6 型軌道幾何檢測系統(tǒng)慣性測量組件、激光攝像組件和高低位移計分布于專業(yè)檢測車車體、轉(zhuǎn)向架檢測梁、軸端。根據(jù)車輛振動特性相關(guān)研究成果［8-9］，車體、轉(zhuǎn)向架、車輪主要振動頻率范圍存在明顯差異，其中車體振動頻率范圍最低，集中在1 ～ 2 Hz。這導(dǎo)致軌道幾何檢測系統(tǒng)高低、軌向參數(shù)合成過程中，安裝于車體及軌檢梁的慣性組件主要貢獻(xiàn)了相對低頻的成分，用于測量慣性平臺與軌道垂向、橫向相對位置關(guān)系的高低位移計和激光攝像組件主要貢獻(xiàn)了相對高頻成分。軌道幾何檢測系統(tǒng)作為捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如高低位移計、激光攝像組件出現(xiàn)異常狀態(tài)，必然導(dǎo)致高低、軌向參數(shù)在頻域發(fā)生變化。

考慮到高低位移計、激光攝像組件狀態(tài)不良是造成系統(tǒng)異常的主要原因，通過分析正常狀態(tài)數(shù)據(jù)與監(jiān)控檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)高低、軌向參數(shù)頻譜能量的差異，可實現(xiàn)軌道幾何檢測系統(tǒng)常見異常狀態(tài)的識別。

2.1 高低、軌向頻譜能量分析方法

根據(jù)Parseval 定理［10］，一個信號含有的能量恒等于此信號在完備正交函數(shù)集中各分量能量之和。一定長度的信號，在時域的總能量與在頻域的總能量相等，該信號能量可以通過頻域表征。對于一定長度的高低、軌向信號，在時域與頻域能量的表征為

式中：x(n)為按軌道幾何檢測系統(tǒng)輸出格式輸出的連續(xù)N個點（n= 0 ～N-1）的高低或軌向檢測結(jié)果；X(k)為x(n)信號快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）結(jié)果；k為對應(yīng)FFT變換的頻點，k= 0 ～N-1。

目前，我國在用軌道幾何檢測系統(tǒng)均采用0.25 m間隔輸出軌道幾何參數(shù)，則x(n)信號的空間輸出頻率Fs= 4 m-1。因此，F(xiàn)FT 變換過程中對應(yīng)的空間頻率（Fn）與波長（λ）分別表示為

對時域信號x(n)表征的能量，在頻域內(nèi)按照統(tǒng)計頻段進(jìn)行能量的分解。根據(jù)軌道幾何檢測系統(tǒng)1.5 ～42 m可測波長范圍，按5 m一個波長統(tǒng)計頻段，拆分為1.5 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15、15 ～ 20、20 ～ 25、25 ～ 30、30 ～ 35、35 ～ 40 m 共8 個統(tǒng)計頻段。各波長頻段頻譜能量表征為

式中：E(λn，λn-1)為頻段頻譜能量；λn、λn-1分別為頻譜能量統(tǒng)計頻段的起始、截止波長。

為分析正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)與監(jiān)控檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)對應(yīng)頻段頻譜能量的差異，采用兩次測量對應(yīng)頻段頻譜能 量［E1(λn，λn-1)、E2(λn，λn-1)］之 比（Δ）進(jìn) 行 表征，即

2.2 典型異常狀態(tài)數(shù)據(jù)分析

選取2021年、2022年全路高速綜合檢測列車軌道幾何檢測系統(tǒng)典型高低位移計、激光攝像組件異常狀態(tài)數(shù)據(jù)各10組，與對應(yīng)線路臨近時間兩次正常狀態(tài)數(shù)據(jù)，形成涵蓋200 ～ 350 km/h速度等級高速鐵路的數(shù)據(jù)樣本庫。通過分析兩次正常狀態(tài)、正常與異常狀態(tài)對應(yīng)波長頻段頻譜能量之比，研究軌道幾何檢測系統(tǒng)異常狀態(tài)下頻譜能量變化特征，提出常見異常狀態(tài)識別方法與限值標(biāo)準(zhǔn)。分析時，采用2 km 作為一個區(qū)段統(tǒng)計長度，既可以避免因統(tǒng)計數(shù)據(jù)較短、軌道幾何不平順局部幅值變化對數(shù)據(jù)分析的影響，也保證了系統(tǒng)異常狀態(tài)識別及時性的要求。

1）高低位移計異常狀態(tài)

在典型高低位移計異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本中，選取高速鐵路線路A 在2022 年9 月—10 月的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖2為高低位移計正常與異常狀態(tài)下檢測波形圖及頻譜圖?？芍焊叩臀灰朴嫚顟B(tài)異常導(dǎo)致波形圖上左高低參數(shù)與正常檢測結(jié)果有明顯差異；在頻譜圖上，高低位移計異常狀態(tài)下1.5 ～ 20 m 波長頻段的左高低頻譜幅值遠(yuǎn)小于正常狀態(tài)檢測結(jié)果。圖3為高低位移計正常狀態(tài)兩次檢測波形圖及頻譜圖（以左高低為例）?？芍焊叩臀灰朴嬚顟B(tài)下，高低參數(shù)兩次檢測結(jié)果具有很好的重復(fù)性，各頻段頻域幅值接近。

圖2 高低位移計正常與異常狀態(tài)檢測波形及頻譜對比

圖3 高低位移計正常狀態(tài)兩次檢測波形及頻譜對比

對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜能量分析，結(jié)果見圖4?？芍涸诟叩臀灰朴嬚顟B(tài)下，高低參數(shù)兩次測量頻譜能量（E正常1、E正常2）具有很好的一致性，各頻段頻域能量之比（Δ =E正常1/E正常2）總體分布在1.0 左右，區(qū)間分布不超過0.6 ～ 2.5；在高低位移計異常狀態(tài)下，異常狀態(tài)頻域能量（E異常）與正常狀態(tài)頻域能量（E正常）有明顯差異，其比值（Δ =E正常/E異常）在1.5 ～ 20 m 波長內(nèi)變化最明顯，最小值略大于4.0，最大值可達(dá)50.0。

圖4 高低位移計頻譜能量分析

2）典型激光攝像組件異常狀態(tài)

在典型激光攝像組件異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本中，選取高速鐵路線路B 在2022 年5 月—6 月檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。激光攝像組件正常與異常狀態(tài)下的檢測波形圖及頻譜圖（以左軌向為例）見圖5?？芍杭す鈹z像組件狀態(tài)異常導(dǎo)致波形圖上軌向參數(shù)與正常檢測結(jié)果不一致；在頻譜圖上，激光攝像組件異常狀態(tài)下1.5 ～20 m 波長頻段的軌向頻譜幅值遠(yuǎn)小于正常狀態(tài)檢測結(jié)果。激光攝像組件正常狀態(tài)兩次檢測波形圖及頻譜圖（以左軌向為例）見圖6?？芍杭す鈹z像組件正常狀態(tài)下，軌向參數(shù)兩次檢測結(jié)果具有很好的重復(fù)性，各頻段頻域幅值接近。

圖5 激光攝像組件正常與異常狀態(tài)檢測波形及頻譜對比

圖6 激光攝像組件正常狀態(tài)兩次檢測波形及頻譜對比

對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜能量分析，結(jié)果見圖7?？芍涸诩す鈹z像組件正常狀態(tài)下，軌向參數(shù)兩次測量頻譜能量（E正常1、E正常2）具有很好的一致性，各頻段頻域能量之比（Δ =E正常1/E正常2）在0.8 ～ 1.6；在激光攝像組件異常狀態(tài)條件下，異常狀態(tài)頻域能量（E異常）與正常狀態(tài)頻域能量（E正常）有明顯差異，其比值（Δ =E正常/E異常）在1.5 ～ 15 m 波長內(nèi)變化最為明顯，最小值略大于3.0，最大值可達(dá)80.0以上。

圖7 激光攝像組件頻譜能量分析

根據(jù)軌道幾何檢測系統(tǒng)異常狀態(tài)頻譜能量影響分析結(jié)果，兩次正常狀態(tài)檢測過程中，高低、軌向參數(shù)各頻段頻譜能量的一致性良好，兩次頻譜能量之比不超過2.5；高低位移計、激光攝像組件異常狀態(tài)分別對高低參數(shù)在1.5 ～ 20 m 波長頻段、軌向參數(shù)在1.5 ～15 m 波長頻段頻譜能量產(chǎn)生明顯影響，導(dǎo)致正常與異常狀態(tài)頻譜能量之比在4.0 ～ 50.0、3.0 ～ 80.0。

在實際異常狀態(tài)識別應(yīng)用中，采用臨近時間正常狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，按照2 km 為一個統(tǒng)計區(qū)段長度，將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與狀態(tài)監(jiān)控軌道幾何檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)高低參數(shù)在1.5 ～ 20 m 波長頻段、軌向參數(shù)在1.5 ～ 15 m 波長頻段的頻譜能量之比(Δ)作為識別參數(shù)，進(jìn)行實時更新計算。建議參數(shù)識別限值分別設(shè)置為4.0、3.0，并結(jié)合檢測里程信息，對軌道幾何檢測系統(tǒng)異常狀態(tài)位置、長度等信息進(jìn)行統(tǒng)計。

3 方法驗證

選取2023 年高速鐵路線路C、線路D 在檢測過程中分別發(fā)生的高低位移計、激光攝像組件故障數(shù)據(jù)，驗證上述識別方法的通用性與限值的合理性。

軌道幾何檢測系統(tǒng)正常與異常狀態(tài)數(shù)據(jù)的頻譜能量結(jié)果見表1。其中，E1為正常檢測頻譜能量，E2為異常狀態(tài)頻譜能量?？芍壕€路C 正常與異常狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)高低參數(shù)在1.5 ～ 20 m 波長頻段的頻譜能量之比在11.0以上，大于限值4.0；線路D正常與異常狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)軌向參數(shù)在1.5 ～ 15 m 波長頻段的頻譜能量之比在4.0以上，大于限值3.0。異常狀態(tài)均可得到識別，證明了識別方法的有效性。

表1 軌道幾何檢測系統(tǒng)正常與異常狀態(tài)參數(shù)頻譜能量對比

4 結(jié)語

本文基于軌道幾何檢測系統(tǒng)測量原理與車輛振動特性，提出了一種基于頻譜能量分析的高低位移計、激光攝像組件異常狀態(tài)識別方法，分別采用正常狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)與狀態(tài)監(jiān)控軌道幾何檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)高低參數(shù)在1.5 ～ 20 m 波長頻段、軌向參數(shù)在1.5 ～15 m 波長頻段的頻譜能量之比作為識別參數(shù)。通過對典型異常狀態(tài)樣本庫的分析，將高低位移計、激光攝像組件異常狀態(tài)識別限值設(shè)置為4.0、3.0，識別參數(shù)超過該限值則判定為系統(tǒng)異常狀態(tài)。研究成果對于提升軌道幾何檢測系統(tǒng)檢測自動化水平、降低漏檢具有十分重要的意義。

后續(xù)將進(jìn)一步開展其他傳感器異常狀態(tài)特征提取及識別方法研究，完善軌道幾何檢測系統(tǒng)異常狀態(tài)識別方法。