高速铁路服役状态智能感知与综合监测

高速铁路是一个复杂动态系统，其组成设备在服役期始终处在动态的变化过程中。因此，准确感知和综合监测高速铁路设备服役状态是确保健康平稳运营的基础。本项目以车路耦合关系这一影响高速铁路安全的核心问题为切入点，通过研究跨多气候带无缝线路在长期服役过程中的状态演变过程，建立全新的分布参数式服役状态模型，描述高速列车及无缝线路的动态耦合过程以及累积效应和其它环境因素造成的参数长期演变过程。以此为基础，重点研究复杂分布参数系统的状态感知算法，采用车、地自检和互检等多种检测方式，并在不同时间和空间尺度上重构和简化系统模型，开发线性与非线性混合滤波器算法，实现无缝线路应力分布、平顺度、刚度、阻尼以及高速列车舒适度、脱轨系数等重要参数的智能感知。同时，开展综合监测网优化方法、设备服役状态综合评估方法研究，结合基于环形铁道试验基地和京沪高铁的验证研究，为发展我国高速铁路设备服役状态综合监测理论奠定基础。

针对高速铁路无缝线路中轨道、路基、桥梁等在长期运营过程中会发生服役性能变化的问题，项目对反映线路健康状态的关键参数和性能指标开展了监测和研究。其中重点针对轨道应力的分布演化机制，通过综合运用机理分析和数据驱动等建模手段，开展了复杂运营条件下无缝线路力学特性演变的基础理论研究以及多手段融合的轨道设施安全状态监测方法的研究。 .为了描述高速列车及无缝线路的动态耦合过程以及累积效应和其它环境因素造成的参数长期演变过程，首先建立了基于统一数学模型和有限元模型的系统仿真平台，包括车辆-轨道-路基/桥梁的耦合动静态模型以及针对长大线路跨区域温度载荷的空间多尺度模型。率先从理论上提出了轨道固有振动特性关于轨道纵向应力的精确解析形式，得到了钢轨温度应力对车轨动态响应的影响规律。提出了计算大型结构平均性能参数的渐进均匀化方法，应用于铁路桥梁空间多尺度混合模型的建立中，解决了长大线路应力分布的仿真问题。基于仿真计算平台，开展了局部设备参数老化与整体线路综合性能之间影响关系的基础理论研究。研究了复杂运营条件下长大桥梁无缝线路的力学行为，分析了复杂荷载作用下小阻力扣件失效、基础沉降等多种基础设施病害发生、演变规律。分析并确定了服役状态敏感指标及感知区域，提出了轨道系统的监测内容和测点布置方案，在京沪高速铁路建立了实时在线监测工点，基于多手段智能融合的监测方法实现了结构服役状态由内至外的综合评价。.根据温度应力对不同频次钢轨振动的影响特点，提出了基于低频车辆动态响应的车载钢轨应力连续监测系统和基于高频超声导波的地面钢轨完整性检测系统，开发了基于神经网络、遗传算法等智能方法的应力参数估计方法，分别应用于快速车载检测、地面固定监测、移动式重点巡检等多种轨道健康状态检测方案。并在多条实际线路上推广应用，其中安装在大西高速铁路现场试用的无缝线路钢轨完整性和应力检测装置可实现2.5km区间无缝线路的实时监测，达到国际领先水平。