高速铁路多层轨道结构薄状夹层病害检测与识别方法研究

At present, rapid detection and identification of thin-layer disease in the structure of high-speed railway has become bottleneck of ballastless track bed disease detection. Combination method of theoretical analysis , numerical simulation and field trials will be utilized in the research, to suit the features of small size, various type and strong concealment of thin interlayer diseases of ballastless track bed. Based on the construction of 3-D random medium model, in which, multi-interface physical parameters constant is floating with space, of high-speed railway ballastless track bed, the interlayer disease distribution rule and simulation methods are established by means of time-frequency analysis, predictive deconvolution, curvelet transform, random neural networks and other modern signal processing technology. Propagation mechanism of elastic wave field in ballastless track bed thin interlayer disease and influence of multi-track steel in slab on electromagnetic echo of defect are put forward. The new fast and efficient ballastless track bed interlayer defect detection and identification methods of multi-source collaborative awareness electromagnetic and elastic waves will be constructed. In order to realize defects detection and identification of ballastless track bed, to meet the future world's needs of rapid digital maintenance and repair.

高速铁路轨道结构中层间病害的快速检测与识别已成为当前前无砟道床病害检测的瓶颈所在，针对无砟道床薄状夹层病害尺寸小、类型多、强隐蔽的特点，本课题应用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的方法开展研究，在建立高速铁路无砟道床多层界面物性参数常数随空间浮动的三维随机介质模型基础上，以时频分析、预测反褶积、曲波变换、随机神经网络等现代信号处理技术为手段，建立层间病害性状分布规律与模拟方法，提出弹性波场在无砟道床薄状夹层病害的传播机理以及轨道板多层钢筋对缺陷电磁回波的影响规律，构建新型快速高效的无砟道床薄状夹层缺陷电磁、弹性波等多源协同感知检测和识别方法，实现无砟道床层间病害的检测与识别，满足未来我国高速铁路数字化快速养修的需求和走向世界的需要。

我国高速铁路建设成就举世瞩目，已成为国家品牌、大国重器。高速铁路轨道结构承载着高速列车运行，始终保持其高平顺、高稳定的服役状态，是高速铁路持续高安全、高可靠地运行的重要保障。高速铁路轨道结构薄状夹层病害的快速检测与识别已成为当前前无砟道床病害检测的瓶颈所在。本项目针对无砟道床薄状夹层病害尺寸小、类型多、强隐蔽的特点，造成波场传播特性不清晰、检测数据特征不明显和识别方法不准确等难题，应用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的方法系统性的开展高速铁路薄状夹层病害检测和识别方法研究。. 首先，基于弹性波的无砟道床薄状夹层病害识别方法研究：运用有限元（FEM）计算方法，建立了无砟道床层状弹性波数值仿真模型，研究了低频弹性波、高频面波和高频纵波在带病害无砟道床中的传播特性，分析了回波信号的时域/频域特征，提出了基于弹性波的无砟道床病害回波特征提取方法，实现了无砟轨道薄状夹层病害目标检测识别。. 其次，基于探地雷达的无砟道床薄状夹层病害识别方法：运用有限时域差分（FDTD）法，构建了无砟轨道薄状夹层典型病害随机介质模型，研究了电磁波在层状结构中的传播特性，分析了多层钢筋对病害电磁回波的抑制作用，提出了病害回波干扰滤波方法；剖析了无砟轨道病害的回波特征，构建了空洞目标回波滤波器，实现了无砟轨道薄状夹层病害目标检测识别。. 最后，无砟道床薄状夹层病害多源协同检测和识别方法：分析了空洞病害弹性波边缘回波分布模式，提出了基于弹性波的空洞病害边缘识别方法；构建了电磁波在薄状夹层中的传播模型，分析了基于电磁波的空洞病害厚度尺寸估计基础，提出了弹性波与电磁波相融合的薄状夹层病害参数估计方法。. 研究成果已成功应用于京沪高铁岔区道岔板离缝病害检测，指导了岔区道岔板整治决策，评估了注胶维修质量，提升了我国铁路运维领域自主创新能力，促进了高速铁路养护维修体系现代化，为高速铁路的安全运营提供了理论与技术支持。