[发明专利]一种基于FBG的高铁道床板变形监测与预测方法

说明书

本发明提供一种基于FBG的高铁道床板变形监测与预测方法。本发明首先开发一种基于光纤布拉格光栅技术的新型在线结构健康监测系统。该系统对监测数据的电磁干扰免疫，具有温度自补偿能力，实现对道床板变形连续、长期监测。本发明针对监测数据的不同不确定性来源，探讨变分异方差高斯过程，利用变分贝叶斯和高斯近似对数据建模、进一步开展监测数据不确定性因素分析和数据预测。结果表明，VHGP框架回归分析结果更稳健，估计的置信水平能较好描述高铁数据的噪声异方差。通过VHGP方法，可获得较高回归和预测精度，且预测的噪声最大位置更准确。弥补道床板变形监测的研究不足，为高铁系统安全建设与有效运营提供技术支撑。

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及结构变形监测及预测方法，本发明针对监测数据的不同不确定性来源，探讨变分异方差高斯过程，利用变分贝叶斯和高斯近似对数据建模、进一步开展监测数据不确定性因素分析和数据预测，开发一种不确定性结构健康监测(structural health monitoring，SHM)数据下基于变分异方差高斯过程的高速铁路道床板变形监测和预测方法。

背景技术

中国高铁在过去15年中发生了重大发展。HSR无碴轨道系统，一种低维护类型轨道，在中国广泛用于高铁线路。道床板等基础设施是关键要素，他们持续有效和安全工作对于确保高速列车的运行安全至关重要。可以监测性能变化和失效前兆的结构健康监测方法是保证有效和安全运行的关键工具。

保持轨道对齐是保证轨道车辆顺利安全通行的关键，理想轨道引导车辆沿着设计曲率的平滑轨道行驶。由于轨道与道床板之间存在刚性连接，道床板变形不可避免地会对轨道走向产生影响，导致轨道不平顺，影响车辆乘坐舒适性和行车安全。高铁轨道不平顺性可以由专门设计的铁路轨道检查车或正矢(又叫中弦偏移，即从轨道到两端与轨线接触的弦的中心的横向偏置，通常用来描述轨线对齐或不平顺性)每月测量几次。但是，这些方法无法提供实时和长期监测。

无砟道床板监测段位于高速铁路大断面深埋铁路隧道内。由于地震诱发滑坡地质灾害，铁路隧道墙体出现裂缝，混凝土发生剥落，特别在拱顶和隧道底部。通过对CP III轨道控制网实测，发现铁路隧道存在横向和竖向变形。整个隧道变形将直接导致道床板位移，造成较大横向轨道不平顺。为保证高速铁路安全运行，有必要对受影响铁路区段进行实时在线变形监测系统的部署，以便在轨道不平顺性达到一定程度时实时预警。

虽然使用各种技术和设备对民用基础设施进行变形监测的研究较多，例如，带伸长仪，全站仪，摄影测量法以及三维激光扫描仪，但是这些方法在高铁道床板变形监测中各有不足：带伸长仪只能测量相对于定点的距离变化，必须手动操作；全站仪易受环境干扰；激光扫描技术的精度较低，误差水平在5毫米左右。