清華新聞網(wǎng)5月6日電 近年來，高速鐵路網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，成為支撐城際交通運(yùn)輸體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著CR450動車組樣車進(jìn)入型式試驗(yàn)階段，更高的運(yùn)行時(shí)速對高速鐵路安全監(jiān)測提出了更高的要求。現(xiàn)有的綜合檢測列車監(jiān)測周期較長，難以實(shí)時(shí)響應(yīng)突發(fā)軌道故障。開展高速鐵路實(shí)時(shí)健康監(jiān)測技術(shù)研究，可對現(xiàn)有監(jiān)測方法進(jìn)行有效補(bǔ)充，進(jìn)一步保障高速鐵路運(yùn)行安全。
5月3日，清華大學(xué)精密儀器系王波課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表了題為“基于沿線通信光纜的激光干涉儀高速鐵路健康監(jiān)測方法”（Laser Interferometry for High-Speed Railway Health Inspection using Telecom Fiber along the Line）的研究論文，提出了一種利用高鐵沿線既有通信光纜實(shí)現(xiàn)高速鐵路健康實(shí)時(shí)監(jiān)測的方法。該研究利用京廣高鐵北京西站至杜家坎12km高鐵沿線既有通信光纜構(gòu)建大尺度光纖干涉儀實(shí)驗(yàn)平臺（圖1），基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立高鐵列車振動特征和線路區(qū)段的對應(yīng)關(guān)系。通過對高鐵振動信號的持續(xù)定位與逐段統(tǒng)計(jì)，將12km線路劃分為若干監(jiān)測區(qū)段，形成各區(qū)段振動特征健康譜帶，有效反映高速鐵路的健康狀況。
首先，該研究針對高速鐵路監(jiān)測里程長、振動幅度大的特點(diǎn)，采用基于光纖中連續(xù)光進(jìn)行傳感的激光干涉儀技術(shù)，高保真地采集列車-軌道-橋梁（train-track-bridge, TTB）系統(tǒng)的耦合振動信號。構(gòu)建殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ResNet）結(jié)合長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）的深度學(xué)習(xí)模型，為激光干涉儀探測的高速鐵路振動信號附加位置標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)高速鐵路沿線的分布式振動監(jiān)測。
圖1.高速鐵路監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺
進(jìn)而，該研究提出以振動信號的平均功率譜密度（A-PSD）作為高速鐵路健康狀態(tài)的監(jiān)測指標(biāo)（圖2），形成各線路區(qū)段的A-PSD健康譜帶，進(jìn)行長期監(jiān)測驗(yàn)證。監(jiān)測時(shí)長超過14個(gè)月，涵蓋季節(jié)變化、強(qiáng)降雨與地震等因素影響，健康軌道區(qū)段的振動A-PSD特征保持穩(wěn)定，均在健康譜帶范圍內(nèi)（圖2c-f），與高速鐵路保持健康的狀態(tài)相符。
圖2.高速鐵路區(qū)段平均功率譜密度持續(xù)監(jiān)測結(jié)果
監(jiān)測期間，北京局高鐵工務(wù)段對一處發(fā)生微小蠕變變形的軌道區(qū)段實(shí)施了檢修。分析表明，該變形軌道區(qū)段的振動A-PSD特征譜超出該區(qū)段健康譜帶，并在軌道檢修后回歸至健康譜帶范圍內(nèi)（圖3）。類似的變形監(jiān)測結(jié)果共同證明A-PSD指標(biāo)對軌道故障具有良好靈敏度。
圖3.高速鐵路某區(qū)段蠕變變形檢修前后監(jiān)測結(jié)果
研究提出的高鐵健康實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，無需布設(shè)專用傳感器即可實(shí)現(xiàn)長距離分布式感知，顯著縮短了高速鐵路健康監(jiān)測周期。此外，在高鐵夜間停運(yùn)的空窗期內(nèi)，沿線光纜背景環(huán)境安靜，課題組基于該實(shí)驗(yàn)平臺，監(jiān)測到地震波、普鐵列車振動等信號。該研究證明利用既有光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的感知系統(tǒng)可作為高速鐵路健康監(jiān)測的實(shí)時(shí)輔助工具，并具有建立大規(guī)模感知網(wǎng)絡(luò)的潛力。
清華大學(xué)精密儀器系副教授王波為論文通訊作者，精密儀器系2019級博士生王貫（已畢業(yè)）、2024級博士生宋東芪為論文共同第一作者。清華大學(xué)精密儀器系2021級博士生龐眾望、2017級博士生王芳敏（已畢業(yè)）、2020級博士生戴鴻飛和2022級博士生李汶林為研究作出了重要貢獻(xiàn)。中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京通信段和北京工務(wù)段，以及北京共建恒業(yè)通信技術(shù)有限責(zé)任公司為研究提供了便利條件。研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59507-6
供稿：精儀系
編輯：李華山
審核：郭玲
