研究背景

基于超導(dǎo)塊材磁通釘扎特性的高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)具有懸浮導(dǎo)向一體化、無(wú)源自穩(wěn)定、可靜浮、無(wú)磁阻力等原理優(yōu)勢(shì)。2021年1月工程化樣車的正式啟用，標(biāo)志著其進(jìn)入工程化研究階段。系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示，超導(dǎo)懸浮器相當(dāng)于輪軌列車轉(zhuǎn)向架下的“輪對(duì)”，通過(guò)內(nèi)部超導(dǎo)塊材陣列的強(qiáng)磁通釘扎效應(yīng)與磁軌磁場(chǎng)相互作用，實(shí)現(xiàn)車體的自穩(wěn)定懸浮導(dǎo)向。因此，其低溫性能和動(dòng)態(tài)特性都決定著系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

超導(dǎo)塊材作為懸浮承載核心，其內(nèi)部溫升檢測(cè)成為超導(dǎo)磁浮多參量智能監(jiān)測(cè)的第一要素，研究探索超導(dǎo)塊材內(nèi)部溫升與動(dòng)態(tài)懸浮力、振動(dòng)加速度之間的關(guān)聯(lián)顯得尤為重要。此外，現(xiàn)有溫度測(cè)量方法需將溫度傳感器置入超導(dǎo)塊材內(nèi)部，存在結(jié)構(gòu)破壞和安裝困難等問(wèn)題，無(wú)法工程化應(yīng)用。對(duì)比多參量融合識(shí)別技術(shù)在高鐵系統(tǒng)中的應(yīng)用，以溫-振融合為方向，開(kāi)展超導(dǎo)磁浮多參量監(jiān)測(cè)及智能狀態(tài)識(shí)別理論具有現(xiàn)實(shí)意義和科研價(jià)值。

圖1 高溫超導(dǎo)磁浮工程化樣車及基本組成

論文所解決的問(wèn)題及意義

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)探究超導(dǎo)塊材內(nèi)部溫升與外在動(dòng)態(tài)懸浮力的耦合映射關(guān)系，提取等效振動(dòng)加速度的小波能量作為識(shí)別模型輸入，利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）建立了溫升智能識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超導(dǎo)塊材內(nèi)部溫度的無(wú)損監(jiān)測(cè)。此方法在不影響精度的前提下降低了測(cè)試復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)高溫超導(dǎo)磁浮塊材內(nèi)部溫度的非接觸式智能無(wú)損監(jiān)測(cè)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、交變磁場(chǎng)激勵(lì)下超導(dǎo)塊材溫度與動(dòng)態(tài)懸浮力耦合關(guān)系

研究人員利用磁輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生交變激勵(lì)磁場(chǎng)模擬超導(dǎo)塊材的惡劣運(yùn)行環(huán)境，搭建了針對(duì)超導(dǎo)塊材的溫升-懸浮力測(cè)試裝置，得到了塊材內(nèi)部不同溫升下動(dòng)態(tài)懸浮力的變化情況。結(jié)果表明，超導(dǎo)塊材內(nèi)部各點(diǎn)溫度及懸浮力衰減率隨著激勵(lì)磁場(chǎng)頻率的增加不斷增加，具有一致性；對(duì)于磁浮應(yīng)用而言，塊材內(nèi)部安全溫度閾值為82 K，而非超導(dǎo)體臨界溫度92-93 K。

2、基于溫-振特性的溫升智能識(shí)別方法

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中超導(dǎo)塊材固定在測(cè)力裝置上，研究團(tuán)隊(duì)利用牛頓第二定律將懸浮力轉(zhuǎn)化為等效振動(dòng)加速度。隨后，利用小波分解處理振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)小波系數(shù)得到不同頻帶的小波能量。接著以各頻帶小波能量為輸入、對(duì)應(yīng)溫度值為輸出，構(gòu)建出BPNN溫升識(shí)別模型。取每種轉(zhuǎn)速下數(shù)據(jù)集的75%及25%分別作為模型的訓(xùn)練集和測(cè)試集，用于模型的訓(xùn)練及準(zhǔn)確性驗(yàn)證，具體識(shí)別流程如圖2所示。結(jié)果顯示，模型識(shí)別率達(dá)到99.7%及以上。

圖2 溫升識(shí)別模型流程圖

3、識(shí)別模型的有效性驗(yàn)證

研究人員利用有限元仿真復(fù)現(xiàn)了磁軌磁場(chǎng)不平順，研究了磁場(chǎng)在20 Hz頻率、0.06 T-0.15 T幅值之間波動(dòng)時(shí)超導(dǎo)塊材的動(dòng)態(tài)懸浮力與溫度變化狀態(tài)。通過(guò)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)集對(duì)溫升識(shí)別模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示模型識(shí)別率保持在99.5%以上。

結(jié)論

1)超導(dǎo)塊材內(nèi)部溫升與外部振動(dòng)密切相關(guān)，可以利用振動(dòng)信號(hào)，輔以人工智能算法，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)塊材內(nèi)部溫升非接觸式監(jiān)測(cè)。

2)超導(dǎo)塊材的小波能量值在不同幅頻交變磁場(chǎng)下不同，可作為監(jiān)測(cè)其狀態(tài)變化的主要參量。

3)基于溫-振特性構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在超導(dǎo)磁浮塊材內(nèi)部溫升識(shí)別中準(zhǔn)確率超99.5%。這可發(fā)展為監(jiān)測(cè)超導(dǎo)磁浮動(dòng)態(tài)懸浮性能的有效手段。

西南交通大學(xué)高溫超導(dǎo)磁懸浮課題組來(lái)自西南交通大學(xué)軌道交通運(yùn)載系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高溫超導(dǎo)磁浮列車工程化與磁力技術(shù)應(yīng)用拓展研究，涉及電磁設(shè)計(jì)及優(yōu)化、磁浮動(dòng)力學(xué)及控制、懸浮驅(qū)動(dòng)智能控制等方向。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)完成了多個(gè)國(guó)家、省部級(jí)和企業(yè)的研究項(xiàng)目，獲得了中央高校優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)（培育）、鐵路青年五四獎(jiǎng)?wù)录w、四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)等稱號(hào)。

鄭珺

研究員，博士，博士生導(dǎo)師，澳大利亞政府奮進(jìn)研究學(xué)者（Endeavour Research Fellowship）、詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)專項(xiàng)獎(jiǎng)、四川省科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目獲得者。主持國(guó)家科技部863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目等國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目12項(xiàng)。在IEEE TTE、T-ITS、TVT、Meas、SuST等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表第一/通訊作者SCI論文46篇，IEEE期刊封面論文2篇；第一發(fā)明人授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利21項(xiàng)/美德日專利4項(xiàng)；出版英文專著1章。研究方向?yàn)榇艖腋∨c電磁推進(jìn)、機(jī)電耦合、智能監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。

龐鵬

博士研究生，國(guó)家公派聯(lián)合培養(yǎng)，主持四川省科技創(chuàng)新苗子工程培育項(xiàng)目1項(xiàng)。研究方向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)磁浮系統(tǒng)的溫-振特性及智能運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別。

楊浩

碩士研究生，研究方向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)懸浮器智能故障診斷分析。

楊博

碩士研究生，研究方向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)磁浮軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。