CN101927773A - 基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统及方法，其系统包括处理器模块，以及分别连接到处理器模块上的超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块和报警模块；所述处理器模块驱动超声波发射模块发射超声波信号，控制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果，并控制报警模块的输出。本发明采用了盲信号分离技术接收到的阵列信号进行分离处理，从混叠信号中分离出各路发射超声波的回波信号，解决了由于同一接收传感器接收到多个不同发射器的混叠回波信号而引起的处理器误判断问题，从而提高了检测系统的可靠性。

Description

基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统及方法

技术领域

本发明涉及信号处理在铁路轨道安全检测中的应用，具体涉及基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统及方法。

背景技术

铁路是交通运输的主动脉，许多铁路穿梭于崇山峻岭之间，在这些地区，特别是易于发生事故的地点，例如山体旁，隧道口等，在刮台风或下暴雨时容易出现塌方、路基损坏现象。这些区域由于地处偏远，铁路线较长，进行人工监护既费力又费时，也很难及时发现事故。因此铁路线上防不胜防的塌方或存在障碍物等现象，常常由于无法及时防范而导致铁路行车受阻或列车出轨从而发生翻车危险，带来巨大的经济损失甚至导致人员伤亡。

为了解决以上问题，国内外学者致力于研究一种能够自动监测铁路轨道安全，报告事故信息的系统。如Garcia J.J.，Hemhndez A.等人在《Low cost obstacle detection for smartrailway infrastructures》中设计出一种基于光流发射机的铁道障碍物的检测系统，在铁道两侧分别布上光流发射机和接收机的阵列，依靠检测是否正常接收到发射机信号来判断是否有障碍物。但该系统占用空间大而且不能检测铁路轨道路面的下陷。公告号为CN100497060C的中国发明专利《铁路沿线两侧坡地路基塌方自动监测报警装置》通过在铁路的一侧或两侧坡地路基布置传感器来监测塌方现象。但该装置不能检测落在铁路轨道上的障碍物，而且埋在地下的传感器容易在火车经过时因地面有震动而产生误报。

在日常应用中，超声波由于其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，在测距中得到广泛应用。利用超声波测距时，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波时就立即停止计时。根据接收和发射之间所需要的时间以及声速，就可确定受测目标的距离。

采用超声波进行测距时，由于铁路轨道、路基所处地面通常不是充分平坦的，因此从这些界面处反射的超声波回波信号并非垂直于接收器所在平面，反射角度会有偏差，特别是当路面有塌方现象或者是存在障碍物时，超声波回波信号的方向偏差会更大，所以在有多个超声波发射器和接收器的情况下，一个接收器通常会收到多个回波信号的混叠；这将会造成处理器对回波信号的判断及处理发生错误，从而影响了系统的可靠性。

发明内容

本发明的首要目的在于克服上述现有技术的不足，提供基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统，该系统结构简单，成本低，采用超声波测距技术对铁路轨道重要地带进行监控，以检测铁路轨道上的实时状况，发现异常情况则及时发出警报并报告铁路管理行车指挥管理部门以及时处理。

本发明的另一目的在于提供基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测方法，该方法采用盲信号分离技术对超声波接收器阵列获得的信号进行分离处理，从混叠信号中分离出各路发射超声波的回波信号，解决了由于同一接收传感器接收到多个不同发射器的混叠回波信号而引起的处理器误判断问题，从而提高了本发明中铁路轨道安全检测系统的可靠性。

本发明的首要目的通过以下技术方案实现：基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统，包括处理器模块，以及分别连接到处理器模块上的超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块和报警模块；所述处理器模块驱动超声波发射模块发射超声波信号，控制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果，并控制报警模块的输出。

所述处理器模块包括逻辑控制单元和信号处理单元，逻辑控制单元分别与超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块、报警模块连接，信号处理单元与超声波接收模块连接。

所述超声波发射模块包括超声波发射驱动单元和超声波发射传感器组，超声波发射驱动单元分别与处理器模块、超声波发射传感器组连接；所述超声波发射驱动单元接收来自处理器模块的编码脉冲信号，驱动所述的超声波传感器组发射超声波；所述的超声波发射传感器组包括由N个超声波发射传感器所构成的超声波发射传感器阵列；

所述超声波接收模块包括依次连接的超声波接收传感器组、带通滤波单元、放大器单元和模数转换单元，模数转换单元与处理器模块连接；所述超声波接收传感器组接收超声波回波信号，并通过所述带通滤波单元滤除噪声信号；所述放大器单元对经带通滤波单元滤波后的超声波回波信号进行放大；所述模数转换单元将模拟信号转换为数字信号；所述的超声波接收传感器组包括由N个超声波接收传感器所构成的超声波接收传感器阵列，N个超声波接收传感器分别接收N个超声波发射传感器的超声波信号。

所述声速校正模块包括一个小型的超声波发射接收系统，通过设定固定距离，并测得超声波在该距离中的往返时间，可求得当前环境中的超声波声速并保存在处理器模块中。

所述的报警模块与处理器模块相连接，当处理器模块中测量距离的结果超出预设的范围时，发出警报并将故障信号传递到铁路行车安全管理监控部门。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测方法，包括以下步骤：

1)、处理器模块生成N个不同的编码序列，所述的N个编码序列之间必须满足盲信号处理的条件，如相互统计独立；

2)、处理器模块将步骤1)中生成的N个编码序列分别发送到超声波发射模块中，产生N路超声波信号，同时，处理器模块对各路发射信号分别开始计时；

3)、延时τ后，超声波接收模块等待N路超声波回波信号；

4)、超声波接收模块接收到N路超声波回波信号后，对N路超声波回波信号进行处理，然后将处理后的N路信号传输给处理器模块；

5)、处理器模块采用盲信号分离技术对步骤4)所述的N路信号进行分离处理，得到分离后的各路信号；

6)、处理器模块将步骤5)中分离后的各路信号与源超声波发射信号进行匹配，求得各路信号的往返时间，根据声速测量模块得到的超声波速度计算得到测距结果，然后进行判断处理，控制报警模块；

7)、延时T后，返回步骤1)，开始下一次测量。

所述步骤5)中采用盲信号分离技术对步骤4)所述的N路信号进行分离处理，包括如下步骤：

(1)对输入到处理器模块的的N路信号所组成的阵列x(t)进行中心化处理；

(2)寻找一个白化矩阵Q，将步骤(1)中心化处理后的信号进行白化处理；

(3)通过迭代变换求解分离矩阵W的各个列分量w；

(4)由步骤(3)中求出的分离矩阵W的各个列分量w，计算出分离后的信号阵列。

步骤(1)所述的中心化处理为：用阵列x(t)减去N路信号的均值，将阵列x(t)转换成零均值的信号。

步骤(3)所述的求解分离矩阵W的各个列分量w，通过下列迭代式得到：

w⁺＝E{xg(w^Tx)}-E{g′(w^Tx)}w

w＝w⁺/||w⁺||

其中，g是一个非线性平稳函数，E是求期望值，w⁺是每一次迭代更新后的w值。

本发明可以对铁路轨道安全对行实时监测，及时反映铁路轨道的安全情况。相对于现有技术，本发明的有益效果及优点主要有：

1、采用了超声波测距实现铁路轨道路面的监测，系统简单，成本低，安装快速，而且测量精度高。

2、不仅可以监测由塌方引起的轨道路面覆盖和落在轨道路面上的障碍物，而且可以监测轨道路面被冲垮的现象，从多方面实施铁路轨道路面的安全监测，保证铁路行车安全。

3、在对超声波接收阵列信号的处理中，采用了盲信号分离技术接收到的阵列信号进行分离处理，从混叠信号中分离出各路发射超声波的回波信号，解决了由于同一接收传感器接收到多个不同发射器的混叠回波信号而引起的处理器误判断问题，从而提高了本发明的可靠性。

4、将本发明系统架设在需要监测的铁路轨道的上方，通过超声波测距技术对目标距离进行测定监控，判断所测得距离是否在正常的范围之内，以检测铁路轨道上是否出现塌方或路基被冲垮等灾害，如发现异常情况则及时发出警报并报告铁路管理行车指挥管理部门以及时处理，避免铁路行车发生事故，提高铁路行车的安全性。

附图说明

图1是本发明系统在铁道上的安装示意图；

图2是本发明系统的模块结构图；

图3是本发明方法的主要步骤流程图；

图4是本发明方法中接收到回波信号的处理过程；

图5是本发明方法中盲信号分离技术的主要步骤；

图6是本发明方法对测距结果进行判断处理的过程。

具体实施方式

下面结合实施以及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1为本发明基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统在铁道上的安装示意图，在容易发生事故的铁道轨道7上埋设支柱1，安装横臂2，并在横臂2上安装超声波发射/接收传感器阵列4，所安装的发射传感器与接收传感器应该每两个相对应。在本实施例中，横臂2上共布置了八对超声波发射/接收传感器，探测范围覆盖了一个路段内铁路轨道及两旁区域。超声波发射器发送超声波信号，接收器接收来自铁道路面的反射回波，经过信号处理后计算出传感器与轨道路面的距离，与预设的正常值比较，便可实时监测到轨道路面是否出现塌方(存在障碍物)或路基是否被冲垮(出现凹洞)。

如图2所示，本发明基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统，包括处理器模块、超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块和报警模块。所述的超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块、报警模块分别连接到处理器模块上。所述处理器模块控制安全检测系统的逻辑并进行信号处理，驱动超声波发射模块发射超声波信号，控制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果并控制报警模块的输出。

所述处理器模块包括逻辑控制单元和信号处理单元，逻辑控制单元分别与超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块、报警模块连接，信号处理单元与超声波接收模块连接。其中，逻辑控制单元控制超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块、报警模块之间的协作；信号处理单元对超声波接收模块的输出信号进行相关处理，包括采用盲信号分离技术对各路信号进行分离处理，并判断计算超声波回波信号的回程时间，从而计算出受测距离的大小。

所述超声波发射模块包括超声波发射驱动单元和超声波发射传感器组，超声波发射驱动单元分别与处理器模块、超声波发射传感器组连接。所述超声波发射驱动单元接收来自处理器模块的编码脉冲信号，驱动所述的超声波传感器组发射超声波。所述的超声波发射传感器组包括由N个超声波发射传感器所构成的超声波发射传感器阵列，超声波发射传感器阵列实现对铁路路面设定区域的监测。在本实施例中，N取8。

所述超声波接收模块包括依次连接的超声波接收传感器组、带通滤波单元、放大器单元和模数转换单元，模数转换单元与处理器模块连接。所述超声波接收传感器组接收超声波回波信号，并通过所述带通滤波单元滤除其他频率段的噪声信号；所述放大器单元对经带通滤波单元滤波后的超声波回波信号进行放大；所述模数转换单元将模拟信号转换为数字信号以供处理器模块进行信号处理。所述的超声波接收传感器组包括由N个超声波接收传感器所构成的超声波接收传感器阵列，N个超声波接收传感器分别接收N个超声波发射传感器的超声波信号。

所述声速测量模块包括一个小型的超声波发射接收系统，通过设定固定距离，例如1.5m，测得超声波在该固定距离中的往返时间，可求得当前环境中的超声波声速，并将超声波声速保存在处理器模块中，以供处理器模块计算铁路轨道安全检测系统每次测量的距离。该模块可以避免使用固定的声速时由于温度、湿度变化而引起超声波速度变化而导致系统测距产生校大的误差。

所述报警模块根据处理器模块的控制信号进行工作。当处理器模块中测量距离的结果超出预设的范围时，便发出信号指示报警模块发出警报，并将故障信号传递到铁路行车安全管理监控部门。

如附图3所示，本发明基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测方法，其实施步骤如下：

1、处理器模块生成N个不同的编码序列，所述的N个编码序列之间相互统计独立。本发明的铁路轨道安全检测系统中有N个发射/接收传感器，所以需要生成N个不同的编码序列。

2、处理器模块将步骤1中生成的N个编码序列分别发送到超声波发射模块中，产生N路超声波信号。N路超声波信号的产生原理为：N个编码序列分别发送到超声波发射模块的超声波发射驱动单元中，并由超声波发射驱动单元驱动N个超声波发射传感器分别产生一路超声波信号，从而-共产生N路超声波信号。在本实施例中，超声波的频率选为40kHz。在此同时，处理器模块就各路超声波发射信号分别开始计时。

3、延时τ后，超声波接收模块就绪，等待N路超声波回波信号。该步骤是为了避免接收传感器直接收到发射的超声波信号而造成测距错误。延时τ的值可以通过实验确定最佳值。

4、超声波接收模块接收到N路超声波回波信号后，对N路超声波回波信号进行处理，然后将处理后的N路信号传输给处理器模块。

图4示出了步骤4中接收模块接收到N路超声波回波信号后，对其进行的处理过程：首先对N路超声波回波信号进行带通滤波，由于接收的超声波回波信号比较弱，所以紧接着对信号进行放大处理，然后着再进行模数转换，最后将数字信号传输给处理器模块。带通滤波器的中心频率设为发射超声波的中心频率。

5、处理器模块的信号处理单元采用盲信号分离技术对步骤4所述的N路信号进行分离处理，得到分离后的各路信号；以避免系统中一个超声波接收传感器由于接收到多个超声波发射传感器发出的超声波信号的混叠回波信号，而造成处理器模块对信号的判断处理错误。

6、处理器模块将步骤5中分离后的各路信号与源超声波发射信号进行匹配，求得各路信号的往返时间，根据声速测量模块得到的超声波速度计算得到测距结果，然后进行判断处理。

7、延时T后，开始下一次测量，返回步骤1。

如图5所示，所述步骤5中采用盲信号分离技术对步骤4所述的N路信号进行分离，其主要过程如下：

(1)对输入到处理器模块的的N路信号所组成的阵列x(t)(即混叠信号)进行中心化处理；即用阵列x(t)减去N路信号的均值，将阵列x(t)转换成零均值的信号，即：x(t)←x(t)-E{x(t)}。

(2)寻找一个白化矩阵Q，将步骤(1)中心化处理后的信号进行白化处理；即x(t)←Qx(t)，使白化后的信号x(t)满足E{xx^H}＝I。白化处理通过主分量分析来实现。

(3)采用基于负熵最大化的FastICA算法对白化处理后的信号进行独立分量分析。该算法的过程主要是通过迭代变换求解分离矩阵W的各个列分量w，对分离矩阵W的各个列分量w求解的方法由下列迭代式得到：

w⁺＝E{xg(w^Tx)}-E{g′(w^Tx)}w

w＝w⁺/||w⁺||

其中，g是一个非线性平稳函数，E是求期望值，w⁺是每一次迭代更新后的w值。

(4)由步骤(3)中求出的分离矩阵W的各个列分量w，计算出分离后的信号阵列为：

y(t)＝Wx(t)

在步骤5中，本发明采用盲信号分离技术对N路信号进行分离，以克服一个超声波接收传感器由于接收到多个超声波发射传感器发出的超声波信号的混叠回波信号，而造成处理器模块对信号的判断处理出现错误。所谓盲信号分离技术，即是从观测到的若干个信号的混叠信号中恢复出未知原始信号；这里，混叠方式也是未知的。一般来说，观测信号来自于一组传感器的输出，其中每一个传感器接收到的信号是多个原始信号的一组混叠信号。基于盲信号分离技术的轨道安全检测方法，即是利用超声波发射器组中各个信号编码之间的某些特性(如，统计独立、稀疏、正交等等特性)，通过盲信号分离算法对传感器组接收到的混叠超声波信号进行分离处理，得到各个超声波发射器发出的源信号。

步骤6中对经过盲信号分离技术处理后的各路信号与源发射信号进行匹配后，可求得各路信号的往返时间，分别计算各路信号的测距结果。计算测距结果的方法是：超声波速度乘以各路信号的往返时间的一半，即l_i＝0.5□vt，(i＝1，2…N)。所述的超声波速度，由系统中的声速测量模块求得。处理器模块每隔一段时间t_v，驱动声速测量模块在已经的距离中发射超声波信号，并求得往返时间，便可求得当前环境中的超声波速度。时间间隔t_v可以根据实际情况自由设定，一般不超过一小时。

图6示出了对测距结果进行判断处理的过程，即：

先判断测距结果l_i(i＝1，2…N)是否超出预设的范围；若在正常范围内，则处理器模块将测量异常计数器清零，并在延时T后进入下一次测量；若超出预设的范围，则处理器模块将测量异常计数器加1，并判断测量异常计数器的计数值是否大于预设的次数n0，若是则控制报警模块发出警报信号并通知铁路行车安全管理部门，若否则不作任何处理，并在延时T后进入下一次测量。

在该方法中，预设的范围取决于超声波传感器安装的高度；在本实施例中，以安装高度为基准，上下不超过5cm。测量异常计数器的总阈值n0主要取决于正常火车通过该系统的时间与系统发出超声波进行测距的频率，以避免是由于火车通过该区域而引起误报警。延时T的值用来控制相邻两次测量之间的时间间隔，可以根据实际需要选取；本实施例中T的值选为10s。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统，其特征在于：包括处理器模块，以及分别连接到处理器模块上的超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块和报警模块；所述处理器模块驱动超声波发射模块发射超声波信号，控制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果，并控制报警模块的输出。

2.根据权利要求1所述的铁路轨道安全检测系统，其特征在于：所述处理器模块包括逻辑控制单元和信号处理单元，逻辑控制单元分别与超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块、报警模块连接，信号处理单元与超声波接收模块连接。

3.根据权利要求1所述的铁路轨道安全检测系统，其特征在于：所述超声波发射模块包括超声波发射驱动单元和超声波发射传感器组，超声波发射驱动单元分别与处理器模块、超声波发射传感器组连接；所述超声波发射驱动单元接收来自处理器模块的编码脉冲信号，驱动所述的超声波传感器组发射超声波；所述的超声波发射传感器组包括由N个超声波发射传感器所构成的超声波发射传感器阵列；

所述超声波接收模块包括依次连接的超声波接收传感器组、带通滤波单元、放大器单元和模数转换单元，模数转换单元与处理器模块连接；所述超声波接收传感器组接收超声波回波信号，并通过所述带通滤波单元滤除噪声信号；所述放大器单元对经带通滤波单元滤波后的超声波回波信号进行放大；所述模数转换单元将模拟信号转换为数字信号；所述的超声波接收传感器组包括由N个超声波接收传感器所构成的超声波接收传感器阵列，N个超声波接收传感器分别接收N个超声波发射传感器的超声波信号。

4.采用权利要求1所述的铁路轨道安全检测系统的基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、处理器模块生成N个不同的编码序列，所述的N个编码序列之间相互统计独立；

2)、处理器模块将步骤1)中生成的N个编码序列分别发送到超声波发射模块中，产生N路超声波信号；

3)、延时τ后，超声波接收模块等待N路超声波回波信号；

4)、超声波接收模块接收到N路超声波回波信号后，对N路超声波回波信号进行处理，然后将处理后的N路信号传输给处理器模块；

5)、处理器模块采用盲信号分离技术对步骤4)所述的N路信号进行分离处理，得到分离后的各路信号；

6)、处理器模块将步骤5)中分离后的各路信号与源超声波发射信号进行匹配，求得各路信号的往返时间，根据声速测量模块得到的超声波速度计算得到测距结果，然后进行判断处理；

7)、延时T后，返回步骤1)，开始下一次测量。

5.根据权利要求4所述的铁路轨道安全检测方法，其特征在于，所述步骤5)中采用盲信号分离技术对步骤4)所述的N路信号进行分离处理，包括如下步骤：

(1)对输入到处理器模块的的N路信号所组成的阵列x(t)进行中心化处理；

(2)寻找一个白化矩阵Q，将步骤(1)中心化处理后的信号进行白化处理；

(3)通过迭代变换求解分离矩阵W的各个列分量w；

(4)由步骤(3)中求出的分离矩阵W的各个列分量w，计算出分离后的信号阵列。

6.根据权利要求5所述的铁路轨道安全检测方法，其特征在于，步骤(1)所述的中心化处理为：用阵列x(t)减去N路信号的均值，将阵列x(t)转换成零均值的信号。

7.根据权利要求5所述的铁路轨道安全检测方法，其特征在于，步骤(3)所述的求解分离矩阵W的各个列分量w，通过下列迭代式得到：

w⁺＝E{xg(w^Tx)}-E{g′(w^Tx)}w

w＝w⁺/||w⁺||

其中，g是一个非线性平稳函数，E是求期望值，w⁺是每一次迭代更新后的w值。

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