CN102890143A - 一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法 - Google Patents

一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法，属于交通信息安全技术，本发明首先通过采集器采集一个位置处至少一个振动加速度传感器的车速信息和前后轴箱垂向振动加速度信息，再将采集到的车速信息和轴箱垂向振动加速度信息进行融合，并将融合后的信息进行特征提取，得到振动加速度的时频能量分布函数，然后寻找到时频能量分布函数峰值对应的位移坐标位置，最后重复上述对相邻一个轴距车轮旋转周位置处的加速度信号进行分析通过上述方法，本发明能够检测轨道局部缺陷下的冲击特性，不需要修改线路，检测系统简单，相比现有技术来讲，本发明可靠性高、成本低、通道数量少、系统简单、抗干扰性高，具有很广阔的应用空间和更高的应用价值。

Description

一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法
技术领域
 本发明属于交通运输领域，具体地讲，涉及一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法。
背景技术
良好的轨道状态是保障车辆安全、顺畅通过的根本条件，也是铁路工务段对轨道检测、维修的根本目的。其中轨道短波不平顺是影响轨道状态的一个重要因素，而且在铁路轨道中频繁发生，轨道短波不平顺产生轮轨冲击载荷，轻则引起车辆和轨道的剧烈振动，严重时危害车辆和轨道的相关部件，减少车辆和轨道的服役寿命，甚至造成车辆脱轨、倾覆等恶性事件，影响铁路车辆的行车安全，因此轨道短波不平顺检测技术是一项涉及到人生安全、财产的重要技术，是确保轨道车辆长期安全运行的重要保障。
现有的轨道短波检测方法主要有两大类：
一．人工测量
现有的低成本的轻型轨道检测小车一般采用人工推移进行轨道状态检测以节约成本，然而人工测量不仅精度不高，而且费时费力，完全不能满足今天轨道车辆大发展的速度。
二．轨道检测车
现有的轨道线路中大多采用轨道检测车来测量，这种方法虽然测量速度较人工测量速度更快，但成本也随之大大提高，由于需要专门的检测车且需要安排特定的时间进行作业，实现方式麻烦。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的轨道短波测量费时费力且成本高的缺陷，提供一种省时省力、成本低廉、精确度高的轨道缺陷车载检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法，包括以下步骤：
（a）通过采集器采集一个位置处至少一个振动加速度传感器的车速信息和前后轴箱垂向振动加速度信息；
（b）将采集到的车速信息和轴箱垂向振动加速度信息进行融合；
（c）将融合后的信息进行特征提取，得到振动加速度的时频能量分布函数；
（d）寻找到时频能量分布函数峰值对应的位移坐标位置；
（e）重复步骤（a）～（d）对相邻一个轴距车轮旋转周位置处的加速度信号进行分析，若能量峰值对应的位移坐标一致，则该轨道存在局部缺陷。
进一步的，所述步骤（a）中振动加速度传感器的量程为±50g且频率响应不小于2000Hz，采集器的采样频率不低于10kHz。
为了将采集到的车速信息和轴箱垂向振动加速度信息进行充分融合，所述步骤（b）的具体实现方法如下：
（b1）从                                               时刻到时刻得到车辆的行驶位移
Figure 957174DEST_PATH_IMAGE006
的计算公式如下：
Figure 352383DEST_PATH_IMAGE008
并记下时间坐标
Figure 166755DEST_PATH_IMAGE004
，并依此类推得到从
Figure 926901DEST_PATH_IMAGE010
到
Figure 193934DEST_PATH_IMAGE012
车辆的行驶位移：
Figure 392834DEST_PATH_IMAGE014
记下时间坐标
Figure 248664DEST_PATH_IMAGE016
其中
Figure 242027DEST_PATH_IMAGE018
表示车轮的名义滚动圆半径，为正整数；
（b2）通过公式：
Figure 671052DEST_PATH_IMAGE022
对前轴箱振动信号分为共
Figure 624281DEST_PATH_IMAGE020
段；
（b3）对车速信号从到
Figure 330911DEST_PATH_IMAGE028
求和计算车辆的行驶位移，同时使得
Figure 434182DEST_PATH_IMAGE032
并记下时间坐标
Figure 163103DEST_PATH_IMAGE034
，同理对车速信号从
Figure 179601DEST_PATH_IMAGE036
到
Figure 677578DEST_PATH_IMAGE038
求和计算车辆的行驶位移
Figure 449225DEST_PATH_IMAGE040
，依次类推对车速信号从
Figure 586814DEST_PATH_IMAGE042
到
Figure 469320DEST_PATH_IMAGE044
求和计算车辆的行驶位移：
记下时间坐标
Figure 702035DEST_PATH_IMAGE048
；
（b4）应用时间坐标对前轴箱振动信号进行分段，得到公式：
Figure 560587DEST_PATH_IMAGE052
从而得到车轮旋转一周的位移信号相对应的轴箱垂向振动加速度信息。
再进一步的，所述步骤（c）的具体实现方式如下：
（c1）对前轴箱振动信息和后轴箱振动信息进行傅立叶变换得到：
Figure 333557DEST_PATH_IMAGE056
；
（c2）将
Figure 258787DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 420778DEST_PATH_IMAGE060
分别与频率选择函数
Figure 482275DEST_PATH_IMAGE062
相乘得到频率选择后的函数
Figure 766626DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 369033DEST_PATH_IMAGE066
，其中频率选择函数
Figure 397032DEST_PATH_IMAGE068
；
（c3）对函数
Figure 578615DEST_PATH_IMAGE064
和
Figure 705971DEST_PATH_IMAGE066
进行反傅立叶变换得到前轴箱振动加速度的时频能量分布函数
Figure 605794DEST_PATH_IMAGE070
和后轴箱振动加速度的时频分量
Figure 358855DEST_PATH_IMAGE072
。
更进一步的，所述步骤（d）的具体实现方式如下：
（d1）以时间为基准，将时频能量分布函数的时间坐标替换为位移坐标；
（d2）寻找时频能量峰值对应的位移坐标位置。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明只需要采集一个车速信息和前后轴箱垂向振动加速度信息实现动态监测，采集信息的通道少，不需要单独的轨道检测车辆，顺应了轨道大发展的需要；同时本发明能够检测轨道局部缺陷下的冲击特性，不需要修改线路，检测系统简单；同时本发明通过采集器和振动加速度传感器的配合提高系统性能，使采集信息的精确程度更高。相比现有技术来讲，本发明可靠性高、成本低、通道数量少、系统简单、抗干扰性高，具有很广阔的应用空间和更高的应用价值。
（2）本发明实现了车轮旋转一周的位移信号对应的轴箱垂向振动加速度信息的有机融合，并应用频率切片小波变换对融合后的前后构架振动加速度段进行分析，便得到振动信号的时频等高线图，这一实现步骤简单快捷，并且精确程度较高，经实际情况监测，得出的结果与通过本发明的出的结果相同，说明本发明提出的方法正确有效。
附图说明
图1为本发明系统流程图。
图2为本发明信息融合框架示意图。
图3为本发明前后轴箱振动加速度示意图。
图4为本发明前后轴箱振动加速度的等高线图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示的轨道短波不平顺车载检测方法，包括四个部分：（1）三通道信息的获取，即前轴箱垂向振动加速度、后轴箱垂向振动加速度与车速信息的获取；（2）据设备安装车辆的对象结构的几何尺寸，建立车速信号与两个振动加速度信号的融合规则，实现振动加速度在空间上的定位；（3）对融合的振动加速度进行时频特征提取，找出因轨道短波不平顺引起振动加速度的时频特征；（4）对时频特征进行对比和理解，建立轨道短波不平顺存在的判断规则，实现轨道短波的车载检测。
其中实现上述四个部分的具体方法如下：
（1）三通道信息的获取；
主要通过振动加速度传感器安装获取三通道信息。
（2）将车速信息和两个轴箱垂向振动加速度信息进行融合：
信息融合框架如图2所示，其中横坐标表示车辆的行走位置，图3为前后轴箱振动加速度示意图，纵坐标
Figure 660523DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure 21097DEST_PATH_IMAGE076
分别表示前后轴箱在该位置所对应垂向振动加速，表示轮对轴距，
Figure 715701DEST_PATH_IMAGE080
表示轴距之半，
Figure 606296DEST_PATH_IMAGE082
表示车轮旋转一周所行驶的距离，
Figure 590302DEST_PATH_IMAGE084
表示车轮的名义滚动圆半径，
Figure 199138DEST_PATH_IMAGE086
表示前轴箱行驶在
Figure 372630DEST_PATH_IMAGE088
到区段对应的振动加速度信号，
Figure 288951DEST_PATH_IMAGE092
表示前轴箱行驶在到区段对应的振动加速度信号，
Figure 148825DEST_PATH_IMAGE020
为自然数。下面详细描述融合的具体算法：
（2a）对车速信号从时刻到
Figure 808794DEST_PATH_IMAGE100
时刻求和计算车辆的行驶位移
Figure 58509DEST_PATH_IMAGE102
，同时使得
Figure 43783DEST_PATH_IMAGE008
记下时间坐标
Figure 531703DEST_PATH_IMAGE104
，同理对车速信号从从
Figure 602427DEST_PATH_IMAGE100
时刻到
Figure 655834DEST_PATH_IMAGE106
时刻求和计算车辆的行驶位移
Figure 433297DEST_PATH_IMAGE108
，使得
Figure 913957DEST_PATH_IMAGE110
并记下时间坐标
Figure 206398DEST_PATH_IMAGE112
，依次类推对车速信号从时刻到
Figure 944733DEST_PATH_IMAGE012
时刻求和计算车辆的行驶位移，使得
Figure 579294DEST_PATH_IMAGE116
 记下时间坐标
Figure 974503DEST_PATH_IMAGE118
。
（2b）应用已求得的时间坐标对前轴箱振动信号进行分段，分别得到
Figure 798288DEST_PATH_IMAGE122
Figure 65322DEST_PATH_IMAGE022
（2c）得到上述信息后，对车速信号从
Figure 201905DEST_PATH_IMAGE026
时刻到
Figure 605204DEST_PATH_IMAGE028
时刻求和计算车辆的行驶位移，同时使得
Figure 805427DEST_PATH_IMAGE032
并记下时间坐标，同理对车速信号从
Figure 65824DEST_PATH_IMAGE124
时刻到
Figure 433352DEST_PATH_IMAGE126
时刻求和计算车辆的行驶位移
Figure 409398DEST_PATH_IMAGE128
，使得
Figure 950101DEST_PATH_IMAGE130
并记下时间坐标
Figure 783452DEST_PATH_IMAGE132
，依次类推对车速信号从
Figure 118619DEST_PATH_IMAGE134
时刻到
Figure 785223DEST_PATH_IMAGE136
时刻求和计算车辆的行驶位移
Figure 864038DEST_PATH_IMAGE138
，使得
Figure 362015DEST_PATH_IMAGE046
记下时间坐标
Figure 55034DEST_PATH_IMAGE140
。
（2d）应用时间坐标
Figure 271251DEST_PATH_IMAGE142
对前轴箱振动信号进行分段，分别得到：
Figure 153757DEST_PATH_IMAGE144
Figure 443924DEST_PATH_IMAGE146
从而得到车轮旋转一周的位移信号对应的轴箱垂向振动加速度信号，实现了信息在车轮旋转一周的有机融合。
（3）信息的特征提取
应用频率切片小波变换对融合后的前后构架振动加速度进行分析，得到振动信号的视频等高线图，如图4所示，完成信息的特征提取，其中信息的特征提取具体步骤为：
（3a）对前后构架振动加速度信号进行快速傅立叶变换得到：
Figure 11357DEST_PATH_IMAGE150
Figure 369657DEST_PATH_IMAGE152
；
（3b）以具有时间频率同等分辨率的高斯函数为基函数构造频率选择函数
；
（3c）将振动加速度的傅立叶变换
Figure 877048DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 802279DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure 26587DEST_PATH_IMAGE156
分别相乘得到频率选择后的函数，即为
Figure 575697DEST_PATH_IMAGE160
；
（3d）对频率选择后的函数进行反傅立叶变换得到振动加速度的时频能量分布函数
Figure 988223DEST_PATH_IMAGE162
Figure 940523DEST_PATH_IMAGE164
。
（4）车轮扁疤的判断
（4a）以时间为基准，将时频能量分布函数的时间坐标换为位移坐标，绘制时频能量分布函数的等高线图或时间、频率、能量的三位图形；
（4b）寻找时频能量峰值对应的位移坐标位置。
（5）重复采用方法（1）～（4）对位置上相邻一个轴距的车轮旋转周对应的加速度信号进行分析，如果能量峰值对应的位移坐标一致，说明轨道存在局部缺陷。

Claims (5)

1.一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）通过采集器采集一个位置处至少一个振动加速度传感器的车速信息和前后轴箱垂向振动加速度信息；
（b）将采集到的车速信息和轴箱垂向振动加速度信息进行融合；
（c）将融合后的信息进行特征提取，得到振动加速度的时频能量分布函数；
（d）寻找到时频能量分布函数峰值对应的位移坐标位置；
（e）重复步骤（a）～（d）对相邻位置处的振动加速度信息进行分析，若能量峰值对应的位移坐标一致，则该轨道存在局部缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法，其特征在于，所述步骤（a）中振动加速度传感器的量程为±50g且频率响应不小于2000Hz，采集器的采样频率不低于10kHz。
3.根据权利要求2所述的一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法，其特征在于，所述步骤（b）的具体实现方法如下：
（b1）从                                                时刻到
Figure 753671DEST_PATH_IMAGE002
时刻得到车辆的行驶位移的计算公式如下：
Figure 197860DEST_PATH_IMAGE004
并记下时间坐标
Figure 996183DEST_PATH_IMAGE002
，并依此类推得到从
Figure 2012103994325100001DEST_PATH_IMAGE005
到
Figure 368259DEST_PATH_IMAGE006
车辆的行驶位移：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
记下时间坐标
Figure 986453DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示车轮的名义滚动圆半径，
Figure 39860DEST_PATH_IMAGE010
为正整数；
（b2）通过公式：
对前轴箱振动信号分为共
Figure 235666DEST_PATH_IMAGE010
段；
（b3）对车速信号从
Figure DEST_PATH_IMAGE013
到
Figure 856003DEST_PATH_IMAGE014
求和计算车辆的行驶位移
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，同时使得
并记下时间坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，同理对车速信号从
Figure 279823DEST_PATH_IMAGE018
到
Figure DEST_PATH_IMAGE019
求和计算车辆的行驶位移，依次类推对车速信号从
Figure DEST_PATH_IMAGE021
到
Figure 524171DEST_PATH_IMAGE022
求和计算车辆的行驶位移：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
记下时间坐标
Figure 981697DEST_PATH_IMAGE024
；
（b4）应用时间坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE025
对前轴箱振动信号进行分段，得到公式：
Figure 609119DEST_PATH_IMAGE026
从而得到车轮旋转一周的位移信号相对应的轴箱垂向振动加速度信息。
4.根据权利要求3所述的一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法，其特征在于，所述步骤（c）的具体实现方式如下：
（c1）对前轴箱振动信息和后轴箱振动信息进行傅立叶变换得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
Figure 493898DEST_PATH_IMAGE028
；
（c2）将
Figure DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 573981DEST_PATH_IMAGE030
分别与频率选择函数
Figure DEST_PATH_IMAGE031
相乘得到频率选择后的函数
Figure 835198DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，其中频率选择函数
Figure 320056DEST_PATH_IMAGE034
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为频率分辨因子；
（c3）对函数
Figure 375736DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 130066DEST_PATH_IMAGE033
进行反傅立叶变换得到前轴箱振动加速度的时频能量分布函数和后轴箱振动加速度的时频分量
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种融合车速信息和前后轴箱加速度信息的轨道局部缺陷车载检测方法，其特征在于，所述步骤（d）的具体实现方式如下：
（d1）以时间为基准，将时频能量分布函数的时间坐标替换为位移坐标；
（d2）寻找时频能量峰值对应的位移坐标位置。
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