CN105897483B - 基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统及方法，该系统包括若干音频信号采集装置和监护服务端。音频信号采集装置置于飞机的不同位置。本发明通过对声源声波信号的采集、分析，利用能量比定位算法确定声源的具体位置，从而实现飞机上各种异常声源的实时监护，在危险状况下发出警报，并能准确定位故障和其他危险的来源，该方法可作为飞机黑匣子检测的一项重要手段。

Description

基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统及方法

技术领域

本发明涉及飞机飞行安全监控领域，尤其涉及一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统及方法。

背景技术

随着航空事业的发展，飞机已经成为了人们出行的重要交通工具，由于其本身的特殊性，每次的飞机事故造成的生命财产损失都是极其严重的。据民航统计，每年有10％的飞行故障是由飞机内部机械故障导致的，如何尽快定位故障点，找到故障原因是解决飞机飞行隐患，提高运行安全性的重要措施。而目前对飞机故障的检测大多采用机场停机时静态检测的方法，这种检测方式存在一定的弊端，且无法对空中的特殊情况做出应对。

同时，由于黑匣子自身的局限性，现有的飞机监控系统难以还原恐怖袭击的现场情况，比如恐怖分子在没有视频监控的地方引爆了炸弹，现有的监测系统不一定能完整再现飞机事故的具体原因，导致事故原因分析难度较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有系统的缺陷，提供一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统。利用本发明，可以实现在飞机长期飞行时，当某些连接部位出现松动，震动等异常的情况时，迅速进行故障定位、报警，并可监控飞机隐秘部位，当其遭到恶意破坏时，迅速定位、报警。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统，该系统包括若干音频信号采集装置和服务终端。所述音频信号采集装置置于机身的不同位置，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，将装置底部紧贴于放置面，放置面平整。

所述音频信号采集装置包括箱体和置于箱体内的第一通信模块、控制单元和信号放大模块；箱体的表面嵌有麦克风模块；所述第一通信模块与控制单元相连。麦克风模块经信号放大模块与控制单元相连。

所述麦克风模块包括声音探头、驻极体电容传声器和供电电路，声音探头固定于箱体的底部，紧贴放置的桌面或者物体，声音探头与驻极体电容传声器相连，供电电路为驻极体电容传声器提供电源；所述声音探头将采集的音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块进行放大，经由第一通信模块发送到监护服务端。

所述服务终端包括第二通信模块和数据分析模块，所述第二通信模块与第一通信模块进行通信，所述数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位，从而实现飞机故障的实时监控与定位。所述能量比定位方法利用不同位置音频信号采集装置采集信号的能量差异来估计声源的位置，具体如下：

假设音频信号采集装置X_i在飞机内的坐标为(x_i,y_i,z_i)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：

令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C₁₂(u,v,w)和半径R为：

故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定故障位置的三维空间位置。

进一步地，所述声音探头为医用听诊头和橡胶软管组成的一体结构或麦克风。

进一步地，所述数据分析模块在定位之后，还包括对声源类型的判断，具体如下：

a)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集飞机各种故障的发声情况的声源时域信号，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，最终建立各种故障发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括零件损坏、零件脱落、机组不正常运行；

b)对故障声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集飞机上故障声源的时域信号，将时域信号转化为频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。

进一步地，该系统还包括警报模块，所述警报模块与控制单元相连，当数据分析模块判断声源的发生情况为紧急情况时，向音频信号采集装置发送信息，控制单元启动警报模块，发出报警信息声提醒机上的人员，同时服务终端向地面人员发送紧急信息，达到为飞机提供地面协助的效果。

一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位方法，该方法包括以下步骤：

(1)安置音频信号采集装置。将n个(n≥4)音频信号采集装置置于飞机的不同位置，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，将装置底部紧贴于放置面，放置面必须平整，以便声音能够很好的传递。

(2)音频信号的采集与传输。打开音频信号采集装置，开始接受监控部位的音频信号，监控部位的异常震动经由空气、地面传播到音频信号采集装置，通过声音探头将采集的音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块进行放大，经由第一通信模块发送到服务终端。

(3)声源定位。服务终端的数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位，从而实现飞机故障实时监控与定位。所述能量比定位方法利用不同位置音频信号采集装置采集信号的能量差异来估计声源的位置，具体如下：

假设音频信号采集装置X_i在房间内的坐标为(x_i,y_i,z_i)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：

令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C₁₂(u,v,w)和半径R为：

故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定故障点的三维空间位置。

进一步地，所述方法还包括脚步识别与路径绘制步骤，具体如下：当服务终端判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制飞机上的、人员的行走路线；通过对不同的脚步声进行定位及路径绘制，服务终端可对机上人员的活动进行监控，若有人闯入禁止进入的场所可及时发出警报，保障飞机运行安全。

进一步地，当音频信号采集装置数量超过四个时，可采用以下不同的方式确定声源的位置：

a)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的平均值，以此作为最终的声源信号的位置；

b)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的方均根，以此作为最终的声源信号的位置。

进一步地，所述服务终端可以用于黑匣子故障信息的重构，具体为：

1)在飞机上坐标系上确定一坐标原点，定位音频信号采集装置坐标，并将坐标原点、音频信号采集装置的坐标信息及采集的声音信息发送到服务终端；

2)当飞机发生故障后，通过服务终端的数据分析模块确定飞机故障信号的声源位置；

3)在飞机的黑匣子重构出故障信号实际声源位置，为判断故障原因提供依据。

本发明的有益效果是：

1)针对可能受到的恐怖袭击的情况，基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统及方法可以对一些不便进行摄像头监控的地方进监控，并可及时定位飞机受到的人为损坏并发出警报，从而更全面的确保飞机的运行安全；

2)针对飞机长期运行可能出现的硬件连接松动的情况，基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统及方法可以在飞机运行时进行检测，有利于故障的预防与防止危害的扩大，为飞机的检修提供辅助依据。

附图说明

图1为基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统的框图；

图2为音频信号采集装置的结构框图；

图3为本发明系统机舱内的模型图；

图4为声源定位效果图；

图5为声源信号在时域和频域转换效果图；

图6为声源信号频域上功率谱提取效果图；

图中，1为麦克风模块；2为警报模块；3为控制单元；4为信号放大模块；5为第一通信模块；6为显示屏模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明提供的一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统，该系统包括若干音频信号采集装置和服务终端。

所述音频信号采集装置包括箱体和置于箱体内的第一通信模块5、控制单元3、警报模块2和信号放大模块4；箱体的表面嵌有显示屏模块6和麦克风模块1；所述第一通信模块5、显示屏模块6和警报模块2均与控制单元3相连。麦克风模块1经信号放大模块4与控制单元3相连。

如图2所示，所述麦克风模块1包括医用听诊头、橡胶软管、驻极体电容传声器和供电电路，医用听诊头固定于箱体的底部，紧贴于放置的平面或者物体，与橡胶软管相连，橡胶软管另一头与驻极体电容传声器相连，供电电路为驻极体电容传声器提供电源；所述医用听诊头采集音频信息，经由橡胶软管将音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块4进行放大，经由第一通信模块5发送到服务终端。

所述服务终端包括第二通信模块和数据分析模块，所述第二通信模块与第一通信模块5进行无线通信，所述数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位。所述能量比定位方法具体如下：

在均匀介质中声波的球面传播符合能量衰减平方反比定律。假设第i个音频信号采集装置接收的信号x_i(t)为：

其中s(t)为声源信号，τ为传播延时，ξ(t)为加性高斯噪声，d_i为第i个音频信号采集装置到声源的距离。由于飞机上短距离传播时延较低，在时间窗口[0,W]内忽略时延，在信噪比较低时，如果忽略噪声项，音频信号采集装置接收的能量E为：

可知在同时段内，不同音频信号采集装置接受的信号能量与其探头和声源的距离平方成反比。基于此结论，可以利用不同位置采集信号的能量差异来估计声源位置。

假设音频信号采集装置X_i在飞机内的坐标为(x_i,y_i,z_i)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：

令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C₁₂(u,v,w)和半径R为：

故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定故障点的三维空间位置。

如图4所示，在飞机上建立三维坐标，4个音频信号采集装置在该三维空间中坐标位置已知，基于能量比定位方法得到的声源空间位置与实际声源空间位置基本吻合。

所述数据分析模块在定位之后，还包括对声源类型的判断，具体如下：

a)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集飞机上各种发声情况的声源时域信号，如图5所示，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，可看出图5中时域信号波形主要由50HZ和300HZ的声波频率信号组成；提取出频率信息后，如图6所示，对声源信号在频域上分布曲线，根据海明窗功率谱估计或blackman功率谱估计可得到声源信号标准频率，最终建立各种发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括脚步声、零件损坏声、零件跌落声、机组非正常运行声、物体碰撞声；

b)对声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集飞机上声源的时域信号，将时域信号转化为频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。例如：当体积较大或有缓冲的物体坠落时，则音频信号采集装置采集的声源信号频率偏低；当小物体或刚性类物体坠落时，对地面有快速冲击，此时音频信号采集装置采集的声源信号频率偏高；当易碎类物体坠落时，音频信号采集装置采集到高频信号，随后出现多声源点。

当数据分析模块判断声源的发声情况为紧急情况时，向音频信号采集装置发送信息，控制单元启动警报模块，发出报警信息声提醒机上的人员，同时服务终端向地面人员发送紧急信息，达到为飞机提供地面协助的效果。

如图3所示，所述数据分析模块在声源类型的判断后，还包括脚步识别与路径绘制，具体为：服务终端判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制飞机上的、人员的行走路线；通过对不同的脚步声进行定位及路径绘制，服务终端可对机上人员的活动进行监控，若有人闯入禁止进入的场所可及时发出警报，保障飞机运行安全。

本发明还提供一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位方法，该方法包括以下步骤：

(1)安置音频信号采集装置。将n个(n≥4)音频信号采集装置置于飞机的不同位置，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，放置面必须平整，将装置底部紧贴于放置面，以便声音能够很好的传递。

(2)音频信号的采集与传输。打开音频信号采集装置，开始接受监控部位的音频信号，监控部位的异常震动经由空气、地面传播到音频信号采集装置，通过探头采集音频信息，经由橡胶软管将音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块4进行放大，经由第一通信模块5发送到监护服务端。

(3)声源定位。服务终端的数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位。所述能量比定位方法具体如下：

在均匀介质中声波的球面传播符合能量衰减平方反比定律。假设第i个音频信号采集装置接收的信号x_i(t)为：

其中s(t)为声源信号，τ为传播延时，ξ(t)为加性高斯噪声，d_i为第i个音频信号采集装置到声源的距离。由于飞机上短距离传播时延较低，在时间窗口[0,W]内忽略时延，在信噪比较低时，如果忽略噪声项，音频信号采集装置接收的能量E为：

可知在同时段内，不同音频信号采集装置接受的信号能量与其探头和声源的距离平方成反比。基于此结论，可以利用不同位置采集信号的能量差异来估计声源位置。

假设音频信号采集装置X_i在飞机内的坐标为(x_i,y_i,z_i)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：

令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C₁₂(u,v,w)和半径R为：

故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定被监测者的三维空间位置。当音频信号采集装置数量超过四个时，可采用以下不同的方式确定声源的位置：

a)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的平均值，以此作为最终的声源信号的位置；

b)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的方均根，以此作为最终的声源信号的位置。

如图4所示，在室内建立三维坐标，4个音频信号采集装置在该三维空间中坐标位置已知，基于能量比定位方法得到的声源空间位置与实际声源空间位置基本吻合。

(4)声源类型判断。具体如下：

(4.1)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集室内各种发声情况的声源时域信号，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，最终建立各种发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括脚步声、零件损坏声、零件跌落声、机组非正常运行声、物体碰撞声；

(4.2)对声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集飞机上声源的时域信号，如图5所示，将时域信号转化为频域信息，可看出图5中时域信号波形主要由50HZ和300HZ的声波频率信号组成；提取出频率信息后，如图6所示，对声源信号在频域上分布曲线，根据海明窗功率谱估计或blackman功率谱估计可得到声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。例如：当体积较大或有缓冲的物体坠落时，则音频信号采集装置采集的声源信号频率偏低；当小物体或刚性类物体坠落时，对地面有快速冲击，此时音频信号采集装置采集的声源信号频率偏高；当易碎类物体坠落时，音频信号采集装置采集到高频信号，随后出现多声源点。结合飞机的空间模型，分析声源具体属于哪类物品，并在监护服务端上显示物体类型、发声原因。当数据分析模块判断声源的发生情况为紧急情况时，向音频信号采集装置发送信息，控制单元启动警报模块，发出报警信息声提醒机上的人员，同时服务终端向地面人员发送紧急信息，达到为飞机提供地面协助的效果。

(5)脚步识别与路径绘制。当服务终端判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制飞机上的、人员的行走路线；通过对不同的脚步声进行定位及路径绘制，服务终端可对机上人员的活动进行监控，若有人闯入禁止进入的场所可及时发出警报，保障飞机运行安全。

(6)黑匣子故障信息的重构。服务终端可以用于黑匣子故障信息的重构，具体为：

1)在飞机上坐标系上确定一坐标原点，定位音频信号采集装置的坐标，并将坐标原点、音频信号采集装置的坐标信息及其采集的声音信息发送到服务终端；

2)当飞机发生故障后，依据本发明方法，在服务终端确定飞机故障信号的声源位置；

3)在飞机的黑匣子重构出故障信号实际声源位置，为判断故障原因提供依据。

Claims (8)

1.一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统，其特征在于，该系统包括若干音频信号采集装置和服务终端；所述音频信号采集装置置于机身的不同位置，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，将装置底部紧贴于放置面，放置面平整；

所述音频信号采集装置包括箱体和置于箱体内的第一通信模块、控制单元和信号放大模块；箱体的表面嵌有麦克风模块；所述第一通信模块与控制单元相连；麦克风模块经信号放大模块与控制单元相连；

所述麦克风模块包括声音探头、驻极体电容传声器和供电电路，声音探头与驻极体电容传声器相连，供电电路为驻极体电容传声器提供电源；所述声音探头将采集的音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块进行放大，经由第一通信模块发送到服务终端；

所述服务终端包括第二通信模块和数据分析模块，所述第二通信模块与第一通信模块进行通信，所述数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位，从而实现飞机故障的实时监控与定位；所述能量比定位方法利用不同位置音频信号采集装置采集信号的能量差异来估计声源的位置，具体如下：

假设音频信号采集装置X_i在飞机内的坐标为(x_i,y_i,z_i)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：

令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C₁₂(u,v,w)和半径R为：

故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定故障的三维空间位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统，其特征在于，所述声音探头为医用听诊头和橡胶软管组成的一体结构或麦克风。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统，其特征在于，所述数据分析模块在定位之后，还包括对声源类型的判断，具体如下：

a)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集飞机各种发声情况的声源时域信号，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，最终建立各种故障发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括零件损坏、零件脱落、机组不正常运行、脚步声；

b)对故障声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集飞机上故障声源的时域信号，将时域信号转化为频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位系统，其特征在于，该系统还包括警报模块，所述警报模块与控制单元相连，当数据分析模块判断声源的发生情况为紧急情况时，向音频信号采集装置发送信息，控制单元启动警报模块，发出报警信息声提醒机上的人员，同时服务终端向地面人员发送紧急信息，达到为飞机提供地面协助的效果。

5.一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)安置音频信号采集装置；将n个音频信号采集装置置于飞机的不同位置，n≥4，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，将装置底部紧贴于放置面，放置面必须平整，以便声音能够很好的传递；

(2)音频信号的采集与传输；打开音频信号采集装置，开始接收监控部位的音频信号，监控部位的异常震动经由空气、地面传播到音频信号采集装置，通过声音探头将采集的音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块进行放大，经由第一通信模块发送到服务终端；

(3)声源定位；服务终端的数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位，从而实现飞机故障实时监控与定位；所述能量比定位方法利用不同位置音频信号采集装置采集信号的能量差异来估计声源的位置，具体如下：

假设音频信号采集装置X_i在房间内的坐标为(x_i,y_i,z_i)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：

令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C₁₂(u,v,w)和半径R为：

故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定故障点的三维空间位置。

6.基于权利要求5所述的一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位方法，其特征在于，所述方法还包括脚步识别与路径绘制步骤，具体如下：当服务终端判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制飞机上人员的行走路线；通过对不同的脚步声进行定位及路径绘制，服务终端对机上人员的活动进行监控，若有人闯入禁止进入的场所及时发出警报，保障飞机运行安全。

7.根据权利要求5所述的一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位方法，其特征在于，当音频信号采集装置数量超过四个时，采用以下不同的方式确定声源的位置：

a)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种选择方法下的声源信号的空间位置，求取种空间位置的平均值，以此作为最终的声源信号的位置；

b)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种选择方法下的声源信号的空间位置，求取种空间位置的方均根，以此作为最终的声源信号的位置。

8.基于权利要求5所述的一种基于物联网的飞机故障实时监控与定位方法，其特征在于，所述服务终端对黑匣子故障信息进行重构，具体为：

1)在飞机上坐标系上确定一坐标原点，定位音频信号采集装置坐标，并将坐标原点、音频信号采集装置的坐标信息及采集的声音信息发送到服务终端；

2)当飞机发生故障后，通过服务终端的数据分析模块确定飞机故障信号的声源位置；

3)飞机的黑匣子重构出故障信号实际声源位置，为判断故障原因提供依据。