CN108009462B - 一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法，包括以下步骤：1)首先对基本弦轨向原始数据的一维数组X求一阶前向差分得到X1；然后对X1求均值得到数Y1；再分别求取X1中每个数据点的偏差，得到偏差数组Y2；最后对Y2求方差，得到数Y3；2)对X求均值得到数Z1；然后分别求取X中每个数据点的偏差，得到偏差数组Z2；再对Z2求方差，得到数Z3；3)计算Z2中的每一个数据点的权值；4)再根据归一化处理后的权值对X进行加权计算，得到归一化值C；5)根据递推公式求出X经过滤波后的一维数组。本发明计算速度快，适合轨检仪处理数据速度的要求，且该方法能有效滤除信号中的尖噪声干扰。

Description

一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法

技术领域

本发明涉及一种信号滤波方法，尤其涉及一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波算法。

背景技术

轨道静态检测是指在没有列车荷载作用下，利用各种道路检测工具或者设备(道尺、弦线和轨检仪等)对轨道各种数据进行检测，检测的内容主要有轨距、水平(扭曲)、高低、轨向等轨道几何尺寸以及钢轨、联结零件、轨枕、防爬设备、道床和道岔等部件状态。近些年轨道检查仪设备的出现，大大提高了铁路工务部门检测钢轨和部件状态的效率，轨道检查仪数据采集速度快，数量大，对采集到的数据能及时进行分析和报警，用于现场指导维修、复核和验收作业。

轨检仪可以采集多种轨道状态信息，但是由于机械部件震动、环境等各种因素对传感器的干扰，往往造成了采集数据混杂有噪声信号，例如轨检仪采集的基本弦轨向数据会出现尖噪声，即信号会在个别采集点处产生较大突变。传统的去噪方法如使用中值滤波器进行滤波处理，容易造成信号丢失以及不利于保存信号的边缘信息。如果不对这些采集数据进行适当处理或者采用不合适的方法处理，将严重影响着铁路工务部门对轨道状态的评估，增加了安全隐患。

因此有必要设计一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法，剔除原始信号中的尖噪声干扰，保障数据的准确性。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对目前现有技术的不足，提出一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波算法，使用该算法对轨检仪采集的基本弦轨向数据进行滤波处理，处理速度快，并且能有效去除采集信号中的尖噪声。

本发明的技术方案为：

一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法，包括以下步骤：

步骤1：输入一组基本弦轨向原始数据，由此生成基本弦轨向原始数据的一维数组X，一维数组X中数据点的个数记为n+1；

步骤2：首先对一维数组X求一阶前向差分，得到一阶前向差分数组X1；然后对一阶前向差分数组X1求均值，得到数Y1；再分别求取一阶前向差分数组X1中每个数据点的偏差，得到偏差数组Y2；最后对该偏差数组Y2求方差，得到数Y3；

步骤3：对一维数组X求均值，得到数Z1；然后分别求取一维数组X中每个数据点的偏差，得到偏差数组Z2；再对该偏差数组Z2求方差，得到数Z3；

步骤4：由步骤2和步骤3中得出的数据，对于偏差数组Z2中的每一个数据点Z2(m)，如果|Z2(m)|>2|Z3|或m＝n+1，则令该数据点的权值G(m)＝0,否则

由此求得每个数据点的权值；

步骤5：对步骤4中的权值G(m)(m＝1…,n+1)首先求和，得到权值和g，然后进行如下处理：

再根据G₁(m)对一维数组X进行加权计算，得到一个最优值，即归一化值

步骤6：根据步骤5中的归一化值C和递推公式求出基本弦轨向原始数据一维数组X经过滤波后的一维数组X′，递推公式为：X′(i+2)＝X′(i+1)+C·[X(i+2)-X′(i+2)]，i＝0,1,…,n-2，其初始条件为X'(1)＝X(1)。

所述步骤1中，基本弦轨向原始数据从保存有轨检仪采集的基本弦轨向数据的“.csv”文件中读取。预先将轨检仪采集铁轨的基本弦轨向原始数据保存到以“.csv”格式结尾的文件中，此为现有技术。将“.csv”结尾的文件读入MATLAB工作空间中生成一维数组X。

所述步骤2中，对一维数组X求一阶前向差分的公式为：

X1(k)＝ΔX(k)＝X(k+1)-X(k),k＝1,2,…,n；

其中，n为一阶前向差分数组X1的长度，X1(k)为一阶前向差分数组X1中的第k个数据点，X(k)为一维数组X中的第k个数据点。

所述步骤2中，求取一阶前向差分数组X1中的各个数据点的偏差的公式为：

Y2(k)＝X1(k)-Y1,k＝1,2,…,n；

其中，Y2(k)为偏差数组Y2中的第k个数据点。

所述步骤3中，求取一维数组X中每个数据点的偏差的公式为：

Z2(m)＝X(m)-Z1,m＝1…,n+1；

其中，Z2(m)为偏差数组Z2中的第m个数据点。

有益效果：

本发明所提出了一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法，本发明方法由中值滤波器滤波原理经过变形得到，对要估算的每一个数据点通过计算权值得到，增加了该方法的灵活性。使用该方法对轨检仪采集的基本弦轨向数据进行滤波处理，计算速度快，能适应轨检仪的快速数据处理过程，并且能有效地去除尖噪声干扰，保护数据的准确性和完整性。滤波后的数据应用于后续铁路工务部门对轨道状态进行评估，现场指导维修、复核和验收作业，能增加准确性，减少安全隐患。

附图说明

图1是本发明的总体流程示意图；

图2是本发明实施例的具体滤方法流程图；

图3是本发明方法滤波和传统的中值滤波器滤波结果图；图3(a)是本发明方法滤波结果图；

图3(b)是传统的中值滤波器滤波结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

图1示出了本发明的总体流程示意图。

图2是本发明实施例的具体滤方法流程图；使用MATLAB数学工具进行设计和实现，具体步骤如下所示：

步骤1：打开MATLAB工具并读入保存在“.csv”结尾的基本弦轨向数据，生成一个一维数组X，该数组长度为n+1；

步骤2：求数组X的一阶前向差分数组X1，求解一阶前向差分数组的具体公式为：X1(k)＝ΔX(k)＝X(k+1)-X(k),k＝1,2,…,n，一阶前向差分数组的长度为n；得到一阶前向差分数组后可以求出一阶前向差分数组X1的均值Y1，分别对一阶前向差分数组中的每个数据点的偏差，具体公式为：Y2(k)＝X1(k)-Y1,k＝1,2,…,n，得到偏差数组Y2，并对该偏差数组Y2求方差得Y3；

步骤3：对基本弦轨向原始数据一维数组X求均值得Z1，分别对原始数据求每个数据点的偏差，具体公式如下所示：Z2(m)＝X(m)-Z1,m＝1…,n+1，对该偏差数组Z2求方差得Z3；

步骤4：由步骤2和步骤3中得出的数据，对于偏差数组Z2中的每一个数据点Z2(m)，如果|Z2(m)|>2|Z3|或m＝n+1，则令该数据点的权值G(m)＝0,否则

由此求得每个数据点的权值；

步骤5：将步骤4中所得的权值G(m)(m＝1…,n+1)求和，得到权值和g,然后进行如下处理：

然后得到一个最优值，即归一化值

步骤6：根据步骤5中的最优值C和递推公式求出基本弦轨向原始数据一维数组X经过滤波后的一维数组X′，递推公式为：X′(i+2)＝X′(i+1)+C·[X(i+2)-X′(i+2)]，i＝0,1,…,n-2，其初始条件为X'(1)＝X(1)。

将经过该滤波方法处理得到的一维数组X′导出到以“.csv”格式结尾的文件中，方便后续使用。

为验证本发明的有效性，对本发明的滤方法和传统的中值滤波器滤波方法进行对比实验，得到如图3所示的仿真结果图。从图3可以看出，使用中值滤波器进行滤波处理，容易造成信号丢失以及不利于保存信号的边缘信息，而采用本发明方法能明显剔除信号中的噪声保留原始信号细节特征。

本发明能有效地滤除基本弦轨向原始数据中的噪声，保障了数据的准确性，该滤波后的数据应用于后续铁路工务部门对轨道状态进行评估，现场指导维修、复核和验收作业，能减少安全隐患。

以上实施例仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，得到的雨本发明实质相同的替换方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：输入一组基本弦轨向原始数据，由此生成基本弦轨向原始数据的一维数组X，一维数组X中数据点的个数记为n+1；

步骤2：首先对一维数组X求一阶前向差分，得到一阶前向差分数组X1；然后对一阶前向差分数组X1求均值，得到数Y1；再分别求取一阶前向差分数组X1中每个数据点的偏差，得到偏差数组Y2；最后对该偏差数组Y2求方差，得到数Y3；

步骤3：对一维数组X求均值，得到数Z1；然后分别求取一维数组X中每个数据点的偏差，得到偏差数组Z2；再对该偏差数组Z2求方差，得到数Z3；

步骤4：由步骤2和步骤3中得出的数据，对于偏差数组Z2中的每一个数据点Z2(m)，如果|Z2(m)|＞2|Z3|或m＝n+1，则令该数据点的权值G(m)＝0,否则

由此求得每个数据点的权值；

步骤5：对步骤4中的权值G(m)(m＝1…,n+1)首先求和，得到权值和g，然后进行如下处理：

再根据G₁(m)对一维数组X进行加权计算，得到一个最优值，即归一化值C，

步骤6：根据步骤5中的归一化值C和递推公式求出基本弦轨向原始数据一维数组X经过滤波后的一维数组X′，递推公式为：X′(i+2)＝X′(i+1)+C·[X(i+2)-X′(i+2)]，i＝0,1,…,n-2，其初始条件为X'(1)＝X(1)；

所述步骤2中，求取一阶前向差分数组X1中的各个数据点的偏差的公式为：

Y2(k)＝X1(k)-Y1,k＝1,2,…,n；

其中，Y2(k)为偏差数组Y2中的第k个数据点；

所述步骤3中，求取一维数组X中每个数据点的偏差的公式为：

Z2(m)＝X(m)-Z1,m＝1…,n+1；

其中，Z2(m)为偏差数组Z2中的第m个数据点。

2.根据权利要求1所述的应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法，其特征在于，所述步骤1中，基本弦轨向原始数据从保存有轨检仪采集的基本弦轨向数据的“.csv”文件中读取。

3.根据权利要求1所述的应用于轨检仪基本弦轨向数据的滤波方法，其特征在于，所述步骤2中，对一维数组X求一阶前向差分的公式为：

X1(k)＝ΔX(k)＝X(k+1)-X(k),k＝1,2,…,n；

其中，n为一阶前向差分数组X1的长度，X1(k)为一阶前向差分数组X1中的第k个数据点，X(k)为一维数组X中的第k个数据点。

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