CN112572527B - 一种轨道交通轮轨短波不平顺检测方法、装置与系统 - Google Patents
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Abstract
一种轮轨表面短波不平顺检测方法，通过获取待测轨道车辆车内噪声信号和实时车速信息，对其进行除杂滤波、傅里叶变换等数据处理以确定轮轨表面短波不平顺的水平。包括以下步骤：获取车内多点的噪声信号；获取列车的运行速度；分别对多个车内噪声信号进行特征提取；确定对应提取到的噪声信号特征参数与预设对应关系集合中的特征参数的关系，根据所述关系确定轮轨表面短波不平顺的水平。本发明还提供了所述的检测方法在钢轨的打磨和车轮的镟修中的应用、实现所述检测方法的装置和系统。本发明可快速、高效、实时检测，为工务管理和车辆维修提供支撑，有助于高速铁路、重载铁路和城市轨道交通减振降噪控制、促进社会和谐发展。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，涉及城市轨道交通与铁路轨道结构和车辆结构，特别是适用于一种基于轨道交通车内噪声信号的轮轨表面短波不平顺检测方法、装置与系统。
背景技术
轮轨表面短波不平顺是由钢轨和车轮表面磨损所产生，通常以钢轨波磨和车轮多边形磨损为表现形式。轮轨表面短波不平顺会引起机车—轨道系统剧烈振动，进而产生轮轨噪声，降低乘客的舒适度，影响沿线居民的正常生活；会加剧轮轨动力作用，加速车辆及轨道部件损坏，增加养护维修费用；会使钢轨承受较大的动荷载，使道砟粉化加快，道床翻浆冒泥，轨枕空吊，扣件松动，极大增加工务维修费用；会导致轮轨粘着降低，增加轮轨运行阻力，增加动力损耗；严重时甚至会引起钢轨扣件弹条断裂、车辆走行部零部件的疲劳断裂，引起列车减载脱轨危及行车安全。对行车稳定性、舒适性、安全性产生重要影响。
轮轨表面短波不平顺检测通常采用静态方法，目前轨面短波不平顺检测的设备主要有电子平直尺、波磨小车和红外线/激光扫描等，这些设备的检测速度慢，速度仅为3-4m/s，且耗费大量的人力物力，效率较低，一般只能利用铁路维修天窗期检测，很难在列车运营状态下感知与检测全线钢轨的短波不平顺水平。当前国内外通过车内声学信号探测轮轨表面短波不平顺的研究还很少。
由于现有轮轨表面短波不平顺检测的固有缺陷，导致钢轨打磨和车轮的镟修是在缺乏表面状态数据的情况下，按照现有修程修制定期进行的。这种预防车辆故障的维修制度是一个强制性的维护系统。虽然该系统有助于控制维修时间和维修计划，但也存在明显的不足。无论车辆技术状态如何，只要到了维修时间，就必须强制维修，这样就会出现“过度修”和“不足修”缺陷。
因此，如何提高轮轨表面短波不平顺检测的实时性以及如何针对轮轨状态进行综合性维修养护是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于针对现有轨道交通轮轨表面短波不平顺检测技术的缺陷，提供一种轨道交通轮轨短波不平顺检测方法、装置与系统，以实现在轨道交通正常运营的过程中，对轮轨短波不平顺水平的动态检测，并相对应的给出养护维修的建议。
为达到上述目的，本申请采用的解决方案是：
轮轨表面短波不平顺激发的轮轨噪声通过空气和车厢壁板等介质传递到车内，在车内也能明显感知到。本发明通过获取待测轨道车辆车内噪声信号和实时车速信息，对其进行除杂滤波和傅里叶变换的数据处理方法，计算待测区段内的噪声等效连续A声级，最终可以确定轮轨表面短波不平顺的水平并以此为依据提供相应的打磨意见。
一种轨道交通轮轨表面短波不平顺检测方法，包括：设置传感器获取车内多点的噪声信号；设置传感器获取列车的运行速度；分别对多个车内噪声信号进行特征提取；确定对应提取到的噪声信号特征参数与预设对应关系集合中的特征参数的关系，根据所述关系确定轮轨表面短波不平顺状态；进而可以结合轮轨服役状态和打磨限值，制定维修计划。
所述的获取车内多点的噪声信号，是通过噪声采集模块获取，数据传输模块传输。所述的噪声采集模块包括声音传感器；微控制器；存储器和电源等。可选的，采用Arduino开发板作为微控制器，通过编程控制声音传感器的采集。所述的数据传输模块为无线传输模块，可选的，通过WiFi模块实现数据的无线传输。
所述的获取列车的运行速度，是通过陀螺仪加速度传感器获取列车纵向加速度，对纵向加速度进行一阶积分得到列车的运行速度。
所述的车内噪声信号特征提取，可选的，通过Python编程，对噪声信号进行除杂滤波处理。优选的，采用快速傅里叶变换对所述除杂滤波后的噪声信号数据进行处理，得到噪声信号频谱特征参数。为客观衡量车内噪声，通常采用能够反映“噪声的客观强度在人主观引起的感受”的A计权声压级进行评价，但仅适合时间连续、频谱均匀、声压级稳定的环境。对于轨道交通车内非平稳、跳跃性噪声环境，优选的，采用等效连续A声级为评价噪声的声压级特征参数。
所述的根据提取的特征参数与预设对应关系集合中的特征参数的关系确定轮轨表面短波不平顺状态，其中，所述预设对应关系集合为本方法所提出的车内噪声与激励源强度幅值关系和车内噪声与激励源波长关系；所述轮轨表面短波不平顺状态包括轮轨表面短波不平顺特征波长和幅值特性。结合所述的列车运行速度和噪声信号频谱特征参数，确定轮轨表面短波不平顺的特征波长。结合所述的声压级特征参数，确定轮轨表面短波不平顺幅值特性。
所述的结合轮轨服役状态和打磨限值，制定维修计划，其中，所述打磨限值为本方法结合ISO 3095国际标准对轮轨短波不平顺的要求和《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》中对轨道交通车内噪声的要求所提出的。针对钢轨的波磨情况与引起的噪声水平，确定钢轨的打磨方案。而对于车辆车轮的多边形磨耗，需要根据车内噪声信号与相关的修规来确定的车轮踏面的镟修策略。
本发明还提供一种轨道交通轮轨表面短波不平顺检测装置，包括：
噪声采集模块，获取轨道交通车辆车内噪声信号。包括噪声传感器；微控制器；存储器和电源等。可选的，采用Arduino开发板作为微控制器，通过编程控制噪声传感器的采集。
数据传输模块，通过WiFi模块实现数据的无线传输。
速度采集模块，获取列车运行速度，通过加速度、陀螺仪传感器获取。
特征提取模块，分别对多个噪声信号进行频谱特征参数与声压级特征参数的提取。
状态确定模块，根据所述的提取到的特征参数和预设对应关系集合，确定轮轨表面短波不平顺状态。
维修计划制定模块，根据所述的打磨限值，结合轮轨服役状态，针对钢轨的打磨和车轮的镟修制定计划。
可选的，所述装置可集成安装于轨检车或正常运营车辆的车厢内，用以高效检测轮轨表面短波不平顺状态。
本申请还提供一种轨道交通轮轨表面短波不平顺检测系统，包括上述的轮轨表面短波不平顺检测装置和利用PyQt 5开发的“轮轨短波不平顺检测”软件。所述软件基于前述本发明的方法构思编写。
本申请所提供的基于轨道交通车内噪声信号的轮轨表面短波不平顺检测方法，相较于目前较为普遍的接触式检测方法(平直尺、波磨小车)，具有以下优势：
1)本方法实现了非接触式的间接轮轨表面短波不平顺状态检测，区别于直接检测对时间和环境的苛刻条件，可以对轮轨联合粗糙度情况进行判断，具有较高的采集速度和较短的采集周期。
2)本方法实现了轮轨表面短波不平顺静态检测向实时动态检测的突破。弥补了现行波磨小车和平直尺测量速度慢、测试时间长、只能利用天窗期检测的缺点。实现了在地铁正常运营期内的随车检测，打破传统的时空限制，极大的减少了当前测量方法所耗费的巨大的人力物力，大大提高了检测效率。
3)本方法为地铁减振降噪提供了一个新的思路和方向，即从噪声产生的源头控制噪声。
4)本方法制定的维修计划，是基于轮轨实时状态的，与传统修程基于时间跨度所不同，避免了出现“过度修”和“不足修”的缺陷，促进轨道工务管理由“计划修”向“状态修”的转变。
附图说明
图1为本发明基于车内噪声信号的轮轨短波不平顺检测方法流程图。
图2为本发明基于车内噪声信号的轮轨短波不平顺检测装置结构框图。
图3为本发明基于车内噪声信号的轮轨短波不平顺检测系统拓扑图。
图4为本发明实施例车内噪声传感器测点一种布置示例的示意图。
图5为图4所示噪声传感器测点布置示例的俯视图。
图6为车内噪声强度与激励源强度幅值关系函数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
在本实施例中，基于车内噪声信号的轮轨短波不平顺检测方法的流程图如图1所示。
首先将噪声传感器与陀螺仪加速度传感器布置于车厢内如图4、图5所示的测点处，采集车内噪声信号和列车运行加速度信号；然后选择噪声采集频率，测试区段内噪声水平；计算等效连续A声级，确定噪声显著频率；根据所述的预设关系集合判断轮轨表面短波不平顺状态；确定维修计划。
下面以某轨道交通线路为例，给出本发明方法对轮轨表面短波不平顺状态识别的具体步骤。
1)结合《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》的相关规定，本发明装置布置的要求如下：在车厢内设置3个噪声传感器布置点，分别位于客室纵轴前转向架上方1.2m处、客室纵轴中部上方1.2m处、和客室纵轴后转向架上方1.2m处，测点布置如图4、图5所示。在各测点安装噪声传感器104。加速度传感器103布置于客室纵轴前转向架上方地板处，以获取列车运行的加速度和速度信息。各传感器连接微处理器102，可选的，采用ArduinoUno作为微处理器，由电源101供电，可选的，采用6F22电池。
2)在“轮轨短波不平顺检测”软件中选择待测区间的站点信息，点击开始按钮，通过无线传输模块105控制传感器运行，采集车厢内的噪声信号和加速度信号。
3)提取所测噪声信号，通过特征提取模块106进行数据处理。首先对噪声信号进行除杂滤波处理。城市轨道交通车内噪声主要由轮轨噪声、车内设备噪声以及乘客交谈声组成，其中在车辆运行过程中以轮轨噪声为主导。本方法以列车起停阶段的车内噪声作为背景噪声，利用公式(1)对所测噪声进行除杂。
式中轮轨噪声为Lp1，背景噪声为Lp2，车内总声压级为Lp。
通过带通滤波器对噪声信号进行滤波处理。可选的，采用巴特沃斯带通滤波器，根据轮轨噪声频率特征，将通带截止频率设置为500Hz-1250Hz，阻带截止频率设置为300Hz和2000Hz，阻带衰减-40dB，通带纹波为1dB。消除低频信号和高频信号对噪声测试的干扰，突出轮轨噪声对应频段。
对处理后的噪声信号进行快速傅里叶变换和频谱分析，根据频谱图读取显著频率等频谱特征参数。根据等效连续A声级计算公式，计算处理后的噪声信号的等效连续A声级，提取声压级特征参数。
其中，等效连续A声级计算公式为：
式中，Leq为等效连续A声级，T为区段内测量时间，LPA为t时刻的瞬时A声级。
上述数据处理均可在本发明提供的“轮轨短波不平顺检测”软件中实现。点击结束按钮，软件将自动对所测区段的噪声数据进行处理，显示频谱图和等效连续A声级。
4)提取列车运行速度，通过状态确定模块107，根据所述的频谱特征参数和波长公式，得到轮轨表面短波不平顺的特征波长。根据所述的声压级特征参数，结合如图5所示的车内噪声与激励源强度幅值关系及对应公式，确定轮轨表面短波不平顺的幅值水平。
其中，波长公式为：
λ＝v/f (3)
式中，λ为轮轨表面短波不平顺特征波长，v为列车运行速度，f为噪声特征频率。
其中，对应公式为：
Leq＝77.1312e0.0104x (4)
式中，x为轮轨表面短波不平顺幅值。
上述轮轨表面短波不平顺的幅值水平的确定可通过本发明提供的“轮轨短波不平顺检测”软件计算确定。点击结束按钮，软件自动利用步骤3)中特征参数进行轮轨表面短波不平顺幅值计算。
5)利用维修计划制定模块108，根据所述的轮轨表面短波不平顺的幅值水平，结合轮轨服役状态和打磨限值，制定钢轨打磨和车轮镟修的维修计划。本发明提供的“轮轨短波不平顺检测”软件中根据模块108设定了维修标准，可根据步骤4)所得轮轨表面短波不平顺幅值提供“无需打磨”、“建议打磨”和“尽快打磨”三种维修建议。
本发明安全可靠、结构简单，操作方便可行，不同于以往利用天窗时间检测钢轨短波不平顺或是车辆入库检测车轮不圆状态的思路，而通过车内噪声信号与轮轨表面短波不平顺的关联关系间接检测，可快速、高效、实时检测出轮轨表面的短波不平顺水平，为工务管理和车辆维修提供支撑，有助于高速铁路、重载铁路和城市轨道交通减振降噪控制、促进社会和谐发展。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轮轨表面短波不平顺检测方法，其特征在于：获取车内多点的噪声信号；获取列车的运行速度；分别对多个车内噪声信号进行特征提取；确定对应提取到的噪声信号特征参数与预设对应关系集合中的特征参数的关系，根据所述关系确定轮轨表面短波不平顺的水平；
以列车起停阶段的车内噪声作为背景噪声，利用公式(1)对所测噪声进行除杂；
式中轮轨噪声为Lp1，背景噪声为Lp2，车内总声压级为Lp；
根据等效连续A声级计算公式，计算处理后的噪声信号的等效连续A声级，提取声压级特征参数；
其中，等效连续A声级计算公式为：
式中，Leq为等效连续A声级，T为区段内测量时间，LPA为t时刻的瞬时A声级；
根据所述的声压级特征参数，结合车内噪声与激励源强度幅值关系及对应公式，确定轮轨表面短波不平顺的幅值水平；
其中，波长公式为：
λ＝v/f (3)
式中，λ为轮轨表面短波不平顺特征波长，v为列车运行速度，f为噪声特征频率；
其中，对应公式为：
Leq＝77.1312e0.0104x (4)
式中，x为轮轨表面短波不平顺幅值。
2.根据权利要求1所述的轮轨表面短波不平顺检测方法，其特征在于：所述的获取车内多点的噪声信号，是通过噪声采集模块获取，并通过数据传输模块传输；所述噪声采集模块包括声音传感器、微控制器、存储器和电源；采用微控制器通过编程控制声音传感器的采集；所述的数据传输模块为无线传输模块，通过WiFi模块实现数据的无线传输。
3.根据权利要求1所述的轮轨表面短波不平顺检测方法，其特征在于：所述的获取列车的运行速度是通过陀螺仪加速度传感器获取。
4.根据权利要求1所述的轮轨表面短波不平顺检测方法，其特征在于：所述的车内噪声信号特征提取，通过Python编程对噪声信号进行除杂滤波处理；采用快速傅里叶变换对所述除杂滤波后的噪声信号数据进行处理，得到噪声信号频谱特征参数；为客观衡量车内噪声，采用能够反映“噪声的客观强度在人主观引起的感受”的A计权声压级进行评价，但仅适合时间连续、频谱均匀、声压级稳定的环境；对于轨道交通车内非平稳、跳跃性噪声环境，采用等效连续A声级为评价噪声的声压级特征参数。
5.根据权利要求1所述的轮轨表面短波不平顺检测方法，其特征在于：确定对应提取到的噪声信号特征参数与预设对应关系集合中的特征参数的关系，其中，所述预设对应关系集合为所提出的车内噪声与激励源强度幅值关系和车内噪声与激励源波长关系；所述轮轨表面短波不平顺状态包括轮轨表面短波不平顺特征波长和幅值特性；结合所述的列车运行速度和噪声信号频谱特征参数，确定轮轨表面短波不平顺的特征波长；结合所述的声压级特征参数，确定轮轨表面短波不平顺幅值特性。
6.权利要求1至5任一所述的轮轨表面短波不平顺检测方法在钢轨的打磨和车轮的镟修中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：依据所确定的轮轨表面短波不平顺的水平，结合轮轨服役状态和打磨限值，制定维修计划。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述打磨限值为结合ISO 3095国际标准对轮轨短波不平顺的要求和《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》中对轨道交通车内噪声的要求所提出的。
9.实现权利要求1至5任一所述的轮轨表面短波不平顺检测方法的检测装置，其特征在于：装置由噪声采集模块、数据传输模块、车速采集模块、特征提取模块、状态确定模块和维修计划制定模块组成；
所述噪声采集模块获取轨道交通车辆车内噪声信号，所述噪声采集模块包括噪声传感器、微控制器、存储器和电源，采用Arduino开发板作为微控制器，通过编程控制噪声传感器的采集，
所述数据传输模块通过WiFi模块实现数据的无线传输，
所述车速采集模块获取列车运行速度，通过加速度、陀螺仪传感器获取；
特征提取模块，分别对多个噪声信号进行频谱特征参数与声压级特征参数的提取；
状态确定模块，根据确定对应提取到的噪声信号特征参数与预设对应关系集合中的特征参数的关系，确定轮轨表面短波不平顺状态；
维修计划制定模块，根据打磨限值，结合轮轨服役状态，针对钢轨的打磨和车轮的镟修制定计划；
所述装置集成安装于轨检车或正常运营车辆的车厢内，用以高效检测轮轨表面短波不平顺状态。
10.实现权利要求1至5任一所述的轮轨表面短波不平顺检测方法的检测系统，其特征在于：包括轮轨表面短波不平顺检测设备和利用PyQt5开发的“轮轨短波不平顺检测”软件。
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