CN112849208A - 轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统及方法，该系统包括数据采集模块和实时分析模块；所述数据采集模块用于对列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行现场实时采集；所述实时分析模块用于对所述数据采集模块采集的数据进行现场实时处理，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。本发明通过现场对监测数据进行实时计算，提取其关键参数、指标进行回传，而不用对庞大的原始数据进行回传，从而降低数据传输难度，解决了轨道交通轨道振动、噪声及动态变形因数据庞大而难以实时传输和管理的问题。

Description

轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统及方法
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统及方法。
背景技术
城市轨道交通具有小半径曲线多、行车密度大、减振需求高从而轨道系统刚度较低、轨道系统刚度过渡频繁、轨道结构种类多等特点，随着轨道交通线路服役时间的增加，在列车冲击、疲劳效应等因素的作用下，轨道结构性能状态连续变化，其中轨道系统刚度、轨道部件性能等变化直接影响减振效果和列车作用下轨道结构的变形稳定性，关系到振动噪声控制成效、行车安全性和舒适性。因此，有必要对轨道振动、噪声及动态变形进行实时监测。
开展轨道交通轨道振动噪声及动态变形的实时监测，需实现对数据的实时回传管理。由于轨道交通振动噪声及动态变形测量关注的频率范围较大，现场采样频率一般较高，因此数据量较大，而轨道交通多为地下线路，信号往往较差，很难实现对庞大数据的实时回传。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统及方法，旨在解决轨道交通轨道振动、噪声及动态变形因数据庞大而难以实时回传和管理的问题。
本发明是这样实现的：
一方面，本发明提供一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，包括数据采集模块和实时分析模块；
所述数据采集模块用于对列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行现场实时采集；
所述实时分析模块用于对所述数据采集模块采集的数据进行现场实时处理，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
进一步地，所述数据采集模块包括参量感知传感设备和信号采集设备；
所述参量感知传感设备用于现场获取列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量；
所述信号采集设备用于收集所述参量感知传感设备现场获取的各类型参量并传输给所述实时分析模块。
进一步地，所述参量感知传感设备包括加速度传感器、声压传感器以及位移传感器，所述参量感知传感设备现场获取的参量包括钢轨、道床、隧道回填层、隧道侧壁垂向加速度；轨旁声压；钢轨、道床的垂、横向动态位移。
进一步地，所述数据采集模块还用于对采集的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量的原始数据进行备份存储。
进一步地，所述数据实时分析模块包括数据有效性检查子模块、数据预处理子模块和关键参数指标计算子模块；
所述数据有效性检查子模块用于根据各类型参量的奇异性判断阀值，对所述数据采集模块采集的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行有效性判断，检查是否存在具有显著趋势项、异常值的奇异数据；
所述数据预处理子模块用于对所述数据有效性检查子模块检查出的奇异数据进行处理，消除趋势项；
所述关键参数指标计算子模块用于对经所述数据预处理子模块预处理的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行计算分析，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
进一步地，所述数据有效性检查子模块检查是否存在具有显著趋势项、异常值的奇异数据的方法为：
判断测试数据与该测试数据对应的基础样本的平均值之差是否大于对应基础样本的标准差的三倍，若是，则视该测试数据为奇异数据，按式(1)计算：
Figure BDA0002874930100000031
式中，xi表示样本，包括该参量数据的幅值、评价指标的计算值；
Figure BDA0002874930100000032
表示与该测试数据对应的基础样本的平均值，
Figure BDA0002874930100000033
Sx表示该测试数据对应的基础样本的标准差，
Figure BDA0002874930100000034
进一步地，所述数据预处理子模块消除数据趋势项的方法为：
实测振动信号的采样数据为{xk}(k＝1,2,3,...,n)，采用m阶多项式xi来拟合测试数据，见式(2)：
xk＝a0+a1k+a2k2+···+amkm(k＝1,2,3,...,n) (2)
选择最合适的多项式系数a0,a1,a2,···,am，使得xk与xi差值的平方和最小，即：
Figure BDA0002874930100000035
依次取E对a求偏导，产生一个m+1元线性方程组，求解方程组得到m+1个待定系数aj(j＝0,1,···,m)；消除趋势项的计算公式为：
Figure BDA0002874930100000036
上式中采用m＝1或2来消除趋势项。
进一步地，所述关键参数指标计算子模块获取的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标包括振级振动加速度级VAL、Z振级VLz、加速度频谱、加速度幅值、等效A声级、声压频谱、声压幅值、位移幅值。
进一步地，还包括数据传输模块，用于将所述实时分析模块处理后的数据上传给监测数据后台管理系统。
另一方面，本发明还提供一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理方法，包括以下步骤：
数据采集模块对列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行现场实时采集；
实时分析模块对所述数据采集模块采集的数据进行现场实时处理，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统及方法，通过现场对监测数据进行实时计算，提取其关键参数、指标进行回传，而不用对庞大的原始数据进行回传，从而降低数据传输难度，能在轨道交通轨道振动、噪声及动态变形长期、中长期监测或短期检测等情景中应用，解决了轨道交通轨道振动、噪声及动态变形因数据庞大而难以实时传输和管理的问题，为实现对轨道交通振动、噪声及动态变形进行智能监测提供帮助。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统的方框图；
图2为本发明实施例提供的一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统结构图；
图3为本发明实施例提供的一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，主要包括数据采集模块1和实时分析模块2。
所述数据采集模块1用于对列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行现场实时采集，每一次列车通过时段为一过车事件，数据采集模块只采集过车事件对应的轨道振动、噪声及动态变形数据，其他时刻的数据不用采集，减少数据采集和处理量。具体地，所述数据采集模块包括参量感知传感设备11和信号采集设备12；所述参量感知传感设备安装于轨道交通现场，用于现场获取列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量；优选地，所述参量感知传感设备11包括加速度传感器、声压传感器以及位移传感器等，所述参量感知传感设备现场获取的参量包括钢轨、道床、隧道回填层、隧道侧壁垂向加速度；轨旁声压；钢轨、道床的垂、横向动态位移等。所述信号采集设备12用于收集所述参量感知传感设备11现场获取的各类型参量并传输给所述实时分析模块2。作为优选地，所述所述信号采集设备12还用于对采集的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量的原始数据进行备份存储，确保备份数据不被覆盖，防止数据丢失。
所述实时分析模块2用于对所述数据采集模块采集的数据进行现场实时处理，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。具体地，所述数据实时分析模块包括数据有效性检查子模块21、数据预处理子模块22和关键参数指标计算子模块23；所述数据有效性检查子模块21用于根据各类型参量的奇异性判断阀值，对所述数据采集模块1采集的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行有效性判断，检查是否存在具有显著趋势项、异常值的奇异数据；所述数据预处理子模块22用于对所述数据有效性检查子模块21检查出的奇异数据进行处理，消除趋势项；所述关键参数指标计算子模块23用于对经所述数据预处理子模块22预处理的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行计算分析，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
细化上述实施方式，所述数据有效性检查子模块21检查是否存在具有显著趋势项、异常值的奇异数据的方法为：
判断测试数据与该测试数据对应的基础样本的平均值之差是否大于对应基础样本的标准差的三倍，若是，则视该测试数据为奇异数据，按式(1)计算：
Figure BDA0002874930100000065
式中，xi表示样本，包括该参量数据的幅值、评价指标的计算值；
Figure BDA0002874930100000061
表示与该测试数据对应的基础样本的平均值，可以取监测系统投入使用后，前3天或前300次过车事件对应的数据作为基础样本，
Figure BDA0002874930100000062
Sx表示该测试数据对应的基础样本的标准差，
Figure BDA0002874930100000063
进一步地，所述数据预处理子模块22消除数据趋势项的方法为：
实测振动信号的采样数据为{xk}(k＝1,2,3,...,n)，采用m阶多项式xi来拟合测试数据，见式(2)：
xk＝a0+a1k+a2k2+···+amkm (k＝1,2,3,...,n) (2)
选择最合适的多项式系数a0,a1,a2,···,am，使得xk与xi差值的平方和最小，即：
Figure BDA0002874930100000064
依次取E对a求偏导，产生一个m+1元线性方程组，求解方程组得到m+1个待定系数aj(j＝0,1,···,m)；消除趋势项的计算公式为：
Figure BDA0002874930100000071
轨道交通轨道振动、噪声及动态变形某些存在趋势项的测试数据多为线性倾斜或抛物线倾斜，因此上式中采用m＝1或2来消除趋势项。
进一步地，所述关键参数指标计算子模块23获取的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标包括振级振动加速度级VAL、Z振级VLz、加速度频谱、加速度幅值、等效A声级、声压频谱、声压幅值、位移幅值。关键参数指标的计算方法执行《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071-1988)、《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分一般要求》(GB/T 13441—2007)、《城市区域环境噪声测量方法》(GBT14623-93)等相关规范、标准，按相关规范、标准进行计算即可。
优选地，还包括数据传输模块，用于将所述实时分析模块处理后的数据上传给监测数据后台管理系统。进一步优选地，所述数据有效性检查子模块21还将检查的结果反馈至监测数据后台管理系统，以便决策是否对现场参量感知传感设备进行调整。
本发明实施例的数据采集模块1和实时分析模块2可集成到适应轨道环境的专用设备箱内，实现对轨道交通轨道振动、噪声及动态变形的实时采集、存储和计算，通过现场实时分析实现对庞大数据的去粗取精处理，为关键数据的实时回传提供帮助。
如图3所示，本发明实施例还提供一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理方法，包括以下步骤：
数据采集模块对列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行现场实时采集；具体通过参量感知传感设备现场获取列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量，信号采集设备收集所述参量感知传感设备现场获取的各类型参量并传输给所述实时分析模块；
实时分析模块对所述数据采集模块采集的数据进行现场实时处理，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标；首先根据各类型参量的奇异性判断阀值，对所述数据采集模块采集的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行有效性判断，检查是否存在具有显著趋势项、异常值的奇异数据；然后对所述数据有效性检查子模块检查出的奇异数据进行处理，消除趋势项；最后对经所述数据预处理子模块预处理的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行计算分析，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
由于本发明实施例提供的一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理方法解决技术问题的原理与上述一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统相似，因此，该方法的实施可以参见前述系统的实施，重复之处不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的这种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统及方法，通过现场对监测数据进行实时计算，提取其关键参数、指标进行回传，而不用对庞大的原始数据进行回传，从而降低数据传输难度，能在轨道交通轨道振动、噪声及动态变形长期、中长期监测或短期检测等情景中应用，解决了轨道交通轨道振动、噪声及动态变形因数据庞大而难以实时传输和管理的问题，为实现对轨道交通振动、噪声及动态变形进行智能监测提供帮助。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于：包括数据采集模块和实时分析模块；
所述数据采集模块用于对列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行现场实时采集；
所述实时分析模块用于对所述数据采集模块采集的数据进行现场实时处理，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
2.如权利要求1所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于：所述数据采集模块包括参量感知传感设备和信号采集设备；
所述参量感知传感设备用于现场获取列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量；
所述信号采集设备用于收集所述参量感知传感设备现场获取的各类型参量并传输给所述实时分析模块。
3.如权利要求2所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于：所述参量感知传感设备包括加速度传感器、声压传感器以及位移传感器，所述参量感知传感设备现场获取的参量包括钢轨、道床、隧道回填层、隧道侧壁垂向加速度；轨旁声压；钢轨、道床的垂、横向动态位移。
4.如权利要求1所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于：所述数据采集模块还用于对采集的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量的原始数据进行备份存储。
5.如权利要求1所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于：所述数据实时分析模块包括数据有效性检查子模块、数据预处理子模块和关键参数指标计算子模块；
所述数据有效性检查子模块用于根据各类型参量的奇异性判断阈值，对所述数据采集模块采集的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行有效性判断，检查是否存在具有显著趋势项、异常值的奇异数据；
所述数据预处理子模块用于对所述数据有效性检查子模块检查出的奇异数据进行处理，消除趋势项、异常值；
所述关键参数指标计算子模块用于对经所述数据预处理子模块预处理的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行计算分析，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
6.如权利要求5所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于，所述数据有效性检查子模块检查是否存在具有显著趋势项、异常值的奇异数据的方法为：
判断测试数据与该测试数据对应的基础样本的平均值之差是否大于对应基础样本的标准差的三倍，若是，则视该测试数据为奇异数据，按式(1)计算：
Figure FDA0002874930090000021
式中，xi表示样本，包括该参量数据的幅值、评价指标的计算值；
Figure FDA0002874930090000022
表示与该测试数据对应的基础样本的平均值，
Figure FDA0002874930090000023
Sx表示该测试数据对应的基础样本的标准差，
Figure FDA0002874930090000024
7.如权利要求5所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于，所述数据预处理子模块消除数据趋势项的方法为：
实测振动信号的采样数据为{xk}(k＝1,2,3,...,n)，采用m阶多项式xi来拟合测试数据，见式(2)：
xk＝a0+a1k+a2k2+…+amkm(k＝1,2,3,...,n) (2)
选择最合适的多项式系数a0,a1,a2,…,am，使得xk与xi差值的平方和最小，即：
Figure FDA0002874930090000025
依次取E对a求偏导，产生一个m+1元线性方程组，求解方程组得到m+1个待定系数aj(j＝0,1,…,m)；消除趋势项的计算公式为：
Figure FDA0002874930090000031
上式中采用m＝1或2来消除趋势项。
8.如权利要求5所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于：所述关键参数指标计算子模块获取的与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标包括振级振动加速度级VAL、Z振级VLz、加速度频谱、加速度幅值、等效A声级、声压频谱、声压幅值、位移幅值。
9.如权利要求1所述的轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理系统，其特征在于：还包括数据传输模块，用于将所述实时分析模块处理后的数据上传给监测数据后台管理系统。
10.一种轨道振动噪声与动态变形监测数据现场处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据采集模块对列车通过时段内与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的各类型参量进行现场实时采集；
实时分析模块对所述数据采集模块采集的数据进行现场实时处理，获取与轨道振动、噪声及动态变形评价相关的关键参数、指标。
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