CN114771605B - 基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于声学监测的高速铁路列车‑轨道‑环境一体化监测方法，属于高速铁路噪声、信号处理、故障诊断技术领域，其步骤如下：(1)时空同步；(2)钢轨波磨实时判定；(3)定位与数据分析；(4)波磨信号判定预警。本发明的基于声学监测的高速铁路列车‑轨道‑环境一体化监测方法，不仅在提升运维效率、运营舒适性上具备显著经济价值和社会意义，而且在车内声品质评价、钢轨声学打磨等更关注人的保护方面具有广阔应用前景。

Description

基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法，属于高速铁路噪声、信号处理、故障诊断技术领域。

背景技术

高速铁路运营期，噪声受轮轨状态影响极大。由于钢轨表面短波不平顺差异，同一条线路不同区段、同一区段不同时期噪声波动也可能极大，且会直接导致车内噪声、轮轨走行部件状态和沿线环境噪声问题同步恶化，影响车内运行品质和乘客舒适性，甚至可能导致车外噪声超出国家强制性法律法规和标准要求。加上高速铁路跨度大、分布范围广，涵盖高寒、大风、干燥、潮湿等环境气候条件，沿线敏感建筑物空间分布及类型多样。因此，通过布设噪声固定测点，掌握高速铁路沿线噪声影响及其关联影响因素变化，其工作体量和难度极大；通过综合检测车轴箱加速度检测钢轨，无法同步反映周边环境和车内噪声影响，面临缺乏车-地-环境一体化、便捷高效的同步监测与评估手段的突出问题，所以，研发车载移动式监测技术是实现高速铁路噪声及其关联因素跨区间、长周期、全覆盖监测，解决同步分析与控制技术问题的关键。

目前，噪声监测系统仅限于对路网车辆的声压级监测和基础的频谱分析，功能较为单一。国内外的铁路和城市轨道交通市场存在的产品对于轮轨病害的监测仍是弱项，尤其同步实现轮轨状态、环境噪声等多维信息一体化监测的成熟技术基本处于市场空白。

国内外铁路行业内声学监测相关的技术和产品主要有以下几个方面：

(1)由中国铁路哈尔滨局集团有限公司哈尔滨铁路科研所科技有限公司(哈科所)等单位技术牵头研发了TADS系统(货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统)，如图18-1所示，现有的美国TADS系统的图片；如图18-3所示，是现有的南非TADS系统的图片之一；如图18-4所示，是现有的南非TADS系统的图片之二；如图18-2所示，是现有的澳大利亚RailBAM系统的图片；通过轨边声学诊断装置，实时在线监测运行车辆轴承故障。主要利用声发射原理，仅针对轴承实现了故障预警。

(2)从声学角度对轨道和车辆状态进行检测方面，德国Mueller BBM公司研发了车轮故障自动监测系统WMS，将传声器和振动加速度信号安装于轨道上，适用于机车车辆通过时对车轮多边形、踏面扁疤等故障的在线监测和诊断，其主要基于布置于钢轨上的振动加速度信号结合轨旁传声器进行基础的噪声超标判别车轮故障，对检测数据进行近限预警和超限报警提示功能，再由人工进行复核确认，可以实现快速诊断振动噪声超标的车辆，并为减振降噪提供数据支撑。德国Mueller BBM开发的针对于轨道故障的检测系统为ARROW，如图19所示，是现有的德国Mueller BBM开发的ARROW系统的图片，是安装在巡检车或运营车上的检测设备，其通过安装在转向架上的传感器(传声器和加速度传感器等)，自动记录轮轨作用时产生的信号，通过软件分析自动判定轨道的特性和故障，巡检速度20-250km/h，实现了连续自动，无需停车检测。在过去的10年里，ARROW系统在多种场合实现了应用，如从阿姆斯特丹到巴黎的高铁由Infraspeed承建在荷兰境内的部分，在建成验收时采用ARROW系统安装于Thalys列车上以160km/h的速度进行了钢轨粗糙度的评估；2010年又与代尔夫特大学合作开发了独立检测轨道缺陷的系统，使用了4只传声器，因此，可以独立的检测两侧轨道的表面状态，其主要目标仅是基于声信号的声压级和频谱信号实现钢轨质量的宏观监控，无轮轨病害的特征识别和预警等功能。

(3)铁路噪声检测系统。如图20所示，是现有的德国Mueller BBM开发的铁路噪声监测系统示意图；如图21-1所示，是现有的德国Mueller BBM开发的德国铁路噪声自动监测点和噪声地图之一；如图21-2所示，是现有的德国Mueller BBM开发的德国铁路噪声自动监测点和噪声地图之二；德国建立了境内的全网噪声监测点，为确保噪声监控系统提供永久有效且可比较的测量结果，所有测量站采用相同构造，并均按照ISO3095测试标准进行，传声器安装在距离轨道中心7.5米的位置，距离轨道的顶部边缘高1.2米，其最重要的组件是1类传声器，车轴计数器和移动无线电控制单元，计数器记录列车的每个轴通过脉冲信号，计算列车的通过时间以及列车的速度和长度。

通过全网噪声监控，德国政府希望以透明易懂的方式长期呈现铁路辐射噪声，为此，联邦铁路局沿着铁路网建立了测量站，它们按照一致的方法测量经过的列车的声压，建立监测网络的19个测量站覆盖了德国铁路全部货运量的三分之二以上，并在此基础上建立了铁路噪声地图，每5年修订一次，已覆盖了16500公里的主要铁路线和70个城市约50000平方公里的区域。德国铁路的噪声监测系统仅限于对路网车辆的声压级监测和基础的频谱分析，功能较为单一。

(4)轨道交通领域。国内轨道交通领域，上海申通地铁集团有限公司开发了轨道旁边的噪声检测和故障识别系统，但无钢轨短波等粗糙度特征的特征识别和环境的一体化监测功能。2020年8月，上海地铁投资3.1亿建立车辆智能运维国家示范工程，轨旁综合检测系统完成上海地铁各型车辆(含A型车和C型车)的日常检测，实现对轮对尺寸；受电弓的磨耗、滑板损伤掉块、受电弓结构变化；实现车顶、车侧、车底走行部异物，车顶、车侧、车底走行部关键部件缺失、变形等异常监视；牵引电机、齿轮箱、轴箱温度，闸片的缺失、磨耗等的检测。

声学检测在铁路领域车辆和轨道状态非接触式监测和故障识别、环境噪声等方面都有重要应用前景，从声学角度得到的声信号主要基于声压级、频谱等进行了基础的分析和提炼，但更深入的从时-空-频角度对声信号特征进行提取和识别，针对轮轨短波病害的识别研究方面仍有待发展和改进。国内外的铁路和城市轨道交通市场存在的产品对于轮轨病害的监测仍是弱项，基本处于市场空白。国外德国铁路的线路声学监测和BBM的钢轨表面质量声学评定系统完成了最基本的声学指标的构建，对于钢轨波磨等病害的声学诊断也未推出成熟产品。国内国铁市场在高速列车上布置此类移动装备由于存在国铁集团和CRCC的认证准入规则，存在较强市场壁垒，但从综合检测列车作为介入点，积累系统产品的运用成熟度，逐步推动钢轨声学打磨指标和声学诊断预警机制，可作为发展方向。国内城市轨道交通一般不配置综合检测列车，所以，对于波磨的监测主要依赖人工利用天窗时间进行检测，检测效率较低，发现和控制都不及时。对于运营维护技术的发展虽各自为战，但均对提高运维能效、促进线路安全监测等技术存在较强需求，近年对于智能运维系统的采购和研发都在逐步开展。

因此，提供一种基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统及方法，为高速铁路典型异常振动噪声特征实现实时监测、瞬间响应、智能决策，实现对车内乘坐品质、钢轨表面状态、运营期噪声的长期监测和“手术刀式”精准有效控制及高速铁路面向全生命周期的设备配置、运输组织、维修保养等方面实现技术与经济上的优化和最佳平衡，就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的之一是提供基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法，为高速铁路典型异常振动噪声特征实现实时监测、瞬间响应、智能决策，实现对车内乘坐品质、钢轨表面状态、运营期噪声的长期监测和“手术刀式”精准有效控制及高速铁路面向全生命周期的设备配置、运输组织、维修保养等方面实现技术与经济上的优化和最佳平衡。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法，其步骤如下：

(1)时空同步

主要基于GPS定位技术进行里程定位，选择惯性导航系统进行辅助定位，列车实时速度主要是由GPS信号计算获得，在信号较弱的有遮挡区段，利用惯性导航系统获得实时速度和里程；系统各信号时间同步利用GPS时钟进行授时，将下位机的时钟和GPS时钟进行同步，下位机系统作为时间服务器，其他设备均设置与下位机时间同步，通过时间同步协议能保持所有设备时间保持统一精准；

(2)钢轨波磨实时判定；

(3)定位与数据分析；

(4)波磨信号判定预警

作为软件核心功能，钢轨波磨的识别和预警需根据相应判定指标来完成，在列车运行过程中，对采集的声信号通过系统自动化算法提取，得到目标参数，与设定阈值相比较，可识别到出现能量畸变和升高，系统自动判定出疑似波磨点。

优选地，还包括如下步骤：

(5)数据其他后处理功能

1)数据统计功能

选择声音信号，选择在该时间段内的声压级信息，对其声压级进行统计计算，统计结果以excel格式输出；

2)波形微积分功能

后期系统发展考虑加入振动加速度的测量，为实现对振动信号的多角度分析，系统设置波形微积分功能，波形微积分功能用来对振动信号实现加速度、速度和位移在三个参量互相转换，在系统中可以由振动加速度信号在时域和频域上切换到其他两个参量；

3)相关分析

在声音和振动测量中，需要相关函数来判定信号延迟和提取有用信号；

4)互谱功能

互谱功能用以测量两个信号之间在分析带宽内每一频率的互功率，与互相关函数互为傅里叶变换；

5)相位测量

相位测量功能是需要两个通道的信号，以一个为基准信号，一个为要测量的信号，对两个信号的相位进行比较计算；

6)瀑布图功能

设置瀑布图功能，联合时频分析得到一系列功率谱，将这些功率谱在三维直角坐标系中用一系列曲线画出来，即可得到三维曲线集，当相邻功率谱的谱峰重叠在一起，看起来有点像自然界的瀑布，瀑布图能够对联合分析的结果进行直观清晰的显示。

优选地，所述步骤(2)具体如下：

1)列车行驶速度

设置一个速度限值，当列车运行速度大于该值后，判断列车的运行速度状态，在准恒速的区段行驶时，系统再进行钢轨波磨相关判断；

2)重点频带滤波

对系统采集声信号进行带通滤波，关注钢轨波磨出现的重点频带；

3)频域比较

先利用时窗对滤波后的声信号进行截取分段，再对每一个时窗中的声信号进行频域划分，对划分后的频段进行能量比较，若某频段的能量在该时窗整个滤波后的频段内占比超过设定阈值，则进入时域判断；

4)时域持续

对能量阈值超过设定阈值的频段在时域内持续时间进行判断，若高能量的阈值持续一定时间，则系统将其判定为钢轨波磨信号。

优选地，所述步骤(3)具体如下：

1)列车里程与定位

对检测出的钢轨波磨的位置进行定位，如果检测过程中出现波磨点，系统会把该波磨位置标红，显示在里程进度条上，考虑到监测到的波磨数量可能比较多的情况，全部在图上展示显得冗杂，设置“波磨检测信息”按钮，点击按钮在弹出新窗口显示当前站点间所有检测出来的波磨的里程、位置等其他信息，在系统内可以将该信息以Excel格式导出，方便后面使用；

2)实时波形显示

对声信号的声压级波形进行实时显示，系统显示当前两个站点间的列车运行时间内的声压级波形图；

3)波磨的频率和波长计算

通过列车的实时速度信息与判定识别出的波磨的频率，软件系统可自动计算得到钢轨波磨点的波长信息；

4)倍频程谱功能

设置倍频程谱功能，用倍频程谱实时显示采集过程中各时刻声压级和频率之间的关系，并利用统计功能列表显示该时段内出现的峰值的对应频率，便于掌握噪声信号的频段特点；

5)功率色谱图

利用色谱图可以用来实现三维分析，将时间、频率、功率三者放在一张图上，颜色的不同直观地展示了功率在时间和频率联合域的变化，对波磨出现时自动标记，从时域和频域上一起展示波磨特征，使用色谱图可以从视觉上对波磨信号的出现有直观的感受。

本发明的另一目的是提供一种基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统，为高速铁路典型异常振动噪声特征实现实时监测、瞬间响应、智能决策，实现对车内乘坐品质、钢轨表面状态、运营期噪声的长期监测和“手术刀式”精准有效控制及高速铁路面向全生命周期的设备配置、运输组织、维修保养等方面实现技术与经济上的优化和最佳平衡。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统，包括上位机、下位机以及数据采集系统，上位机和下位机之间通过网线或无线(TCP/IP协议通信)连接，上位机包括数据采集存储模块、数据预处理模块、波磨判定预警模块以及数据后处理模块；上位机包括下位机控制器，下位机控制器包括声振信号模块、GPS信号模块以及串口通信模块；数据采集系统包括惯性导航系统、GPS信号采集装置以及声振信号采集装置；声振信号模块与声振信号采集装置相连接，串口通信模块与惯性导航系统相连接，GPS信号模块与GPS信号采集装置相连接。

优选地，所述声振信号采集装置包括声学传感器和扩展加速度传感器。

优选地，所述下位机中设有声音信号采集板卡、后期扩展增加振动加速度信号采集板卡、GPS信号接收板卡、下位机板卡、惯性导航系统板卡以及上位机通信板卡。

优选地，所述声音信号采集板卡使用NI 9231声振动态信号采集卡；串口通信卡选择NI 9871；GPS信号接收板卡选择板卡NI9467；在车轴处安装加速度传感器。

有益效果：

本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统及方法，通过采用高铁“听诊器”的多维同步感知技术和产品的定制化运用，和车下噪声-车辆噪声-环境噪声模型的构建，建立高速铁路全生命周期、全过程噪声管理与治理方案，结合运用数字化、智能化装备和轮轨滚动噪声机理系统研究，为高速铁路典型异常振动噪声特征实现实时监测、瞬间响应、智能决策，实现对车内乘坐品质、钢轨表面状态、运营期噪声的长期监测和“手术刀式”精准有效控制及高速铁路面向全生命周期的设备配置、运输组织、维修保养等方面实现技术与经济上的优化和最佳平衡。

本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统及方法，不仅在提升运维效率、运营舒适性上具备显著经济价值和社会意义，且在人因工程如车内声品质评价、钢轨声学打磨等更关注人的保护方面的具有广阔应用前景。

本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统(即基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统)，下位机控制器选择NI的CRIO-9049控制器，根据系统功能需求配置不同功能的NI采集卡，保证下位机系统能流畅高效地完成采集工作，上位机选择某品牌的笔记本电脑，其配置可以稳定快速地完成大量数据分析和图像处理显示工作，根据系统需求和传感器选型依据，选择丹麦GRAS公司的40LA精密表面麦克风，同声学传感器选型类似，惯性导航元件在和振动加速度传感器在经过比选后分别选择型号为YIN-660R的捷联式惯性导航系统和美国PCB公司的352C03型压电式单轴加速度传感器，硬件全部选型完成后将下位机控制器和各采集板卡整合到设备箱中，完成便于携带的数据采集装置的集成。

下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利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发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利的实施例，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他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

附图说明

图1是本发明基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法开发流程示意图。

图2为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统的功能设计图。

图3为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统的结构示意图。

图4为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中CompactRIO系统结构与实物图。

图5为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中下位机数据采集存储系统的实物图。

图6为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中软件功能设计框图。

图7为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中声信号数据采集程序框图。

图8为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中惯导数据采集程序框图。

图9为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中数据存储功能程序框图。

图10为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中数据回放程序框图。

图11为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中数据预处理功能程序框图。

图12为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中声压波形图。

图13为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中波形显示程序框图。

图14为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中倍频程计算程序框图。

图15为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中色谱图。

图16为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中色谱图计算程序框图。

图17为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中钢轨波磨判定程序框图。

图18-1是现有的美国TADS系统的图片。

图18-2是现有的澳大利亚RailBAM系统的图片。

图18-3是现有的南非TADS系统的图片之一。

图18-4是现有的南非TADS系统的图片之二。

图19是现有的德国Mueller BBM开发的ARROW系统的图片。

图20是现有的德国Mueller BBM开发的铁路噪声监测系统示意图。

图21-1是现有的德国Mueller BBM开发的德国铁路噪声自动监测点和噪声地图之一。

图21-2是现有的德国Mueller BBM开发的德国铁路噪声自动监测点和噪声地图之二。

具体实施方式

除非特别说明，本发明中所用零部件均为本技术领域常规的市场可购的零部件，其连接方式为本技术领域常规的连接方式；所用材料为本技术领域常规的材料。

如图1所示，是本发明实施例1基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法开发流程示意图；本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统及方法的研发过程如下：

(1)噪声与轮轨表面状态传递关联性研究

通过开展钢轨粗糙度、车内噪声、车外噪声等同步测试，结合高速铁路噪声源识别结果，进行同步分析；结合轮轨有限元、多体、边界元建模，进行静力学、动力学和声学仿真，明确轮轨声辐射特性；研究瞬态信号分析技术，获得轮轨表面状态的时空特性和噪声时频特性的传递关联特征；

(2)车-地-环境一体化声学监测和反演评估方法研究

基于轮轨振动和声辐射特点，对轮轨噪声发声和传递衰减规律进行传递路径分析，研究车下声信号的关键特征提取和识别技术，开展车下噪声-轮轨状态-车内噪声-环境噪声的预测监测和评估技术研究。

(3)车-地-环境一体化声学监测与评估车载系统研发

通过开展车下噪声-轮轨状态-车内噪声-环境噪声传递路径分析，进行噪声影响半定量化实时评估技术研究，结合车载系统速度里程等精确定位技术，实现车-地-环境多维数据同步分析和自动可视化呈现。

(4)车-地-环境一体化全寿命周期控制策略研究

通过车载多维同步感知技术装备的运用，获得车-地-环境海量大数据，自动识别提取有效数据并同步显示分析结果，结合运营实际情况，提出高速铁路在全寿命周期内运营损益、环境影响等综合因素影响下的控制策略。

本发明的可行性主要体现在以下三个方面：

(1)轮轨噪声本身包含了钢轨波磨等病害的显著表达，因此，由钢轨波磨等轮轨病害关联产生的车内噪声超标、舒适性差、环境噪声超标、轮轨走形部件的寿命缩短和行车安全等问题，在轮轨噪声中经过算法深挖，进行车-地-环境的一体化识别可行性充分。

(2)轮轨噪声是铁路和轨道交通的最重要噪声源之一，即便在时速400公里下高速铁路轮轨噪声中仍占有非常重要的比例。由此产生两个前提：一是轮轨噪声的波动和恶化将直接影响车内噪声、环境噪声和乘客舒适性的变化，二是由于气动噪声主要和气动外形有关，在运营期轮轨噪声成为了最重要的可能变化和波动的噪声源。综上，轮轨噪声比例大、波动强、关联因素多，轮轨噪声的监测和控制是运营期车内外噪声等关联因素控制的核心之一，因此研究和开发车-地-环境一体化监测技术和系统，开展从轮轨区基础声信号到车内外噪声影响的直接关联关系研究，具备理论可行性和应用可行性。

(3)轮轨滚动噪声是车辆和轨道状态的综合反映，且体现人耳直观感受和人体感受等主观信息，存在人机工程学的系统应用，因此从声学角度实现对轮轨滚动状态的监测，具有非接触式、检测高效、扩展性强的显著优势，结合车下噪声-车辆噪声-环境噪声模型的构建，建立全生命周期、全过程噪声管理与控制方案，结合运用数字化、智能化装备和轮轨滚动噪声机理系统研究，对典型异常噪声特征进行实时监测、瞬间响应、智能决策，同步实现车辆、轨道重要走行部件典型故障、车内声品质、车外辐射噪声等因素的一体化获取，实现车-地-环境的多维度、全寿命监测和全过程管控。轮轨表面状态直接影响着轮轨滚动噪声，轮轨滚动噪声的时-频特性和轮轨表面状态的时-空特性直接关联、紧密对应，从轮轨区声信号出发进行算法和装备研究进行车-地状态的识别具备科学严密性和逻辑可行性。

综上，该项目的声学监测和评估技术，具有强烈的应用需求，科学严密性和逻辑可行性充足，现实可行性和趋势可行性兼具，进行车-地-环境的一体化声学监测和评估具有较强可行性。

实施例1

如图2所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统的功能设计图，基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统需实现声信号自动采集分析、故障特征自动提取、实时监测和预警、数据高级后处理等数据分析功能，同时具备判定列车实时车速、定位等功能；此外，为了保障系统的后续使用和功能扩展需求，预留与车辆通信接口通道和扩展通道；

为实现关键性的钢轨波磨诊断和实时波磨位置定位的功能，在设计过程中需要解决两个关键问题：时空同步和钢轨波磨声学判定指标

(1)时空同步

实现钢轨波磨实时声学诊断最重要的一个功能就是波磨出现里程和时间的同步，需要将声信号与轨道里程位置一一对应以实现波磨位置的确定；本发明的系统实现列车运行实时里程定位主要考虑GPS定位技术和RFID定位技术两种方案；GPS定位技术适用范围较广，具有技术成熟、使用方便且成本低、维护容易等特点；在无遮挡区域内卫星锁定目标定位状态下，定位率能到达100％，可靠性很高，定位误差可以控制在3m以内，且GPS定位可以输出包含经纬度、速度、高程等信息，输出的信息量较多；但GPS定位技术在被遮挡区域如隧道、车站时信号较差，可能会发生定位功能失效，无法正常完成工作；RFID定位技术适用范围相对较小，目前主要运用于铁路货运列车车号识别领域；该技术需要在线路上安装定位标签，通过无线射频技术对标签进行读取；该方法定位精度很高，经过修正计算精度误差可以达到0.3m以内，但在列车高速状态下可能发生读签失败导致定位点丢失继而定位失败，且该技术输出信息量较小，输出信息往往仅包含标签编号和读取时间等；

通过综合考虑，本发明主要基于GPS定位技术进行里程定位，定位精度可满足系统需求且能输出较多信息，而RFID定位技术虽然定位精度比GPS高，但使用该技术需要在各线路上安装定位射频标签，实际操作相对麻烦；针对GPS定位技术存在的遮挡区域容易失效问题，本发明通过选择惯性导航系统进行辅助定位，在GPS信号丢失时仍可实现对列车的定位；列车实时速度主要是由GPS信号计算获得，在信号较弱的有遮挡区段，利用惯性导航系统获得实时速度和里程，尽可能减少定位误差；系统各信号时间同步利用GPS时钟进行授时，将下位机的时钟和GPS时钟进行同步，下位机系统作为时间服务器，其他设备均设置与下位机时间同步，通过时间同步协议能保持所有设备时间保持统一精准，解决时间同步问题；

(2)钢轨波磨实时判定

钢轨波磨声学判定方法是实现有效诊断的必要条件，基于钢轨波磨引起的声学时频特征，在检测过程中利用声信号进行钢轨波磨判定，主要是同步结合以下指标来完成：

1)列车行驶速度：设置一个速度限值，当列车运行速度大于该值后，判断列车的运行速度状态，在准恒速的区段行驶时，系统再进行钢轨波磨相关判断；

2)重点频带滤波：对系统采集声信号进行带通滤波，关注钢轨波磨出现的重点频带；

3)频域比较：先利用时窗对滤波后的声信号进行截取分段，再对每一个时窗中的声信号进行频域划分，对划分后的频段进行能量比较，若某频段的能量在该时窗整个滤波后的频段内占比超过设定阈值，则进入时域判断；

4)时域持续：对能量阈值超过设定阈值的频段在时域内持续时间进行判断，若高能量的阈值持续了一定时间，则系统将其判定为钢轨波磨信号。

如图3所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统的结构示意图；本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统包括上位机、下位机以及数据采集系统，上位机和下位机之间通过网线或无线(TCP/IP协议通信)连接，上位机包括数据采集存储模块、数据预处理模块、波磨判定预警模块以及数据后处理模块；上位机包括下位机控制器，下位机控制器包括声振信号模块、GPS信号模块以及串口通信模块；数据采集系统包括惯性导航系统、GPS信号采集装置以及声振信号采集装置；声振信号模块与声振信号采集装置相连接，串口通信模块与惯性导航系统相连接，GPS信号模块与GPS信号采集装置相连接；所述声振信号采集装置可以是声学传感器和扩展加速度传感器；下位机中设有声音信号采集板卡、后期扩展增加振动加速度信号采集板卡、GPS信号接收板卡、下位机板卡、惯性导航系统板卡以及上位机通信板卡；声音信号采集板卡使用NI 9231声振动态信号采集卡；串口通信卡选择NI 9871；GPS信号接收板卡选择板卡NI9467；在车轴处安装加速度传感器。

本发明通过上位机和下位机相结合的方式，两者共同完成系统工作，下位机只需承担数据采集和存储功能，这样下位机内运算工作较为简单，可以充分保证数据采集和存储的完成；由上位机来进行分析功能的复杂算法，同时也对数据进行存储备份，上位机和下位机对数据存储实现“双保险”，在一方出现数据丢失时可以方便寻找，上位机可以通过网线和下位机相连，也可以通过4G网络对下位机实现远程监控，如果需要对系统算法进行修改，只需要在上位机中直接进行修改即可。此外，这种方式可以选择对数据进行实时采集或者离线采集，上位机可以在实时采集下直接进行分析，也可以通过离线采集后将下位机数据下载到上位机在进行分析，两种工作方式的选择极大地提高了系统的便利性。

硬件是实现系统功能的基础。本发明的系统硬件平台主要包括：下位机硬件、上位机、采集声信号的声学传声器、方面后期扩展的加速度传感器和辅助定位的惯性导航系统；本发明的系统需要用于现场测试工作，应便于携带，需要将下位机的各模块的硬件集中封装于设备箱中，根据系统的功能设计要求，对各功能硬件进行选型。

下位机控制器作为下位机系统的“大脑”，是下位机系统计算和控制的核心，控制着各个板卡的工作，保障下位机数据采集、存储工作稳定流畅地运行，在对下位机控制器进行选择时，要保证系统的硬件和软件的性能可以得到充分发挥。下位机中需要安装实现声音信号采集(后期扩展增加振动加速度信号的采集)、GPS信号接收、下位机与惯性导航系统、上位机通信等功能的各类型板卡，选取板卡时需要充分考虑各板卡的功能匹配性和专用性，同时预留卡槽位置方便以后进行功能扩展。

为了保障系统稳定耐用，下位机系统控制器选择NI公司的CRIO-9049，它和开发平台LabVIEW作为同一公司的产品，具有较完美的兼容适配性，是一款坚固耐用且可定制的高性能嵌入式控制器，搭载了Intel Atom四核处理器，主频为1.6GHZ，提供NI-DAQmx支持以及用于数据记录、嵌入式监测和控制的SD卡插槽，CRIO-9049中包含FPGA模块支持，可实现高级控制和协处理应用，使用时间网络提供精确且同步的定时和确定性通信，是高度分布式测量的理想选择，该控制器提供多个连接端口，可以使用USB端口完成编程、部署和调试软件，从而简化应用程序开发。

信号采集使用NI 9231声振动态信号采集卡，该采集卡为8通道，该采集卡无需使用外部传感器电源，可以完成麦克风高动态范围测量并且具有同步采样功能。串口通信卡选择NI 9871，它的串行端口可以直接通过FPGA访问，灵活地与串行设备进行行信，完成上、下位机之间的数据通信，板卡NI9467作为GPS接收卡可以精准地为系统提供时间同步，在测量采集过程准确提供位置信息。

下位机可以满足多路声振信号同时采集，将采集触发信号、车速信号、GPS信号、运行里程等辅助信号实时读取上传到上位机，也能接收上位机发来的采集参数设置等操作命令。

如图4所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中CompactRIO系统结构与实物图；如图5所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中下位机数据采集存储系统的实物图。

上位机主要完成对各类数据的分析处理工作，需要承担大量的计算任务，同时也需要完成数据结果显示和用户控制的任务，需确保其运作的流畅和稳定。本发明的系统选择某品牌笔记本电脑作为上位机，该笔记本机身轻薄便携，内置酷睿11代高性能i7处理器，内存为DDR4 16G，可以保证高效率完成数据处理任务；显示屏分辨率为1920×1080，能够对分析结果的图像进行清晰显示。

声信号的数据采集是本发明系统功能实现的基础，由声学传感器来完成，声学传感器将采集到的声信号传化为电信号，系统通过对声信号的分析实现钢轨波磨诊断。

声学传感器按特点和频率可将其分为电阻变换式、压电式和应变式三种：(1)电阻变换式声压传感器：电阻变换式传感器分为接触阻抗式和阻抗变换式两种。接触阻抗式声压传感器的工作原理是声音在空气中传播引起传感器内膜片振动，接触电阻发生改变进而引起电流变化，电流经变压器和放大器后完成信号输出。阻抗变换式声压传感器的工作原理是膜片上的应变片在声压作用下发生形变，应变片阻抗的变化以电压信号形式输出，完成由声信号到电信号的转换。电阻式声学传感器结构简单、体积小，但电阻式声学传感器输出信号较弱并且传感器本身易受使用时间和环境的影响，在受影响后传感器的材料和使用性能会发生变化，数据的真实性往往无法得到保证；(2)压电式声压传感器：压电式声压传感器的工作原理是利用传感器中压电晶体的压电效应，当声音经空气传播到膜片上，膜片振动继而引起压电晶体的振动，振动引起应力变化使得压电晶体输出变化的电压，从而完成声信号到电信号的转换。压电式传感器构造简单、工作性能稳定、测量频率范围较宽，具有较高的信噪比和灵敏度。但某些压电材料在使用过程中需要采取相应保护措施，避免潮湿造成损坏。(3)电容式声压传感器：电容式声压传感器主要由膜片、固定电极和外壳三个部分组成，膜片和固定电极之间形成一个间距很小的可变电容器。声压引发膜片振动，膜片和固定电极之间的距离变化引发电容的变化。在电容式声压传感器两端串联负载电阻和直流电流极化电压，在声波引发电容变化，在电阻两端产生交变电压。

电容式声学传感器适用于动态信号的测量，对于工作环境的适应能力强，但电容式声学传感器存在寄生电容影响问题，导线电容和泄露电容可能会影响传感器的灵敏度，造成测量测试的不准确。

在进行声学传感器选型时需要考虑其灵敏度、频率响应特性、稳定性等。声学传感器的灵敏度决定着它的测量精度，灵敏度越高，测量精度越高，同时要保证传感器具有较高信噪比，减少干扰信号的影响。频率响应特性决定着传感器采集范围的大小，所选传感器要满足频率采集的需求。传感器能否保持长期保持稳定性除了主要与其自身结构有关外，还主要与其工作环境有关，所选传感器对环境强应该有较强的的适应性。

本发明系统使用的声学传感器选择丹麦GRAS公司的40LA精密表面麦克风，它属于压电式声学传感器，该麦克风在航空航天工业、飞行风致噪声试验、风洞试验中均早有应用，较为适合本系统中置于车轴处的安装使用。它重量较轻但表面坚固，并且附有柔软可拆卸的硅橡胶整流罩，可以降低自身外形对结果的影响。40LA精密表面麦克风具有很高的安装灵活性，振膜与其外壳齐平，可将传声器的风致噪声降至最低；内置TEDS芯片，能够实现对传感器的远程识别并读取校准信息。该传感器频率响应范围为10Hz～20000Hz，动态响应范围为56dB(A)～178dB(A)，灵敏度为0.5mv/Pa，能在-55℃～100℃的较大温度范围下正常工作，能较好地满足对列车行驶过程中对车下噪声信号采集的需求。

本发明的系统主要是通过GPS信号对列车进行位置确定，但当列车运行到有遮挡等区段，GPS信号被屏蔽或者较弱，系统对列车里程、位置的计算和判断受到影响，对钢轨波磨无法进行里程定位或者定位出现较大误差，需要借助惯性导航系统来解决该问题。

惯性导航系统最开始在火箭的制导上得到应用，目前已在民航飞机、航空飞机、舰艇、潜艇上广泛运用。惯性导航系统自身隐蔽性好，不需要外部信息的辅助，能给出连续性较好、稳定的导航信息。它主要由陀螺仪和加速度计两部分组成，陀螺仪提供角运动信息，加速度计提供线运动信息，由陀螺仪建立导航坐标系，将加速度传感器对时间的连续积分变换到陀螺仪建立的坐标系中，加上方向和姿态角，对加速度积分可以得到速度，对速度积分得到位移。在本发明系统中，列车的实时行驶里程和位置信息在GPS定位结合惯性导航的辅助下可以顺利获取。

本发明的钢轨波磨诊断系统在设计时考虑其设备的便携性，需要将控制器、传感器和惯性导航元件集中放在设备箱中，平台式惯性导航系统体积大、质量重、需要专用的安装平台且安装也比较麻烦、成本高，综合考虑捷联式惯性导航系统较为合适，它能满足系统对位置信息的需要，本发明的系统所选下位机控制器完全能够满足其计算量相对较大的需求。

本发明的系统选择型号为YIN-660R的RTK惯性组合导航系统，由MEMS陀螺仪、加速度计和双频GNSS接收机组成。它属于捷联式惯性导航系统。惯导元件中内置的算法和全温域校准保证了其给出的速度、姿态和位置等信息持续稳定、连续和准确，能够在-40～85℃较大温度跨度范围内保持工作性能的稳定。本型号惯导元件支持接入RTK差分信号实现厘米级高精度定位，通过组合导航融合算法，可以实现卫星失锁10S情况下达到优于0.4m定位精度，可以和GPS结合完成导航定位工作。

后期，本发明的系统在车轴处安装加速度传感器，增加振动加速度信号的采集分析。通过振动和噪声的结合，使系统的准确性进一步提高。加速度传感器由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等组成，能感受加速度并且将其转换为电信号以供分析。

本发明的系统的加速度传感器选用美国PCB公司的352C03型压电式单轴加速度传感器，它是利用压电陶瓷的压电效应来进行加速度的测量。该传感器灵敏度为10mv/g，配套专用磁座，安装和拆卸均十分方便。在0.5Hz～10000Hz频带范围内线性失真率为5％，在0.3Hz～10000Hz频带范围内线性失真率为10％，可以保证系统对加速度频率范围的测量需求。传感器量程达±500g，具有较大的测量范围，在-54℃～121℃温度范围内均可正常工作。

本发明的下位机硬件整合在设备箱中。系统供电有220V和24V两种电源接口。电源接口外接220V电源给整套机箱设备供电，24V电源接口为惯导供电接口，用于机箱内部为惯性导航系统供电。电源按钮控制系统的开关。在设备主面板上预留有声音、振动信号的输入接口，共有ch0～ch7共8个BNC接口，ch0～ch3为声音信号输入接口，ch4～ch7为振动信号输入接口。串口通信共有四个：RS232、485/422-1、485/422-2和485/422-3。面板右上侧为网口和USB，网口可用于上下位机之间的连接，USB可以用于离线模式下的数据下载。

根据系统的设计需求，运用LabVIEW平台进行系统软件开发。系统软件功能设计开发从数据采集与存储、数据预处理、系统的状态控制、数据的高级分析、数据分析的结果展示和统计分析等方面来展开。如图6所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中软件功能设计框图；上位机软件通过TCP/IP协议从下位机中解析出惯导、声音等各类数据，然后通过数据流发给程序中其他Vi(例程)，完成各种分析计算工作。

有效数据的采集和存储是分析的基础。为保证所采集的数据的真实准确，在开始采集之前对采集存储相关参数进行选择设置，完成采集前的准备工作。

为保证系统软件的稳定和使用方便，软件工作状态设计为采集和回放两种模式，在采集模式下可以完成数据的采集和存储，在数据采集过程中，软件也对数据进行实时处理，包括声压级波形显示、波磨判定、里程定位、倍频程谱等处理结果展示在实时界面下；在回放模式下，可以根据需要选择保存的数据进行回放，除了实时处理的功能，还可以对数据进行其他功能的处理分析。

在进行数据采集之前，需要对采集通道、传感器和惯性导航元件进行配置，采集通道配置包括选择通道类型和采集模块，设置采样频率；传感器配置包括对传感器的灵敏度进行校准，对采集单位、名称进行配置；在每次重新打开软件时，均需要重新对惯性导航系统进行精度校准。

常用的导航坐标系有北东地和东北天两种类型。惯性导航系统输出基于地球的东北天坐标系，由于地心引力，静止状态下也会在X、Y和Z三个方向输入重力加速度的不同分量，在每次固定好惯性导航系统原件位置后，需要对系统的初始状态进行修正，完成对惯性导航系统的校准，以保证其输出数据的准确。

在采集之前同时需要完成对数据文件存储位置、数据采集启动方式的选择设置。

当系统软、硬件各部分都准备就绪后，开始进行数据的采集，软件进入采集模式。采集停止后，软件自动切换到离线模式，在该模式下对数据进行保存，在此模式下可以对采集的数据文件进行重命名、备注等操作，方便后面数据的调取查阅。

如图7所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中声信号数据采集程序框图；声音信号、惯导信号根据通道的不同和数据物理量的不同分类进行存储；如图8所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中惯导数据采集程序框图；数据回放程序框图，对以TDMS格式存储的声压(sound pressure)、加速度(acceleration)和惯导的速度(velocity)、里程(distance)等数据进行读取，完成数据回放处理；如图9所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中数据存储功能程序框图；如图10所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中数据回放程序框图；

由于本发明的系统是长时间连续采集，采集数据量较大，软件应具有数据预处理功能，预处理可以提前将系统分析需要关注的频段信号进行提取，减少后续处理的数据量，提高系统的处理效率，使软件更高效稳定运行。同时通过预处理功能可以完成各类信号的同步，为后续处理做准备。

本发明的系统设计的预处理功能主要包括：滤波、加权滤波、重采样。

滤波处理；系统采集到的声信号是宽频信号，通过滤波处理可以将数据处理时不相干的频率域波段信号进行去除，提取有用信号。滤波处理主要有高通滤波、低通滤波、带阻滤波、带通滤波。高通滤波用来去除低频干扰信号，低通滤波是为了去除高频干扰信号。带通滤波是设置一定频段内的信号保留，高于或者该频段的信号均被去除；而带阻滤波与带通滤波恰恰相反，它是对一定频段内的信号进行滤除。加权滤波作为滤波方式的一种，主要有线性滤波、A计权滤波、B计权滤波和C计权滤波等。根据需要选择滤波处理方式，极大方便了后续的处理。

重采样功能：重采样功能主要用于数据处理时调整采样频率，如果数据采集时采样频率较高时，数据量较大，在进行分析时会占用大量资源，影响系统运行速度。如果采样频率过低，会导致信号频率混叠，得到的频谱出现失真问题。这两种情况下均需要进行重采样操作。本系统在满足采样定理的要求下，对采集数据进行降采样处理，可以减少数据的运算量，使分析处理更稳定、快速、流畅地进行。

如图11所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中数据预处理功能程序框图，惯导数据和声音数据在此过程中完成信号的对齐同步，按照预设好的帧长度发送给后续处理的其他Vi。

定位与数据分析

(1)列车里程与定位

本发明的系统需要对检测出的钢轨波磨的位置进行定位，以便后续打磨、换轨等工作的开展。在该功能下软件显示列车实时位置、里程和运行速度、加速度状态等信息。如果检测过程中出现波磨点，系统会把该波磨位置标红，显示在里程进度条上，考虑到监测到的波磨数量可能比较多的情况，全部在图上展示显得冗杂，本发明的系统设置“波磨检测信息”按钮，点击按钮在弹出新窗口显示当前站点间所有检测出来的波磨的里程、位置等其他信息，在系统内可以将该信息以Excel格式导出，方便后面使用；

(2)实时波形显示

为直观地了解当前以及过去一段时间声压级的变化情况，对声信号的声压级波形进行实时显示，系统显示当前两个站点间的列车运行时间内的声压级波形图，如图12所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中声压波形图，在使用过程中便于及时直观了解声压级在时域上的变化；

如图13所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中波形显示程序框图，在程序框图中使用了声压级计算Vi；

(3)波磨的频率和波长计算

通过列车的实时速度信息与判定识别出的波磨的频率，软件系统可自动计算得到钢轨波磨点的波长信息；

(4)倍频程谱功能

为了在频域下对噪声特点进行掌握，系统软件设置倍频程谱功能。倍频程谱具有谱线少频带宽的特点，系统运算起来较为容易、速度较快，用倍频程谱实时显示采集过程中各时刻声压级和频率之间的关系，并利用统计功能列表显示该时段内出现的峰值的对应频率，便于掌握噪声信号的频段特点；

声压级倍频程图可以对带宽和计权模式进行设置，带宽有倍频程、1/3倍频程、1/6倍频程、1/12倍频程、1/24倍频程可以选择。计权方式有线性计权、A计权、B计权和C计权可以选择；

如图14所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中倍频程计算程序框图，在该框图中使用了倍频程计算Vi；

(5)功率色谱图

利用色谱图可以用来实现三维分析，将时间、频率、功率三者放在一张图上，颜色的不同直观地展示了功率在时间和频率联合域的变化，对波磨出现时自动标记，从时域和频域上一起展示波磨特征，使用色谱图可以从视觉上对波磨信号的出现有直观的感受；如图15所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中色谱图；如图16所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中色谱图计算程序框图，在该框图中主要使用了加窗函数Vi和FFT(快速傅里叶变换)Vi；

波磨信号判定预警

作为软件核心功能，钢轨波磨的识别和预警需根据相应判定指标来完成，在列车运行过程中，对采集的声信号通过系统自动化算法提取，得到目标参数，与设定阈值相比较，可识别到出现能量畸变和升高，系统自动判定出疑似波磨点，在本发明的系统设计研发过程中，经过多次试验测试，阈值设置为0.8时，诊断效果最佳；

如图17所示，为本发明实施例1基于LabVIEW的钢轨波磨声学诊断系统中钢轨波磨判定程序框图，该程序框图中主要使用了滤波Vi，同时将响应比、持续时间等捆绑成簇以完成钢轨波磨的判定；

数据其他后处理功能：

在回放模式下，本发明的系统还设计了其他功能以便对数据进一步处理分析：

(1)数据统计功能

为方便对数据的全面掌握，系统软件可对各通道采集的数据进行统计，选择保存的声音文件，选择通道读取数据，可以选取文件中全段信号，也可以选取某一段信号，进行回放就可以得到数据的均值、有效值、标准差、最大值、最小值等指标。本系统中选择声音信号，可以选择在该时间段内的声压级信息，对其声压级进行统计计算，统计结果以excel格式输出；

(2)波形微积分功能

后期系统发展考虑加入振动加速度的测量，为实现对振动信号的多角度分析，系统设置波形微积分功能。波形微积分功能可以用来对振动信号实现加速度、速度和位移在三个参量互相转换，在系统中可以由振动加速度信号在时域和频域上切换到其他两个参量；

(3)相关分析

相关分析(correlation)功能用来计算一个通道信号的自相关系数(autocorrelation)或者两个通道的互相关系数(cross correlation)，相关系数是为了表征两个数据序列间的依赖和近似关系，自相关系数是表征同一个序列在两个不同时刻的相关程度，互相关系数是表征两个不同序列在不同时刻的相关程度，在声音和振动测量中，有时需要相关函数来判定信号延迟和提取有用信号；

(4)互谱功能

互谱功能用以测量两个信号之间在分析带宽内每一频率的互功率，与互相关函数互为傅里叶变换；

(5)相位测量

相位测量功能是需要两个通道的信号，以一个为基准信号，一个为要测量的信号，对两个信号的相位进行比较计算；

(6)瀑布图功能

为形象化展示信号同时在多种变量下的特点，系统中设置瀑布图功能，瀑布图功能与色谱图功能类似，也是对信号作多变量联合分析，差别在于显示方式不同，以联合时频分析为例，联合时频分析得到一系列功率谱，将这些功率谱在三维直角坐标系中用一系列曲线画出来，即可得到三维曲线集，当相邻功率谱的谱峰重叠在一起，看起来有点像自然界的瀑布，瀑布图能够对联合分析的结果进行直观清晰的显示。

基于LabVIEW具备图形化编程、程序包模块化、函数丰富、软硬件集成性好等方面的优势，考虑到系统的稳定性和后续的可扩展性，通过综合比较，基于LabVIEW平台进行钢轨波磨声学诊断系统开发。实现声信号自动采集、故障特征自动提取、实时监测和预警、数据高级后处理等数据分析功能以及时空定位功能。

从系统稳定性、运行流畅性以及功能性角度综合考虑，系统采用上位机和下位机相结合的方式，下位机只需承担数据采集和存储功能，运算任务简单，可以充分保证数据采集和存储的完成，而上位机用于复杂算法分析和数据处理结果显示，同时也对数据进行备份存储，对数据存储实现“双保险”。上位机可以通过无线网络对下位机实现远程监控，可实现实时采集和离线采集。

本发明的实施例1中，下位机控制器选择了NI的CRIO-9049控制器，根据系统功能需求配置了不同功能的NI采集卡，保证下位机系统能流畅高效地完成采集工作。上位机选择了某品牌的笔记本电脑，其配置可以稳定快速地完成大量数据分析和图像处理显示工作。根据系统需求和传感器选型依据，选择了丹麦GRAS公司的40LA精密表面麦克风。同声学传感器选型类似，惯性导航元件在和振动加速度传感器在经过比选后分别选择型号为YIN-660R的捷联式惯性导航系统和美国PCB公司的352C03型压电式单轴加速度传感器。硬件全部选型完成后将下位机控制器和各采集板卡整合到设备箱中，完成了便于携带的数据采集装置的集成。

本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统及方法的先进性主要体现在以下四个方面：

(1)监测要素全、时空同步强、数据保存久。本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统可同步实现钢轨表面状态、车内噪声和环境噪声的三个重要关联因素，多维度、全寿命、全过程实时监测和预测，实现同步采集、同步分析、同步评估、同步控制，且全程可追溯。

(2)结果直观。本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统反映的是基于轮轨滚动接触动力学的动态指标，与车辆状态和轨道状态密切相关，且结合了人耳感知方面的因素，与波磨小车和光学检测轮轨状态等手段的静态测量和振动加速度测量不同，其可以更直观、真实的反映轮轨滚动状态。

(3)运用便捷、可实施性强。本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统可实现非侵入式、非接触式安装，可直接安装于运营列车，利用运营期车辆实现车-地-环境的监测和预警，在不干扰运营行车的基础上实现实时诊断，检测效率高，安装便利易实施。

(4)扩展性强、应用前景广阔。本发明的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统中，声学监测数据可扩展性强，车下声信号不仅可作为沿线列车辐射噪声的重要参考量，结合建立车下噪声-车辆噪声-环境噪声模型，可推动沿线声环境精准跟踪和高效原因分析；同时，实现运营期列车的全寿命轮轨滚动状态跟踪，在大数据积累的基础上实现走形部状态修规制优化，为建立钢轨表面状态的声学质量指标和推动钢轨声学打磨建立重要基础。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法，其步骤如下：

（1）时空同步：基于GPS定位技术进行里程定位，选择惯性导航系统进行辅助定位，列车实时速度主要是由GPS信号计算获得，在信号较弱的有遮挡区段，利用惯性导航系统获得实时速度和里程；系统各信号时间同步利用GPS时钟进行授时，将下位机的时钟和GPS时钟进行同步，下位机系统作为时间服务器，其他设备均设置与下位机时间同步，通过时间同步协议能保持所有设备时间保持统一精准；（2）钢轨波磨实时判定；（3）定位与数据分析；（4）波磨信号判定预警：作为软件核心功能，钢轨波磨的识别和预警需根据相应判定指标来完成，在列车运行过程中，对采集的声信号通过系统自动化算法提取，得到目标参数，与设定阈值相比较，识别到出现能量畸变和升高，系统自动判定出疑似波磨点；

所述步骤（2）具体如下：

1）列车行驶速度

设置一个速度限值，当列车运行速度大于速度限值后，判断列车的运行速度状态，在准恒速的区段行驶时，系统再进行钢轨波磨相关判断；

2）重点频带滤波

对系统采集声信号进行带通滤波，关注钢轨波磨出现的重点频带；

3）频域比较

先利用时窗对滤波后的声信号进行截取分段，再对每一个时窗中的声信号进行频域划分，对划分后的频段进行能量比较，若某频段的能量在该时窗整个滤波后的频段内占比超过设定阈值，则进入时域判断；

4）时域持续

对能量阈值超过设定阈值的频段在时域内持续时间进行判断，若高能量的阈值持续一定时间，则系统将其判定为钢轨波磨信号；

所述步骤（3）具体如下：

1）列车里程与定位

对检测出的钢轨波磨的位置进行定位，如果检测过程中出现波磨点，系统会把该波磨位置标红，显示在里程进度条上，考虑到监测到的波磨数量可能比较多的情况，全部在图上展示显得冗杂，设置波磨检测信息按钮，点击按钮在弹出新窗口显示当前站点间所有检测出来的波磨的里程、位置信息，在系统内将该信息以Excel格式导出，方便后面使用；

2）实时波形显示

对声信号的声压级波形进行实时显示，系统显示当前两个站点间的列车运行时间内的声压级波形图；

3）波磨的频率和波长计算

通过列车的实时速度信息与判定识别出的波磨的频率，软件系统可自动计算得到钢轨波磨点的波长信息；

4）倍频程谱功能

设置倍频程谱功能，用倍频程谱实时显示采集过程中各时刻声压级和频率之间的关系，并利用统计功能列表显示时段内出现的峰值的对应频率，便于掌握噪声信号的频段特点；

5)功率色谱图

利用色谱图用来实现三维分析，将时间、频率、功率三者放在一张图上，颜色的不同直观地展示了功率在时间和频率联合域的变化，对波磨出现时自动标记，从时域和频域上一起展示波磨特征，使用色谱图从视觉上对波磨信号的出现有直观的感受。

2.根据权利要求1所述基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法，其特征在于：还包括如下步骤：

（5）数据其他后处理功能

1）数据统计功能

选择声音信号，选择声压级信息，对其声压级进行统计计算，统计结果以excel格式输出；

2）波形微积分

设置波形微积分功能，波形微积分功能用来对振动信号实现加速度、速度和位移在三个参量互相转换，在系统中由振动加速度信号在时域和频域上切换到其他两个参量；

3）相关分析

在声音和振动测量中，需要相关函数来判定信号延迟和提取有用信号；

4）互谱功能

互谱功能用以测量两个信号之间在分析带宽内每一频率的互功率，与互相关函数互为傅里叶变换；

5）相位测量

相位测量功能是需要两个通道的信号，以一个为基准信号，一个为要测量的信号，对两个信号的相位进行比较计算；

6）瀑布图功能

设置瀑布图功能，联合时频分析得到一系列功率谱，将这些功率谱在三维直角坐标系中用一系列曲线画出来，得到三维曲线集，当相邻功率谱的谱峰重叠在一起，瀑布图能够对联合分析的结果进行直观清晰的显示。

3.一种权利要求1或2所述基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测方法所用的基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统，其特征在于：包括上位机、下位机以及数据采集系统，上位机和下位机之间通过网线或无线连接，上位机包括数据采集存储模块、数据预处理模块、波磨判定预警模块以及数据后处理模块；上位机包括下位机控制器，下位机控制器包括声振信号模块、GPS信号模块以及串口通信模块；数据采集系统包括惯性导航系统、GPS信号采集装置以及声振信号采集装置；声振信号模块与声振信号采集装置相连接，串口通信模块与惯性导航系统相连接，GPS信号模块与GPS信号采集装置相连接。

4.根据权利要求3所述基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统，其特征在于：所述声振信号采集装置包括声学传感器和扩展加速度传感器。

5.根据权利要求4所述基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统，其特征在于：所述下位机中设有声音信号采集板卡、后期扩展增加振动加速度信号采集板卡、GPS信号接收板卡、下位机板卡、惯性导航系统板卡以及上位机通信板卡。

6.根据权利要求5所述基于声学监测的高速铁路列车-轨道-环境一体化监测系统，其特征在于：所述声音信号采集板卡使用NI 9231声振动态信号采集卡；串口通信卡选择NI9871；GPS信号接收板卡选择板卡NI9467；在车轴处安装加速度传感器。