CN114878691A - 一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢轨波磨技术领域，涉及一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法，包括：一，根据现场测试，获取足够多的无波磨情况下以及复杂波磨情况下的轮轨噪声测试样本；二，分别对实测无波磨情况下的轮轨噪声样本和复杂波磨情况下的轮轨噪声样本进行小波包分解，得到从低频到高频的小波包节点，选出需增强样本的目标节点；三，将复杂波磨情况下分解得到目标节点替换到无波磨情况下的对应节点位置，组成仅包含目标波磨的节点组合；四，对上述仅包含目标波磨的节点组合进行小波包重构得到时域样本，并对时域样本添加随机白噪声，增加信号的随机性，最终得到仅含有目标波磨的轮轨噪声样本。本发明能较佳地实现目标样本增强。

Description

一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法
技术领域
本发明涉及钢轨波磨技术领域，具体地说，涉及一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法。
背景技术
基于机器学习的钢轨短波波磨的智能检测与大多数其他类型的机械故障检测（如轴承故障诊断）有着很大的差异，最主要的一点是现实中钢轨的波浪型磨耗形式十分复杂，复杂幅值的多谐波叠加，导致钢轨波磨分类类型众多，单从波长方面讲，就可能存在若干种单一波长形式，如，31.5mm，40mm，50mm等，以及若干中复合波长形式，如31.5-40mm，31.5-50mm，40-50mm，以及31.5-40-50mm等。在现实中，大多数情况下，短波波磨是以某种复合波长的形式存在，这种情况可以获取足够数量的轮轨噪声样本，而单一波长虽然不像复合波长形式那么常见，仍然会在特定的轨道类型以及特定的曲线半径处出现，因此，相比于复合波长情况下，单一波长时的轮轨噪声样本会少很多。如果再把波磨幅值分类考虑进来，那么无论是单一波长情况还是复合波长情况，不同幅值等级下的轮轨噪声样本就更加难以获取。首先，由于试验条件限值，不可能在整个打磨周期对不同幅值水平下的轮轨噪声进行测试；其次，钢轨复合波长情况下的波磨幅值发展基本上无规律可循，例如，31.5-40mm的复合波磨，在某一阶段可能是由31.5mm占据主导，随着列车的运营，也有可能会出现40mm的波磨迅速发展而占据主导地位。最后，钢轨波磨情况下的轮轨噪声情况，无法像轴承故障诊断可以在实验室中模拟不同类型、不同程度的故障，从而获取足够的样本。在这种情况下，主要的钢轨短波波磨分类样本就会出现严重的不平衡，从而导致分类预测结果出现严重误差。
发明内容
本发明的内容是提供用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法，其能够解决样本不平衡带来的分类精度低的问题。
根据本发明的一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法，其包括以下步骤：
第一步，根据现场测试，获取足够多的无波磨情况下以及复杂波磨情况下的轮轨噪声测试样本；
第二步，分别对实测无波磨情况下的轮轨噪声样本S 0,j 和复杂波磨情况下的轮轨噪声样本S i,j 进行小波包分解，0表示无波磨，j表示样本数量，i表示波磨波长类型或波磨幅值类型，i根据分类目的而定；得到从低频到高频的小波包节点N k,i,j ，k表示小波包节点序号，k由分解层数决定；选出需增强样本的目标节点N d,i,j ；
第三步，将复杂波磨情况下分解得到目标节点替换到无波磨情况下的对应节点位置，组成仅包含目标波磨的节点组合；
第四步，对上述仅包含目标波磨的节点组合进行小波包重构得到时域样本，并对时域样本添加随机白噪声，增加信号的随机性，最终得到仅含有目标波磨的轮轨噪声样本。
作为优选，第一步中，复杂包含两方面，第一是波长，第二是幅值，对于两种分类目标均相同，两种分类目标为波长分类和幅值分类。
作为优选，第二步中，目标节点N d,i,j 可以是某一个节点或若干个节点。
本发明可实现目标样本的增强，从而解决样本不不平衡，进而提高钢轨波磨智能诊断的正确率。
附图说明
图1为实施例中一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法的流程图；
图2为实施例中样本不平衡情况下交叉验证精度示意图；
图3为实施例中数据增强情况下交叉验证精度示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
如图1所示，本实施例提供了一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法，其包括以下步骤：
第一步，根据现场测试，获取足够多的无波磨情况下，以及复杂波磨情况下的轮轨噪声测试样本，此处的复杂包含两方面，第一是波长，第二是幅值，对于两种分类目标（波长分类，幅值分类）均相同；
第二步，分别对实测无波磨情况下的轮轨噪声样本S 0,j （0表示无波磨，j表示样本数量）和复杂波磨情况下的轮轨噪声样本S i,j （i表示波磨波长类型，或者波磨幅值类型，可根据分类目的而定，j表示样本数量）进行小波包分解，得到从低频到高频的小波包节点N k,i,j （k表示小波包节点序号，由分解层数决定），选出目标节点N d,i,j ，节点N d,i,j 表示需要增强的样本所对应的目标节点，它可以是某一个节点，也可以是若干个节点。
第三步，将复杂波磨情况下分解得到目标节点替换到无波磨情况下的对应节点位置，组成仅包含目标波磨的节点组合；
第四步，对上述仅包含目标波磨的节点组合进行小波包重构得到时域样本，并对时域样本添加随机白噪声，增加信号的随机性，最终得到仅含有目标波磨的轮轨噪声样本。
通过该方法增强数据样本，解决了钢轨波磨智能诊断过程中的部分类型样本不平衡的问题，进而提高了对各种情况下钢轨波磨智能诊断的准确率。以支持向量机分类器为例，如图2、图3和表1所示，为便于显示，图2图3中横、纵坐标log2c、log2g分别表示惩罚系数c与核函数参数g的对数。图2中样本不平衡情况下，使用网格搜索寻优算法，得到最优惩罚系数c=86475.2704，最优核函数参数g=0.0078125，采用五折交叉验证，得到交叉验证精度=92.1296%；图3中样本增强情况下，用网格搜索寻优算法，得到最优惩罚系数c=111.4305，最优核函数参数g=10.5561，采用五折交叉验证，得到交叉验证精度=99.8698%。
在实例中，样本不平衡情况下，3种标签下不平衡的样本数量为其余5种标签的充足样本数量的1/8。对于数据增强情况下，每种标签下的数据样本数量均相同，对两种情况下训练得到的分类器进行测试，得到测试准确率如表1所示，其中样本不平衡情况下，测试集准确率为91.36%；数据增强情况下，平均测试集准确率达到99.09%。
表1 测试集准确率
Figure 539974DEST_PATH_IMAGE002
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，根据现场测试，获取足够多的无波磨情况下以及复杂波磨情况下的轮轨噪声测试样本；
第二步，分别对实测无波磨情况下的轮轨噪声样本S 0,j 和复杂波磨情况下的轮轨噪声样本S i,j 进行小波包分解，0表示无波磨，j表示样本数量，i表示波磨波长类型或波磨幅值类型，i根据分类目的而定；得到从低频到高频的小波包节点N k,i,j ，k表示小波包节点序号，k由分解层数决定；选出需增强样本的目标节点N d,i,j ；
第三步，将复杂波磨情况下分解得到目标节点替换到无波磨情况下的对应节点位置，组成仅包含目标波磨的节点组合；
第四步，对上述仅包含目标波磨的节点组合进行小波包重构得到时域样本，并对时域样本添加随机白噪声，增加信号的随机性，最终得到仅含有目标波磨的轮轨噪声样本。
2.根据权利要求1所述的一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法，其特征在于：第一步中，复杂包含两方面，第一是波长，第二是幅值，对于两种分类目标均相同，两种分类目标为波长分类和幅值分类。
3.根据权利要求1所述的一种用于钢轨波磨智能检测多分类的数据增强方法，其特征在于：第二步中，目标节点N d,i,j 可以是某一个节点或若干个节点。
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