CN115356134A - 一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统及方法,包括:设备控制单元,用于控制采集单元;所述采集单元,用于采集列车的车侧和车底的音频数据;数据处理单元,能够基于所述音频数据生成异音检测结果。本发明通过设置采集单元采集列车的车侧和车底的音频数据,有效提升走行部异常声音的检出率,同时,通过设置二维十字阵列类型的车侧声学检测单元和多组线性设置的阵列式全频段麦克风构成的车底声学检测单元,能够采集包含二维平面方向上的时域数据、频域数据和时频参数等特征参数的音频数据,一方面提升了异音对应的空间定位的准确性,另一方面能够为进一步分析异音对应问题类型提供准确的参考数据。

Description

一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统及方法
技术领域
本发明涉及列车走行部检测技术领域,具体涉及一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统及方法。
背景技术
城市轨道交通列车运行过程中由于各种原因,走行部各组成部分会产生异常振动及异常声音。在一定程度上,异音严重影响了列车的有序运行和运行安全。
目前列车在高速运行中主要利用随车机械师的人耳来听诊动车组的异音,但由于人耳的疲劳对声音感知与辨识存在随机性和不确定性,其人耳听诊的结果可靠性往往较低;而国内已有的在线车辆声音监测系统多以走行部轴承故障声音检测为主,没有完全覆盖车底走行部其他关键部件。
综上所述,传统的列车走行部异音检测系统存在检测精度差和检测范围小的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统,通过改进采集单元的设置方式及数据采集方法,解决了传统的列车走行部异音检测系统存在的检测精度差和检测范围小的问题。
为解决以上问题,本发明的技术方案为采用一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统,包括:设备控制单元,用于控制采集单元;所述采集单元,用于采集列车的车侧和车底的音频数据;数据处理单元,能够基于所述音频数据生成异音检测结果。
可选地,所述采集单元至少包括用于检测列车车侧音频数据的两组车侧声学检测单元和用于检测列车车底音频数据的车底声学检测单元。
可选地,所述车侧声学检测单元由按照二维十字阵列方式设置的多个全频段麦克风构成,分别设置于列车轨道两侧。
可选地,所述车底声学检测单元由按照多组线性设置的阵列式全频段麦克风构成。
可选地,所述列车走行部异音检测系统还包括第一触发传感器和第二触发传感器,其中,在所述第一触发传感器首次检测到列车轮对进入所述采集单元的检测区间时,输出触发信号至所述设备控制单元,所述设备控制单元输出控制所述采集单元开启的控制信号;在所述第二触发传感器检测到列车轮对驶出所述采集单元的检测区间时,输出触发信号至所述设备控制单元,所述设备控制单元输出表征该轮对驶出的计轴信号至所述数据处理单元。
可选地,所述第一触发传感器和所述第二触发传感器的间距为列车的转向架轴间距。
相应地,本发明提供,一种基于声学成像的列车走行部异音检测方法,包括:检测到列车轮对进入所述采集单元的检测区间时,控制采集单元开启;所述采集单元采集列车的车侧和车底的音频数据;基于所述音频数据生成异音检测结果。
可选地,采集列车的车侧和车底的音频数据,包括:基于两组车侧声学检测单元检测列车车侧音频数据;基于车底声学检测单元检测列车车底音频数据。
可选地,基于所述音频数据生成异音检测结果,包括:计算所述音频数据包含的特征参数,所述特征参数至少包括时域数据、频域数据、时频参数、小波包树分解结果和波束合成结果;基于所述特征参数生成列车走行部的异音检测结果。
可选地,所述列车走行部异音检测方法还包括:在采集完成所述音频数据后,对所述音频数据进行数据预处理,其中,所述数据预处理至少包括环境噪音抑制、数据放大及滤波。
本发明的首要改进之处为提供的基于声学成像的列车走行部异音检测系统,通过设置采集单元采集列车的车侧和车底的音频数据,有效提升走行部异常声音的检出率,同时,通过设置二维十字阵列类型的车侧声学检测单元和多组线性设置的阵列式全频段麦克风构成的车底声学检测单元,能够采集包含二维平面方向上的时域数据、频域数据和时频参数等特征参数的音频数据,一方面提升了异音对应的空间定位的准确性,另一方面能够为进一步分析异音对应问题类型提供准确的参考数据,解决了传统的列车走行部异音检测系统存在的检测精度差和检测范围小的问题。
附图说明
图1是本发明的基于声学成像的列车走行部异音检测系统的简化单元连接图;
图2是本发明的基于声学成像的列车走行部异音检测方法的简化流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示,一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统,包括:设备控制单元,用于控制采集单元;所述采集单元,用于采集列车的车侧和车底的二维声场数据;数据处理单元,能够基于所述二维声场数据生成异音检测结果。
进一步的,所述设备控制单元还包括用于电源控制的UPS不间断电源及PDU,以及用于将所述异音检测结果上传至平台的网络交换机。
进一步的,所述采集单元至少包括用于检测列车车侧二维声场数据的两组车侧声学检测单元和用于检测列车车底二维声场数据的车底声学检测单元。
进一步的,所述车侧声学检测单元由按照二维十字阵列方式设置的多个全频段麦克风构成,分别设置于列车轨道两侧;所述车底声学检测单元由按照多组线性设置的阵列式全频段麦克风构成。其中,车底声学检测单元可由三组线性设置的阵列式全频段麦克风构成,分别设置于道床的左部、中部、右部且三组阵列式全频段麦克风彼此之间两两平行。同时,三组阵列式全频段麦克风彼此之间的间隔可以是0.55米。
本发明按照二维十字阵列方式设置的多个全频段麦克风构成的车侧声学检测单元,相比于传统线阵麦克风阵列的优势在于能够实现主瓣和旁瓣一定程度的抑制效果,对于空间定位的准确性有较大提升,其次是动态范围信噪比比较高,灵敏度优势明显。其中,车侧十字形二维阵列阵元间距可以是30mm,主旁瓣抑制比达到13dB的同时,横向空间分辨力可以在物距1m条件下达到300mm内、在物距5m条件下达到500mm内。
更进一步的,当声音信号的波达角为α时,两个间距为d的相邻麦克风之间相位差可以表示为:
Figure 522503DEST_PATH_IMAGE002
。为避免产生相位模糊,相位差需要满足
Figure 705223DEST_PATH_IMAGE004
,由此可得
Figure 953801DEST_PATH_IMAGE006
,其中,c为声音传播速度,
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为期望不会发生空间相位模糊的最大频率。因此,当声源特征(频率)一定、阵元数量一定,阵元间距为波长的0.5倍时阵列具有较好的旁瓣抑制性能及主瓣宽度。因此,本申请不对车侧声学检测单元的阵元间距做具体限定,本领域技术人员可根据实际应用场景对车侧声学检测单元进行调整。
更进一步的,车底声学检测单元设置有用于防尘的开关罩,在车底声学检测单元接收到设备控制单元输出的控制车底声学检测单元开启的信号后,所述开关罩打开。
更进一步的,所述列车走行部异音检测系统还包括第一触发传感器和第二触发传感器,其中,在所述第一触发传感器首次检测到列车轮对进入所述采集单元的检测区间时,输出触发信号至所述设备控制单元,所述设备控制单元输出控制所述采集单元开启的控制信号;在所述第二触发传感器检测到列车轮对驶出所述采集单元的检测区间时,输出触发信号至所述设备控制单元,所述设备控制单元输出表征该轮对驶出的计轴信号至所述数据处理单元。
更进一步的,所述第一触发传感器和所述第二触发传感器的间距为列车的转向架轴间距。
相应的,如图2所示,本发明提供,一种基于声学成像的列车走行部异音检测方法,包括:检测到列车轮对进入所述采集单元的检测区间时,控制采集单元开启;所述采集单元采集列车的车侧和车底的二维声场数据;基于所述二维声场数据生成异音检测结果。
进一步的,采集列车的车侧和车底的二维声场数据,包括:基于两组车侧声学检测单元检测列车车侧二维声场数据;基于车底声学检测单元检测列车车底二维声场数据。
进一步的,基于所述二维声场数据生成异音检测结果,包括:计算所述二维声场数据包含的特征参数,所述特征参数至少包括时域数据、频域数据、时频参数、小波包树分解结果和波束合成结果;基于所述特征参数生成列车走行部的异音检测结果。
更进一步的,所述列车走行部异音检测方法还包括:在采集完成所述二维声场数据后,对所述二维声场数据进行数据预处理,其中,所述数据预处理至少包括环境噪音抑制、数据放大及滤波。
本发明通过设置采集单元采集列车的车侧和车底的音频数据,有效提升走行部异常声音的检出率,同时,通过设置二维十字阵列类型的车侧声学检测单元和多组线性设置的阵列式全频段麦克风构成的车底声学检测单元,能够采集包含二维平面方向上的时域数据、频域数据和时频参数等特征参数的音频数据,一方面提升了异音对应的空间定位的准确性,另一方面能够为进一步分析异音对应问题类型提供准确的参考数据,解决了传统的列车走行部异音检测系统存在的检测精度差和检测范围小的问题。
以上对本发明实施例所提供的基于声学成像的列车走行部异音检测系统。说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (10)

1.一种基于声学成像的列车走行部异音检测系统,其特征在于,包括:
设备控制单元,用于控制采集单元;
所述采集单元,用于采集列车的车侧和车底的音频数据;
数据处理单元,能够基于所述音频数据生成异音检测结果。
2.根据权利要求1所述的异音检测系统,其特征在于,所述采集单元至少包括用于检测列车车侧音频数据的两组车侧声学检测单元和用于检测列车车底音频数据的车底声学检测单元。
3.根据权利要求2所述的异音检测系统,其特征在于,所述车侧声学检测单元由按照二维十字阵列方式设置的多个全频段麦克风构成,分别设置于列车轨道两侧。
4.根据权利要求2所述的异音检测系统,其特征在于,所述车底声学检测单元由按照多组线性设置的阵列式全频段麦克风构成。
5.根据权利要求1所述的异音检测系统,其特征在于,所述列车走行部异音检测系统还包括第一触发传感器和第二触发传感器,其中,
在所述第一触发传感器首次检测到列车轮对进入所述采集单元的检测区间时,输出触发信号至所述设备控制单元,所述设备控制单元输出控制所述采集单元开启的控制信号;
在所述第二触发传感器检测到列车轮对驶出所述采集单元的检测区间时,输出触发信号至所述设备控制单元,所述设备控制单元输出表征该轮对驶出的计轴信号至所述数据处理单元。
6.根据权利要求5所述的异音检测系统,其特征在于,所述第一触发传感器和所述第二触发传感器的间距为列车的转向架轴间距。
7.一种基于声学成像的列车走行部异音检测方法,其特征在于,包括:
检测到列车轮对进入所述采集单元的检测区间时,控制采集单元开启;
所述采集单元采集列车的车侧和车底的音频数据;
基于所述音频数据生成异音检测结果。
8.根据权利要求7所述的列车走行部异音检测方法,其特征在于,采集列车的车侧和车底的音频数据,包括:
基于两组车侧声学检测单元检测列车车侧音频数据;
基于车底声学检测单元检测列车车底音频数据。
9.根据权利要求7所述的列车走行部异音检测方法,其特征在于,基于所述音频数据生成异音检测结果,包括:
计算所述音频数据包含的特征参数,所述特征参数至少包括时域数据、频域数据、时频参数、小波包树分解结果和波束合成结果;
基于所述特征参数生成列车走行部的异音检测结果。
10.根据权利要求7所述的列车走行部异音检测方法,其特征在于,所述列车走行部异音检测方法还包括:
在采集完成所述音频数据后,对所述音频数据进行数据预处理,其中,所述数据预处理至少包括环境噪音抑制、数据放大及滤波。
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