CN116979931B - 一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法 - Google Patents
一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法，包括：利用改进的第一滤波器对获取的架桥机预警信号进行预处理，得到预处理信号；结合模数转换器将预处理信号转换成数字信号，并对数字信号进行优化处理；通过数模转换器将优化后的数字信号转换至改进的第二滤波器内进行抗干扰处理，生成预警的模拟信号并反馈至监控驾驶舱。本发明通过改进的第一滤波器衰减高频，过滤失真信号，防止混叠成分被采样，从而避免错误结果的出现；并结合麻雀搜索算法对数字信号进行优化处理，提高优化精度，以IMF描述信号局部特征，将非线性和非平稳信号分解为简单且单调的信号，使得信号特征更明显，节省信道传输流，提高传输精度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁施工监测、信号处理技术领域，具体而言涉及一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法。
背景技术
目前，架桥机作为施工中的大型特种设备，已经成为高速公路桥梁施工中不可或缺的关键性设备，但是在使用过程中仍然存在着较明显的安全隐患，例如：在运梁车运行线路出现偏离时，有可能撞上架桥机的元宝梁，给架桥机带来了极大的安全风险；现有技术中，运梁车的行进路线依靠操作人员目测而定，但每个操作人员的操作技能水平各异，导致在架桥施工过程中，操作人员对架桥机与运梁车的相对位置判断出现不确定性，易发生架桥机出轨及倾覆事故，而一旦出现事故，后果非常的严重，为了避免事故发生，不但要谨慎操作还要在架桥机的主梁上安装安全预警装置用于监控主梁的状况。
但现有的架桥机安全预警装置在架桥机的使用过程中存在一些不足之处，一是控制器与检测头之间的电缆不便于布置且保护不到位；二是雨水天气下，不会回缩导致被雨水腐蚀影响使用寿命；三是天气影响或组网通信质量影响下，安全装置反馈的预警信号出现延迟或消失的情况，导致驾驶舱内无法及时接收预警信息而造成事故发生。
针对上述问题，本发明提出一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法，以改善信号质量，不受环境影响，消除延时及信号丢失的问题，避免事故的发生。
发明内容
根据本发明目的的第一方面，提供一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法，包括：
步骤1、利用改进的第一滤波器对获取的架桥机预警信号进行预处理，得到预处理信号；
步骤2、结合模数转换器将所述预处理信号转换成数字信号，并对所述数字信号进行优化处理；
步骤3、通过数模转换器将优化后的所述数字信号转换至改进的第二滤波器内进行抗干扰处理，生成预警的模拟信号并反馈至监控驾驶舱。
进一步地，所述步骤1中，改进的第一滤波器包括：串联电阻器、共模电容器、差分电容器及设置的用于预处理所述预警信号的椭圆滤波器。
进一步地，所述椭圆滤波器包括ellipord函数和ellip函数；
所述ellipord函数用于获取滤波器的阶数和截止频率；
所述ellip函数用于获取滤波器的传递函数的系数。
进一步地，所述椭圆滤波器以设置好的阶数、截止频率和系数，对所述预警信号进行低通滤波预处理，以过滤失真信号，其数学表达公式如下：
；
其中，为截止频率，/>为阶数，/>为雅克比椭圆函数，/>为预处理后的信号，为波纹性质的参量，/>为系数。
进一步地，所述步骤2中，将所述预处理信号转换成数字信号，包括：
以相等的间隔时间抽取所述预处理信号的样值；
对抽取的所述样值进行量化；
将量化后的所述样值以二进制的数码表示，得到二值或多值的数字信号流。
进一步地，对所述数字信号进行优化处理，包括：
基于麻雀搜索算法构建优化模型，导入所述数字信号进行优化更新计算，其数学表达公式如下：
；
其中，为当前的迭代数，/>为服从正态分布的随机数，/>为安全值，/>为预警值，/>为/>的矩阵，/>、/>为常数，/>为优化系数。
进一步地，所述麻雀搜索算法包括：
初始化最大迭代次数、种群数量、发现者比例、侦察者比例和阈值；
计算所述数字信号中麻雀种群的适度值并排序，获得当前最差适度个体与最优适度个体；
迭代更新，计算所述数字信号中当前麻雀种群的适度值，选择最优的位置，更新当前麻雀种群位置；
满足最大迭代次数时，结束迭代，输出优化后的结果。
进一步地，输出的优化后的结果，包括两种情况：
若输出为0，则表示不保存IMF；
若输出为1，则表示导出IMF并保存。
进一步地，所述步骤3，具体包括：
利用数模转换器将优化后的所述数字信号转换为模拟信号，并传输至改进的第二滤波器中；
所述第二滤波器对所述模拟信号进行抗干扰处理，以增加所述模拟信号的抗干扰性；
处理完成后，生成预警模拟信号并反馈至监控驾驶舱进行预警。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明通过改进的第一滤波器对获取的信号进行预处理，通过衰减高频（大于奈奎斯特频率的频率），过滤失真信号，防止混叠成分被采样，从而避免错误结果的出现；并结合麻雀搜索算法对数字信号进行优化处理，简化优化操作的同时提高优化精度，以IMF（本征模函数）描述信号局部特征，将非线性和非平稳信号分解为简单且单调的信号，使得信号特征更明显，节省信道传输流，提高传输精度和效率。
本发明还通过改进的第二滤波器对优化后的信号进行抗干扰处理，避免因环境影响或通讯质量影响而导致的信号延时或消失的问题，提升信号的抗干扰性，为安全预警工作提供更好的服务。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。
图1是本发明所示的用于架桥机预警反馈的信号处理方法的流程示意图；
图2是本发明所示的改进的第一滤波器的部分结构分布示意图。
实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
现有的架桥机安全预警装置在架桥机的使用过程中仍存在一些问题，当雨雪天气或组网通信质量受到环境影响时，安全装置反馈的预警信号会出现延迟或消失的情况，导致驾驶舱内无法及时接收预警信息而造成事故发生，如何改善信号质量，保障不受环境影响，如何消除延时及信号丢失的问题，以避免事故的发生，是目前急需解决的难题。
根据本发明的实施例，结合图1所示的流程图，本发明提出一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法，以解决上述问题，所述信号处理方法包括以下步骤：
步骤1、利用改进的第一滤波器对获取的架桥机预警信号进行预处理，得到预处理信号；
步骤2、结合模数转换器将预处理信号转换成数字信号，并对数字信号进行优化处理；
步骤3、通过数模转换器将优化后的数字信号转换至改进的第二滤波器内进行抗干扰处理，生成预警的模拟信号并反馈至监控驾驶舱。
优选地，本发明通过改进的第一滤波器对获取的信号进行预处理，通过衰减高频（大于奈奎斯特频率的频率），过滤失真信号，防止混叠成分被采样，从而避免错误结果的出现。
优选的是，本发明通过麻雀搜索算法对数字信号进行优化处理，简化优化操作的同时提高优化精度，以IMF（本征模函数）描述信号局部特征，将非线性和非平稳信号分解为简单且单调的信号，使得信号特征更明显，节省信道传输流，提高传输精度和效率。
下面结合图2所示的结构图以及本发明的一些优选或者可选的例子，更加具体地描述本发明的某些实例的实施过程和/或效果。
【预处理信号】
参照图2，改进的第一滤波器由串联电阻器R、共模电容器CCM、差分电容器CDIFF、模数转换器ADC（将模拟信号转换为数字信号）及设置的用于预处理预警信号的椭圆滤波器组成，其中，滤波器的响应率为-3db，并在频域范围内以-20db/十倍频的速度减少。
在本发明的实施例中，第一滤波器接收来自架桥机监测组件的预警信号，并对其进行失真信号过滤；其中：
椭圆滤波器以设置好的阶数、截止频率和系数，对预警信号进行低通滤波预处理，以过滤失真信号，其数学表达公式如下：
；
其中，为截止频率，/>为阶数，/>为雅克比椭圆函数，/>为预处理后的信号，为波纹性质的参量，/>为系数。
作为可选的实施例，截止频率=采样频率/2.56。
作为可选的实施例，椭圆滤波器包含ellipord函数（最小阶数和截止频率的确定函数），以用于获取滤波器的阶数和截止频率。
作为可选的实施例，椭圆滤波器包含ellip函数（设计函数）用于获取滤波器的传递函数的系数，如下：
[b,a]=ellip(n,ap,as,wn)%；
其中，n是滤波器阶数，ap是通带波纹系数，as是阻带波纹系数，wn是归一化截止频率，b是滤波器分子系数，a是滤波器分母系数。
在可选的实施例中，在设置的截止频率上，以10倍或更高倍数打压带外噪声。
在可选的实施例中，通过增加串联电阻器R、共模电容器CCM的值，减少截止频率增加的衰减。
在可选的实施例中，将差分电容器CDIFF增加到比共模电容器CCM大10倍，将差分截止频率设定为比共模截止频率低10倍频，减少因共模组件不匹配所引入的误差，生成灵敏的总体滤波器响应。
优选地，本发明实施例中的第一滤波器通过衰减高频（大于奈奎斯特频率的频率），可防止混叠成分被采样，从而避免错误结果的出现，过滤失真信号，保留有效信号。
优选的是，椭圆滤波器的通带和阻带具有等波纹特性，因此，通带、阻带逼近特性良好，且所需的阶数低，过渡带较窄，应用于本发明实施例中，能有效提高对失真信号的过滤，通过差分电容器CDIFF
和共模电容器CCM的设置，消除误差影响，提升第一滤波器响应的灵敏度，以消除信号延迟影响。
【优化处理】
通过模数转换器ADC对第一滤波器预处理后的信号以等间隔时间抽取样值；
对抽取的样值进行量化；
将量化后的样值以二进制的数码表示，得到二值（或多值）的数字信号流；
基于麻雀搜索算法构建优化模型，导入数字信号流，进行优化更新计算；其中：
（1）初始化最大迭代次数、种群数量、发现者比例、侦察者比例和阈值；
（2）计算数字信号中麻雀种群的适度值并排序，获得当前最差适度值个体与最优适度值个体；
（3）利用下式对发现者进行位置更新，其数学表达公式如下：
其中，为当前的迭代数，/>为服从正态分布的随机数，/>为安全值，/>为预警值，/>为/>的矩阵，/>、/>为常数，/>为优化系数；
（4）利用下式对跟随者进行位置更新，其数学表达公式如下：
其中，为种群在第/>次迭代与第/>次迭代中第/>维处于最差位置的个体，/>为种群在第/>次迭代与第/>次迭代中第/>维处于局部最优位置的个体，为矩阵内元素为1或-1的多维矩阵；
（5）利用下式对预警者进行位置更新，其数学表达公式如下：
其中，为当前种群的全局最优位置的个体，/>为当前个体的适应度值，/>为当前种群的局部最优适度值，/>为当前种群的最差适度值，/>为极小的常数，避免公式分母出现0的情况，/>为服从正态分布且均值为0、方差为1的控制步长的参数；
（6）完成当前迭代，得到新的位置；
（7）计算数字信号中当前麻雀种群的适度值，如果优于之前位置，则更新麻雀种群位置，否则忽略；
（8）满足最大迭代次数时，结束迭代，输出优化后的结果，否则返回（3），重新进行更新计算；
输出的优化后的结果，包括两种情况，其中：
若输出为0，则表示不保存IMF（本征模函数，用于描述信号局部特征的分解方法，可以将非线性和非平稳信号分解为简单的、单调的信号成分）；
若输出为1，则表示导出IMF并保存。
本实施例需要说明的是，麻雀搜索算法中，将种群中适度值较高的麻雀作为发现者，负责找到食物并为其他麻雀提供食物的方位，其他个体则作为跟随者，跟随发现者进行觅食，同时，跟随者会监视发现者，对其进行食物的掠夺以提高自己的适应度，从而成为发现者；在麻雀种群中，还存在少量的预警者，当预警值大于安全值时，预警者会发出叫声为其他麻雀提供信号，逃离危险区域，防止被捕食。
在本发明的实施例中，通过麻雀搜索算法对预处理后的信号进行位置更新，以掠夺频率（食物）提高自己的适应度，以此提高信号整体（种群）的适应度（信号质量），以自适应位置更新的方式，减少信号处理中的繁琐计算，及多信道传输的流量，提高传输信号质量和效率。
作为可选的实施例，通过相等的时间间隔，抽取信号中的一个瞬时幅度值(抽样值)，得到在时间上离散的抽样值，作为样值序列。
作为可选的实施例，样值序列在时间上是离散的，可进行时分多路复用，也可将各个抽样值经过量化、编码变换成二进制数字信号。
作为可选的实施例，量化方式中，取整时只舍不入，即0～1伏间的所有输入电压都输出0伏，1～2伏间所有输入电压都输出1伏等。
作为可选的实施例，将量化后的值用二进制数字表示，转换成二值或多值的数字信号流，其通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。
【抗干扰处理】
利用数模转换器（DAC）将优化后的数字信号转换为模拟信号，并传输至改进的第二滤波器中；
第二滤波器对模拟信号进行抗干扰处理，以增加模拟信号的抗干扰性；其中：
第二滤波器中设置应用于抗镜像的逼近函数，以实现对模拟信号的平滑处理（即抗干扰处理），其数学表达公式如下：
其中，为通带的半径，/>为输入信号，/>为平滑程度参数，用于表征滤波器的频带宽度，/>为指数函数，/>为平滑处理后的输出信号；
处理完成后，生成预警的模拟信号并反馈至监控驾驶舱中；
监控管理系统接收该信号指令并执行预警提示操作。
作为可选的实施例，第二滤波器通过滤除零阶，保持信号阶梯状的镜像频谱，使信号平滑。
通过本发明实施例提供的信号处理方法，对原始信号进行预处理、优化及平滑处理，分别得到低通滤波和带通滤波的时域、频域，经过本发明方法处理后的滤波频谱的局部特征更为明显，波动更为规律，即信号质量更高。
优选地，本发明通过改进的第二滤波器对优化后的信号进行抗干扰处理，避免因环境影响或通讯质量影响而导致的信号延时或消失的问题，提升信号的抗干扰性，为安全预警工作提供更好的服务。
前述信号处理的滤波计算和优化计算方法，可利用现有技术中的方式和手段进行，在本例中不再赘述。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (5)
1.一种用于架桥机预警反馈的信号处理方法，其特征在于，包括：
步骤1、利用改进的第一滤波器对获取的架桥机预警信号进行预处理，得到预处理信号；
步骤2、结合模数转换器将所述预处理信号转换成数字信号，并对所述数字信号进行优化处理；
步骤3、通过数模转换器将优化后的所述数字信号转换至改进的第二滤波器内进行抗干扰处理，生成预警的模拟信号并反馈至监控驾驶舱；
所述步骤1中，改进的第一滤波器包括：串联电阻器、共模电容器、差分电容器及设置的用于预处理所述预警信号的椭圆滤波器；
所述椭圆滤波器以设置好的阶数、截止频率和系数，对所述预警信号进行低通滤波预处理，以过滤失真信号，其数学表达公式如下：
其中，W0为截止频率，n为阶数，Bn为雅克比椭圆函数，Tn为预处理后的信号，s为波纹性质的参量，为系数；
对所述数字信号进行优化处理，包括：
基于麻雀搜索算法构建优化模型，导入所述数字信号进行优化更新计算，其数学表达公式如下：
其中，t为当前的迭代数，Q为服从正态分布的随机数，PD为安全值，R为预警值，L为的矩阵，i,j为常数，α为优化系数；
所述步骤3，具体包括：
利用数模转换器将优化后的所述数字信号转换为模拟信号，并传输至改进的第二滤波器中；
第二滤波器对所述模拟信号进行抗干扰处理，以增加所述模拟信号的抗干扰性，第二滤波器通过滤除零阶，保持信号阶梯状的镜像频谱，使信号平滑，第二滤波器中设置应用于抗镜像的逼近函数，以实现对模拟信号的抗干扰处理，其数学表达公式如下：
其中，d0为通带的半径，m为输入信号，σ为平滑程度参数，用于表征滤波器的频带宽度,为指数函数，G(m)为平滑处理后的输出信号；
处理完成后，生成预警模拟信号并反馈至监控驾驶舱进行预警。
2.根据权利要求1所述的用于架桥机预警反馈的信号处理方法，其特征在于，所述椭圆滤波器包括ellipord函数和ellip函数；
所述ellipord函数用于获取滤波器的阶数和截止频率；
所述ellip函数用于获取滤波器的传递函数的系数。
3.根据权利要求1所述的用于架桥机预警反馈的信号处理方法，其特征在于，所述步骤2中，将所述预处理信号转换成数字信号，包括：
以相等的间隔时间抽取所述预处理信号的样值；
对抽取的所述样值进行量化；
将量化后的所述样值以二进制的数码表示，得到二值或多值的数字信号流。
4.根据权利要求1所述的用于架桥机预警反馈的信号处理方法，其特征在于，所述麻雀搜索算法包括：
初始化最大迭代次数、种群数量、发现者比例、侦察者比例和阈值；
计算所述数字信号中麻雀种群的适度值并排序，获得当前最差适度个体与最优适度个体；
迭代更新，计算所述数字信号中当前麻雀种群的适度值，选择最优的位置，更新当前麻雀种群位置；
满足最大迭代次数时，结束迭代，输出优化后的结果。
5.根据权利要求4所述的用于架桥机预警反馈的信号处理方法，其特征在于，输出的优化后的结果，包括两种情况：
若输出为0，则表示不保存IMF；
若输出为1，则表示导出IMF并保存。
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