TWI467138B

TWI467138B - 一種震波分析裝置、震波分析方法、其應用及其應用系統

Info

Publication number: TWI467138B
Application number: TW101139692A
Authority: TW
Inventors: Yet Men Wang
Original assignee: Ancad Inc
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2015-01-01
Also published as: TW201416646A

Description

一種震波分析裝置、震波分析方法、其應用及其應用系統

本發明係有關一種震波分析裝置、其應用以及其應用系統，尤指一種得以應用於地下水之污染源位置或工具機嘈音源位置判斷之震波分析裝置、其應用以及其應用系統。

近年來由於經濟蓬勃發展，導致用水需求量急增，在地面水水源供應不足，而地下水使用成本低廉、水質水量穩定的情況下，民眾紛紛大量開鑿水井抽取地下水使用。因位於灌溉尾閭加以土壤鹽化，復經農業用水含魚塭養殖、工業用水及生活用水等長期超量抽取地下水。

隨之而來的各地區不斷出現大量利用地下水而發生許多環境水文地質問題，如水位持續下降、水量枯竭、水質污染、海水入侵、地盤下陷等災害，給人民生活與工農業建設帶來嚴重影響和損失。

為防止地下水超抽之狀況，判斷指定區域地下水超抽之源頭則成為當務之急，現存還沒有一套合理及客觀之地下水抽、排水源頭之判斷方式，往往只能利用個人經驗根據地下水位量測點之週邊產業狀況作人為的主觀推斷，其缺乏科學分析理據，恐難以服眾。

故此，如何有效地確認地下水超抽之源頭，並提供有關地下水環境保育、經營管理所需之調查及分析資料以規劃未來調查方向，確為所屬技術領域所急欲解決的問題。

有鑑於此，本發明之一範疇在於提供一種震波分析裝置，用以藉由一個震波頻譜資料來對一振動源進行定位，其包含有一儲存單元以及一控制單元。其中，儲存單元係儲存有一震波頻譜資料、一預設之震波模型以及一程序資料，該程序資料係包含有以下步驟，分別為取得該震波頻譜資料；取得該震波模型；利用一獨立成份分析(independent component analysis,ICA)演算法來對該震波頻譜資料進行分析進而得出一分析資料；以及根據該震波模型來對該分析資料來進行模型反演運算以計算得該位置資料。而控制單元則係與該儲存單元耦接，用以執行該程序資料以藉由該震波頻譜資料以及該震波模型來求得位置資料。其中，於實際應用時，該震波分析裝置係一可攜式嵌入系統。

另外，本發明之另一範疇在於提供一種地下水污染源位置判斷系統，其包含有一感測裝置、前述的震波分析裝置以及輸出裝置。感測裝置係用於感測並輸出一由複數個震波組成的震波頻譜資料。震波分析裝置係與該感測裝置耦接，該震波頻譜資料係相對應於一地下水源之流率變化模式，該震波模型係相對應於一抽、排水行為模型。輸出裝置則係與該震波分析裝置耦接，用以對該使用者輸出該位置資料。

另外，本發明之另一範疇在於提供一種加工機嘈音位置判斷系統，其包含有一感測裝置、前述的震波分析裝置以及輸出裝置。感測裝置係用於感測並輸出一由複數個震波組成的震波頻譜資料。震波分析裝置係與該感測裝置耦接，該震波頻譜資料係相對應於一機械加工機所處空間所錄得之一環境音，該震波模型係相對應於一機械嘈音類別模型。輸出裝置則係與該震波分析裝置耦接，用以對該使用者輸出該位置資料。

而本發明之另一標的在於將震波分析裝置作為判斷地下水污染源位置的應用以及將震波分析裝置作為判斷加工機嘈音位置的應用，其細部內容己見於前者，故將不多加贅述。

除此之外，本發明之另一標的在於一種震波源定位方法，其包含有以下步驟，包含取得一震波頻譜資料，該震波頻譜資料係由複數個震波組成；取得一震波模型；利用一獨立成份分析 (independent component analysis,ICA)演算法來對該震波頻譜資料進行分析進而得出一分析資料；以及根據該震波資料模組來對該分析資料來進行模型反演運算以計算得該位置資料，該位置資料係相對於該震波源之物理位置。而前述的方法得被應用於作為判斷地下水污染源位置或作為判斷加工機嘈音位置的應用。在應用為判斷地下水污染源位置的應用時，該震波頻譜資料係相對應於一地下水源之流率變化，該震波模型係相對應於一抽、排水行為模型。在應用為判斷加工機嘈音位置的應用時，該震波頻譜資料係相對應於一機械加工機所處空間所錄得之一環境音，該震波模型係相對應於一機械嘈音類別模型。

綜合而言，本發明藉由結合二已分別存在之技術來達成一不可預料之效果，實為一不可多得之發明。另外，需要強調的是，在本發明之揭露前，尚未見有任一現存的技藝得以有效地藉由地下水之流動特性進行分析來得出該污染源之與該偵測源之相對座標或距離。據此，本發明之揭露顯已明確地解決了一存在已久且無法被解決的問題。簡單來說，本發明之主要技術特徵在於結合二現存技術所帶來的新穎且不可預料的功效，解決了地下污染偵測領域以及機械加工機之微振動嘈音分析領域存在已久且無法被解決的問題。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

為了解決前述的地下水超抽之源頭無法確定之問題，本發明係本發明係揭露了一種震波分析裝置(下稱定位裝置)，用以以藉由一個震波頻譜資料來對一振動源進行定位，前者之振動源一詞係指任何得以產生物理振波之源頭，如工具機之加工元件之微振動或是地下水污染源頭之抽、排水行為等，均得被視為本發明之振動源。請參閱圖一，圖一係繪述了本發明振動資料分析裝置的架構圖。本發明的震波分析裝置10係僅係大致的包含有一儲存單元11以及控制單元12。

而控制單元12則係與該儲存單元11耦接，用以取得前述的震波頻譜資料、震波模型以及一程序資料。另外，控制單元12係藉由執行前述的該程序資料來根據該等資料來得出一位置資料。

需知悉的是，該震波分析裝置10可選擇性的為一可攜式嵌入系統或功能模組。前述的儲存單元11則係指光碟、硬碟、暫存記憶體、固態資料儲存晶片、網路伺服器或其他得以儲存有本發明之震波頻譜資料、預設之震波模型以及程序資料之電子裝置或元件。而控制單元12則係指一具有數據運算能力的電子元件或裝置，如一具有運算電路的晶片、具有一中央處理器之主機板總成等，均得為被視為本發明之控制單元12。

該儲存單元11係儲存有該震波頻譜資料、一預設之震波模型以及一程序資料，該程序資料係包含有以下步驟，分別為：S1取得該震波頻譜資料；S2取得該震波模型；S3利用一獨立成份分析(independent component analysis,ICA)演算法來對該震波頻譜資料進行分析進而得出一分析資料；以及S4根據該震波資料模組來對該分析資料來進行模型反演運算以計算得該位置資料。而前述的步驟S1至S4得獨立且視為一震波源定位方法S。

另一方面，在前述的震波分析裝置10係被應用為判斷地下水污染源位置的應用時，其中的震波頻譜資料係得相對應於地下水位訊號，可包含但不限於地下水之壓力、流速、水位高度等數據、一相對應於前述各數據之記錄時間或前述數據之集合。同時，震波頻譜資料係得被視為一其中該震波頻譜資料係相對應於一地下水源之流率變化模式，而該震波模型係相對應於一抽、排水行為模型。

於本例中更明確的說，獨立成份分析演算法係包含有一時頻分析程序，另一方面，亦包含有一兩階傅立葉轉換以自該震波頻譜資料中求得一有意義的撞擊頻率、振動訊號。由於獨立成分分析法之可行方式甚多，故其細部流程且應為所屬技術領域具通常知識者得以完成者。如成都理工大學信息工程學院在2009年於『APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE』一刊中所發表之『地震災害救助系統中聲波/振動信號的分離』一文，則有提及利用獨立分量分析(ICA)的原理和算法入手配合傅立葉和ICA對實際測得的地震災害救助系統中的聲波/振動信號進行分離或其他現存的文獻中均得明確的得悉利用傅立葉和ICA來進行震波的分析。藉此，本發明將不對本發明如何進行時頻分析程序多加贅述。

另一方面，前述之根據該震波模型來對分析資料進行模型反演運算以計算得相對應於某一振動源之相對位置中所提及之震波模組之設計，得參考由本案申請人於民國99年3月1日提出之中華民國專利申請案申請號201131191一案。於該案中，己充份的揭露有一相對志於地下水源的各種抽、排水模式的震波模型以及其應用的方法，考量其內容與本案相似，且模型反向推演之可行方式眾多且應均為習知，故其細節部份將不於此多加贅述。據此，藉由獨立成份分析演算法以及模型反向推演演算法之處理後，應得藉由震波頻譜資料以及震波模型之相互比對、分析來取得本發明之位置資料。

另一方面，在實際應用時，本發明之震波分析裝置10更得被應用於一地下水污染源位置判斷系統1中，該系統係包含有一感測裝置20、前述的震波分析裝置10以及一輸出裝置30。感測裝置20係用於感測並輸出一由複數個震波組成的震波頻譜資料。

於本例中，感測裝置20得為一地下水體流速感測器或水位感測器。更明確的說，前述的感測裝置20在實務應用時得被理解成置放於預定量測點用以擷取預定量測點之地下水位訊號或地下水位流速之感應器，如流速計、壓力計、電子水位指示器 (electronic water level indicators)或其他可取得相對應訊號之裝置。此外，前述提及的預定量測點於實務中可為但不限於地下水量測井，深鑽孔或其他可供上述感測裝置20量測地下水位訊號之環境。而震波分析裝置10則係與該感測裝置20耦接，其係用於利用震波頻譜資料、預設之震波模型以及程序資料來推估得一位置資料，其運作方式己於上部說明，故將不再予以贅述。

而輸出裝置30則係與該震波分析裝置10耦接，在應用時，其得指一聲音播放裝置(如喇叭)、光學顯示裝置(如顯示屏)、機械介面裝置(如指針)或資料傳輸裝置(如網路資料傳輸裝置或USB插糟等)等得以輸出前述位置資料之任一手段。

值得一提的是，獨立分量分析(ICA)以及模型反向推演(或簡稱反演，MODEL INVERSION)演算方法雖均分別為大眾所習知者，唯以現存的各個先前技術觀之，尚未見有任一先前技術得教示結合其二者來對一振動源進行定位之手段，本發明藉由結合二已分別存在之技術來達成一不可預料之效果，實為一不可多得之發明。另外，需要強調的是，在本發明之揭露前，尚未見有任一現存的技藝得以有效地藉由地下水之流動特性進行分析來得出該污染源之與該偵測源之相對座標或距離。據此，本發明之揭露顯已明確地解決了一存在已久且無法被解決的問題。簡單來說，本發明之主要技術特徵在於結合二現存技術所帶來的新穎且不可預料的功效，解決了地下污染偵測領域存在已久且無法被解決的問題。

附帶一提的是，本發明除了可被應用於判斷地下水污染源位置的應用以外，其亦得被應用於判斷加工機嘈音位置。其與用於判斷地下水污染源位置之應用的不同之處在於，該震波頻譜資料係相對應於一機械加工機所處空間所錄得之一環境音，該震波模型係相對應於一機械嘈音類別模型。而機械嘈音類別模型係指機械元件之間之各種振動或衝擊所造成的震波的振動模式。更明確的說，前述的機械嘈音類別模型得指一應用時頻分析及頻譜分析技術，並加入時間軸資訊來判斷其機械聲紋，再經由建立各種損壞狀況的特徵聲紋時頻圖來架構品質知識資料庫。於本例中，前述的感測裝置20在實務應用時得被理解成一收音裝置，用於接收該一機械加工機所處空間所錄得之一環境音，其他的設計及運作方式均己見於上部說明，故將不再予以贅述。

簡單來說，本發明之主要技術特徵在於結合二現存技術所帶來的新穎且不可預料的功效，解決了機械加工機之微振動嘈音分析領域存在已久且無法被解決的問題。

最後，需瞭解除非有另外定義，否則本說明書所用之所有技術及科學術語，皆具有與熟習本發明所屬技術者通常所瞭解的意義相同之意義。另外，本說明書目前所述者僅屬本發明的眾多實例方法之其中之一，在本發明之實際使用時，可使用與本說明書所述方法及裝置相類似或等效之任何方法或手段為之。再者，本說明書中所提及之一數目以上或以下，係包含數目本身。另外，本說明書若提及某甲與某乙為電性連接或耦接時，其係實指某甲與某乙係具有能量、資料或信號的傳輸行為，其不以實際連接為限，據此，舉凡藉有線、無線之方式以電、光、電磁波等手段進行的傳輸行為均屬其義。

且應瞭解的是，本說明書揭示執行所揭示功能之某些方法、流程，並不以說明書中所記載之順序為限，除說明書有明確排除或各個程序、步驟間係必然地具有因果關係，否則其執行時間之先前端看使用者之要求而自由調整。另外，考量本發明之各元件之性質為相互類似，故各元件間的說明、標號為相互適用。需注意的是，本說明書中所提及之裝置、模組、器、元件等組成部份並不以實際上相互獨立之硬體為限，其亦得以個別或整合後的軟體、韌體或硬體的方式呈現。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1‧‧‧地下水污染源位置判斷系統、加工機嘈音位置判斷系統

10‧‧‧震波分析裝置

11‧‧‧儲存單元

20‧‧‧感測裝置

30‧‧‧輸出裝置

S‧‧‧震波源定位方法

S1~S4‧‧‧流程步驟

圖一係繪述了本發明的地下水污染源位置判斷系統之一具體實施例的功能方塊圖。

圖二係繪述了本發明的加工機嘈音位置判斷系統之一具體實施例的功能方塊圖。

圖三係繪述了本發明的震波源定位方法之步驟流程圖。

S‧‧‧震波源定位方法

S1~S4‧‧‧流程步驟

Claims

一種震波分析裝置，用以藉由一震波頻譜資料來對一振動源進行定位，其包含有：一儲存單元，儲存有該震波頻譜資料、一預設之震波模型以及一程序資料，該程序資料係包含有以下步驟，分別為：取得該震波頻譜資料；取得該震波模型；利用一獨立成份分析(independent component analysis,ICA)演算法來對該震波頻譜資料進行分析進而得出一分析資料；以及根據該震波模型來對該分析資料來進行模型反演運算以計算得該位置資料；以及一控制單元，與該儲存單元耦接，用以執行該程序資料以藉由該震波頻譜資料以及該震波模型來求得該位置資料。
如申請專利範圍第1項之震波分析裝置，其中該震波分析裝置係一可攜式嵌入系統。
一種加工機嘈音位置判斷系統，其包含有：一感測裝置，用於感測並輸出有該由複數個震波組成的震波頻譜資料；一如申請專利範圍第1項所述之該震波分析裝置，與該感測裝置耦接，該震波頻譜資料係相對應於一機械加工機所處空間所錄得之一環境音，該震波模型係相對應於一機械嘈音類別模型；以及一輸出裝置，與該震波分析裝置耦接，用以對該使用者輸出該位置資料。
一種將震波分析裝置作為判斷加工機嘈音位置的應用，其中該震波分析裝置係指一如申請專利範圍第1項所述者，該震波頻譜資料係相對應於一機械加工機所處空間所錄得之一環境音，該震波模型係相對應於一機械嘈音類別模型。
一種震波分析方法，其包含有以下步驟：取得一震波頻譜資料，該震波頻譜資料係由複數個震波組成；取得一震波模型；利用一獨立成份分析(independent component analysis,ICA)演算法來對該震波頻譜資料進行分析進而得出一分析資料；以及根據該震波資料模組來對該分析資料來進行模型反演運算以計算得該位置資料，該位置資料係相對於該震波源之物理位置。
一種震波分析方法作為判斷加工機嘈音位置的應用，其中該震波分析方法係指一如申請專利範圍第5項所述者，其中該震波頻譜資料係相對應於一機械加工機所處空間所錄得之一環境音，該震波模型係相對應於一機械嘈音類別模型。