基于聲音線(xiàn)性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)的工程機(jī)械的識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲音識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種基于聲音線(xiàn)性預(yù)測(cè)倒譜系 數(shù)的工程機(jī)械識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于用地緊張、市容建設(shè)等原因，城市輸電大部分采用鋪設(shè)電纜的形式，與架空電 纜相比，地下電纜輸電具有占地面積小、抗干擾能力強(qiáng)、有利于市容美化等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于 存在大量不規(guī)范的道路施工工程作業(yè)，使得地下電纜遭到工程機(jī)械破壞，影響供電系統(tǒng)的 穩(wěn)定性同時(shí)也會(huì)對(duì)人民生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大不便。在道路施工過(guò)程中，極易造成地下 電纜被破壞的工程機(jī)械主要有機(jī)械沖擊錘、切割機(jī)、手持式電鎬等。通過(guò)采集工程機(jī)械在作 業(yè)時(shí)產(chǎn)生的聲音信號(hào)并進(jìn)行智能識(shí)別能有效地在電纜被破壞之前發(fā)出警報(bào)，從而輔助電力 公司及時(shí)采取相關(guān)措施以防止電纜被破壞。
[0003] 地下電纜經(jīng)常受到工程機(jī)械的破壞，而目前又沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)工程機(jī)械的識(shí)別方 法，因此，本發(fā)明提出了一種通過(guò)提取工程機(jī)械聲音特征來(lái)識(shí)別工程機(jī)械的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種的基于聲音線(xiàn)性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)的工 程機(jī)械識(shí)別方法。
[0005] 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于聲音線(xiàn)性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)的工程機(jī)械識(shí)別方法，包括如下步驟：
[0007] 利用理想環(huán)境下提取的工程機(jī)械LPCC系數(shù)構(gòu)建工程機(jī)械聲音特征指紋庫(kù)；
[0008] 工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)提取LPCC系數(shù)建立；
[0009] 對(duì)工程機(jī)械每幀信號(hào)的LPCC系數(shù)依據(jù)其所屬的聲源進(jìn)行類(lèi)標(biāo)標(biāo)定；
[0010] 利用支持向量機(jī)學(xué)習(xí)算法，采用標(biāo)定后工程機(jī)械每幀信號(hào)的LPCC工程機(jī)械聲音 特征指紋庫(kù)進(jìn)行模型訓(xùn)練學(xué)習(xí)，建立分類(lèi)模型；
[0011] 將工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)提取每幀信號(hào)的LPCC特征，輸入到支持向量機(jī)學(xué)習(xí)算 法已訓(xùn)練好的分類(lèi)模型中，依據(jù)已構(gòu)建的分類(lèi)器函數(shù)，計(jì)算該幀實(shí)測(cè)信號(hào)的輸出值，即采用 前述訓(xùn)練數(shù)據(jù)得到的擬合函數(shù)，計(jì)算實(shí)測(cè)信號(hào)LPCC特征的函數(shù)輸出，所得到的向量中最大 元的位置即為工程器械的類(lèi)型。
[0012] 利用理想環(huán)境下提取的工程機(jī)械LPCC系數(shù)構(gòu)建工程機(jī)械聲音特征指紋庫(kù)包括：
[0013] 工程機(jī)械聲音信號(hào)提取LPCC系數(shù)建立；
[0014] 背景噪音信號(hào)提取LPCC系數(shù)建立；
[0015] 工程機(jī)械聲音信號(hào)提取LPCC系數(shù)建立包括：
[0016] 將工程機(jī)械置于理想環(huán)境下，啟動(dòng)工程機(jī)械；
[0017] 聲音采集裝置采集工程機(jī)械發(fā)出的聲音信號(hào)；
[0018] 工程機(jī)械聲音信號(hào)預(yù)處理；
[0019] 對(duì)工程機(jī)械聲音信號(hào)進(jìn)行分幀；
[0020] 對(duì)分幀后的每幀工程機(jī)械聲音信號(hào)提取LPCC系數(shù)。
[0021] 工程機(jī)械聲音信號(hào)預(yù)處理包括：工程機(jī)械聲音信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)、加窗、分幀。
[0022] 工程機(jī)械聲音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)通過(guò)過(guò)零率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0023] 采用漢明窗對(duì)工程機(jī)械聲音信號(hào)進(jìn)行分幀。
[0024] 背景噪音信號(hào)提取LPCC系數(shù)建立包括：
[0025] 在施工現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境下采集背景噪音信號(hào)；
[0026] 背景噪音信號(hào)預(yù)處理；
[0027] 對(duì)背景噪音信號(hào)進(jìn)行分幀；
[0028] 對(duì)分幀后的每幀背景噪音信號(hào)提取LPCC系數(shù)。
[0029] 背景噪音信號(hào)預(yù)處理包括：背景噪音信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)、加窗、分幀。
[0030] 背景噪音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)通過(guò)過(guò)零率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0031] 采用漢明窗對(duì)背景噪音信號(hào)進(jìn)行分幀。
[0032] 工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)提取LPCC系數(shù)建立包括：
[0033] 聲音采集裝置采集工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)；
[0034] 工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)預(yù)處理；
[0035] 對(duì)工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)進(jìn)行分幀；
[0036] 對(duì)分幀后的每幀工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)提取LPCC系數(shù)。
[0037] 工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)預(yù)處理包括：工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)、加窗、 分幀。
[0038] 工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)通過(guò)過(guò)零率來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0039] 采用漢明窗對(duì)工程機(jī)械實(shí)時(shí)聲音信號(hào)進(jìn)行分幀。
[0040] 所述背景噪音信號(hào)為黃沙車(chē)的聲音、人的說(shuō)話(huà)聲以及工地工程機(jī)械工作時(shí)的發(fā)出 的聲音信號(hào)。
[0041] 所述工程機(jī)械包括：電鎬、切割機(jī)、挖掘機(jī)和機(jī)械沖擊錘。
[0042] 所述采集距裝置與工程機(jī)械的距離，包括近、中、遠(yuǎn)三種距離。
[0043] 所述采集距裝置與電鎬、切割機(jī)、挖掘機(jī)的近距離為10米；中距離為30米；遠(yuǎn)距 離為50米。
[0044] 所述采集距裝置與機(jī)械沖擊錘的近距離為50米；中距離為100米；遠(yuǎn)距離為150 米。
[0045] 工程機(jī)械發(fā)出的聲音信號(hào)每幀選取1024個(gè)米樣點(diǎn)，幀移為512個(gè)米樣點(diǎn)。
[0046] 所述聲音采集裝置為十字聲陣列。
[0047] 所述十字聲陣列采集聲音的時(shí)間間隔為0. 5秒。
[0048] 所述LPCC特征的提取方法為：
[0049] 首先求得每幀信號(hào)的LPC值，進(jìn)而求得其LPCC值；
[0050] 采用 Levinson-Durbin 算法求解 LPC 值；
[0051] LPC為線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)，用過(guò)去的聲音信號(hào)采樣點(diǎn)的值來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)在或未來(lái)的聲音信 號(hào)采樣點(diǎn)的值，即第η點(diǎn)的聲音信號(hào)的值s (η)能夠通過(guò)前p點(diǎn)的值的線(xiàn)性組合進(jìn)行預(yù)測(cè)， 如公式1所示：
[0052] s (η)~ap (n_l)+a2s (n_2)+...+aps (n_p) (I)
[0053] 其中&1，a2，…ap是線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)（LPC)，p為L(zhǎng)PC階數(shù)，這里取16
[0054] Levinson-Durbin算法通過(guò)使實(shí)際音頻信號(hào)的采樣值與線(xiàn)性預(yù)測(cè)采樣值之間均方 差（公式⑵）最小，即可得到P階線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)&1，&2，…ap。
[0056] 線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)得到后，可得到發(fā)聲系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型：
[0058] LPCC是LPC在倒譜域中的表示，倒譜系數(shù)就是利用同態(tài)處理方法，對(duì)聲音信號(hào)求Z 變換后取對(duì)數(shù)，再求反Z變換就可得到倒譜系數(shù)。在獲得線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)后，得到系統(tǒng)模型， 設(shè)沖擊響應(yīng)為c (η)，由倒譜定義可得：
[0060] 將⑶代入（4)，并對(duì)ζ 1求偏導(dǎo)數(shù)，得到（5):
[0062] 令（5)左右兩邊相應(yīng)系數(shù)相等，得到（6):
[0064] 其中，C1, C2，…c^LPCC 值，η 為 LPCC 階數(shù)，這里取 η = 18。
[0065] 所述工程機(jī)械聲音特征指紋庫(kù)建立方法如下：
[0066] 對(duì)每幀信號(hào)提取出的18階LPCC值，在前面加入一列作為類(lèi)標(biāo)，標(biāo)號(hào)'0'代表手持 電鎬、'1'代表噪聲、'2'代表切割機(jī)、'3'代表機(jī)械沖擊錘，'4'代表挖掘機(jī)。從而構(gòu)成一 個(gè)19階的特征向量；
[0067] 用Iibsvm作為分類(lèi)器，選取徑向基核函數(shù)（RBF)作為分類(lèi)器核函數(shù)；RBF有兩個(gè) 參數(shù)：懲罰因子c以及參數(shù)gamma，可以通過(guò)Iibsvm的網(wǎng)格搜索函數(shù)opti_svm_coeff選取 數(shù)值；從而使得選取的RBF核函數(shù)能夠有效的將數(shù)據(jù)映射到高維空間，并在高維空間中將 各類(lèi)標(biāo)定的工程器械信號(hào)按類(lèi)標(biāo)轉(zhuǎn)換成不同的高維信號(hào)；
[0068] 訓(xùn)練過(guò)程使用Svmtrain函數(shù)，包含四個(gè)參數(shù)：特征向量，用上述提取出的有標(biāo)號(hào) 的LPCC值；核函數(shù)類(lèi)型，選用RBF核函數(shù)；RBF核函數(shù)參數(shù)c和gamma，使用網(wǎng)格搜索法確 定；調(diào)用svmtrain后會(huì)得到一個(gè)名為model的變量，這一變量保存了訓(xùn)練所得模型信息，將 這一變量保存下來(lái)供下一步識(shí)別用；
[0069] 將每幀信號(hào)得到的LPCC值用Iibsvm的svmtest函數(shù)進(jìn)行智能分類(lèi)；
[0070] svmtest有三個(gè)參數(shù)，第一個(gè)為類(lèi)標(biāo)，用來(lái)測(cè)試識(shí)別率用的，這里取LPCC值的第一 列，第二個(gè)為特征向量，即存儲(chǔ)LPCC值的變量，第三個(gè)為匹配模型，就是上述步驟訓(xùn)練過(guò)程 所得到的變量model ;
[0071] 調(diào)用svmtest得到的返回值就是分類(lèi)所得結(jié)果，即類(lèi)標(biāo)，從而能確定產(chǎn)生這一聲 音的設(shè)備類(lèi)型。
[0072] 本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的有益效果：
[0073] 本發(fā)明能夠提高識(shí)別效果并減少誤警率，能夠有效地識(shí)別手持電鎬、切割機(jī)、機(jī)械 沖擊錘、挖掘機(jī)四類(lèi)設(shè)備?，F(xiàn)有地下電纜防外力破壞多采用振動(dòng)或光纖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，本發(fā) 明采用聲音，檢測(cè)距離更遠(yuǎn)，對(duì)手持電鎬、切割機(jī)、挖掘機(jī)有效檢測(cè)距離能達(dá)到60m、機(jī)械沖 擊錘有效檢測(cè)距離能達(dá)到180m，識(shí)別率能達(dá)到80%以上。
【附圖說(shuō)明】
[0074] 圖1是按照本發(fā)明的基于聲音線(xiàn)性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)的工程機(jī)械識(shí)別方法的流程示 意圖；
[0075] 圖2為所述工程