本發(fā)明涉及軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)及檢測方法。屬于軌道交通工具故障檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

軌道交通工具作為鐵路運輸?shù)暮诵牟糠?，在運行過程中可能會出現(xiàn)車體零部件異常情況。零部件異常情況的出現(xiàn)將危及行車安全。因此，軌道交通工具故障檢測的全面、準確、快速對鐵路的安全運行至關(guān)重要。

目前，軌道交通工具的故障通常采用人工進行檢測和地對車動態(tài)檢測兩種方式，采用此兩種方式存在以下缺陷：

1、軌道交通工具包括貨車、客車、動車組、機車及其它類型列車大部分時間處于運動狀態(tài)，只有進站后或完成運營公里數(shù)入庫后才檢修，這導致出現(xiàn)異常不能及時發(fā)現(xiàn)和檢修，最終增大人工檢測的難度和故障的漏檢概率。即便軌道交通工具進站或入庫，由于它的結(jié)構(gòu)復雜，部件眾多，檢修人員很難記住各個零部件的正常狀態(tài)，而且零部件之間存在遮擋而存在視覺盲區(qū)，這既進一步增大列車異常的漏檢概率，也進一步降低異常檢測效率和準確度。

檢修人員憑經(jīng)驗檢查交通工具的情況，檢測過程對檢修人員的維修經(jīng)驗依賴大，檢測結(jié)果和作業(yè)人員的專業(yè)技能、責任心有很大關(guān)系，主觀因素較強。

2、采用在地面上安裝的動態(tài)檢測系統(tǒng)對運行中的軌道交通工具進行檢測，受安裝現(xiàn)場環(huán)境條件限制，通常間隔幾十公里甚至幾百公里，對運行中的列車無法實現(xiàn)故障實時檢測，不利于行車安全。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的人工檢測困難、準確率低和在地面上安裝的動態(tài)檢測系統(tǒng)對車進行檢測的實時性差的問題?，F(xiàn)提供軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)及檢測方法。

軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)，它包括聲音獲取單元、信號處理單元、特征提取單元和比對單元，

聲音獲取單元，由一個或多個聲學傳感器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，聲學傳感器安裝在軌道交通工具上，用于采集軌道交通工具在行駛過程中產(chǎn)生的聲音，該聲音通過轉(zhuǎn)化和編碼后，保存為聲音文件；

信號處理單元，用于對保存的聲音文件進行濾波處理，濾出噪聲信號，然后對濾波后的聲音進行分離，得到軌道交通工具的待測零部件的聲音數(shù)據(jù)；

特征提取單元，對軌道交通工具的待測零部件上的聲音數(shù)據(jù)進行特征提取，得到待測零部件的聲學特征參數(shù)；

比對單元，將待測零部件的聲學特征參數(shù)與標準特征數(shù)據(jù)庫進行比對，確定待測零部件是否發(fā)生了故障。

軌道交通工具故障車載聲學檢測方法，它包括以下步驟：

由一個或多個聲學傳感器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，安裝在軌道交通工具的待測零部件附近，用于檢測軌道交通工具在行駛過程中產(chǎn)生的聲音，該聲音通過轉(zhuǎn)化和編碼后，保存為聲音文件的步驟；

用于對保存的聲音文件進行濾波處理，濾出噪聲信號，然后對濾波后的聲音進行分離，得到待測零部件上的聲音數(shù)據(jù)的步驟；

用于將待測零部件上的聲音數(shù)據(jù)進行特征提取，得到軌道交通工具的待測零部件聲學特征參數(shù)的步驟；

用于將軌道交通工具的待測零部件聲學特征參數(shù)與標準特征數(shù)據(jù)庫進行比對，確定待測零部件是否發(fā)生了故障的步驟。

本發(fā)明的有益效果為：通過在軌道交通工具上安裝的車載聲學檢測系統(tǒng)，車載聲學檢測系統(tǒng)中的聲音獲取單元實時采集軌道交通工具運行中零部件發(fā)出的聲學信號，由信號處理單元對聲音原始信號進行濾波處理和數(shù)據(jù)分離處理，通過特征提取單元對處理后的聲音信號進行特征提取，最后由比對單元將提取的特征與標準特征庫進行比對，識別出故障。

本發(fā)明的車載聲學檢測系統(tǒng)在列車運行過程中實時完成對信號的存儲、傳輸、處理和分析，通過與標準特征數(shù)據(jù)庫進行比對，發(fā)現(xiàn)聲音異常零部件，進而實現(xiàn)對車輛零部件故障的的早期的檢測和判斷，提高故障檢測的精度和可靠性，實現(xiàn)了故障的實時監(jiān)測，進而保證列車高效、安全地運行。本發(fā)明提供的軌道交通工具故障檢測系統(tǒng)，無需人工介入即可實現(xiàn)故障的在線檢測，可有效替代傳統(tǒng)的人工檢測作業(yè)，降低作業(yè)難度，提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量?？蓮V泛用于鐵路動車組、客車、貨車、機車、地鐵等各種軌道交通工具的故障檢測。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的軌道交通工具故障聲學檢測系統(tǒng)的原理圖；

圖2為本發(fā)明所述軌道交通工具故障聲學檢測方法的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)，它包括聲音獲取單元1、信號處理單元2、特征提取單元3和比對單元4，

聲音獲取單元1，由一個或多個聲學傳感器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，聲學傳感器安裝在軌道交通工具的待測零部件附近，用于采集軌道交通工具在行駛過程中產(chǎn)生的聲音，該聲音通過轉(zhuǎn)化和編碼后，保存為聲音文件；

信號處理單元2，用于對保存的聲音文件進行濾波處理，濾出噪聲信號，然后對濾波后的聲音進行分離，得到待測零部件的聲音數(shù)據(jù)；

特征提取單元3，對待測零部件上的聲音數(shù)據(jù)進行特征提取，得到待測零部件的聲學特征參數(shù)；

比對單元4，將待測零部件的聲學特征參數(shù)與標準特征數(shù)據(jù)庫進行比對，確定待測零部件是否發(fā)生了故障。

實施例：

軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)，它包括聲音獲取單元1、信號處理單元2、特征提取單元3和比對單元4，

聲音獲取單元1，由一個或多個聲學傳感器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，聲學傳感器分別安裝在軌道交通工具的待測零部件附近，用于檢測軌道交通工具在行駛過程中產(chǎn)生的聲音，該聲音通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將聲音模擬信號轉(zhuǎn)化為能夠被計算機識別的二進制碼，并將數(shù)據(jù)按照PCM格式進行編碼，保存為WAV格式的聲音文件；

信號處理單元2，用于接收保存的聲音文件，采用波紋高通濾波器濾除聲音信號中低頻段的噪聲信號，然后對濾波后的聲音進行分離，得到各個聲學傳感器檢測的零部件上的高頻聲音數(shù)據(jù)；

特征提取單元3，用于接收各個聲學傳感器檢測的零部件上的高頻聲音數(shù)據(jù)采用時域分析和頻域分析方法進行特征提取，輸出完備的待測零部件聲學特征參數(shù)；

比對單元4，用于接收完備的待測零部件的聲學特征參數(shù)，在時域范圍內(nèi)進行特征值比對，在時域范圍內(nèi)對故障進行初步的判斷，得到存在故障的聲音信號點，在該聲音信號點附近的鄰域在時域范圍內(nèi)進行頻域變換，得到這些聲音信號點的頻域特性值，再將這些頻域特性值與特征數(shù)據(jù)庫進行比對，確定某個零部件發(fā)生了故障，并且根據(jù)頻域參數(shù)的偏離程度，識別出故障的程度。

本實施方式中，聲音獲取單元1，用于獲取軌道交通工具運行過程中的聲音原始信號；利用聲音獲取單元將來獲取原始數(shù)據(jù)。聲音獲取單元由多個聲學傳感器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，安裝在軌道交通工具的關(guān)鍵零部件如轉(zhuǎn)向架、車輪軸承、車輪踏面等附近，用于檢測行駛過程中產(chǎn)生的聲響，將聲音模擬信號轉(zhuǎn)化為交流電信號。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將多路聲學傳感器的電信號轉(zhuǎn)換為計算機識別的二進制碼，并將數(shù)據(jù)按照PCM格式進行編碼，保存為WAV格式的聲音文件。

信號處理單元2，用于對聲音原始信號進行濾波處理和數(shù)據(jù)分離處理；

預處理階段由信號處理單元來完成。保存的原始數(shù)據(jù)中除了正常聲音信號和故障聲音外，還包含了環(huán)境噪聲、列車氣動噪聲和白噪聲等對故障診斷無用的信號，這些噪聲信號會對后續(xù)的故障處理造成影響。噪聲信號的頻率段主要在低頻段，于此相反，列車聲音信號主要集中在高頻段。本實施方式采用FIR有限長沖激響應濾波器的等波紋高通濾波器，能夠有效地濾除聲音信號中低頻段的噪聲信號。對濾波后的聲音進行分離，得到各個聲學傳感器檢測的聲音數(shù)據(jù)。

特征提取單元3，用于對處理后的聲音信號進行特征提?。?/p>

利用特征提取單元，采用時域分析和頻域分析方法，對通過濾波處理并分離后的各個聲學傳感器的信號進行數(shù)據(jù)級預處理，提取出相對完備的聲學故障特征參數(shù)。具體方法為：

⑴提取時域特征參數(shù)；

時域信號包含著原始的非常豐富的狀態(tài)信息，設(shè)備發(fā)生故障時，其信號中許多統(tǒng)計特征參數(shù)都會隨著故障的性質(zhì)及大小發(fā)生變化，可作為診斷依據(jù)。利用統(tǒng)計分析方法，提取有效值、峰峰值、平均幅值、方根幅值等有量綱參數(shù)，其數(shù)值一般會隨著故障發(fā)展而上升，但也會因工況變化而變化，難以區(qū)分，為此，提取脈沖因子、峭度、峰值因子等時域無量綱參數(shù)，此類特征量受工況變化的影響較小。

⑵提取頻域特征參數(shù)；

通過對信號進行快速傅里葉變換FFT，得到頻譜特征值。

⑶將時域參數(shù)和頻域參數(shù)有效的結(jié)合起來，形成能夠反映聲音信號特征的參數(shù)矩陣，作為故障識別階段的輸入?yún)?shù)。

比對單元4，用于將提取的特征與標準特征庫進行比對，識別出故障；

故障識別階段由故障比對單元完成。通過獲取交通工具的各個零部件在正常情況下的特征參數(shù)數(shù)據(jù)，建立標準聲音特征數(shù)據(jù)庫，作為系統(tǒng)判斷故障的依據(jù)。通過在時域范圍內(nèi)進行特征值峭度、峰值因子和有效值等特征參數(shù)比對，同時結(jié)合周期性的考慮，可以在時域范圍內(nèi)對故障進行初步的判斷，得到存在故障的聲音信號點，在該聲音信號點附近的鄰域內(nèi)進行頻域變換，即FFT快速傅里葉變換，變換到頻域進行進一步驗證，得到這些聲音信號點的頻域特性值。再將這些特征值與特征數(shù)據(jù)庫進行比對，確定故障，并且根據(jù)頻域參數(shù)的偏離程度，識別出故障的程度。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，聲音的轉(zhuǎn)化通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將聲音模擬信號轉(zhuǎn)化為能夠被計算機識別的數(shù)字信號。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，濾波處理采用FIR有限長沖激響應濾波器實現(xiàn)。

具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式一所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中保存的聲音文件包括正常聲音信號、故障聲音信號和噪聲信號。

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式一所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，聲學傳感器采用駐極體式聲傳感器實現(xiàn)。

具體實施方式六：參照圖2具體說明本實施方式，本實施方式所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測方法，它包括以下步驟：

由一個或多個聲學傳感器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，安裝在管道交通工具的待測零部件附近，用于檢測軌道交通工具在行駛過程中產(chǎn)生的聲音，該聲音通過轉(zhuǎn)化和編碼后，保存為聲音文件的步驟；

用于對保存的聲音文件進行濾波處理，濾出噪聲信號，然后對濾波后的聲音進行分離，得到待測零部件上的聲音數(shù)據(jù)的步驟；

用于將待測零部件上的聲音數(shù)據(jù)進行特征提取，得到待測零部件聲學特征參數(shù)的步驟；

用于將待測零部件聲學特征參數(shù)與標準特征數(shù)據(jù)庫進行比對，確定待測零部件是否發(fā)生了故障的步驟。

實施例：

軌道交通工具故障車載聲學檢測方法，它包括以下步驟：

由一個或多個聲學傳感器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)，安裝在軌道交通工具的待測零部件上，用于檢測軌道交通工具在行駛過程中產(chǎn)生的聲音，該聲音通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將聲音模擬信號轉(zhuǎn)化為能夠被計算機識別的二進制碼，并將數(shù)據(jù)按照PCM格式進行編碼，保存為WAV格式的聲音文件的步驟；

用于接收保存的聲音文件，采用波紋高通濾波器濾除聲音信號中低頻段的噪聲信號，然后對濾波后的聲音進行分離，得到各個聲學傳感器檢測的零部件上的高頻聲音數(shù)據(jù)的步驟；

用于接收各個聲學傳感器檢測的零部件上的高頻聲音數(shù)據(jù)采用時域分析和頻域分析方法進行特征提取，得到完備的待測零部件聲學特征參數(shù)的步驟；

用于接收完備的待測零部件聲學特征參數(shù)，在時域范圍內(nèi)對特征參數(shù)進行初步的判斷，得到存在故障的聲音信號點，在該聲音信號點附近的鄰域內(nèi)進行頻域變換，得到這些聲音信號點的頻域特性值，再將這些頻域特征值與特征數(shù)據(jù)庫進行比對，確定故障，并且根據(jù)頻域參數(shù)的偏離程度，識別出故障的程度的步驟。

具體實施方式七：本實施方式是對具體實施方式六所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測方法作進一步說明，本實施方式中，用于將待測零部件上的聲音數(shù)據(jù)進行特征提取的方式為：采用時域分析和頻域分析方法進行特征提取。

具體實施方式八：本實施方式是對具體實施方式七所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，采用時域分析和頻域分析方法進行特征提取的具體過程為：

在時域范圍內(nèi)進行特征值比對，在時域范圍內(nèi)對故障進行初步的判斷，得到存在故障的聲音信號點，在該聲音信號點附近的鄰域內(nèi)進行頻域變換，得到這些聲音信號點的頻域特性值。

具體實施方式九：本實施方式是對具體實施方式七所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，頻域變換采用FFT快速傅里葉變換實現(xiàn)。

具體實施方式十：本實施方式是對具體實施方式七所述的軌道交通工具故障車載聲學檢測系統(tǒng)作進一步說明，本實施方式中，特征值包括脈沖因子參數(shù)、峭度參數(shù)和提取峰值因子參數(shù)。