本發(fā)明涉及一種振動(dòng)信號(hào)分類分級(jí)判斷識(shí)別方法，尤其是一種涉及鐵道沿線落石與列車通行信號(hào)的分類、分級(jí)判識(shí)方法，屬于振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域、交通信號(hào)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

振動(dòng)信號(hào)是指由非靜止物體所產(chǎn)生的信號(hào)。由于非靜止?fàn)顟B(tài)是物體的絕對(duì)狀態(tài)，因而振動(dòng)特性及產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)成為物體的固有特性。在受激發(fā)狀態(tài)下，若振動(dòng)源的激勵(lì)與物體的固有特性參數(shù)相同或接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各個(gè)頻率特征信息的疊加所致的共振響應(yīng)。振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征主要體現(xiàn)在振幅、周期、相位等特性上，其頻域特征則主要表現(xiàn)在頻率、能量信息中。由于不同物體具有其特征性的振動(dòng)信號(hào)，同一物體在不同狀態(tài)下也表現(xiàn)出不同特征性的振動(dòng)信號(hào)，因此，通過(guò)提取并分析振動(dòng)信號(hào)中原始或經(jīng)由變換產(chǎn)生的各種特征信息，可以反向演算定位發(fā)生振動(dòng)的物體本身，以及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

申請(qǐng)公布號(hào)為cn102079319a的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種鐵路落石預(yù)警方法，其技術(shù)方案包括如下步驟：提供隨鐵軌振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變的光纖光柵，利用光纖光柵解調(diào)儀器獲取反映從光纖光柵反射回的光的波長(zhǎng)變化的電信號(hào)，基于電信號(hào)獲取從光纖光柵反射回的光的波長(zhǎng)變化信息，和基于該波長(zhǎng)變化信息確定是否發(fā)出報(bào)警。其目的是利用光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。盡管該方法設(shè)置了第一閾值和第二閾值用以檢測(cè)鐵路落石發(fā)生，根據(jù)振幅與閾值的大小關(guān)系、振幅變化速度來(lái)判斷鐵道落石發(fā)生與否。但其缺陷在于多重閾值判別指標(biāo)只有光纖光柵反射回的光的波長(zhǎng)變化的電信號(hào)振幅唯一指標(biāo)，因而對(duì)振動(dòng)信號(hào)中的振動(dòng)信息提取利用有限，其采用多重閾值的技術(shù)手段對(duì)于提高判別結(jié)果準(zhǔn)確性的裨益也同樣有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鐵道沿線落石與行車信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別方法，以實(shí)現(xiàn)利用振動(dòng)信號(hào)分析對(duì)鐵道沿線的落石危害、行車安全加以判識(shí)的技術(shù)目的。其技術(shù)方案如下：

一種鐵道沿線落石與行車信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別方法，在鐵道沿線潛在落石發(fā)生位點(diǎn)布置振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集、傳輸原始信號(hào)至運(yùn)算中心，運(yùn)算中心獲得原始時(shí)間-振幅信號(hào)并依如下步驟實(shí)施：

步驟s1、去噪處理

濾除原始信號(hào)中的直流成分、長(zhǎng)周期偏移、低頻異常，得到濾波后信號(hào)，進(jìn)入步驟s2；

步驟s2、振動(dòng)信號(hào)i級(jí)判識(shí)

設(shè)置振幅閾值as，當(dāng)濾波后信號(hào)振幅≥as時(shí)，判識(shí)為i級(jí)振動(dòng)信號(hào)，記錄該點(diǎn)時(shí)刻值t1，進(jìn)入步驟s3；所述振幅閾值as通過(guò)落石振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和/或歷史資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出的落石振動(dòng)振幅變化特征確定；

其特征在于：

步驟s3、振動(dòng)信號(hào)ii級(jí)判識(shí)

步驟s31、fft變換

將濾波后信號(hào)進(jìn)行fft變換，得到自時(shí)刻值t1起的頻率-振幅信號(hào)，進(jìn)入步驟s32；

步驟s32、信號(hào)判識(shí)

由步驟s31所得頻率-振幅信號(hào)計(jì)算得到頻率-能量信號(hào)，計(jì)算能量比值；所述能量比值是頻率-能量信號(hào)中0hz～500h頻率范圍內(nèi)信號(hào)能量值與全部信號(hào)能量值的比值；

若能量比值≥能量比值閾值re，判識(shí)為ii級(jí)落石振動(dòng)信號(hào)，記錄時(shí)間刻值t21，退出步驟s32進(jìn)入步驟s4；若能量比值＜能量比值閾值re，判識(shí)為ii級(jí)行車振動(dòng)信號(hào)，記錄時(shí)間刻值t22，退出步驟s32進(jìn)入步驟s4；

所述能量比值閾值re＝80％～90％；

步驟s4、振動(dòng)信號(hào)ⅲ級(jí)判識(shí)

步驟s41、stft變換

將濾波后信號(hào)進(jìn)行stft變換，得到自時(shí)刻值t21或t22起的時(shí)間-頻率-能量信號(hào)，進(jìn)入步驟s42；

步驟s42、信號(hào)判識(shí)

自時(shí)間刻值t21或t22起沿時(shí)間軸向右選取時(shí)間-頻率點(diǎn)，并計(jì)算已選取的時(shí)刻-頻率點(diǎn)的能量值均值，當(dāng)能量值均值≥能量均值閾值a0時(shí)判定為振動(dòng)發(fā)生，繼續(xù)沿時(shí)間軸向右選取時(shí)間-頻率點(diǎn)，當(dāng)連續(xù)2s內(nèi)的能量值均值＜a0時(shí)，判斷為振動(dòng)結(jié)束，能量值均值閾值a0＝(1.5as)²；

對(duì)振動(dòng)起止時(shí)間內(nèi)的時(shí)間-頻率點(diǎn)的能量值進(jìn)行最小二乘擬合，得到該次振動(dòng)期間的擬合系數(shù)集合；若擬合系數(shù)集合滿足能量擬合閾值lsf1時(shí)，判識(shí)為ⅲ級(jí)落石振動(dòng)信號(hào)，確定落石發(fā)生時(shí)刻t31是能量值均值≥能量均值閾值a0的時(shí)刻；若擬合系數(shù)集合滿足能量擬合閾值lsf2時(shí)，判識(shí)為ⅲ級(jí)行車振動(dòng)信號(hào)，確定行車通過(guò)發(fā)生時(shí)刻t32是能量值均值＜能量均值閾值a0的時(shí)刻；

所述能量擬合閾值lsf1是擬合系數(shù)集合內(nèi)60％及以上的擬合系數(shù)≤-3，所述能量擬合閾值lsf2是擬合系數(shù)集合內(nèi)60％及以上的擬合系數(shù)＞-3；

根據(jù)ⅲ級(jí)落石振動(dòng)信號(hào)判識(shí)結(jié)果判斷落石是否發(fā)生，根據(jù)ⅲ級(jí)行車振動(dòng)信號(hào)判識(shí)結(jié)果判斷是否行車。

上述鐵道沿線落石與行車信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別方法的基本技術(shù)構(gòu)思包括兩方面：一方面從振動(dòng)信號(hào)中分別篩選出落石振動(dòng)信號(hào)與行車振動(dòng)信號(hào)兩種監(jiān)測(cè)對(duì)象，判識(shí)其是否發(fā)生；另一方面對(duì)傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)濾波后進(jìn)行依振幅、依頻率－能量等的分級(jí)判識(shí)，逐級(jí)提高分析判識(shí)結(jié)果精度。

為實(shí)現(xiàn)通過(guò)逐級(jí)判識(shí)提高判識(shí)精度的目的，本發(fā)明技術(shù)方案采用對(duì)振動(dòng)信號(hào)中時(shí)域內(nèi)的振幅信息與頻域內(nèi)的頻率、能量信息進(jìn)行分步運(yùn)算的方式。分級(jí)判識(shí)中，對(duì)濾波去噪后的濾波后振動(dòng)信號(hào)采用三級(jí)判斷識(shí)別：(1)i級(jí)判識(shí)是振動(dòng)幅值判識(shí)。振幅是振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域中最基本的振動(dòng)特征參數(shù)，采用振動(dòng)判識(shí)，可以初步判識(shí)該狀態(tài)下是否有高量級(jí)震動(dòng)事件引起信號(hào)的突變，排除基本的背景噪聲。通過(guò)設(shè)定振動(dòng)幅值的下限閾值，初步判識(shí)該時(shí)刻是否有列車經(jīng)過(guò)或者落石事件發(fā)生。但振幅判識(shí)方法過(guò)于粗略，僅能定性判識(shí)事件的大概可能性，因而采用振幅判識(shí)振動(dòng)信號(hào)存在將背景噪聲、儀器本身誤差誤判為有效事件的缺點(diǎn)，為克服此缺陷，需要信號(hào)處理進(jìn)一步定量判識(shí)。(2)ii級(jí)判識(shí)是基于fft變換的頻域頻率-能量判識(shí)。fft變換的典型用途是將信號(hào)分解成頻率-幅度譜，這樣我們就可以知道震動(dòng)信號(hào)的各個(gè)頻率成分及其幅度，進(jìn)而獲取信號(hào)在各個(gè)頻率范圍內(nèi)的能量分布情況。通過(guò)fft的定量分析，能定量獲得事件信號(hào)的各頻率范圍的能量分布情況，再用列車信號(hào)、落石信號(hào)的頻率-能量特征甄別，判識(shí)出落石事件或者列車事件。ii級(jí)判識(shí)能夠通過(guò)fft變換可以在得到震動(dòng)信號(hào)的頻率分布，能夠定量獲取事件信號(hào)主要成分集中的頻率范圍，但該方法缺失了信號(hào)的時(shí)間信息，僅為信號(hào)的頻率-能量信息缺陷，因此需要進(jìn)一步的ⅲ級(jí)判識(shí)。(3)ⅲ級(jí)判識(shí)是基于stft變換的頻率-能量判識(shí)。stft變換是一種二維時(shí)頻變換，可以得到震動(dòng)信號(hào)在時(shí)間-頻率域的能量分布，不同事件的震動(dòng)信號(hào)在時(shí)間-頻率域有明顯區(qū)別，可以通過(guò)定量計(jì)算震動(dòng)信號(hào)在時(shí)間-頻率域能量的分布范圍和強(qiáng)度進(jìn)行判識(shí)。通過(guò)ⅲ級(jí)判識(shí)stft的定量分析，能定量獲得振動(dòng)事件信號(hào)的各頻率范圍的能量分布情況，再用列車信號(hào)、落石信號(hào)的頻率-能量特征甄別，判識(shí)出事件的類型(即落石事件或者行車事件)以及時(shí)間特征。本技術(shù)方案在對(duì)振動(dòng)信號(hào)的逐級(jí)判斷識(shí)別中，每一級(jí)的判識(shí)都采用閾值比對(duì)的基本方法。i級(jí)判識(shí)依據(jù)振幅閾值as，ii級(jí)判識(shí)依據(jù)能量比值閾值re，ⅲ級(jí)判識(shí)依據(jù)能量均值閾值a0、能量擬合閾值等。這些閾值都是通過(guò)前期的落石或行車振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析得出的，或者根據(jù)落石或行車振動(dòng)歷史資料記錄統(tǒng)計(jì)分析得出的。

為實(shí)現(xiàn)篩選出落石振動(dòng)信號(hào)與行車振動(dòng)信號(hào)兩種監(jiān)測(cè)對(duì)象的目的，技術(shù)方案主要通過(guò)兩類技術(shù)手段：一是閾值設(shè)置時(shí)對(duì)兩者的振幅類閾值、能量類閾值、頻率類閾值進(jìn)行分別設(shè)置或依條件擇一設(shè)置；二是對(duì)信號(hào)進(jìn)行以頻率分區(qū)為基礎(chǔ)的分析運(yùn)算。

一般地，步驟s1中，采用6階～10階的fir對(duì)原始時(shí)間-振幅信號(hào)去噪。振幅閾值as是背景信號(hào)振幅ab的1.5倍，所述背景信號(hào)振幅ab是振動(dòng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝后自然狀態(tài)下初始1min之內(nèi)的信號(hào)振幅平均值。

上述鐵道沿線落石與行車信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別方法解決了依據(jù)振動(dòng)信號(hào)判識(shí)落石發(fā)生與列車通行的問(wèn)題。以此為基礎(chǔ)，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于其實(shí)現(xiàn)的落石能量規(guī)模計(jì)算方法。其技術(shù)方案如下：

一種利用上述鐵道沿線落石與行車信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)的落石沖擊能量規(guī)模計(jì)算方法，其特征在于：

在所述步驟s42中，判識(shí)為ⅲ級(jí)落石振動(dòng)信號(hào)后，記錄時(shí)間刻值t31，退出步驟s42進(jìn)入步驟s5a；

步驟s5a、落石能量規(guī)模計(jì)算方法

步驟s5a1、沖擊能量模擬計(jì)算起止時(shí)間判識(shí)

采用sta/lta方法對(duì)t1時(shí)刻起濾波后信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)識(shí)別；當(dāng)sta/lta比值≥sta/lta比值閾值rsl時(shí)確定為落石能量模擬計(jì)算起始時(shí)間t1，當(dāng)振幅≤振幅下限閾值amin時(shí)確定為落石能量模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)間t2，退出步驟s5，進(jìn)入步驟s6；

sta/lta短周期ts、sta/lta長(zhǎng)周期tl、sta/lta比值閾值rsl通過(guò)落石振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和/或歷史資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出的落石振動(dòng)振幅變化特征確定，振幅下限閾值amin通過(guò)落石振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和/或歷史資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出的落石振動(dòng)振幅變化特征確定；

步驟s5a2、計(jì)算落石規(guī)模

依式5.1計(jì)算落石滾落釋放能量規(guī)模ae；

式中，e(t)——時(shí)刻t1～時(shí)刻t的均方根振幅的平方，

e0——噪聲水平，依式5.2計(jì)算確定，

式中，a1——時(shí)間t1處振幅，

a2——時(shí)間t2處振幅。

上述落石沖擊能量計(jì)算方法是在落石振動(dòng)信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別的結(jié)果上，采用sta/lta方法進(jìn)一步振相分析。由于sta/lta算法可以識(shí)別出落石信號(hào)的起止點(diǎn)及其包絡(luò)能量，因而對(duì)起止時(shí)刻間的時(shí)間頻率點(diǎn)進(jìn)行能量積分，即可評(píng)估落石規(guī)模，因而能夠更準(zhǔn)確地確定振動(dòng)起止?fàn)顟B(tài)改變。在sta/lta分析中涉及的sta/lta比值閾值rsl、振幅下限閾值amin同樣可以通過(guò)前期落石振動(dòng)的試驗(yàn)和/或歷史數(shù)據(jù)分析的結(jié)果得出確定。本發(fā)明給出的sta/lta分析方法中的優(yōu)選參數(shù)是：

sta/lta方法中，短周期時(shí)間ts＝0.05s，長(zhǎng)周期時(shí)間tl＝1s，sta/lta比值閾值rsl＝3～3.8，窗函數(shù)ω[n]是長(zhǎng)度為128的漢寧窗，依式5.3、5.4計(jì)算。振幅下限閾值amin＝10％amax～15％amax，amax是t1～時(shí)刻t時(shí)間區(qū)間內(nèi)振幅的最大值。

在上述鐵道沿線落石與行車信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別方法解決了依據(jù)振動(dòng)信號(hào)判識(shí)列車通行的問(wèn)題的基礎(chǔ)之上，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種基于其實(shí)現(xiàn)的行車通行起止時(shí)間判識(shí)方法。其技術(shù)方案如下：

利用上述的鐵道沿線落石與行車信號(hào)分級(jí)判斷識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)的行車通行起止時(shí)間判識(shí)方法，其特征在于：

在所述步驟s42中，判識(shí)為ⅲ級(jí)行車振動(dòng)信號(hào)后，記錄時(shí)間刻值t32，退出步驟s42進(jìn)入步驟s5b、行車通行起止判識(shí)；

所述步驟s5b8包括：當(dāng)振幅＜列車行車振幅閾值al時(shí)確定為行車結(jié)束時(shí)間t4；所述列車行車振幅閾值al是列車空載狀態(tài)下以預(yù)設(shè)速度行駛時(shí)振動(dòng)傳感器測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)幅值。

上述行車通行起止時(shí)間判識(shí)方法是直接采用實(shí)時(shí)振幅與列車行車振幅閾值al比對(duì)的方法確定列車是否處于行車通過(guò)狀態(tài)。

利用上述行車通行起止時(shí)間判識(shí)方法，還可以進(jìn)一步解決監(jiān)測(cè)行車通行狀態(tài)是否的技術(shù)問(wèn)題。其技術(shù)方案如下：

一種利用上述的行車通行起止時(shí)間判識(shí)方法實(shí)現(xiàn)的行車通行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：在確定行車結(jié)束時(shí)間t4后進(jìn)入步驟s6、行車通行狀態(tài)判識(shí)；所述步驟s6包括：

自時(shí)刻值t32起沿時(shí)間軸向右選取時(shí)間-頻率點(diǎn)并對(duì)所選取時(shí)間-頻率點(diǎn)的振幅值進(jìn)行最小二乘擬合，每當(dāng)擬合系數(shù)小于0時(shí)計(jì)數(shù)加1，并且繼續(xù)沿時(shí)間軸向右移動(dòng)擬合直到時(shí)刻值t4；最終計(jì)數(shù)為n，車廂節(jié)數(shù)＝(n+1)/2；

根據(jù)車廂節(jié)數(shù)與單節(jié)列車車廂長(zhǎng)度計(jì)算得到列車總長(zhǎng)度，根據(jù)列車總長(zhǎng)度與行車通行時(shí)間計(jì)算得到列車行車速度，并判斷行車通行速度是否正常。

上述行車通行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法中，對(duì)車廂計(jì)數(shù)方法的原理是根據(jù)軌道內(nèi)部的部件情況，我們采用列車-軌道的狀況來(lái)進(jìn)行來(lái)分析。對(duì)車輛軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬外加實(shí)際監(jiān)測(cè)，得出每經(jīng)過(guò)一節(jié)列車，信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)紡錘體的形狀特征，即震動(dòng)能量先增高后降低，波峰值突起，因此我們根據(jù)信號(hào)頻譜上紡錘體的個(gè)數(shù)，就能識(shí)別出列車的節(jié)數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明提供了一種鐵道沿線落石與行車信號(hào)分類分級(jí)判斷識(shí)別方法。該方法將振幅分析、能量分析、頻率分析結(jié)合一體，并通過(guò)在不同判識(shí)級(jí)別層面上采用不用的信號(hào)分析指標(biāo)與分析方法，實(shí)現(xiàn)提高判識(shí)準(zhǔn)確度的目的。這種將多種分析方法結(jié)合使用且旨在提高鐵道沿線列車落石與行車信號(hào)分析精度，尤其是通過(guò)在技術(shù)流程不同階段使用不同分析方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類振動(dòng)信號(hào)的分級(jí)判識(shí)，綜合提高分析精度的技術(shù)構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)中未曾出現(xiàn)過(guò)。(2)本發(fā)明提供了利用前述方法實(shí)現(xiàn)的落石能量規(guī)模計(jì)算方法，能夠解決鐵道沿線落石滾落能量規(guī)模的測(cè)算問(wèn)題，可應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)研究領(lǐng)域。(3)本發(fā)明提供了利用前述方法實(shí)現(xiàn)的行車通行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，該方法采用振動(dòng)信號(hào)分析確定列車通行時(shí)間，并計(jì)數(shù)車箱數(shù)量，進(jìn)而測(cè)算列車行車速度，可監(jiān)測(cè)列車行車安全與否的狀態(tài)。

附圖說(shuō)明

圖1傳感器安裝位置示意圖。

圖2是運(yùn)算中心算法流程示意圖。

圖3是落石1#、2#、3#事件信號(hào)stft頻譜圖。

圖4是落石1#事件原始信號(hào)、fft頻譜和stft頻譜圖。

圖5是落石2#事件原始信號(hào)、fft頻譜和stft頻譜圖。

圖6是落石3#事件原始信號(hào)、fft頻譜和stft頻譜圖。

圖7是落石1#事件sta/lta算法結(jié)果圖。

圖8是落石2#事件sta/lta算法結(jié)果圖。

圖9是落石3#事件sta/lta算法結(jié)果圖。

圖10是列車經(jīng)過(guò)原始信號(hào)、fft頻譜和stft頻譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

如圖1～圖9所示，用本發(fā)明方法在某鐵路沿線某落石易發(fā)處監(jiān)測(cè)落石發(fā)生情況。

在鐵道沿線某潛在落石發(fā)生位點(diǎn)布置振動(dòng)加速度傳感器。傳感器安裝在鐵軌的內(nèi)側(cè)或者枕軌上(圖1，圖中五星示傳感器位置)。傳感器實(shí)時(shí)采集、傳輸原始信號(hào)至運(yùn)算中心，運(yùn)算中心獲得原始時(shí)間-振幅信號(hào)后依圖2所示技術(shù)方案流程實(shí)施。

以下實(shí)施方式演示以一只傳感器的數(shù)據(jù)處理為例。該傳感器監(jiān)測(cè)到3個(gè)落石事件，編號(hào)為落石1#、2#、3#事件(圖3)。圖4是落石1#事件原始信號(hào)、fft頻譜和stft頻譜圖，圖5是落石2#事件原始信號(hào)、fft頻譜和stft頻譜圖，圖6是落石3#事件原始信號(hào)、fft頻譜和stft頻譜圖。

步驟s1、去噪處理

原始信號(hào)濾除原始信號(hào)中的直流成分、長(zhǎng)周期偏移、低頻異常，得到濾波后信號(hào)。濾波可同時(shí)濾除低頻異常，避免引起虛警以及對(duì)后續(xù)處理的干擾。濾波處理采用100階的fir對(duì)原始時(shí)間-振幅信號(hào)去噪。

進(jìn)入步驟s2。

步驟s2、振動(dòng)信號(hào)i級(jí)判識(shí)

測(cè)量環(huán)境背景信號(hào)振幅ab＝0.13，設(shè)置振幅閾值as＝1.5ab＝0.2。

通過(guò)實(shí)時(shí)判斷傳感器輸出信號(hào)的幅值，確認(rèn)在194.5s、494.5s、597s處幅值大于預(yù)設(shè)振幅閾值as(圖5)，判識(shí)為i級(jí)落石振動(dòng)信號(hào)，記錄相應(yīng)的3個(gè)時(shí)刻值t1＝194.5s、494.5s、597s，進(jìn)入步驟s3。

步驟s3、振動(dòng)信號(hào)ii級(jí)判識(shí)

步驟s31、fft變換

將濾波后信號(hào)進(jìn)行fft變換，得到自時(shí)刻值t1起的頻率-振幅信號(hào)，進(jìn)入步驟s32；

步驟s32、信號(hào)判識(shí)

由步驟s31所得頻率-振幅信號(hào)計(jì)算得到頻率-能量信號(hào)，設(shè)置能量比值閾值re＝80％。

計(jì)算得到在時(shí)間194.7s、494.7s、597.1s處，振動(dòng)頻率范圍0hz～500hz的能量＝250、260、200、全部信號(hào)能量值＝300、305、220，能量比值＝83.3％、85.2％、91.0％均大于re，判識(shí)為ii級(jí)落石振動(dòng)信號(hào)，分別記錄時(shí)間刻值t21＝194.7s、494.7s、597.1s，退出步驟s32進(jìn)入步驟s4。

步驟s4、振動(dòng)信號(hào)ⅲ級(jí)判識(shí)

步驟s41、stft變換

將濾波后信號(hào)進(jìn)行stft變換，得到自時(shí)刻值t21起的時(shí)間-頻率-能量信號(hào)。stft變換是一種二維時(shí)頻變換，通過(guò)變換得到振動(dòng)信號(hào)在時(shí)間-頻率域的能量分布。由于落石振動(dòng)和其他振動(dòng)在時(shí)間-頻率域有明顯區(qū)別，因而可以通過(guò)計(jì)算二者在時(shí)間-頻率域能量的分布范圍和強(qiáng)度對(duì)落石振動(dòng)信號(hào)加以識(shí)別。

進(jìn)入步驟s42。

步驟s42、信號(hào)判識(shí)

設(shè)置能量均值閾值a0＝(1.5as)²＝0.09，設(shè)置能量擬合閾值lsf1為是擬合系數(shù)集合內(nèi)60％及以上的擬合系數(shù)≤-3。

自時(shí)間刻值t21起沿時(shí)間軸向右選取時(shí)間-頻率點(diǎn)，并計(jì)算已選取的時(shí)刻-頻率點(diǎn)的能量值均值，進(jìn)行信號(hào)判識(shí)。結(jié)果如圖6顯示，時(shí)間194.8s～195.3s、494.8s～495.5s、597s～597.7s是振動(dòng)起止時(shí)間。對(duì)該區(qū)間的時(shí)間-頻率點(diǎn)的能量值進(jìn)行最小二乘擬合，并比較擬合系數(shù)集合與能量擬合閾值的關(guān)系。結(jié)果顯示，該3個(gè)區(qū)間信號(hào)持續(xù)時(shí)間60％及以上擬合系數(shù)<-3，均滿足能量擬合閾值lsf1，判識(shí)為ⅲ級(jí)落石振動(dòng)信號(hào)，并確認(rèn)在時(shí)刻t31＝194.9s、495.0s、597.4s發(fā)生了落石滾落。

進(jìn)入步驟s5a。

步驟s5a1、能量模擬計(jì)算起止時(shí)間判識(shí)

采用sta/lta方法對(duì)t1時(shí)刻起濾波后信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)識(shí)別；當(dāng)sta/lta比值≥sta/lta比值閾值rsl時(shí)確定為落石能量模擬計(jì)算起始時(shí)間t1，當(dāng)振幅≤振幅下限閾值amin時(shí)確定為落石能量模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)間t2；

sta/lta方法中，設(shè)置短周期ts＝0.05s、長(zhǎng)周期tl＝1s，sta/lta比值閾值rsl＝3，窗函數(shù)ω[n]是長(zhǎng)度為128的漢寧窗。設(shè)置振幅下限閾值amin＝10％amax，amax即圖中pgv。

計(jì)算結(jié)果顯示(圖8)，落石能量模擬計(jì)算起始時(shí)間t1＝194s、493s、596.7s、對(duì)應(yīng)振幅a1＝0.3、0.3、0.2，落石能量模擬計(jì)算結(jié)束時(shí)間t2＝196.5s、496s、598.8s，對(duì)應(yīng)振幅a2＝0.2、0.35、0.1，落石滾落周期dur＝2.5s、3s、2.1s。

圖7是落石1#事件sta/lta算法結(jié)果圖，圖8是落石2#事件sta/lta算法結(jié)果圖，圖9是落石3#事件sta/lta算法結(jié)果圖。

步驟s5a2、計(jì)算落石規(guī)模

計(jì)算得到時(shí)刻t1～時(shí)刻t的均方根振幅e(t)＝317.9、413.9、161.5、噪聲水平e0＝0.0625、0.0977、0.0225，落石滾落釋放能量規(guī)模ae＝794.18j、1240.7j、338.9j。

表1實(shí)施例一落石判別

實(shí)施例二

如圖10所示，用本發(fā)明方法在某鐵路沿線某落石易發(fā)處監(jiān)測(cè)列車通行情況。本實(shí)施方式中與實(shí)施例一中相同的步驟s1～步驟s31內(nèi)容不再重復(fù)。自步驟s32處起記錄數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

步驟s32、信號(hào)判識(shí)

由步驟s31所得頻率-振幅信號(hào)計(jì)算得到頻率-能量信號(hào)，設(shè)置能量比值閾值re＝80％。

計(jì)算得到在時(shí)間4.2s處，振動(dòng)頻率范圍0hz～500hz的能量＝2150、全部信號(hào)能量值＝3000，能量比值＝71.7％＜re，判識(shí)為ii級(jí)行車振動(dòng)信號(hào)，記錄時(shí)間刻值t22＝4.2s，退出步驟s32進(jìn)入步驟s4。

步驟s4、振動(dòng)信號(hào)ⅲ級(jí)判識(shí)

步驟s41、stft變換

將濾波后信號(hào)進(jìn)行stft變換，得到自時(shí)刻值t22起的時(shí)間-頻率-能量信號(hào)(圖10)。

進(jìn)入步驟s42。

步驟s42、信號(hào)判識(shí)

設(shè)置能量擬合閾值lsf2是擬合系數(shù)集合內(nèi)60％及以上的擬合系數(shù)≥-3。

自時(shí)間刻值t22起沿時(shí)間軸向右選取時(shí)間-頻率點(diǎn)，并計(jì)算已選取的時(shí)刻-頻率點(diǎn)的能量值均值，進(jìn)行信號(hào)判識(shí)。結(jié)果如圖8顯示，時(shí)間4.4s～7.5s是振動(dòng)起止時(shí)間。對(duì)該區(qū)間的時(shí)間-頻率點(diǎn)的能量值進(jìn)行最小二乘擬合，并比較擬合系數(shù)集合與能量擬合閾值的關(guān)系。結(jié)果顯示，該區(qū)間信號(hào)持續(xù)時(shí)間75％擬合系數(shù)<-3，滿足能量擬合閾值lsf2，判識(shí)為ⅲ級(jí)行車振動(dòng)信號(hào)，并確認(rèn)列車在時(shí)刻t32＝4.5s開始通行。

進(jìn)入步驟5b。

步驟s5b、行車通行起止判識(shí)

根據(jù)前期試驗(yàn)，設(shè)置列車行車振幅閾值al是列車空載狀態(tài)下以30km/h行駛時(shí)振動(dòng)傳感器測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)幅值＝400。

信號(hào)分析顯示(圖9)，在時(shí)刻7.6s時(shí)，振幅＝390＜al，確定為行車結(jié)束時(shí)間t4＝7.6s。列車行車通過(guò)3.1s。

進(jìn)入步驟s6。

步驟s6、行車通行狀態(tài)判識(shí)

自時(shí)刻值t32起沿時(shí)間軸向右選取時(shí)間-頻率點(diǎn)并對(duì)所選取時(shí)間-頻率點(diǎn)的振幅值進(jìn)行最小二乘擬合，每當(dāng)擬合系數(shù)小于0時(shí)計(jì)數(shù)加1，并且繼續(xù)沿時(shí)間軸向右移動(dòng)擬合直到時(shí)刻值t4；最終計(jì)數(shù)為n，車廂節(jié)數(shù)＝(n+1)/2。結(jié)果表明，在時(shí)間4.6s處，擬合系數(shù)為-1.5、小于0，始計(jì)數(shù)1。直到時(shí)刻值t4處，共計(jì)數(shù)n＝17，得到車廂節(jié)數(shù)＝(n+1)/2＝7。

根據(jù)車廂節(jié)數(shù)9與單節(jié)列車車廂長(zhǎng)度25m計(jì)算得到列車總長(zhǎng)度為225m，根據(jù)列車總長(zhǎng)度與行車通行時(shí)間計(jì)算得到列車行車速度為72.6km/h。結(jié)果顯示，列車通過(guò)時(shí)運(yùn)行正常。