一種基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法。步驟如下：首先在車體的軸箱上安裝振動加速度傳感器和和旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器，獲得軸箱的垂向、橫向振動加速度以及車速，并采用低通濾波器進行濾波處理；其次根據(jù)過濾后的信號的小波能量尺度圖，濾除車輪扁疤在垂向振動信號中可能引起的重復(fù)峰值；然后通過小波能量譜分析定位能量激振點，并分析軌道表面凹陷引起的振動信號頻率變換范圍；最后選擇合適的頻率尺度，計算與軌道表面凹陷有關(guān)的頻率范圍內(nèi)的尺度平均小波能量譜，并設(shè)定尺度平均小波能量譜中的軌道表面凹陷檢測閾值，通過該閾值判斷軌道表面是否存在凹陷。本發(fā)明成本低、工程實施簡單方便，能夠為軌道的維護提供有效的指導(dǎo)。
【專利說明】
_種基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及鐵路軌道狀態(tài)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于小波分析的軌道表面凹 陷檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 軌道是城軌交通運輸?shù)闹匾M成部分，在日常列車運營過程中，隨著列車輪對的 反復(fù)壓迫和沖擊，軌道將出現(xiàn)垂向和橫向的動態(tài)形變和永久形變，從而處于不平順的狀態(tài)。 列車運營過程中，軌道存在不平順情況是引起列車異常振動的首要原因，軌道不平順對列 車的振動影響情況與其波長有關(guān)，長波不平順將引起乘客不適，降低運營公司的運營水平， 而短波不平順將引起輪軌作用力激增，使得列車振動加劇，降低列車零部件壽命。軌道表面 凹陷作為最危險的軌道短波不平順之一，嚴(yán)重情況下將使軌道磨損，危及行車安全。
[0003] 國內(nèi)外軌道檢測技術(shù)主要分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩種。靜態(tài)檢測指在沒有車輪 載荷情況下通過人工、輕型測量小車對軌道進行檢測，而動態(tài)檢測主要指在列車車輪載荷 作用下通過添乘儀、軌道檢測車等設(shè)備對軌道進行檢測。靜態(tài)檢測工具主要有軌距尺、弦線 和軌檢小車。動態(tài)檢測工具主要有添乘儀、軌道檢查車兩種。目前，軌道檢查車是現(xiàn)行軌道 日常檢測的主要方式。
[0004] 軌道檢查車按照檢測方法又可以分為弦測法、機器視覺法和慣性基準(zhǔn)法三類?；?于弦測法的軌檢車檢測項目相對少，檢測精度低;基于機器視覺法的軌檢車測量精度較高， 但造價昂貴，設(shè)備維修成本高;慣性基準(zhǔn)法通過在運營列車上安裝振動傳感器即可實現(xiàn)軌 道檢測，測量復(fù)雜度低，但測量穩(wěn)定性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、工程實施簡單方便的基于小波分析的軌道表 面凹陷檢測方法，基于在軸箱上采集到的振動信號，通過小波能量譜分析，實現(xiàn)對軌道表面 凹陷的檢測。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方 法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，在車體的軸箱上安裝振動加速度傳感器和旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器，獲得軸箱 的垂向振動加速度信號、橫向振動加速度信號以及車速；
[0008] 步驟2,采用低通濾波器對采集的垂向振動加速度信號和橫向振動加速度信號進 行濾波處理，去除噪聲的高頻干擾；
[0009] 步驟3,根據(jù)濾波處理后信號的小波能量尺度圖，濾除車輪扁疤在垂向振動加速度 信號中引起的重復(fù)峰值；
[0010] 步驟4,通過小波能量譜分析定位能量激振點，并分析軌道表面凹陷引起的振動信 號頻率變換范圍；
[0011] 步驟5,根據(jù)步驟4的分析結(jié)果選擇頻率尺度，計算與軌道表面凹陷有關(guān)的頻率范 圍內(nèi)的尺度平均小波能量譜；
[0012] 步驟6,設(shè)定尺度平均小波能量譜中的軌道表面凹陷檢測閾值，找出尺度平均小波 能量譜中的最大值，如果該值超出閾值，則該處軌道表面存在凹陷。
[0013] 進一步地，步驟2所述的低通濾波器為巴特沃斯濾波器，截止頻率為2000Hz。
[0014] 進一步地，步驟3所述的小波能量尺度圖和步驟4所述的小波能量譜中選用的小波 基函數(shù)均為Mexican Hat小波，Mexican Hat小波Φ(?)的具體表達式為：
[0015] (//(〇 = ew(l-r>0-)
[0016] 式中，ω Q為角頻率，j表示虛數(shù)，t表示時間，對iKt)進行伸縮和平移，得到連續(xù)小 波肊,"!:）：
(2)
[0018] 式中，a表示尺度因子，b表示平移因子，且a, beR, a辛0。
[0019] 進一步地，步驟3所述濾除車輪扁疤在垂向振動加速度信號中引起的重復(fù)峰值，具 體步驟如下：
[0020] (3.1)對過濾后的振動加速度信號進行連續(xù)小波變換，得到小波變換系數(shù)WTf(a， b)：
[0022] 式中 是小波基函數(shù)軌b(t)的共輒函數(shù)，f⑴表示振動加速度信號；
[0023] (3.2)根據(jù)小波變換系數(shù)WTf (a，b)確定信號小波能量尺度圖，因為信號的小波變 換能量在時域和小波域均是守恒的，則有：
(4)
[0025] 式中
|WTf(a，b)|2即為信號小波能量尺度圖；
[0026] (3.3)通過對比垂向振動加速度信號和橫向振動加速度信號的小波能量尺度圖， 確定車輪扁疤故障在垂向振動加速度信號時域中出現(xiàn)的位置區(qū)間；
[0027] (3.4)根據(jù)步驟(3.3)中確定的車輪扁疤故障出現(xiàn)的區(qū)間，對垂向振動加速度信號 進行區(qū)間時域濾波，濾除車輪扁疤在垂向振動加速度信號中引起的重復(fù)峰值。
[0028] 進一步地，步驟4所述通過小波能量譜分析定位能量激振點，并分析軌道表面凹陷 引起的振動信號頻率變換范圍，具體步驟如下：
[0029] (4.1)將步驟(3.2)中確定的信號小波能量尺度函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成如下形式：
[0030] Π·[/^2 汾=廣￡(/初） (5)
[0031 ]式中，瓦_ = /α2?/α稱為時間-小波能量譜；
[0032] (4.2)將式(5)寫成如下形式：
[0033] \Z\fitfdt = av-XCa-2E{a)ia (6)
[0034] 式中，￡(") =廣/1訂/如,/，)|%//7稱為尺度-小波能量譜。
[0035] 進一步地，步驟5所述計算與軌道表面凹陷有關(guān)的頻率范圍內(nèi)的尺度平均小波能 量譜，具體為：
σ)
[0037] 式中j表示平移因子的尺度標(biāo)號，么表示最小尺度，」2表示最大尺度，3」為尺度步 長，心為平移因子時間步長，(?是一個與小波基函數(shù)有關(guān)的常量，對于Mexican Hat小波，CS =0.866〇
[0038] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是：（1)成本低，避免了軌檢車的運行、維護和 調(diào)度成本；（2)振動傳感器安裝簡單方便，且能適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境；（3)采用小波能量 譜分析，監(jiān)測結(jié)果可信度較高，能夠為軌道的維護提供有效的指導(dǎo)；（4)避免了車輪扁疤故 障對軌道表面凹陷檢測的影響。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法的流程圖。
[0040] 圖2為本發(fā)明中傳感器安裝示意圖。
[0041] 圖3為實施例中軸箱振動信號圖，其中（a)為軸箱垂向振動信號圖，（b)為軸箱橫向 振動信號圖。
[0042] 圖4為實施例中軸箱振動信號尺度圖，其中（a)為軸箱垂向振動信號尺度圖，（b)為 軸箱橫向振動信號尺度圖。
[0043] 圖5為實施例中去除重復(fù)峰值后的軸箱垂向振動信號尺度圖。
[0044] 圖6為實施例中軸箱振動信號時間-小波能量譜圖，其中（a)為軸箱垂向振動信號 時間-小波能量譜圖，（b)為軸箱橫向振動信號時間-小波能量譜圖。
[0045] 圖7為實施例中軸箱振動信號尺度-小波能量譜圖，其中（a)為軸箱垂向振動信號 尺度-小波能量譜圖，（b)為軸箱橫向振動信號尺度-小波能量譜圖。
[0046] 圖8為實施例中軸箱振動信號尺度平均小波能量譜圖，其中（a)為軸箱垂向振動信 號尺度平均小波能量譜圖，（b)為軸箱橫向振動信號尺度平均小波能量譜圖。
【具體實施方式】
[0047] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0048] 結(jié)合圖1，本發(fā)明中的軌道表面凹陷檢測方法，具體包含以下步驟：
[0049] 步驟1，如圖2所示，在車體的軸箱上安裝振動加速度傳感器和旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感 器，獲得軸箱的垂向振動加速度信號、橫向振動加速度信號以及車速。
[0050] 步驟2,采用低通濾波器對采集的垂向振動加速度信號和橫向振動加速度信號進 行濾波處理，保留與軌道表面凹陷有關(guān)的信息，去除噪聲等高頻干擾。軌道表面凹陷引起的 軸箱振動信號頻率集中在2000Hz以下，故選取巴特沃斯濾波器濾除2000Hz以上的高頻信 號，保留與軌道表面凹陷有關(guān)信息。
[0051] 步驟3,根據(jù)濾波處理后信號的小波能量尺度圖，濾除車輪扁疤在垂向振動加速度 信號中引起的重復(fù)峰值。包括以下步驟：
[0052] (3.1)軸箱振動信號具有非平穩(wěn)性，其頻率成分隨時間是波動變化的，故選擇 Morlet小波作為信號小波分析的小波基函數(shù)，對信號進行連續(xù)小波變換得到小波變換系數(shù) WTf(a，b) Jorlet小波的具體表達式為：
[0053] (1)
[0054] 式中，ω ο為角頻率，j表示虛數(shù)，t表示時間。對iKt)進行伸縮和平移，得到連續(xù)小 波肊,"!:）：
(2)
[0056] 式中a表示尺度因子，b表示平移因子，且a,beR,a辛0。
[0057]對過濾后的振動加速度信號進行連續(xù)小波變換，得到小波變換系數(shù)WTf(a，b):
[0059] 式中是小波基函數(shù)ita,b(t)的共輒函數(shù)，f⑴表示振動加速度信號。
[0060] (3.2)根據(jù)小波變換系數(shù)WTf (a，b)確定信號小波能量尺度圖。因為信號的小波變 換能量在時域和小波域均是守恒的，則有：
(4)
[0062] 式中
，|WTf(a，b)|2為信號小波能量尺度圖。
[0063] (3.3)通過對比垂向振動信號和橫向振動信號的小波能量尺度圖，確定車輪扁疤 故障在垂向振動信號時域中出現(xiàn)的位置區(qū)間。
[0064] (3.4)根據(jù)上一步驟中確定的車輪扁疤故障出現(xiàn)的區(qū)間，對垂向振動信號進行區(qū) 間時域濾波，濾除車輪扁疤在垂向振動信號中引起的重復(fù)峰值。
[0065] 步驟4,通過小波能量譜分析定位能量激振點，并分析軌道表面凹陷引起的振動信 號頻率變換范圍，包括以下步驟：
[0066] (4.1)將步驟(3.2)中確定的信號小波能量尺度函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成如下形式：
[0067] = (5)
[0068] 式中，￡(/))= /滬辦稱為時間-小波能量譜。
[0069] (4.2)將式(5)寫成如下形式：
[0070] \^\f{tfdt = C^l\^a-2E{a)ia (6)
[0071] 式中，f⑷= .Γ:|肝遇稱為尺度-小波能量譜。
[0072] (4.3)根據(jù)時間-小波能量譜和尺度-小波能量譜中能量峰值區(qū)間定位能量激振 點，并分析軌道表面凹陷引起的振動信號頻率變換范圍。
[0073] 步驟5,根據(jù)步驟4的分析結(jié)果，選擇合適的頻率尺度，計算與軌道表面凹陷有關(guān)的 頻率范圍內(nèi)的尺度平均小波能量譜。其中，計算尺度平均小波能量譜具體為：
(?)
[0075] 式中j表示平移因子的尺度標(biāo)號，么表示最小尺度，」2表示最大尺度，3」為尺度步 長，心為平移因子時間步長，(?是一個與小波基函數(shù)有關(guān)的常量，對于Mexican Hat小波，CS =0.866〇
[0076] 步驟6,設(shè)定尺度平均小波能量譜中的軌道表面凹陷檢測閾值，找出尺度平均小波 能量譜中的最大值，如果該值超出閾值，則該處軌道表面存在凹陷。其中，要確定尺度平均 小波能量譜中的軌道表面凹陷檢測閾值，需綜合現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)。
[0077]下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0078] 實施例1
[0079]本實施例采用某地鐵公司A型車軸箱上采集的振動信號，該A型車軸箱振動加速度 傳感器采樣頻率為20KHz。選取其中一段40~50m的實測軸箱垂向振動信號和橫向振動信號 如圖3所示，其中圖3(a)為軸箱垂向振動信號圖，圖3(b)為軸箱橫向振動信號圖，以驗證本 發(fā)明專利中軌道凹陷檢測方法的可靠性，與此同時，由旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器可得振動傳感 器在采集該段信號時列車的運行速度為lOm/s。
[0080] 首先對采用低通濾波器對該段振動信號進行濾波處理，保留與軌道表面凹陷有關(guān) 的信息，去除噪聲等高頻干擾。然后對過濾后的信號進行小波能量譜分析，圖4為對應(yīng)軸箱 振動信號的尺度圖，從圖4(a)可以看出信號存在明顯的四個高小波能量，但是難以區(qū)分軌 道表面凹陷故障和車輪扁疤故障；圖4(b)中，在44m處有一個明顯的高小波能量。對比圖4 (a)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，車輪扁癥故障出現(xiàn)在以41.5m、46.3m和48.2m為中心的區(qū)間中，通過 對這三個時域區(qū)間的軸箱垂向振動信號進行濾波，可以濾除車輪扁疤故障對后續(xù)軌道凹陷 檢測的影響。
[0081] 對于，可通過在頻域濾波或在時域直接去除重復(fù)峰值，以消除車輪扁疤帶來的影 響。圖5為在時域去車輪扁疤引起的重復(fù)峰值信號后，軸箱垂向振動信號的小波能量尺度 圖，從圖中可以看到，由車輪扁疤故障在軸箱垂向振動信號中引起的重復(fù)峰值基本被濾除。 [0082]軸箱振動信號的時間-小波能量譜和尺度-小波能量譜分別如圖6和圖7所示，其中 圖6(a)為軸箱垂向振動信號時間-小波能量譜圖，圖6(b)為軸箱橫向振動信號時間-小波能 量譜圖，圖7(a)為軸箱垂向振動信號尺度-小波能量譜圖，圖7(b)為軸箱橫向振動信號尺 度-小波能量譜圖。從圖7可以看出，軸箱垂向和橫向振動加速度尺度-小波能量譜呈現(xiàn)相似 的尺度能量分布趨勢，分別在239.3Hz和224.6Hz達到能量幅值，能量主要集中在200-400Hz〇
[0083]最后選擇頻率尺度范圍為[200Hz 400Hz]，計算該頻率范圍內(nèi)的尺度平均小波能 量譜，此區(qū)間內(nèi)的尺度平均小波能量譜如圖8所示，其中圖8(a)為軸箱垂向振動信號尺度平 均小波能量譜圖，圖8(b)為軸箱橫向振動信號尺度平均小波能量譜圖。在本實施例中，選擇 0.5m 2/s4作為檢測閾值，圖8中虛線表示判斷閾值，紅色星點表示最大的尺度平均小波能量 譜，可見圖中最大值超出閾值，表明該處存在軌道表面凹陷。
【主權(quán)項】
1. 一種基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，在車體的軸箱上安裝振動加速度傳感器和旋轉(zhuǎn)脈沖測速傳感器，獲得軸箱的垂 向振動加速度信號、橫向振動加速度信號以及車速； 步驟2,采用低通濾波器對采集的垂向振動加速度信號和橫向振動加速度信號進行濾 波處理，去除噪聲的高頻干擾； 步驟3,根據(jù)濾波處理后信號的小波能量尺度圖，濾除車輪扁疤在垂向振動加速度信號 中引起的重復(fù)峰值； 步驟4,通過小波能量譜分析定位能量激振點，并分析軌道表面凹陷引起的振動信號頻 率變換范圍； 步驟5,根據(jù)步驟4的分析結(jié)果選擇頻率尺度，計算與軌道表面凹陷有關(guān)的頻率范圍內(nèi) 的尺度平均小波能量譜； 步驟6,設(shè)定尺度平均小波能量譜中的軌道表面凹陷檢測閾值，找出尺度平均小波能量 譜中的最大值，如果該值超出閾值，則該處軌道表面存在凹陷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法，其特征在于，步驟2 所述的低通濾波器為巴特沃斯濾波器，截止頻率為2000Hz。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法，其特征在于，步驟3 所述的小波能量尺度圖和步驟4所述的小波能量譜中選用的小波基函數(shù)均為Mexican Hat 小波，Mexican Hat小波Φ(?)的具體表達式為：(1) 式中，ω〇為角頻率，j表示虛數(shù)，t表示時間，對Mt)進行伸縮和平移，得到連續(xù)小波!^ (t)：(2) 式中，a表示尺度因子，b表示平移因子，且a，beR，a辛0。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法，其特征在于，步驟3 所述濾除車輪扁疤在垂向振動加速度信號中引起的重復(fù)峰值，具體步驟如下： (3.1) 對過濾后的振動加速度信號進行連續(xù)小波變換，得到小波變換系數(shù)WTf(a，b):式中乂i, (〇是小波基函數(shù)隊,b (t)的共輒函數(shù)，f (t)表示振動加速度信號； (3.2) 根據(jù)小波變換系數(shù)WTf(a，b)確定信號小波能量尺度圖，因為信號的小波變換能量 在時域和小波域均是守恒的，則有：(3.3) 通過對比垂向振動加速度信號和橫向振動加速度信號的小波能量尺度圖，確定 車輪扁疤故障在垂向振動加速度信號時域中出現(xiàn)的位置區(qū)間； (3.4)根據(jù)步驟(3.3)中確定的車輪扁疤故障出現(xiàn)的區(qū)間，對垂向振動加速度信號進行 區(qū)間時域濾波，濾除車輪扁疤在垂向振動加速度信號中引起的重復(fù)峰值。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法，其特征在于，步驟4 所述通過小波能量譜分析定位能量激振點，并分析軌道表面凹陷引起的振動信號頻率變換 范圍，具體步驟如下： (4.1) 將步驟(3.2)中確定的信號小波能量尺度函數(shù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成如下形式：式中稱為時間-小波能量譜； (4.2) 將式(5)寫成如下形式：(6) 式cI稱為尺度-小波能量譜。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波分析的軌道表面凹陷檢測方法，其特征在于，步驟5 所述計算與軌道表面凹陷有關(guān)的頻率范圍內(nèi)的尺度平均小波能量譜，具體為：(7) 式中j表示平移因子的尺度標(biāo)號，么表示最小尺度，j2表示最大尺度，心為尺度步長，心為 平移因子時間步長，(?是一個與小波基函數(shù)有關(guān)的常量，對于Mexican Hat小波，Cs = O.866。
【文檔編號】B61K9/08GK106018557SQ201610609604
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】楊靜, 邢宗義
【申請人】南京理工大學(xué)