铁道沿线落石与行车信号分类分级判断识别方法技术

针对现有技术对铁道沿线振动信号中的信息提取利用有限，其多重阈值的技术手段对提高判别准确性效果有限的缺陷，本发明专利技术提供了一种铁道沿线落石与行车信号分级判断识别方法。本方法运算中心将原始信号后依照去噪处理、振幅指标的信号I级判识、基于FFT变换的信号II级判识、基于STFT变换的信号Ⅲ级判识的步骤实施，最终判断落石与行车是否发生。本发明专利技术还公开了落石能量规模计算方法、行车通行状态监测方法。本发明专利技术将振幅分析、能量分析、频率分析结合一体，并通过在不同判识级别层面上采用不用的信号分析指标与分析方法，实现提高判识准确度。本发明专利技术原理可靠，计算过程科学简便，实施仪器简单，安装方便，测算结果精度高，特别适用于工程领域的需要。

【技术实现步骤摘要】
铁道沿线落石与行车信号分类分级判断识别方法
本专利技术涉及一种振动信号分类分级判断识别方法，尤其是一种涉及铁道沿线落石与列车通行信号的分类、分级判识方法，属于振动信号监测测量
、交通信号控制领域。
技术介绍
振动信号是指由非静止物体所产生的信号。由于非静止状态是物体的绝对状态，因而振动特性及产生的振动信号成为物体的固有特性。在受激发状态下，若振动源的激励与物体的固有特性参数相同或接近时，会产生各个频率特征信息的叠加所致的共振响应。振动信号的时域特征主要体现在振幅、周期、相位等特性上，其频域特征则主要表现在频率、能量信息中。由于不同物体具有其特征性的振动信号，同一物体在不同状态下也表现出不同特征性的振动信号，因此，通过提取并分析振动信号中原始或经由变换产生的各种特征信息，可以反向演算定位发生振动的物体本身，以及其运动状态。申请公布号为CN102079319A的中国专利技术专利申请公开了一种铁路落石预警方法，其技术方案包括如下步骤：提供随铁轨振动产生应变的光纤光栅，利用光纤光栅解调仪器获取反映从光纤光栅反射回的光的波长变化的电信号，基于电信号获取从光纤光栅反射回的光的波长变化信息，和基于该波长变化信息确定是否发出报警。其目的是利用光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻的优点。尽管该方法设置了第一阈值和第二阈值用以检测铁路落石发生，根据振幅与阈值的大小关系、振幅变化速度来判断铁道落石发生与否。但其缺陷在于多重阈值判别指标只有光纤光栅反射回的光的波长变化的电信号振幅唯一指标，因而对振动信号中的振动信息提取利用有限，其采用多重阈值的技术手段对于提高判别结果准确性的裨益也同样有限。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种铁道沿线落石与行车信号分级判断识别方法，以实现利用振动信号分析对铁道沿线的落石危害、行车安全加以判识的技术目的。其技术方案如下：一种铁道沿线落石与行车信号分级判断识别方法，在铁道沿线潜在落石发生位点布置振动传感器实时采集、传输原始信号至运算中心，运算中心获得原始时间-振幅信号并依如下步骤实施：步骤S1、去噪处理滤除原始信号中的直流成分、长周期偏移、低频异常，得到滤波后信号，进入步骤S2；步骤S2、振动信号I级判识设置振幅阈值As，当滤波后信号振幅≥As时，判识为I级振动信号，记录该点时刻值T1，进入步骤S3；所述振幅阈值As通过落石振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的落石振动振幅变化特征确定；其特征在于：步骤S3、振动信号II级判识步骤S31、FFT变换将滤波后信号进行FFT变换，得到自时刻值T1起的频率-振幅信号，进入步骤S32；步骤S32、信号判识由步骤S31所得频率-振幅信号计算得到频率-能量信号，计算能量比值；所述能量比值是频率-能量信号中0Hz～500H频率范围内信号能量值与全部信号能量值的比值；若能量比值≥能量比值阈值RE，判识为II级落石振动信号，记录时间刻值T21，退出步骤S32进入步骤S4；若能量比值＜能量比值阈值RE，判识为II级行车振动信号，记录时间刻值T22，退出步骤S32进入步骤S4；所述能量比值阈值RE＝80％～90％；步骤S4、振动信号Ⅲ级判识步骤S41、STFT变换将滤波后信号进行STFT变换，得到自时刻值T21或T22起的时间-频率-能量信号，进入步骤S42；步骤S42、信号判识自时间刻值T21或T22起沿时间轴向右选取时间-频率点，并计算已选取的时刻-频率点的能量值均值，当能量值均值≥能量均值阈值A0时判定为振动发生，继续沿时间轴向右选取时间-频率点，当连续2s内的能量值均值＜A0时，判断为振动结束，能量值均值阈值A0＝(1.5As)2；对振动起止时间内的时间-频率点的能量值进行最小二乘拟合，得到该次振动期间的拟合系数集合；若拟合系数集合满足能量拟合阈值LSF1时，判识为Ⅲ级落石振动信号，确定落石发生时刻T31是能量值均值≥能量均值阈值A0的时刻；若拟合系数集合满足能量拟合阈值LSF2时，判识为Ⅲ级行车振动信号，确定行车通过发生时刻T32是能量值均值＜能量均值阈值A0的时刻；所述能量拟合阈值LSF1是拟合系数集合内60％及以上的拟合系数≤-3，所述能量拟合阈值LSF2是拟合系数集合内60％及以上的拟合系数＞-3；根据Ⅲ级落石振动信号判识结果判断落石是否发生，根据Ⅲ级行车振动信号判识结果判断是否行车。上述铁道沿线落石与行车信号分级判断识别方法的基本技术构思包括两方面：一方面从振动信号中分别筛选出落石振动信号与行车振动信号两种监测对象，判识其是否发生；另一方面对传感器采集的振动信号经滤波后进行依振幅、依频率－能量等的分级判识，逐级提高分析判识结果精度。为实现通过逐级判识提高判识精度的目的，本专利技术技术方案采用对振动信号中时域内的振幅信息与频域内的频率、能量信息进行分步运算的方式。分级判识中，对滤波去噪后的滤波后振动信号采用三级判断识别：(1)I级判识是振动幅值判识。振幅是振动信号在时域中最基本的振动特征参数，采用振动判识，可以初步判识该状态下是否有高量级震动事件引起信号的突变，排除基本的背景噪声。通过设定振动幅值的下限阈值，初步判识该时刻是否有列车经过或者落石事件发生。但振幅判识方法过于粗略，仅能定性判识事件的大概可能性，因而采用振幅判识振动信号存在将背景噪声、仪器本身误差误判为有效事件的缺点，为克服此缺陷，需要信号处理进一步定量判识。(2)II级判识是基于FFT变换的频域频率-能量判识。FFT变换的典型用途是将信号分解成频率-幅度谱，这样我们就可以知道震动信号的各个频率成分及其幅度，进而获取信号在各个频率范围内的能量分布情况。通过FFT的定量分析，能定量获得事件信号的各频率范围的能量分布情况，再用列车信号、落石信号的频率-能量特征甄别，判识出落石事件或者列车事件。II级判识能够通过FFT变换可以在得到震动信号的频率分布，能够定量获取事件信号主要成分集中的频率范围，但该方法缺失了信号的时间信息，仅为信号的频率-能量信息缺陷，因此需要进一步的Ⅲ级判识。(3)Ⅲ级判识是基于STFT变换的频率-能量判识。STFT变换是一种二维时频变换，可以得到震动信号在时间-频率域的能量分布，不同事件的震动信号在时间-频率域有明显区别，可以通过定量计算震动信号在时间-频率域能量的分布范围和强度进行判识。通过Ⅲ级判识STFT的定量分析，能定量获得振动事件信号的各频率范围的能量分布情况，再用列车信号、落石信号的频率-能量特征甄别，判识出事件的类型(即落石事件或者行车事件)以及时间特征。本技术方案在对振动信号的逐级判断识别中，每一级的判识都采用阈值比对的基本方法。I级判识依据振幅阈值As，II级判识依据能量比值阈值RE，Ⅲ级判识依据能量均值阈值A0、能量拟合阈值等。这些阈值都是通过前期的落石或行车振动试验结果分析得出的，或者根据落石或行车振动历史资料记录统计分析得出的。为实现筛选出落石振动信号与行车振动信号两种监测对象的目的，技术方案主要通过两类技术手段：一是阈值设置时对两者的振幅类阈值、能量类阈值、频率类阈值进行分别设置或依条件择一设置；二是对信号进行以频率分区为基础的分析运算。一般地，步骤S1中，采用6阶～10阶的FIR对原始时间-振幅信号去噪。振幅本文档来自技高网...

【技术保护点】
铁道沿线落石与行车信号分级判断识别方法，在铁道沿线潜在落石发生位点布置振动传感器实时采集、传输原始信号至运算中心，运算中心获得原始时间‑振幅信号并依如下步骤实施：步骤S1、去噪处理滤除原始信号中的直流成分、长周期偏移、低频异常，得到滤波后信号，进入步骤S2；步骤S2、振动信号I级判识设置振幅阈值As，当滤波后信号振幅≥As时，判识为I级振动信号，记录该点时刻值T1，进入步骤S3；所述振幅阈值As通过落石振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的落石振动振幅变化特征确定；其特征在于：步骤S3、振动信号II级判识步骤S31、FFT变换将滤波后信号进行FFT变换，得到自时刻值T1起的频率‑振幅信号，进入步骤S32；步骤S32、信号判识由步骤S31所得频率‑振幅信号计算得到频率‑能量信号，计算能量比值；所述能量比值是频率‑能量信号中0Hz～500H频率范围内信号能量值与全部信号能量值的比值；若能量比值≥能量比值阈值RE，判识为II级落石振动信号，记录时间刻值T21，退出步骤S32进入步骤S4；若能量比值＜能量比值阈值RE，判识为II级行车振动信号，记录时间刻值T22，退出步骤S32进入步骤S4；所述能量比值阈值RE＝80％～90％；步骤S4、振动信号Ⅲ级判识步骤S41、STFT变换将滤波后信号进行STFT变换，得到自时刻值T21或T22起的时间‑频率‑能量信号，进入步骤S42；步骤S42、信号判识自时间刻值T21或T22起沿时间轴向右选取时间‑频率点，并计算已选取的时刻‑频率点的能量值均值，当能量值均值≥能量均值阈值A0时判定为振动发生，继续沿时间轴向右选取时间‑频率点，当连续2s内的能量值均值＜能量均值阈值A0时，判断为振动结束，能量值均值阈值A0＝(1.5As)...

【技术特征摘要】
1.铁道沿线落石与行车信号分级判断识别方法，在铁道沿线潜在落石发生位点布置振动传感器实时采集、传输原始信号至运算中心，运算中心获得原始时间-振幅信号并依如下步骤实施：步骤S1、去噪处理滤除原始信号中的直流成分、长周期偏移、低频异常，得到滤波后信号，进入步骤S2；步骤S2、振动信号I级判识设置振幅阈值As，当滤波后信号振幅≥As时，判识为I级振动信号，记录该点时刻值T1，进入步骤S3；所述振幅阈值As通过落石振动试验结果和/或历史资料数据统计结果得出的落石振动振幅变化特征确定；其特征在于：步骤S3、振动信号II级判识步骤S31、FFT变换将滤波后信号进行FFT变换，得到自时刻值T1起的频率-振幅信号，进入步骤S32；步骤S32、信号判识由步骤S31所得频率-振幅信号计算得到频率-能量信号，计算能量比值；所述能量比值是频率-能量信号中0Hz～500H频率范围内信号能量值与全部信号能量值的比值；若能量比值≥能量比值阈值RE，判识为II级落石振动信号，记录时间刻值T21，退出步骤S32进入步骤S4；若能量比值＜能量比值阈值RE，判识为II级行车振动信号，记录时间刻值T22，退出步骤S32进入步骤S4；所述能量比值阈值RE＝80％～90％；步骤S4、振动信号Ⅲ级判识步骤S41、STFT变换将滤波后信号进行STFT变换，得到自时刻值T21或T22起的时间-频率-能量信号，进入步骤S42；步骤S42、信号判识自时间刻值T21或T22起沿时间轴向右选取时间-频率点，并计算已选取的时刻-频率点的能量值均值，当能量值均值≥能量均值阈值A0时判定为振动发生，继续沿时间轴向右选取时间-频率点，当连续2s内的能量值均值＜能量均值阈值A0时，判断为振动结束，能量值均值阈值A0＝(1.5As)2；对振动起止时间内的时间-频率点的能量值进行最小二乘拟合，得到该次振动期间的拟合系数集合；若拟合系数集合满足能量拟合阈值LSF1时，判识为Ⅲ级落石振动信号，确定落石发生时刻T31是能量值均值≥能量均值阈值A0的时刻；若拟合系数集合满足能量拟合阈值LSF2时，判识为Ⅲ级行车振动信号，确定行车通过发生时刻T32是能量值均值＜能量均值阈值A0的时刻；所述能量拟合阈值LSF1是拟合系数集合内60％及以上的拟合系数≤-3，所述能量拟合阈值LSF2是拟合系数集合内60％及以上的拟合系数＞-3；根据Ⅲ级落石振动信号判识结果判断是否发生落石，根据Ⅲ级行车振动信号判识结果判断是否是列车通行。2.利用权利要求1所述的铁道沿线落石与行车信号分级判断识别方法实现的落石能量规模计算方法，其特征在于：在所述步骤S42中，判识为Ⅲ级落石振动信号后，记录时间刻值T31，退出步骤S42进入步骤S5A；步骤S5A、落石能量规模计算方法；步骤S5A1、能量模拟计算起止时间判识采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏志满，严炎，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51