[發(fā)明專利]一種基于小波包能量熵的鋼軌波磨故障檢測方法

在審

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• 申請日: 2017-07-01
• 公開（公告）號(hào): CN107423692A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董偉;邢宗義
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06K9/00
• 分類號(hào): G06K9/00;G01B17/04
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心32203
• 代理人: 薛云燕

技術(shù)領(lǐng)域

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包能量熵的鋼軌波磨故障檢測方法。

背景技術(shù)

軌道作為承載列車運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其狀態(tài)密切影響著列車的安全運(yùn)行。在日常的運(yùn)行過程中，軌道不斷受到輪對的沖擊和壓迫，會(huì)出現(xiàn)橫向和垂向的形變，嚴(yán)重的形變會(huì)對列車的安全運(yùn)行造成巨大的危害，所以要求能夠及時(shí)檢測出鋼軌波磨故障。

列車經(jīng)過軌道不平順線路時(shí)將引起列車激振，而軸箱與車體剛性連接，因此軸箱上的振動(dòng)信號(hào)將保留軌道故障信息。自上世紀(jì)70年代以來，國外很多國家就陸續(xù)建立了完善的軌道檢測體系，目前地鐵線路故障檢測大體上可分為靜態(tài)檢測技術(shù)和動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)兩種。靜態(tài)檢測技術(shù)是指軌道在沒有列車載荷情況下，使用道尺、弦線、線路檢查儀等檢測工具或設(shè)備對軌道進(jìn)行檢測。動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)是指在負(fù)載情況下對軌道進(jìn)行狀態(tài)檢測，目前主要的檢測方法有：專用軌檢車檢測以及基于運(yùn)營車輛的車載式線路檢查儀。目前我國自主研發(fā)的GJ-3、GJ-4和GJ-5型軌檢車的。GJ-5型軌檢車采用較為先進(jìn)的機(jī)器視覺測量方法，同GJ-3及GJ-4相比其不管在檢測項(xiàng)目和檢測精度上都有很大提高，且技術(shù)實(shí)力處于當(dāng)今世界領(lǐng)先水平。基于運(yùn)營車輛的軌道狀況檢測實(shí)際上就是對各種車載信號(hào)的分析，目前國內(nèi)學(xué)者多基于振動(dòng)分析方法或機(jī)器視覺的方式進(jìn)行相應(yīng)故障檢測技術(shù)研究。目前我國現(xiàn)有的機(jī)車車載式線路檢查儀主要有CGD-Ⅱ型線路檢查儀，但是成本較高、需地面單元配合、檢修效率不高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低、效率高的基于小波包能量熵的鋼軌波磨故障檢測方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于小波包能量熵的鋼軌波磨故障檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，在車體的軸箱上安裝振動(dòng)加速度傳感器，獲得軸箱的垂向振動(dòng)加速度信號(hào)和車速；

步驟2，采用低通濾波器對采集的垂向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理；

步驟3，對濾波后的軸箱垂向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行j層小波包分解，將信號(hào)分解成2j個(gè)包含不同頻率帶的子節(jié)點(diǎn)信息；

步驟4，計(jì)算分解后信號(hào)的小波包能量；

步驟5，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的小波包能量熵；

步驟6，計(jì)算分解信號(hào)的總熵并和閾值比較，若總熵超出該閾值，則判斷鋼軌存在波浪型磨耗，否則不存在波浪型磨耗。

作為一種具體方案，步驟2所述的低通濾波器為切比雪夫帶通濾波器，導(dǎo)通頻率為[80Hz,700Hz]。

作為一種具體方案，步驟3所述小波包分解選用的小波基函數(shù)為Daubechise小波，即dbN小波，N為階數(shù)，Daubechise的具體表達(dá)式為：

式中，為二項(xiàng)式系數(shù)。

作為一種具體方案，步驟4所述的計(jì)算分解后信號(hào)的小波包能量，具體步驟如下：

(4.1)設(shè)定步驟3得到的高低頻序列的小波包重構(gòu)系數(shù)為S_jk，k＝0,1,…2^j-1；

(4.2)計(jì)算每個(gè)子序列的小波包能量值E_jk,k＝0,1,…2^j-1：

式中，A_i(t)為該節(jié)點(diǎn)處的幅值最大值，t_i-1和t_i分別是該節(jié)點(diǎn)的起止時(shí)間；

(4.3)計(jì)算總能量值E：

作為一種具體方案，步驟5所述的計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的小波包能量熵，具體步驟為：

(5.1)計(jì)算每個(gè)子節(jié)點(diǎn)能量E_jk相對于總能量E的概率p_jk：

式中，P_jk(i)為第j層分解第k子節(jié)點(diǎn)相對于總能量的概率；

(5.2)求取小波包能量熵測度值，計(jì)算公式如下

式中，H_jk為信號(hào)j層分解后的第k個(gè)小波包能量熵測度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：(1)檢測方式基于運(yùn)營車輛的在線檢測，實(shí)時(shí)性好、檢測方便、成本低，避免了軌檢車的運(yùn)行、維護(hù)和調(diào)度成本；(2)振動(dòng)傳感器安裝簡單方便，能適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境；(3)利用振動(dòng)加速度傳感器在軸箱上采集到的振動(dòng)信號(hào)，通過對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包能量熵分析，實(shí)現(xiàn)對鋼軌波浪型磨損的檢測，具有檢測速度快，適應(yīng)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于小波包能量熵的鋼軌波磨檢測方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明中傳感器安裝示意圖。