[發明專利]一種基于多分類器自適應加權的鋼軌裂紋識別方法

在審

• 申請號: 201710931032.7
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107818335A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 陳旺才;劉文波;朱海霞;張陸唯
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 李玉平

技術領域

本發明涉及一種基于多分類器自適應加權的鋼軌裂紋識別方法，具體是一種應用于多通道漏磁信號的鋼軌裂紋識別方法。

背景技術

高速鐵路的迅速發展，極大地促進了我國國民經濟的發展和民生的改善。鋼軌是鐵路基礎設施的主要構件，在使用中承受著車輪傳導而來的巨大的壓力，因此導致的鋼軌缺陷損傷和材料性能退化等嚴重影響著鐵路的運營安全。實際情況中出現的鋼軌缺陷主要有：車輪滾動接觸造成的疲勞裂紋、內部缺陷、壓潰、側磨、腐蝕、剝離以及道岔和焊縫等特殊部位的材料性能退化等。其中鋼軌表面裂紋是誘發軌頭核傷和軌頭剝離的初始階段缺陷，及時有效地實現對鋼軌表面裂紋的檢測和識別對于保證高鐵的安全運行具有巨大的實際意義。

國內外研究人員采用了包括漏磁檢測在內的多種無損檢測技術，試圖實現鋼軌表面裂紋的在線檢測。鐵磁材料被磁化后，試件表面或近表面缺陷會使磁導率發生變化，導致磁路中的磁通和磁感應線流向改變，部分磁通泄漏到工件表面通過空氣繞過缺陷再進入材料形成漏磁場。漏磁檢測通過磁傳感器獲取漏磁場信息，實現鋼軌表面及近表面缺陷檢測。

相關研究結果表明，充分利用漏磁場的x、y、z三個方向的漏磁信號分量，有利于實現鋼軌表面復雜裂紋缺陷的準確識別。同時對于復雜裂紋的檢測與識別，通常采用多通道三維漏磁傳感器陣列實現對復雜裂紋的全部覆蓋，使得采集到的漏磁信號能夠反映裂紋的全部信息。但是，對于多通道三維漏磁傳感器陣列采集到的漏磁信號而言，如何有效的實現對全部信息的充分利用，是基于多通道三維漏磁信號的鋼軌裂紋識別與檢測的關鍵和難點。

第一個需要解決的問題，對于同一通道的三個不同方向的漏磁信號的融合問題；第二個需要解決的問題，對于不同通道的漏磁信號的融合問題。問題一的常用解決方法主要是對同一通道的三個不同方向的漏磁信號進行簡單的拼接處理后進行特征提取，或者分別對三個不同方向的漏磁信號做特征提取后進行特征向量的組合；問題二的常用解決方法是對不同通道的漏磁信號進行融合決策識別，其中最常用的融合決策策略就是簡單投票法和加權投票法。

需要指出的是，以上兩個問題的常用解決方法存在以下問題。首先是同一通道的不同方向的漏磁信號的融合方法缺乏有效的理論指導，另外就是簡單的投票決策融合識別的有效性，以及加權投票融合識別中有效的權值確定是一個難題。

本發明基于不同分類器對同一樣本具有不同的分類能力、不同樣本對同一分類器表現不同的可分性的思想，提出一種自適應多分類器加權算法來進行基于多通道三維漏磁信號的鋼軌裂紋識別。首先利用SVM對不同通道不同方向的漏磁信號進行分類，然后利用不同分類器的后驗概率計算得到的熵的大小進行自適應權重的分配，最后基于加權融合投票的策略對不同分類器的分類結果進行融合得到鋼軌裂紋種類的綜合決策與識別。實驗結果表明，基于多分類器自適應加權的鋼軌裂紋識別方法在訓練樣本數較少和漏磁信號通道數較少的情況下具有良好的識別效果。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種新的基于多通道三維漏磁信號的鋼軌裂紋識別方法——基于多分類器自適應加權的鋼軌裂紋識別方法，在回避了同一通道不同方向漏磁信號的融合問題的基礎上，實現了多通道融合決策識別的權重的自適應確定。相較于簡單投票法，本方法在小訓練樣本和小的通道數的條件下具有更好的識別效果。

技術方案：一種基于多分類器自適應加權的鋼軌裂紋識別方法，包括如下步驟：

步驟1：對不同通道不同方向的漏磁信號進行時域、頻域和時頻域特征的提取，并將以上特征組合生成特征向量；

步驟2：按步驟1提取不同通道不同方向的漏磁信號的訓練樣本特征向量，分別訓練不同通道不同方向漏磁信號對應的SVM分類器；

步驟3：對于未知類別的鋼軌裂紋，將其對應的不同通道不同方向的漏磁信號按照步驟1提取測試樣本特征向量，分別送入步驟2中對應通道對應方向的訓練好的SVM分類器中，得到該鋼軌裂紋在不同SVM分類器下屬于不同類別的后驗概率值；

步驟4：利用步驟3中基于不同通道不同方向漏磁信號得到的該裂紋屬于不同種類裂紋的后驗概率，計算不同分類器的香農熵，依次衡量該SVM分類器對于該裂紋的可分性能力的大小，并以此計算不同分類器融合識別時的融合權重的大小；

步驟5：利用步驟4中得到的不同分類器的融合權重大小，對多分類器的鋼軌裂紋識別結果進行自適應加權融合識別，得到基于多分類器自適應加權的鋼軌裂紋識別結果。

有益效果：與現有技術相比，本發明采用上述技術方案具有如下有益效果：