轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测方法及装置，方法包括：对采集到的轨道几何检测数据进行高通滤波处理，生成滤除趋势项的轨道几何不平顺数据；对轨道几何不平顺数据进行运行速度的概率统计确定车辆进出站区段，将车辆进出站区段的几何不平顺数据置零；根据轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨道加宽区段，将轨道加宽区段的轨距和轨向不平顺数据置零；根据轨道几何不平顺数据中的单边轨距确定轨距拉直线区段，将轨距拉直线区段的不平顺数据置零。针对不同类型的轨道几何数据及其异常值的特征，采用不同处理流程，滤除轨道几何检测中的非脉冲异常数据，为轨道超限判断、轨道特征参数计算和轨道状态评判提供可靠的数据支撑。
【专利说明】轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数据处理技术，具体的讲是一种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据 的检测方法及装置。
【背景技术】
[0002] 即使是幅值较小的不平顺，对高速车辆运行安全性、平稳性、舒适性，以及环境噪 声也会产生较大的影响，因此，高速铁路对轨道提出了高平顺的要求。利用轨道几何检测数 据可以及时发现轨道几何病害，确保高速列车安全可靠运行。轨道几何检测系统采用激光 扫描和图像处理等技术，按照惯性基准原理，对位移、加速度和角速度信号进行滤波、补偿 和合成得到轨距、高低、轨向、水平等几何不平顺参数，检测精度可以达到几十分之一毫米。
[0003] 安装有轨道几何检测系统的综合检测车或轨道检测车在运行过程中，不可避免受 到车辆振动、天气、温度变化等干扰，给检测结果的精度带来影响。通过振动和温度补偿，可 以有效提高轨道检测数据的精度。外界阳光反射、传感器和数据传输误差、道岔处激光偏离 正常检测点、图像干扰等原因，会导致铁路轨道几何不平顺检测数据中包含异常值。轨道几 何检测数据常见的非脉冲异常值主要包括轨距漂移、进出站时车速变化太快或车速过低引 起的无效数据、轨距加宽、单边轨距波形拉直线等，如图1?图3所示。异常值容易导致虚 假的大幅值几何不平顺，应在超限判断、广义能量指数、轨道质量指数、轨道谱等状态指标 计算之前对其进行处理。
[0004] 现有技术中有人工和自动两种处理轨道几何数据异常值的方法。人工方法主要借 助专家多年积累的经验，但只能离线完成，而且不能直接移植到车上的轨道几何检测系统 中。车上的检测人员为了实时跟踪和编辑几何检测数据中的异常值，需要花费大量的时间 和精力。此外，不同的检测人员的经验和水平不同，对超限大值和异常值的分辨能力存在较 大差别，以致出现不同检测人员可能给出不同的诊断和处理结果。可以看出，在车上依靠人 工剔除异常值存在效率低下和评判结果多样性的问题。
[0005] 自动诊断和滤除异常值是一个比较普遍的问题，在过程控制、声音信号处理、图像 处理中也经常碰到。近二十年来，不少学者对其进行了比较深入的研究，并提出了大量的 处理方法，如信号振幅或导数突变法、低通滤波法、中值滤波法、非线性滤波法、模糊滤波法 等。但是高速铁路轨道几何检测数据异常值存在类型多、数据量大、要求计算速度快等特 点，很难直接应用现有的异常值处理方法。
【发明内容】
[0006] 为自动诊断和滤除轨道几何检测数据中的非脉冲异常数据的问题，为轨道超限判 断、轨道特征参数计算和轨道状态评判提供可靠的数据支撑本发明实施例提供了一种轨道 几何检测数据中非脉冲异常数据的检测方法，包括：
[0007] 对采集到的轨道几何检测数据进行高通滤波处理，生成滤除趋势项的轨道几何不 平顺数据；
[0008] 对所述轨道几何检测数据进行运行速度的概率统计确定车辆进出站区段，将车辆 进出站区段的几何不平顺数据置零；
[0009] 根据所述轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨道加宽区段，将所述轨道加宽区 段的轨距和轨向不平顺数据置零；
[0010] 根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距确定轨距拉直线区段，将所述轨距拉 直线区段的不平顺数据置零。
[0011] 此外，本发明还提供一种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测装置，包 括：
[0012] 趋势项滤除模块，对采集到的轨道几何检测数据进行高通滤波处理，生成滤除趋 势项的轨道几何不平顺数据；
[0013] 进出站区段不平顺置零模块，用于对所述轨道几何检测数据进行运行速度的概率 统计确定车辆进出站区段，将车辆进出站区段的几何不平顺数据置零；
[0014] 加宽区段不平顺置零模块，用于根据所述轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨 道加宽区段，将所述轨道加宽区段的轨距和轨向不平顺数据置零；
[0015] 拉直线区段不平顺置零模块，用于根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距确 定轨距拉直线区段，将所述轨距拉直线区段的不平顺数据置零。
[0016] 本发明针对不同类型的轨道几何数据及其异常值的特征，采用不同处理流程。对 于高低、水平、三角坑不平顺，依次采用高通滤波、低速诊断和处理流程。对于轨距和轨向， 除了上述流程外，还需要增加轨距加宽的识别，同时将加宽区段的轨距和轨向置零，最后根 据左右单边轨距的信息自动诊断单边轨距拉直线的区段，并将相应区段的高低、水平、三角 坑、轨向、轨距置零，为滤除轨道几何检测中的非脉冲异常数据，为轨道超限判断、轨道特征 参数计算和轨道状态评判提供可靠的数据支撑。
[0017] 为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1为轨道几何检测数据中车速过低时的无效检测波形；
[0020] 图2为轨道几何检测数据中岔道加宽的无效检测波形；
[0021] 图3为轨道几何检测数据中摄像系统故障造成的轨距失效；
[0022] 图4为本发明提供的一种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测方法的流 程图；
[0023] 图5为本发明实施例中对轨道几何检测数据进行运行速度的概率统计确定车辆 进出站区段的流程图；
[0024] 图6为本发明实施例中根据轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨道加宽区段 的流程图；
[0025] 图7为本发明实施例中根据轨道几何不平顺数据中的单边轨距确定轨距拉直线 区段的流程图；
[0026] 图8为本发明一实施例的流程图；
[0027] 图9为本发明公开的一种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测装置的框 图；
[0028] 图10为滤波前后的高低不平顺波形数据及其差的波形图；
[0029] 图11为本发明实施例中的速度直方图；
[0030] 图12为速度过低引起的高低不平顺异常及其滤波后的波形；
[0031] 图13为异常值滤波前后的轨距波形数据及其差；
[0032] 图14为加宽处理前后轨距波形数据；
[0033] 图15为包含拉直线的单边轨距的波形数据；
[0034] 图16为拉直线单边轨距的波形数据。
【具体实施方式】
[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036] 本发明针对轨道几何检测数据异常值的特点，提出一套完整的异常值诊断和滤波 方法框架和流程，同时对非脉冲异常数据，如轨距漂移、进出站时车速变化太快或车速过低 引起的无效数据、轨距加宽、单边轨距波形拉直线，给出了具体的处理方法。利用傅立叶和 逆傅立叶变换设计了一个理想的高通滤波器，用于滤除轨距漂移引起的异常值。结合车辆 运行速度的概率分布和变化特点，自动捕获进出站时车速变化太快或车速过低区段，并将 该区段的几何不平顺设置为零。利用峰峰值和持续长度的分布范围，从轨距中自动识别轨 距加宽区段，同时将相应区段的轨距和轨向的不平顺置零。根据单边轨距是否持续出现常 值判断单边轨距波形拉直线区段，并将相邻常数区段合并。利用异常值诊断和滤波方法对 大量实测的轨道几何检测数据进行处理，实验结果表明，本方案是正确的和高效的。
[0037] 如图4所示，为本发明提供的一种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测方 法，包括：
[0038] 步骤S101，对采集到的轨道几何检测数据进行高通滤波处理，生成滤除趋势项的 轨道几何不平顺数据；
[0039] 步骤S102,对所述轨道几何检测数据进行运行速度的概率统计确定车辆进出站区 段，将车辆进出站区段的几何不平顺数据置零；
[0040] 步骤S103,根据所述轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨道加宽区段，将所述 轨道加宽区段的轨距和轨向不平顺数据置零；
[0041] 步骤S104,根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距确定轨距拉直线区段，将 所述轨距拉直线区段的不平顺数据置零。
[0042] 本发明实施例中的轨道几何不平顺数据包括：高低、水平、三角坑不平顺数据，轨 向不平顺数据以及轨距不平顺数据。
[0043] 如图5所示，对轨道几何检测数据进行运行速度的概率统计确定车辆进出站区段 包括：
[0044] 步骤S1021，利用直方图对车速进行概率分布计算，将累计频次最高的车速确定为 统计最高运行车速；
[0045] 步骤S1022,根据统计最高运行车速确定参考速度；根据统计最高运行速度和下 式确定参考速度；
[0046]Vref=P*Vmax, 0<P<1
[0047]其中，Vmax为所述统计最高运行速度，Vraf为所述参考速度，P为参考系数。
[0048] 步骤S1023,将车速小于参考速度的区段确定为车辆进出站区段。
[0049] 如图6所示，根据轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨道加宽区段包括：
[0050] 步骤S1031，根据轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨距值符号突变的轨距值 零占.
[0051] 步骤S1032,根据轨距值零点确定所述轨道几何不平顺数据中两轨距值零点之间 的局部极值；
[0052] 步骤S1033,根据两相邻的局部极值的差的绝对值生成峰峰值；
[0053] 步骤S1034,根据峰峰值、预设的峰峰值长度及预设的轨道加宽区段长度阈值确定 轨距加宽区段。
[0054] 如图7所示，根据轨道几何不平顺数据中的单边轨距确定轨距拉直线区段包括：
[0055] 步骤S1041，根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距和预设的参考轨距确定 轨距差值；
[0056] 步骤S1042,将轨距差值的绝对值大于预设误差阈值的区段确定为待确定波形拉 直区段；
[0057] 步骤S1043,将所述待确定波形拉直区段的区段长度大于预设的波形拉直区段长 度阈值的区段确定为波形拉直区段。
[0058] 如图8所示，为本发明一实施例的流程图，自动诊断和滤除轨道几何检测中的异 常数据，本实施例中的关键算法包括：
[0059] (1)轨道几何趋势项自动滤波；
[0060] (2)进出站和车速过低自动识别；
[0061] (3)轨距加宽自动识别；
[0062] (4)单边轨距拉直线自动识别。
[0063] 下面结合图4所示的流程图和上述关键算法对本发明实施例做进一步详细描述：
[0064] (1)基于傅立叶变换和逆傅立叶变换的趋势项滤波方法：
[0065] 对轨道几何数据进行高通滤波处理，生成滤除趋势项的轨道几何不平顺数据，本 发明实施例中利用傅立叶变换和逆傅立叶变换构造一个高通滤波器，自动滤除单项几何不 平顺中的趋势项。
[0066] 记单项几何不平顺为X(i),i= 0, 2,…N-I，其中N表示采样点数。按1米4个点 进行采样，可知采样波数为4。对单项几何不平顺进行离散傅立叶变换得X(k)和它所对应 的波数f(k)。
【权利要求】
1. 一种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测方法，其特征在于，所述的方法包 括： 对采集到的轨道几何检测数据进行高通滤波处理，生成滤除趋势项的轨道几何不平顺 数据； 对所述轨道几何不平顺数据进行运行速度的概率统计确定车辆进出站区段，将车辆进 出站区段的几何不平顺数据置零； 根据所述轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨道加宽区段，将所述轨道加宽区段的 轨距和轨向不平顺数据置零； 根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距确定轨距拉直线区段，将所述轨距拉直线 区段的不平顺数据置零。
2. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的轨道几何不平顺数据包括：高 低、水平、三角坑不平顺数据，轨向不平顺数据以及轨距不平顺数据。
3. 如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述的对轨道几何检测数据进行运行 速度的概率统计确定车辆进出站区段包括： 利用直方图对轨道几何检测数据中的车速进行概率分布计算，将累计频次最高的车速 确定为统计最高运行车速； 根据所述统计最高运行车速确定参考速度； 将车速全部小于参考速度的区段确定为车辆进出站区段。
4. 如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述的根据统计最高运行车速确定参 考速度包括：根据统计最高运行速度和下式（1)确定参考速度； Vref = P*Vmax, 0<P<1 (1) 其中，为所述统计最高运行速度，为所述参考速度，P为参考系数。
5. 如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述的根据轨道几何不平顺数据中的 轨距值确定轨道加宽区段包括： 根据所述轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨距值符号突变的轨距值零点； 根据所述轨距值零点确定所述轨道几何不平顺数据中两轨距值零点之间的局部极 值； 根据两相邻的局部极值的差的绝对值生成峰峰值； 根据所述峰峰值、预设的峰峰值长度及预设的轨道加宽区段长度阈值确定轨距加宽区 段。
6. 如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述的根据轨道几何不平顺数据中的 单边轨距确定轨距拉直线区段包括： 根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距和预设的参考轨距确定轨距差值； 将轨距差值的绝对值大于预设误差阈值的区段确定为待确定波形拉直区段； 将所述待确定波形拉直区段的区段长度大于预设的波形拉直区段长度阈值的区段确 定为波形拉直区段。
7. -种轨道几何检测数据中非脉冲异常数据的检测装置，其特征在于，所述的装置包 括： 趋势项滤除模块，对采集到的轨道几何检测数据进行高通滤波处理，生成滤除趋势项 的轨道几何不平顺数据； 进出站区段不平顺置零模块，用于对所述轨道几何检测数据进行运行速度的概率统计 确定车辆进出站区段，将车辆进出站区段的几何不平顺数据置零； 加宽区段不平顺置零模块，用于根据所述轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨道加 宽区段，将所述轨道加宽区段的轨距和轨向不平顺数据置零； 拉直线区段不平顺置零模块，用于根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距确定轨 距拉直线区段，将所述轨距拉直线区段的不平顺数据置零。
8. 如权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述的轨道几何不平顺数据包括：高 低、水平、三角坑不平顺数据，轨向不平顺数据以及轨距不平顺数据。
9. 如权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述的进出站区段不平顺置零模块包 括： 统计最高运行速度确定单元，利用直方图对轨道几何检测数据中的车速进行概率分布 计算，将累计频次最高的车速确定为统计最高运行车速； 参考速度确定单元，用于根据所述统计最高运行车速确定参考速度； 进出站确定单元，用于将车速全部小于参考速度的区段确定为车辆进出站区段。
10. 如权利要求9所述的检测装置，其特征在于，所述的参考速度确定单元根据统计最 高运行速度和下式（1)确定参考速度； Vref = P*Vmax, 0<P<1 (1) 其中，为所述统计最高运行速度，为所述参考速度，P为参考系数。
11. 如权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述的加宽区段不平顺置零模块包 括： 轨距值零点确定单元，用于根据所述轨道几何不平顺数据中的轨距值确定轨距值符号 突变的轨距值零点； 局部极值确定单元，用于根据所述轨距值零点确定所述轨道几何不平顺数据中两轨距 值零点之间的局部极值； 峰峰值确定单元，用于根据两相邻的局部极值的差的绝对值生成峰峰值； 轨距加宽区段确定单元，用于根据所述峰峰值、预设的峰峰值长度及预设的轨道加宽 区段长度阈值确定轨距加宽区段。
12. 如权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述的拉直线区段不平顺置零模块包 括： 轨距差值确定单元，用于根据所述轨道几何不平顺数据中的单边轨距和预设的参考轨 距确定轨距差值； 待确定波形拉直区段确定单元，用于将轨距差值的绝对值大于预设误差阈值的区段确 定为待确定波形拉直区段； 波形拉直区段确定单元，用于将所述待确定波形拉直区段的区段长度大于预设的波形 拉直区段长度阈值的区段确定为波形拉直区段。
【文档编号】G01B21/00GK104457644SQ201410612204
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】刘金朝, 王卫东, 曲建军, 郭剑峰, 严广学 申请人:中国铁道科学研究院, 中国铁道科学研究院基础设施检测研究所, 北京铁科英迈技术有限公司