一种轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波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的脉冲噪声滤波方法及装置，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；将短波区段的能量大于预设阈值的区段的几何不平顺数据置零，生成滤除分片脉冲噪声的轨道几何数据序列；以预设的差分个数和T-S模型对所述离散轨道几何数据序列按序进行向前差分计算，生成差分值；根据当前轨道几何数据的差分值的绝对值、预设的阈值以及预设的模糊规则计算当前轨道几何检测数据的毛刺长度；根据各轨道几何检测数据的毛刺长度对各离散轨道几何数据进行线性插值修正，生成滤波后的轨道几何检测数据。避免了计算规则激发度量函数和模糊基函数的值，效率提高了两个数量级。
【专利说明】一种轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波方法及装置
【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的脉冲噪声滤波方 法及装置。
【背景技术】
[0002] 高速铁路对轨道提出了高平顺的要求，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。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，并为轨道调整提供理论依据。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脉冲噪声。其 中最难诊断和处理的是脉冲噪声，包括分片脉冲噪声和单一脉冲噪声，又叫局部毛刺，如图 1?图2所示。脉冲噪声容易产生虚假的大幅值轨道几何。因此，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] 现有技术中对脉冲噪声的处理通常包括人工和自动两种处理手段。人工方法主要 借助专家多年积累的经验，并且只能离线完成，其经验不能直接移植到车上的轨道几何检 测系统中。同时车上的检测人员为了实时跟踪和编辑几何检测数据中的脉冲噪声，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，对超限大值和脉冲噪声的 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。因此，在 车上依靠人工剔除脉冲噪声存在效率低下和评判结果多样性的问题。
[0005] 自动诊断和滤除脉冲噪声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。对于长度为1的单点脉冲噪声，信号振幅或导数突变法是一种简单而有效的方法，但是 当脉冲噪声长度大于1时，该方法不能完整地滤除脉冲噪声。
[0006] 低通滤波方法假定脉冲噪声分布在信号的高频段，通过截断高频部分实现对脉冲 噪声的滤波。通常来说，脉冲噪声是全频段的，因此，低通滤波方法可以减轻脉冲噪声，但不 能完整滤除。此外，与中值滤波法是全区域算法一样，它不能分辨被和未被脉冲噪声污染 的信号，造成轨道几何检测数据精度下降，对于需要满足高精度的高速轨道几何检测来说， 这是难以接受的。中值滤波法是一种滑动平均法，它在处理脉冲噪声的同时，也对未被污染 的信号进行了改变。有序中值滤波法是中值滤波法一种改进，它根据信号与其相邻信号的 相似性来判断其是否已被脉冲噪声污染，若是，则用其有序中值代替原信号。由于其采用带 符号的原信号与有序中值的差来识别脉冲噪声，因此它一般只适合处理局部增大的脉冲噪 声，对于局部减少的脉冲噪声的处理可能出错。这种情况在声音信号中一般不会出现，而在 轨道几何数据中却大量存在。
[0007] 脉冲噪声的非线性滤波方法虽然可以有效地提高处理精度，但其巨大的计算量让 人难以接受，而铁路里程长，轨道几何数据量大，而且实时性要求高，因此，非线性滤波方法 很难满足轨道几何数据脉冲噪声处理的需要。
[0008] 现有技术还通过引入5点模糊格式来诊断和滤除轨道几何数据中的脉冲噪声，通 过去模糊化得到脉冲噪声的长度和系统增益系数，并利用包含脉冲噪声的最小区间的两个 端点的近似线性插值来代替脉冲噪声的值。与多分辨分析的小波基选取中碰到的问题类 似，采用不同的模糊规则和隶属度函数，将得到不同的脉冲噪声的长度和系统增益系数。哪 个隶属度函数是最优的，没有统一的判别依据，工程人员一般依靠经验和多次尝试进行选 取。此外，模糊滤波器每一个点都需要计算规则激发度量函数和模糊基函数的值，其计算量 将随信号长度的增加而呈线性增加。
【发明内容】
[0009] 脉冲噪声的变化过程可以描述为信号首先突然增大或变小，然后稳定变化，最后 又突然减少或变大。中间稳定变化的过程较短，对于轨道几何数据来数，持续的长度一般少 于2米。基于上述特征，本发明提出一套轨道几何检测数据脉冲噪声的自动诊断和滤波方 法。首先利用几何不平顺的短波区段的能量特性，提出利用移动有效值（RMS)方法自动诊 断阳光、挂纸、电磁干扰等引起的分片脉冲噪声。接下来根据脉冲噪声的数字特征，给出了 基于单位分解原理的脉冲噪声长度的快速计算方法。最后基于模糊规则和预判断机制，提 出利用改进模糊滤波器处理局部毛刺。
[0010] 为降低滤波过程中的计算量，提供一种高效的轨道几何检测数据滤波技术，本发 明提供的一种轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波方法，包括：
[0011]步骤1，对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；
[0012] 步骤2,将所述轨道几何不平顺数据中短波区段的能量大于预设阈值的区段的几 何不平顺数据置零，生成包含脉冲噪声的离散轨道几何数据序列；
[0013] 步骤3,以预设的差分个数和模糊系统模型对所述离散轨道几何数据序列按序进 行向前差分计算，生成差分值；
[0014] 步骤4,根据当前轨道几何数据的差分值的绝对值、预设的阈值以及预设的模糊规 则计算当前轨道几何检测数据的毛刺长度；
[0015] 步骤5,根据各轨道几何检测数据的毛刺长度对各离散轨道几何数据进行线性插 值修正，生成滤波后的轨道几何检测数据。
[0016] 同时，本发明还提供了一种轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波装置，包括：
[0017] 趋势项滤除模块，用于对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；
[0018] 不平顺置零模块，将所述轨道几何不平顺数据中短波区段的能量大于预设阈值的 区段的几何不平顺数据置零，生成包含脉冲噪声的离散轨道几何数据序列；
[0019] 差分模块，用于以预设的差分个数和模糊系统模型对所述离散轨道几何数据序列 按序进行向前差分计算，生成差分值；
[0020] 毛刺长度计算模块，用于根据当前轨道几何数据的差分值的绝对值、预设的阈值 以及预设的模糊规则计算当前轨道几何检测数据的毛刺长度；
[0021] 修正模块，根据各轨道几何检测数据的毛刺长度对各离散轨道几何数据进行线性 插值修正，生成滤波后的轨道几何检测数据。
[0022] 本发明与传统的模糊滤波器相比，避免了计算规则激发度量函数和模糊基函数的 值，与现有技术相比本方案的效率提高了两个数量级。利用脉冲噪声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，结果表明，新方法是正确的和高效的，而且特别适合 在线实现。
[0023] 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】
[0024] 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。
[0025] 图1为轨道几何检测数据中阳光、挂纸、电磁干扰的成片无效检测波形；
[0026] 图2为各种外界激扰造成的局部毛刺；
[0027] 图3为本发明提供的轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波方法的流程图；
[0028] 图4为本发明提供的轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波装置的框图；
[0029] 图5为本发明一实施例的流程图；
[0030] 图6为本发明实施例中脉冲噪声滤波前后高低不平顺波形数据及其差；
[0031] 图7为阳光干扰、雨雪等引起的成段高低不平顺异常及其滤波后数据
[0032] 图8为单个高低不平顺异常及其滤波后数据；
[0033] 图9为轨向不平顺信号与滤除脉冲噪声后的信号的比较；
[0034] 图10为本发明实施例中K157+578周围滤波前后轨向不平顺比较；
[0035] 图11为本发明实施例中K203+520周围滤波前后轨向不平顺比较。
【具体实施方式】
[0036] 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。
[0037] 如图3所示，为本发明提供的一种轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波方法，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,将所述轨道几何不平顺数据中短波区段的能量大于预设阈值的区段的 几何不平顺数据置零，生成包含脉冲噪声的离散轨道几何数据序列；
[0040] 步骤S103,以预设的差分个数和模糊系统（T-S)模型对所述离散轨道几何数据序 列按序进行向前差分计算，生成差分值；
[0041] 步骤S104,根据当前轨道几何数据的差分值的绝对值、预设的阈值以及预设的模 糊规则计算当前轨道几何检测数据的毛刺长度；
[0042] 步骤S105,根据各轨道几何检测数据的毛刺长度对各离散轨道几何数据进行线性 插值修正，生成滤波后的轨道几何检测数据。
[0043] 图4所示，为本发明提供的轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波装置的框图，包括：
[0044] 趋势项滤除模块401，用于对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；
[0045] 不平顺置零模块402,将所述轨道几何不平顺数据中短波区段的能量大于预设阈 值的区段的几何不平顺数据置零，生成包含脉冲噪声的离散轨道几何数据序列；
[0046] 差分模块403,用于以预设的差分个数和T-S模型对所述离散轨道几何数据序列 按序进行向前差分计算，生成差分值；
[0047] 毛刺长度计算模块404,用于根据当前轨道几何数据的差分值的绝对值、预设的阈 值以及预设的模糊规则计算当前轨道几何检测数据的毛刺长度；
[0048] 修正模块405,根据各轨道几何检测数据的毛刺长度对各离散轨道几何数据进行 线性插值修正，生成滤波后的轨道几何检测数据。
[0049] 如图5所示，本发明实施例提供的自动诊断和滤除轨道几何检测中，关键的步骤 主要包括：
[0050] 轨道几何趋势项自动滤波；
[0051] 轨道几何数据中分片脉冲噪声自动诊断和滤除；
[0052] 局部毛刺自动诊断和滤除方法；
[0053] 局部毛刺长度的快速计算方法。
[0054] (1)基于傅立叶变换和逆傅立叶变换的趋势项滤波方法：
[0055] 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。记单项几何不平顺为X(i)，i= 〇, 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的脉冲噪声滤波方法，其特征在于，所述的方法包括： 步骤1，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； 步骤2,将所述轨道几何不平顺数据中短波区段的能量大于预设阈值的区段的几何不 平顺数据置零，生成滤除分片脉冲噪声的离散轨道几何数据序列； 步骤3,以预设的差分个数和模糊系统模型对所述离散轨道几何数据序列按序进行向 前差分计算，生成差分值； 步骤4,根据当前轨道几何数据的差分值的绝对值、预设的阈值以及预设的模糊规则计 算当前轨道几何检测数据的毛刺长度； 步骤5,根据各轨道几何检测数据的毛刺长度对离散轨道几何数据进行线性插值修正， 生成滤波后的轨道几何检测数据。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中对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包括： 利用傅里叶变换和逆傅里叶变换构造高通滤波器，对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。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中将轨道几何不平顺数据中的 短波区段能量大于预设阈值的区段的几何不平顺数据置零包括： 对所述滤除趋势项的轨道几何不平顺数据进行带通滤波，生成滤波采样后的高频信号 (Xi,i= 1，2,…N}，其中，N表示采样点数； 将所述N个高频信号通过宽度为K个采样点的移动采样窗口分成j个采样单元，j= 1，2, 3,…N-K+1，所述移动米样窗口每次移动一个米样点； 计算所述各采样单元的能量，其中， 根据公式S2计算前K个采样点的平方和； 根据公式巧^ = 计算得到第1个采样单元的短波区段能量; 对采样单元进行循环j= 2, 3,…N-K+1，并根据公式（1)计算第2个到第N-K+1个采 样单元的短波区段能量巧i;
记去掉平均值后的短波区段能量为Fms =JTms -胃，找出的零点，若巧_ 的某两零点KO和Kl之间的最大值大于阈值，则将其对应的区段[KO,K1+K]的轨道几何不 平顺置零，即令A= 0,KO彡j彡K1+K。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中的T-S模型为： u(i) =Iu1Q)，u2(i)，u3(i)，u4(i)，u4(i)}τ U1(I) = Xi-^1 u2 (i) -Xj+iXj u3(i) =u2(i+l) u4(i) =u3(i+l)u5(i) =u4(i+l) y(i) = [K(i)L(i)] 其中，u(i)为模糊系统的输入向量； Uj(i)为向前差分，K(i)为滤波器的增益，L(i)为脉冲噪声的长度。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中根据当前轨道几何数据的差 分值的绝对值、预设的阈值以及预设的模糊规则计算当前轨道几何检测数据的毛刺长度包 括： 判断当前轨道几何数据的差分值的绝对值不小于预设的阈值时，按所述预设的差分个 数进行向前差分计算，生成向前差分运算值； 根据当前差分值的绝对值及其对应的向前差分运算值的绝对值以及预设的模糊规则 计算规定几何检测数据中的毛刺长度。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的根据当前差分值的绝对值及其对应 的向前差分运算值的绝对值以及预设的模糊规则计算规定几何检测数据中的毛刺长度包 括： 若当前差分值的绝对值大于预设阈值，即abs(U1(i) )>CP，其中CP为预设阈值； 向前循环j=i+1，···i+maxp，计算当前差分七⑴对应的多步向前差分Uj_i+1(i)，其中，maxF为预设值； 判断Uj_i+1⑴的绝对值abs(Uj_i+1⑴）彡CP，而且Ul*Uj_i+1⑴彡0,则对应的毛刺长度 为L(i) =j-i。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的根据所述毛刺长度对离散轨道几何 数据序列的进行线性插值修正，生成滤波后的轨道几何检测数据包括：根据下式对离散轨 道几何数据序列的进行线性插值修正，
其中，f(i+p)、f(i)为修正后的滤波信号，x(i+L(i))为修正前的滤波信号。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤6中根据所述毛刺长度对离散轨 道几何数据序列的进行线性插值修正，生成滤波后的轨道几何检测数据包括： 判断当前轨道几何数据的差分值的绝对值小于预设的阈值时，则毛刺长度为〇,保留当 前轨道几何数据。
9. 如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述的轨道几何检测数据包括： 高低、水平、三角坑几何数据，轨向几何数据以及轨距几何数据。
10. -种轨道几何检测数据的脉冲噪声滤波装置，其特征在于，所述的装置包括： 趋势项滤除模块，用于对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； 不平顺置零模块，将所述轨道几何不平顺数据中短波区段的能量大于预设阈值的区段 的几何不平顺数据置零，生成包含脉冲噪声的离散轨道几何数据序列； 差分模块，用于以预设的差分个数和模糊系统模型对所述离散轨道几何数据序列按序 进行向前差分计算，生成差分值； 毛刺长度计算模块，用于根据当前轨道几何数据的差分值的绝对值、预设的阈值以及 预设的模糊规则计算当前轨道几何检测数据的毛刺长度； 修正模块，根据各轨道几何检测数据的毛刺长度对各离散轨道几何数据进行线性插值 修正，生成滤波后的轨道几何检测数据。
【文档编号】G01B21/00GK104457643SQ201410612202
【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, 赵钢, 孙善超, 成棣 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