郑俊 王晓娟 郑仲品
摘 要:公路路面是公路交通的重要构成,路面的健康度会直接影响到道路交通安全。随着公路路面使用时间的增长,人为和自然条件下的不断侵蚀,以及急剧增长的车辆交通对道路路面来说都是巨大的挑战,一旦公路路面出现结构损伤等情况,得不到及时维修养护,会大大缩短道路的使用寿命,还会危及行人和车辆的安全,因此,对公路路面的健康度检测,意义重大。本文主要研究分析非平稳信号对路面健康度检测的效果,通过非平稳信号中的时频分析方法判断出公路路面的健康情况。
关键词:公路路面;健康度;非平稳信号;时频分析
随着科学技术的发展,公路检测引入了传感技术、信号处理与分析技术,以及结构分析等众多学科,延扩了公路检测内容,并且使得公路路面健康度的检测准确率得到大幅度提高。在公路检测中[1],通过振动检测来发现公路路面内部产生的振动变化原因,并根据振动检测到的动态数据实时了解公路路面安全状况,对实际的采样数据进行信号处理,结合时频分析,根据不同的特征判别被测对象[2]。当车辆经过路面时,会产生振动信号,这种振动信号经过采样分析一般是非平稳信号,传统的纯时域分析和纯频域分析方法只能处理平稳信号,不能够同时得到时域和频域的信号信息。对于处理非平稳信号,需要同时获取时域和频域的局部信息,运用Wigner-Ville分布在处理非平稳信号方面优势明显[3],且被广泛应用于振动信号、图像处理等工程领域中。
一、公路路面健康检测系统组成
公路路面检测系统主要由数据测量和后台处理分析两大部分组成,包含传感器系统、数据采集与传输系统、数据分析处理与控制系统及后台信息处理系统四个子系统。检测系统可以应对各种天气条件并进行自动检测,存储信息能力强,可以连接网络,根据采集获得的信息对公路路面的健康状况做出判断。
二、Wigner-Ville分布在公路路面检测中的应用
Wigner-Ville分布主要从时域和频域来分析处理信号,直观上去观察数据时频特征点,通过频率随时间分布的关系图来确定变化规律[4],从公路路面传感器上去分析采样的振动信号,对不同情况下的时频信息进行分段处理,完成对公路路面健康度的检测。
WVD方法把时频域划分为若干个小区域,然后在每个小区域沿着时间频率轴做双重积分,這个二重积分值就是每个小区域的能量,能量值就是诊断公路路面面的特征值。根据之前的分析健康公路路面的振动信号能量主要处于低频段[5],受损害的公路路面,其振动信号能量主要处于高频段。所以选取能量作为特征值来检测路面健康是较为合理的。
三、实验信号分析
公路路面的振动信号属于低频率信号,路面出现受损后,会夹杂着高频信号,时域图就会掺杂一些瑕疵信号,高频信号就是它的故障信号,振动信号的频谱就会发生变化。对于健康的公路路面振动信号的频谱,基频处幅值最大,倍频处幅值逐步衰减,傅里叶变换无法同时对时域和频域信号进行处理,而Wigner-Ville分布可以在时间和频率上对信号进行联合分析处理,直观上观察信号的时频特征,从传感器上获得的振动信号进行时频分析时,观察频谱图能量集中区强度变化情况和位置的分布,来判别公路路面是否出现损害和损害的程度情况。
四、结论
通过对预处理后的公路路面信号进行傅里叶变换和Wigner-Ville分布,观察其频谱图和时频分布图。通过对频谱图和时频图的分析,可以判断出公路路面的健康状况属于没有病害、轻微病害、病害中的哪一种。对信号的时频特征信息进行观察,获取不同情况下的时频信息,完成对公路路面的健康度检测。
参考文献:
[1] Ghaffari A, Roshanian J, Tayefi M. Time-varying transfer function extraction
of an unstable launch vehicle via closed-loop identification[J]. Aerospace
[2] Gr chenig K. Foundations of time-frequency analysis[M], Springer Science &
Business Media; 2013.
[3]刘本永.非平稳信号分析与导论[M].北京:国防工业出版社,2006
[4] 张永立. 冲击波场测试关键技术研究[D].博士学位论文,吉林:长春理工大学,2019
[5]张玉彦. 基于深度自编码器的机械故障诊断方法研究[D].博士学位论文,湖北:华中科技大学,2019