基于非平穩(wěn)信號(hào)處理的公路路面健康度檢測(cè)

鄭俊 王曉娟 鄭仲品

摘 要：公路路面是公路交通的重要構(gòu)成，路面的健康度會(huì)直接影響到道路交通安全。隨著公路路面使用時(shí)間的增長(zhǎng)，人為和自然條件下的不斷侵蝕，以及急劇增長(zhǎng)的車輛交通對(duì)道路路面來(lái)說(shuō)都是巨大的挑戰(zhàn)，一旦公路路面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷等情況，得不到及時(shí)維修養(yǎng)護(hù)，會(huì)大大縮短道路的使用壽命，還會(huì)危及行人和車輛的安全，因此，對(duì)公路路面的健康度檢測(cè)，意義重大。本文主要研究分析非平穩(wěn)信號(hào)對(duì)路面健康度檢測(cè)的效果，通過非平穩(wěn)信號(hào)中的時(shí)頻分析方法判斷出公路路面的健康情況。

關(guān)鍵詞：公路路面；健康度；非平穩(wěn)信號(hào)；時(shí)頻分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，公路檢測(cè)引入了傳感技術(shù)、信號(hào)處理與分析技術(shù)，以及結(jié)構(gòu)分析等眾多學(xué)科，延擴(kuò)了公路檢測(cè)內(nèi)容，并且使得公路路面健康度的檢測(cè)準(zhǔn)確率得到大幅度提高。在公路檢測(cè)中[1]，通過振動(dòng)檢測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)公路路面內(nèi)部產(chǎn)生的振動(dòng)變化原因，并根據(jù)振動(dòng)檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)了解公路路面安全狀況，對(duì)實(shí)際的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，結(jié)合時(shí)頻分析，根據(jù)不同的特征判別被測(cè)對(duì)象[2]。當(dāng)車輛經(jīng)過路面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，這種振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過采樣分析一般是非平穩(wěn)信號(hào)，傳統(tǒng)的純時(shí)域分析和純頻域分析方法只能處理平穩(wěn)信號(hào)，不能夠同時(shí)得到時(shí)域和頻域的信號(hào)信息。對(duì)于處理非平穩(wěn)信號(hào)，需要同時(shí)獲取時(shí)域和頻域的局部信息，運(yùn)用Wigner-Ville分布在處理非平穩(wěn)信號(hào)方面優(yōu)勢(shì)明顯[3]，且被廣泛應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)、圖像處理等工程領(lǐng)域中。

一、公路路面健康檢測(cè)系統(tǒng)組成

公路路面檢測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)測(cè)量和后臺(tái)處理分析兩大部分組成，包含傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理與控制系統(tǒng)及后臺(tái)信息處理系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)各種天氣條件并進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，存儲(chǔ)信息能力強(qiáng)，可以連接網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)采集獲得的信息對(duì)公路路面的健康狀況做出判斷。

二、Wigner-Ville分布在公路路面檢測(cè)中的應(yīng)用

Wigner-Ville分布主要從時(shí)域和頻域來(lái)分析處理信號(hào)，直觀上去觀察數(shù)據(jù)時(shí)頻特征點(diǎn)，通過頻率隨時(shí)間分布的關(guān)系圖來(lái)確定變化規(guī)律[4]，從公路路面?zhèn)鞲衅魃先シ治霾蓸拥恼駝?dòng)信號(hào)，對(duì)不同情況下的時(shí)頻信息進(jìn)行分段處理，完成對(duì)公路路面健康度的檢測(cè)。

WVD方法把時(shí)頻域劃分為若干個(gè)小區(qū)域，然后在每個(gè)小區(qū)域沿著時(shí)間頻率軸做雙重積分，這個(gè)二重積分值就是每個(gè)小區(qū)域的能量，能量值就是診斷公路路面面的特征值。根據(jù)之前的分析健康公路路面的振動(dòng)信號(hào)能量主要處于低頻段[5]，受損害的公路路面，其振動(dòng)信號(hào)能量主要處于高頻段。所以選取能量作為特征值來(lái)檢測(cè)路面健康是較為合理的。

三、實(shí)驗(yàn)信號(hào)分析

公路路面的振動(dòng)信號(hào)屬于低頻率信號(hào)，路面出現(xiàn)受損后，會(huì)夾雜著高頻信號(hào)，時(shí)域圖就會(huì)摻雜一些瑕疵信號(hào)，高頻信號(hào)就是它的故障信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)的頻譜就會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于健康的公路路面振動(dòng)信號(hào)的頻譜，基頻處幅值最大，倍頻處幅值逐步衰減，傅里葉變換無(wú)法同時(shí)對(duì)時(shí)域和頻域信號(hào)進(jìn)行處理，而Wigner-Ville分布可以在時(shí)間和頻率上對(duì)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合分析處理，直觀上觀察信號(hào)的時(shí)頻特征，從傳感器上獲得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析時(shí)，觀察頻譜圖能量集中區(qū)強(qiáng)度變化情況和位置的分布，來(lái)判別公路路面是否出現(xiàn)損害和損害的程度情況。

四、結(jié)論

通過對(duì)預(yù)處理后的公路路面信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換和Wigner-Ville分布，觀察其頻譜圖和時(shí)頻分布圖。通過對(duì)頻譜圖和時(shí)頻圖的分析，可以判斷出公路路面的健康狀況屬于沒有病害、輕微病害、病害中的哪一種。對(duì)信號(hào)的時(shí)頻特征信息進(jìn)行觀察，獲取不同情況下的時(shí)頻信息，完成對(duì)公路路面的健康度檢測(cè)。

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[5]張玉彥. 基于深度自編碼器的機(jī)械故障診斷方法研究[D]．博士學(xué)位論文，湖北：華中科技大學(xué)，2019