基于振動(dòng)信號(hào)分析的露天礦道路工礦質(zhì)量識(shí)別

孫欣武，張瑞新，孫健東，孟子杰，張 瞾，邢朝博

（1.華北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河北 三河 065201；2 華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，河北 三河 065201；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100080）

為了適應(yīng)煤炭行業(yè)智能化發(fā)展要求和“碳中和，碳達(dá)峰”的政策趨勢(shì)，露天礦行業(yè)的粗放型生產(chǎn)逐步向精細(xì)化、智能化[1]、經(jīng)濟(jì)化發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)90%的露天煤礦開采場(chǎng)地都運(yùn)用單斗卡車工藝，且大部分露天礦逐漸進(jìn)入到深凹開采的階段，這就意味著運(yùn)輸成本會(huì)有一定增加。在露天礦開采工藝“穿、爆、采、運(yùn)、排”中的道路運(yùn)輸環(huán)節(jié)，道路直接影響了礦山的生產(chǎn)效率、設(shè)備運(yùn)行壽命以及安全性[2]。然而，道路經(jīng)受重載礦卡的頻繁行駛、惡劣天氣地侵襲以及地質(zhì)活動(dòng)的影響，會(huì)導(dǎo)致道路迅速損壞和退化，進(jìn)而增加運(yùn)輸成本[3]。因此，準(zhǔn)確地評(píng)估和識(shí)別礦山道路的質(zhì)量，對(duì)于提高礦山生產(chǎn)效率、降低維護(hù)成本以及保障設(shè)備和人員的安全至關(guān)重要。

在現(xiàn)有車輛運(yùn)動(dòng)的研究中，通過垂直加速度研究的優(yōu)勢(shì)在于可以更好地研究車輛運(yùn)動(dòng)情況[4-6]，通過國(guó)際不平等指數(shù)與功率譜密度研究可以更好地分析路面總體質(zhì)量[7-9]；通過頻率分析則更好地掌握道路細(xì)節(jié)問題[10]；WICKRAMARATHNE T 等[11]通過機(jī)器學(xué)習(xí)處理運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行道路研究。為此，基于礦卡運(yùn)行振動(dòng)頻率進(jìn)行道路質(zhì)量評(píng)價(jià)，通過采集和分析加速度信號(hào)[12-13]，從頻率特征和振動(dòng)特性等角度，深入探索礦山道路的質(zhì)量問題；著重于通過三軸頻域分析，準(zhǔn)確地識(shí)別不同道路質(zhì)量，為礦山運(yùn)營(yíng)決策提供有力支持。

1 研究背景

在以往研究方式中[7]，多基于三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)普通道路進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。而對(duì)露天礦運(yùn)輸這類產(chǎn)生大量復(fù)雜數(shù)據(jù)的道路進(jìn)行評(píng)估的研究較少。原因之一是道路如何建設(shè)、維護(hù)及道路的使用周期均由采區(qū)的規(guī)模、對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃、不同采區(qū)和工作面之間的位置關(guān)系決定。因此面對(duì)如此龐大的系統(tǒng)工程，難點(diǎn)不僅在于怎么測(cè)；同時(shí)還在于何時(shí)測(cè)，在哪測(cè)。另一原因是露天礦道路相較于城市中的道路，雖在滿足運(yùn)輸需求的基礎(chǔ)上，路面更加堅(jiān)固、耐磨，在平滑性上卻與城市道路相差甚遠(yuǎn)；礦山地形通常不規(guī)則，道路具有較大的坡度和曲率，且受到外部惡劣環(huán)境的影響以及礦山開采環(huán)節(jié)自身創(chuàng)造的粉塵、噪聲等影響因素，導(dǎo)致難以選取合適的方法進(jìn)行研究，也難以收集到細(xì)致、真實(shí)的礦山道路數(shù)據(jù)集。

基于以上背景，利用信號(hào)傳輸模型捕捉與礦卡懸掛系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和濾波技術(shù)，提出通過頻率信號(hào)“重建”道路特征的方法。該方法利用三軸加速度傳感器長(zhǎng)時(shí)間采集露天礦山運(yùn)輸設(shè)備中的礦用卡車運(yùn)行數(shù)據(jù)，配以GPS 定位系統(tǒng)[14-15]，從多元數(shù)據(jù)篩選出道路數(shù)據(jù)，從并采集外部環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，通過頻域?yàn)V波技術(shù)去除外部噪聲，以還原真實(shí)運(yùn)輸場(chǎng)景的運(yùn)行數(shù)據(jù)。為此，通過對(duì)x、y、z 軸的加速度數(shù)據(jù)以及頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)不同頻率特征分析道路特征，提出針對(duì)露天礦道路質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)方法。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在此實(shí)驗(yàn)中，礦卡選取北重MT3700 型運(yùn)煤車。傳感器選擇“維特智能9 軸MEMS 姿態(tài)角度傳感器”，為獲取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，采集頻率設(shè)為60 Hz，并注重選取傳感器的安裝位置及方向，以確保其能夠準(zhǔn)確地捕捉到礦卡在運(yùn)輸過程中的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息。

具體而言，將車頭方向定義為x 軸方向，車身兩側(cè)為y 軸方向，車頂為z 軸方向，建立礦卡運(yùn)行動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系，便于后續(xù)從多個(gè)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。為保持?jǐn)?shù)據(jù)真實(shí)性，傳感器則安裝在車身懸掛剛性處，避免減震系統(tǒng)影響。在數(shù)據(jù)采集方面不僅關(guān)注礦卡的三軸加速度和速度，還需收集傳感器周圍的噪聲頻率并記錄數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)道路的特征情況。利用數(shù)據(jù)的全面性能更全面地掌握礦卡在不同運(yùn)輸狀態(tài)下的行為和性能。將傳感器固定后。獲取到的數(shù)據(jù)通過輔助安裝的GPS 定位器，獲取不同道路的道路數(shù)據(jù)集。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮到了不同的運(yùn)輸狀態(tài)，包括平路、上坡和下坡。這樣可以保證在實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)具有代表性，涵蓋了露天煤礦中常見的運(yùn)輸場(chǎng)景，從而為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和處理提供了可靠的基礎(chǔ)。通過以上數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備，能夠獲取到豐富、真實(shí)的礦卡運(yùn)行數(shù)據(jù)，為后續(xù)的露天煤礦道路質(zhì)量評(píng)估提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3 數(shù)據(jù)采集及處理

收集到的礦卡運(yùn)行信息包含振動(dòng)信號(hào)，外部環(huán)境噪聲等信息。而實(shí)驗(yàn)需要的數(shù)據(jù)為振動(dòng)信號(hào)，即道路表面反饋至礦卡的信息，因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，在進(jìn)行去噪處理時(shí)，必須準(zhǔn)確識(shí)別礦卡自身振動(dòng)信息與外部環(huán)境信息的頻段特征，以保證去噪效果的有效性與準(zhǔn)確性。鞏虎濤等[16]對(duì)重載貨車的運(yùn)行研究發(fā)現(xiàn)，地面對(duì)礦卡的z 軸振動(dòng)影響分布在低頻區(qū)域，而在水平方向有明顯的高頻和低頻區(qū)段?？芍獙?shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)與外部環(huán)境信息的頻段不同。因此，為獲取真實(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)對(duì)z 軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，對(duì)x、y 軸進(jìn)行高通、低通濾波，通過濾波后的礦卡振動(dòng)信息分析道路。

在頻域分析中，典型的低通濾波器響應(yīng)曲線顯示在截止頻率以下的頻率區(qū)域具有傳遞增益，而在截止頻率以上則出現(xiàn)信號(hào)衰減。在振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理中，可以利用外部高頻噪聲的信息作為低通濾波器的截止頻率。峰值頻率差異主要由車體在顛簸時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲所引起。對(duì)于大型礦卡的振動(dòng)信號(hào)而言，其主要峰值頻率通常在20～30 Hz 范圍內(nèi)，主要峰值頻率約為25 Hz。同時(shí)，通過利用手機(jī)軟件在傳感器附近進(jìn)行外部噪聲測(cè)量，確定外部噪聲的頻率范圍在80 Hz 左右?？紤]到礦卡運(yùn)行頻率一般低于40 Hz，將截止頻率設(shè)置為40 Hz。

在對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行高通濾波時(shí)，觀察到x 軸與y 軸的加速度數(shù)據(jù)變化不明顯，而z 軸整體加速度數(shù)值有所減小。然而，通過對(duì)z 軸加速度進(jìn)行低通濾波處理，可以觀察到濾波結(jié)果的波動(dòng)性保持相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)振動(dòng)幅度有所減小。三軸頻域圖如圖1。

圖1 為1 條下坡道路上的三軸加速度頻域圖，該礦卡的最大運(yùn)行頻率介于20～30 Hz 之間。

對(duì)比不同路段的x 軸頻率，可以觀察到運(yùn)行加速度整體隨頻率增加而增長(zhǎng)，相應(yīng)地，隨著車速的提升，振動(dòng)頻率也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

在y 軸頻率方面，整體振幅保持相對(duì)穩(wěn)定，然而不同路段的頻域圖變化幅度存在差異，這是由于現(xiàn)場(chǎng)道路的粗糙度和不平度所導(dǎo)致。

至于z 軸方向，總體振幅穩(wěn)定維持在約9.8 m/s2左右，幾乎沒有顯著的波峰，但出現(xiàn)了較多的波谷。具體而言，上坡路段在低頻段出現(xiàn)了較多波谷，而下坡路段在中高頻段出現(xiàn)波谷，0 %坡路段的波谷較為稀缺。這一現(xiàn)象的根本原因在于低頻時(shí)，車身在顛簸路段運(yùn)行，導(dǎo)致車身縱向總體加速度減小。波峰的出現(xiàn)對(duì)應(yīng)著地形的凸起部分，即道路上的碎石。而較多的波谷反映了道路表面存在較多的坑洼情況。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 方法研究

三軸加速度綜合考慮了礦卡在水平、垂直和側(cè)向方向的運(yùn)動(dòng)情況，從而能夠全面評(píng)估道路的情況。然而，在面對(duì)復(fù)雜的露天道路場(chǎng)景時(shí)，高頻率地采樣會(huì)導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)積累，對(duì)于處理和存儲(chǔ)需求提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于路況和環(huán)境的隨機(jī)性因素可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)變異，因此需要采樣大量樣本數(shù)據(jù)以進(jìn)行可靠分析。

頻率分析方法在簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理和分析過程的同時(shí)，提供了更為精確的評(píng)估手段。它能夠同時(shí)考慮多個(gè)頻率分量，從而全面地評(píng)估道路的不平度和粗糙度。因此，使用頻率分析方法可以克服基于三軸加速度分析的局限性，提供更加準(zhǔn)確、客觀和全面的道路評(píng)估結(jié)果。

根據(jù)趙蘭英[17]對(duì)道路的研究，評(píng)估道路的數(shù)據(jù)特征存在多類，分別使用了一些統(tǒng)計(jì)特征，包括：標(biāo)準(zhǔn)差、振幅積分、均方根（RMS）等，還有專門用來評(píng)價(jià)道路的功率譜密度PSD、IRI 等。這些特征可以分別通過速度與加速度求得。

4.2 路面特征

由于露天礦的道路特性，道路極其復(fù)雜，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，露天礦道路質(zhì)量的影響因素可以分為：道路粗糙度、不平度。通過路面特征分析可以從龐大的運(yùn)行數(shù)據(jù)中，獲取與道路特征相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)特征，根據(jù)數(shù)據(jù)特征，分析每條路的道路路況。根據(jù)濾波后的數(shù)據(jù)，選取x 軸平均振幅F1、y 軸大于振幅平均值的波峰數(shù)量F2來評(píng)價(jià)車身側(cè)方向振動(dòng)情況，即表征道路的不平度。通過z 軸豎直加速度計(jì)算PSD 積分F3，用來描述礦卡在一段道路運(yùn)行過程中的總體振動(dòng)能量，即道路的總體質(zhì)量。

功率譜密度函數(shù)公式：

式中：S（f）為功率譜密度函數(shù)；X（f）為信號(hào)的傅里葉變換公式；t 為信號(hào)的觀測(cè)時(shí)間，s；j 為虛數(shù)單位；f 為振動(dòng)頻率，Hz。

振幅積分E：

式中：f1、f2為積分的頻率范圍的起始頻率和結(jié)束頻率，Hz。

y 軸波峰數(shù)量M：

式中：N 為信號(hào)的樣本數(shù)量，Aaverage 為振幅平均值，m/s2；x［n］為樣本數(shù)。

F1、F2、F33 項(xiàng)特征數(shù)據(jù)分析對(duì)露天礦道路具有重要意義，并為實(shí)際應(yīng)用提供了有益信息。特征值F1用于描述車頭方向振動(dòng)幅度的平均值，數(shù)值的增大表示車身在x 軸方向的顛簸程度增加，表明道路的不平度較高。F2描述了車身側(cè)向振幅超過平均值的波峰數(shù)量，它與不平度密切相關(guān)，可用于評(píng)價(jià)振動(dòng)的頻次，數(shù)值地增加意味著振動(dòng)頻次增多。F3則表示了道路在運(yùn)行過程中傳遞給車體的總體振動(dòng)能量，可用于評(píng)估道路整體的質(zhì)量狀況。特征值結(jié)果見表1。

表1 特征值結(jié)果

為了便于后續(xù)分析，通過對(duì)3 項(xiàng)特征值進(jìn)行歸一化處理，使它們的數(shù)值范圍統(tǒng)一在0～1 之間。特征值F1、F2、F3擬合程度如圖2。圖2 中：x 軸表示每一組對(duì)比的前者取值范圍，y 軸表示后者取值范圍，每一個(gè)點(diǎn)表示同一條道路兩項(xiàng)特征值的數(shù)值大小。趨勢(shì)線斜率接近1 的程度與同一組點(diǎn)在趨勢(shì)線的聚合程度，表示2 組評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)一程度。

圖2 特征值F1、F2、F3 擬合程度

由圖2 可知：

1）F3和F2對(duì)比結(jié)果與F3和F1對(duì)比較結(jié)果表現(xiàn)出較強(qiáng)的線性關(guān)系，二者均對(duì)z 軸方向加速度有較強(qiáng)反饋；

2）圖2 中綠色點(diǎn)較為離散，即F2和F1對(duì)比結(jié)果存在略微離散性，原因是F2，F(xiàn)1二者特征值數(shù)據(jù)來源分別為x、y 軸，即車頭方向與車身側(cè)方向，二者方向垂直，由于x 軸和y 軸代表了礦卡在垂直方向上的兩種運(yùn)動(dòng)，他們的振動(dòng)特性在垂直方向產(chǎn)生不同影響，因此產(chǎn)生結(jié)果在圖中呈現(xiàn)出一定的離散性，這種離散性與道路不平度和粗糙度在不同方向上的分布不均勻有關(guān)，這也證明從2 個(gè)垂直方向考慮礦卡振動(dòng)情況的必要性，可以更為全面地了解道路情況；

3）在對(duì)比結(jié)果中，存在一些較大的偏離點(diǎn)，分別標(biāo)記為R1、R11 和R8，它們分別代表了F3與F2、F2與F1、F3與F1的對(duì)比結(jié)果。F1、F3與F1的對(duì)比結(jié)果。這種偏離地產(chǎn)生可以歸因于特征值F1的數(shù)值相對(duì)較低。具體而言，當(dāng)F1數(shù)值偏低時(shí)，F(xiàn)2的數(shù)值會(huì)相對(duì)較大。因此，如果F2和F1共同影響了F3的結(jié)果，就會(huì)導(dǎo)致F3與F2的對(duì)比結(jié)果出現(xiàn)較大偏離。這一結(jié)論強(qiáng)調(diào)了F3對(duì)于整體結(jié)果的重要性，特別是在與F2和F1的關(guān)系上。

6 結(jié)語

探討了一種低成本、高效率的路面檢測(cè)方法，通過使用三軸加速度計(jì)檢測(cè)路面狀況，提出了一種新型檢測(cè)路面特征的方法。沿x、y、z 軸形成的特征能夠辨別道路狀況，有效反映露天礦道路的不平度、粗糙度和總體質(zhì)量情況，為露天礦道路維護(hù)提供測(cè)量方案和實(shí)踐依據(jù)。