一种地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法与流程

1.本发明属于地下工程与振动信号采集技术领域，特别是一种地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法。


背景技术：

2.为满足城市发展的需求，城市轨道交通往往建设在街道繁华的市区，与道路交通距离很近。轨道交通作为一种可持续且空气环境友好的交通方式，其诱发的振动和噪声问题却日益凸显，成为一个亟需解决的挑战。由于受到轨道交通振动影响的建筑物往往也会受到道路交通引起的振动影响。随着新噪声法的颁布实施，城市轨道交通运营单位及轨道交通沿线居民对地铁列车引起的环境振动噪声问题愈发敏感。在环境振动影响评估过程中，一般需要通过现场测试来分析、评价地铁列车运行对环境的振动影响。然而，大量临近轨道交通线路的建筑物也同时临近道路交通线路，导致这类建筑物会同时受到多种不同交通振动源的影响。
3.尽管国内外学者针对轨道交通环境振动的识别方法开展了大量的研究，但是现有技术仍存在如下缺点：(1)目前，在地铁列车引起环境振动响应的现有评价分析中，未见综合考虑不同交通振源诱发振动响应的频域分布特征及持续时长的城轨列车诱发振动响应的精准、快速识别方法；(2)现有技术中，主要以人工识别测试数据的振动激励源、手动截取数据的分析方法为主，效率低下且存在主观性；(3)不能准确提取出轨道交通振动响应数据并进行时域及频域快速分析。
4.刘卫丰等人对比分析了不同交通形式引起的环境振动相应的频域特征；马蒙等人在研究振动评价指标时，着重强调了振动时间对于人体健康和烦恼程度的影响，并提出了通过计权加速度平方曲线来计算振动持续时间的方法。该方法虽然可用于计算列车通过的振动持续时间，但是并不能在复杂振源情况下，识别轨道交通振动源，且没有实现识别分析数据的自动化。
5.因此，如何便捷高效地判断出环境振动响应的振源是否为地铁列车，为城轨交通地下线路列车振动环境影响的预测、评价、防治提供可靠的数据支撑，成为当前研究的关键问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法，通过该方法可便捷高效地判断出环境振动响应的振源是否为地铁列车，为城轨交通线路列车振动环境影响的预测、评价、防治提供可靠的数据支撑。
7.本发明实施例提供了一种地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法，包括：
8.s1、在预设时长内，采用振动加速度传感器，对轨道交通沿线地表的垂向振动进行监测；获取所述轨道交通沿线地表在预设时长内的第一振动响应数据；
9.s2、对所述第一振动响应数据进行滤波处理，获得预设频段对应的振动响应数据，
记作第二振动响应数据；
10.s3、计算所述第二振动响应数据的运行计权加速度平方；并将所述预设时长内，所述运行计权加速度平方的平均值作为判断阈值，根据所述判断阈值判断所述预设时长内的第一振动响应数据的振源是否为地铁列车。
11.进一步地，在所述s2中，所述预设频段为40～80hz频段。
12.进一步地，所述s3具体包括：
13.s31、计算在所述预设时长内，所述第二振动响应数据在每一所述预设分析时间窗内的计权加速度振级；从而获得所述第二振动响应数据的运行计权加速度振级；
14.s32、根据所述运行计权加速度振级，计算在所述预设时长内，所述第二振动响应数据在每一所述预设分析时间窗内的z振级，从而获得所述第二振动响应数据的运行z振级；
15.s33、根据所述运行z振级，计算在所述预设时长内，所述第二振动响应数据在每一所述预设分析时间窗内的计权加速度平方，从而获得所述第二振动响应数据的运行计权加速度平方；
16.s34、将所述预设频段内，所述运行计权加速度平方的平均值作为判断阈值，从所述预设时长的起始时间开始，依次对所述预设分析时间窗内所述第一振动响应数据所对应的运行计权加速度平方进行对比；同时结合所述地铁列车诱发振动响应的持续时长，判断所述第一振动响应数据的振源是否为地铁列车。
17.进一步地，所述s34具体包括：
18.s341、当第i个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的运行计权加速度平方，大于所述运行计权加速度平方的平均值；则将所述第i个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的时间点作为起始点，记作时间ti；
19.s342、继续进行对比，当第i j个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的运行计权加速度平方，小于所述运行计权加速度平方的平均值；则将所述第i j个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的时间点作为终止点，记作时间t
i j
；
20.s343、计算所述时间t
i j
与时间ti的时间差；
21.若所述时间差大于或等于所述地铁列车诱发振动响应的持续时长，则判定从时间ti至时间t
i j
内，对应的所述第一振动响应数据的振源是地铁列车。
22.进一步地，所述s34还包括：
23.s344、按照所述步骤s341-s343对后续所述第一振动响应数据继续进行对比，直到将所述预设时长内所述第一振动响应数据全部完成对比。
24.与现有技术相比，本发明记载的一种地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法，具有如下有益效果：
25.1、综合使用数字滤波预处理技术及时变振动能量分析方法，突出监测数据中不同交通振源的振动响应；
26.2、将带通滤波技术和计权加速度计算相结合，便捷高效地判断出环境振动响应的振源是否为地铁列车，为城轨交通线路列车振动环境影响的预测、评价、防治提供可靠的数据支撑。
27.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变
得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
28.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
29.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
30.图1为本发明实施例提供的地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法流程图。
31.图2为本发明实施例提供的振动加速度测试数据、z振级和计权加速度平方示意图。
32.图3(a)为本发明实施例1提供的实测环境振动响应数据示意图。
33.图3(b)为本发明实施例1提供的识别到的地铁列车诱发的环境振动响应示意图。
34.图4(a)为本发明实施例2提供的实测环境振动响应数据示意图。
35.图4(b)为本发明实施例2提供的识别到的地铁列车诱发的环境振动响应示意图。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
37.由于公路和城市轨道交通设施产生振源的机理不同，两种振动在时域与频域上的分布特征差异显著。因此，可以综合利用时域和频域分析技术对原始的噪声时程信号进行预处理，以便于噪声源识别的开展。另外，考虑到人工识别振动源的效率是非常低的，所以本发明通过数字滤波技术及时变计权振动响应分析，从而实现环境振动响应中轨道交通振源引起振动响应的自动识别、提取。
38.参见图1所示，本发明实施例提供了一种地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法，具体包括如下步骤：
39.s1、在预设时长内，采用振动加速度传感器，对轨道交通沿线地表或建筑物室内地板的垂向振动进行监测；获取轨道交通沿线地表在预设时长内的第一振动响应数据；
40.s2、对第一振动响应数据进行滤波处理，获得预设频段对应的振动响应数据，记作第二振动响应数据；
41.s3、计算第二振动响应数据的运行计权加速度平方；并将预设时长内，运行计权加速度平方的平均值作为判断阈值，根据判断阈值判断预设时长内的第一振动响应数据的振源是否为地铁列车。
42.下面分别对上述各个步骤进行详细的说明。
43.在上述步骤s1中，在每个测点设置一个垂向的振动加速度传感器；其中振动加速度传感器的具体数量可根据具体测试计划而定；在本发明实施例中，将角铁粘贴在地表垂直方向，之后通过磁坐将振动加速度传感器固定在角铁上；
44.在上述步骤s2中，由于在预设时长内测试得到的轨道交通沿线地表或建筑物楼板
的振动响应为多种振动源共同作用的结果；而轨道交通列车诱发的环境振动响应的能量主要集中在40～80hz频段，因此在本发明实施例中，将预设频段为40～80hz频段；该步骤中，对预设时长内的第一振动响应数据进行带通滤波预处理后，既可以突出地铁列车振动响应的典型频域特征，又可以降低下一步骤中背景振动对振动源识别的干扰；
45.参照图2所示，在上述步骤s3中，具体包括：
46.s31、从能量角度出发，将振动响应时程信号转化为振级，可以使振动加速度监测数据的频域特征更加凸显。基于此，计算第二振动响应在各个预设连续分析时间窗内的计权加速度振级；
47.由于1/3倍频程振动加速度级可以突出不同中心频率的能量分布特征，因此计算1/3倍频程内，振动加速度级不同中心频率对应的计权振动加速度级vl(fi)：
[0048][0049]
在公式(1)中，fi表示三分之一倍频程中心频率；a
rms
(
·
)表示加速度均方根值；a0表示参考加速度，在本发明实施例中取10-6
m/s2；wk(
·
)表示加速度计权因子；本发明实施例中的加速度计权因子可参照iso 2631/1-1997规定的垂向计权因子；
[0050]
本发明实施例中，计权振动加速度级的预设分析时间窗长为1s，并设定重叠系数为7/8。
[0051]
根据第二振动响应数据在每一预设分析时间窗内的计权加速度振级，获得该第二振动响应数据在多个预设分析时间窗内的运行计权加速度振级；
[0052]
s32、根据运行计权加速度振级，计算在预设时长内，第二振动响应数据在每一预设分析时间窗内的z振级，从而进一步凸显出整体振动响应的能量变化；z振级vlz表示为：
[0053][0054]
在公式(2)中，fi取1～80hz频段的各个中心频率；
[0055]
根据第二振动响应数据在每一预设分析时间窗内的z振级，获得该第二振动响应数据的运行z振级vlz(t)；
[0056]
s33、根据运行z振级，计算在预设时长内，第二振动响应数据在每一预设分析时间窗内的计权加速度平方a
w2
；
[0057][0058]
根据第二振动响应数据在每一预设分析时间窗内的计权加速度平方a
w2
，获得该第二振动响应数据的运行计权加速度平方a
w2
(t)；
[0059]
s34、将预设频段内，运行计权加速度平方的平均值mean(a
w2
(t))作为判断阈值，从预设时长的起始时间开始，依次对第一振动响应数据所对应的计权加速度平方a
w2
(t)进行对比；同时结合地铁列车诱发振动响应的持续时长，判断第一振动响应数据的振源是否为地铁列车；本发明实施例中，将地铁列车诱发振动响应的持续时长设为5s；
[0060]
判断第一振动响应数据的振源是否为地铁列车的具体步骤如下：
[0061]
s341、当第i个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的运行计权加速度平方，
大于运行计权加速度平方的平均值，即a
w2
(ti)》mean(a
w2
(t))；则将第i个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的时间点作为起始点，记作时间ti；
[0062]
s342、继续进行对比，当第i j个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的运行计权加速度平方，小于运行计权加速度平方的平均值；即a
w2
(t
i j
)《mean(a
w2
(t))，则将第i j个分析时间窗内的第一振动响应数据所对应的时间点作为终止点，记作时间t
i j
；
[0063]
s343、计算时间t
i j
与时间ti的时间差；
[0064]
若时间差大于或等于地铁列车诱发振动响应的持续时长，即时间差大于或等于5s，则判定从时间ti至时间t
i j
内，对应的第一振动响应数据的振源是地铁列车；
[0065]
反之，若时间差小于5s，则判定从时间ti至时间t
i j
内，对应的第一振动响应数据的振源是城市路面交通的机动车；
[0066]
若第一振动响应数据的振源是地铁列车，则将该地铁列车的原始检测数据分别截取，并进行分析，输出其时程、z振级和1/3倍频程振动加速度级，为城轨交通地下线路列车振动环境影响的预测、评价、防治提供可靠的数据支撑；
[0067]
s344、按照步骤s341-s343对后续第一振动响应数据继续进行对比，直到将预设时长内第一振动响应数据全部完成对比；具体参照图3和图4所示；
[0068]
其中，图3(a)为本发明实施例1提供的实测环境振动响应数据；图3(b)为本发明实施例1提供的识别到的地铁列车诱发的环境振动响应；通过3(a)和图3(b)可知，本发明实施例1采集的3500s内的振动响应数据；按照上述步骤s341-s343依次对该3500s内的振动响应数据进行对比，获得了13组起始点和对应的终止点，即图3(b)中的tr1-tr13；分别将tr1-tr13所对应的时间差与地铁列车诱发振动响应的持续时长(取5s)进行对比，来判断这13组时间内的振动响应数据的振源是否为地铁列车。
[0069]
其中，图4(a)为本发明实施例2提供的实测环境振动响应数据；图4(b)为本发明实施例2提供的识别到的地铁列车诱发的环境振动响应；通过3(a)和图4(b)可知，本发明实施例2采集的3500s内的振动响应数据；按照上述步骤s341-s343依次对该3500s内的振动响应数据进行对比，获得了13组起始点和对应的终止点，即图4(b)中的tr1-tr13；分别将tr1-tr13所对应的时间差与地铁列车诱发振动响应的持续时长(取5s)进行对比，来判断这13组时间内的振动响应数据的振源是否为地铁列车。
[0070]
本发明实施例提供了一种地铁列车诱发环境振动响应的快速识别方法，针对轨道交通和道路交通两种交通设施振动在时域与频域上的不同分布特征，首先，利用数字滤波技术分析技术对原始的振动时程信号进行预处理，凸显轨道交通列车的诱发振动响应特征，便于进一步识别分析；其次，通过计算分析滤波后的实测加速度响应中典型频段的计权振动加速度实现轨道交通振源自动识别，解决人工识别的效率低、精度差等问题。通过该方法可便捷高效地提取出地铁列车诱发环境振动响应的原始数据，为城轨交通线路列车振动环境影响的预测、评价、防治提供可靠的数据支撑。
[0071]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。