阅读说明：本技术 一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法 (A kind of high-speed rail speed of service estimation method using velocity scanning ) 是由 王晓凯 陈文超 师振盛 刘璞 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法,根据运行速度和我国高铁列车的典型参数设计振幅谱模板函数；在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号；对截取的信号做傅里叶变换,得到其振幅谱；计算此信号能量谱的累积函数,确定其大部分能量所在的频率区间；将振幅谱模板函数与实际振幅谱做互相关；在所有的互相关系数中寻找最大的互相关系数,以及其对应的速度；以此速度为基点,缩小速度变化间隔,重新建立振幅谱模板函数；再次进行振幅谱模板函数与实际振幅谱的互相关计算；寻找最大的互相关系数所对应的速度,将该速度记为列车运行的最终估计速度v<Sub>final</Sub>。(The invention discloses a kind of high-speed rail speed of service estimation methods using velocity scanning, design amplitude spectrum stencil function according to the canonical parameter of the speed of service and China's high-speed rail train；The signal excited when high-speed rail is passed through is intercepted in single detector seismic data；Fourier transformation is done to the signal of interception, obtains its amplitude spectrum；The cumulative function for calculating this signal energy spectrum determines the frequency separation where its most of energy；Amplitude spectrum stencil function and actual amplitude spectrum are done into cross-correlation；Maximum cross-correlation coefficient and its corresponding speed are found in all cross-correlation coefficients；Using this speed as basic point, velocity variations interval is reduced, amplitude spectrum stencil function is re-established；The cross-correlation calculation of amplitude spectrum stencil function and actual amplitude spectrum is carried out again；Speed corresponding to maximum cross-correlation coefficient is found, which is denoted as to the final estimating speed v of train operation final 。)

一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法

技术领域

本发明属于勘探地球物理技术领域，具体涉及一种利用速度扫描的高铁运行 速度估计方法。

背景技术

1964年，日本新干线的商业运营开启世界高铁发展的新时代。随后,法国、 德国、加拿大、意大利、瑞典及韩国等国家争相建设高铁,并开通商业运营。中 国于2008年8月1日开通首条商业运营高铁线路——京津城际铁路。截至目前， 中国高铁营业里程达3.1万公里，接近世界高铁总营业里程的70％。2019年7月 10日零时起，全国铁路实施新的列车运行图，每天开行动车组列车达3310对。 数量如此庞大的列车高速运行在高铁线路上,获得高铁列车运行速度，是监测列 车运行安全的重要手段之一，同时也是后续利用高铁列车引起震动信号的关键。 目前已有的获得高铁列车运行速度的方法主要包含：

现有技术1：利用车载设备获取列车运行速度：直接利用列车上的转速计可 以获得列车运行速度，但无法确定列车在通过某个位置时的速度。此外，高铁列 车携带的GPS设备可提供列车速度以及列车实时位置。所需的设备均安装在列 车上，因此需要与高铁部门的许可。

现有技术2：在高铁线路隔离区内安装视频、光学及雷达等设备：常用的外 部测速系统和方法有基于摄像机的速度估计系统、基于光学传感器或两个震动传 感器的列车速度估计方法、利用多普勒效应的雷达测速方法以及基于车轮计数的 速度估计方法等。上述方法需要安装在能够看到铁轨的位置，需要进入隔离区及 在隔离区内安装设备的许可。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用 速度扫描的高铁运行速度估计方法，使用高铁线路隔离区外单个检波器采集到的 地震数据，利用速度扫描的方法来估计列车运行速度，为后续判断列车运行状 态提供数据。

本发明采用以下技术方案：

一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法，包括以下步骤：

S1、根据运行速度和高铁列车的典型参数设计振幅谱模板函数|F(ω,v)|；

S2、在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号，检波器获取的有 效信号所对应的时间范围为[t₁,t₂]；

S3、对截取的信号做傅里叶变换，得到其振幅谱；

S4、计算步骤S3截取的信号的能量谱累积函数，确定能量频率区间；

S5、将振幅谱模板函数与实际振幅谱做互相关计算；

S6、在步骤S5所有的互相关系数中寻找最大的互相关系数，及其对应的速 度v_r；

S7、以步骤S6确定的速度为基点，缩小速度变化间隔，重新建立振幅谱模 板函数；

S8、再次进行振幅谱模板函数与实际振幅谱的互相关计算；

S9、寻找最大的互相关系数所对应的速度，将该速度记为列车运行的最终估 计速度v_final。

具体的，步骤S1中，振幅谱模板函数|F(ω,v)|为：

v＝v_initial+mΔv₁

其中，D为每节车身长度，v为预设的列车速度，v_initial为初始扫描速度，m为 扫描速度的指标，Δv₁为初始速度扫描间隔。

进一步的，设定车厢数N为16节，每节车身长度D为25米，v_initial设为30 千米/小时，m的取值范围为[0,370]，Δv₁为1千米/小时，一系列振幅谱模板函数 中共包含371个函数。

具体的，步骤S3中，假设截取出的高铁运行所引起的信号为y(t)，对该信号 做傅里叶变换，得到其振幅谱|Y(ω)|为：

其中，[t₁,t₂]为检波器获取的有效信号所对应的时间范围，y(t)为截取出的高 铁运行所引起的信号，j为虚数单位ω为频率，t为速度。

具体的，步骤S4中，首先得到该信号的总能量E_y，然后计算该信号的频率 上界，对幅值的平方由频率的零值开始累加，直到累加值与总能量E_y的比值高于 设定的保留率η₁，对应的频率便是所求的频率上界ω_max；在获取频率下界时，由 频率上界开始累加，直到累加值与总能量E_y的比值高于设定的保留率η₂，此时对 应的频率便是所求的频率下界ω_min，确定95％的能量所在的频率区间为[ω_min,ω_max]。

进一步的，截取的信号总能量E_y：

频率上界ω_max：

频率下界ω_min：

具体的，步骤S5中，对已有的振幅谱模板函数与实际接收到的数据振幅谱 做互相关，得出与之对应的归一化互相关系数Corr(v)为：

其中，|Y(ω)|为高铁所引起震动信号的振幅谱，dω为频率微元，互相关系数 的取值范围在[0,1]之间。

具体的，步骤S6中，对应的速度v_r为：

v_r＝argmax_vCorr(v)

其中，v_r是对速度v的粗略估计。

具体的，步骤S7中，在[v_r-Δv₁,v_r+Δv₁]范围之内，将速度搜索间隔减小为Δv₂，根据振幅谱模板函数|F(ω,v)|重新构建振幅谱模板函数|F(ω,v)|，其中， v＝v_r-Δv₁+mΔv₂，

具体的，步骤S9中，在[v_r-Δv₁,v_r+Δv₁]范围之内，根据步骤S6确定的对应 的速度v_r寻找最大互相关系数所对应的速度，则将该速度记为列车运行的最终估 计速度v_final。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明为利用速度扫描进行高铁运行速度估计的一种方法，仅利用一个在隔 离区外的地震检波器数据即可实现高铁列车运行速度的估计。本发明首先对高铁 列车结构参数及预设列车运行速度生成一系列受力函数振幅谱,然后计算各种速 度下的受力函数振幅谱与单个检波器所接收到信号振幅谱的互相关函数,最终选 取互相关函数值最大时对应的速度作为列车运行速度的估计值。相比较于常规高 铁列车速度估计方法，本发明获得仅依赖于隔离区外的一个地震检波器数据即可 获得高铁列车的运行速度。

进一步的，根据运行速度和高铁列车的典型参数设计振幅谱模板函数，有利 于后续计算振幅谱模板函数与实际信号的互相关函数。

进一步的，在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号，有利于估 计每趟经过检波器列车的速度，同时有利于减少后续计算振幅谱的运算量。

进一步的，截取的信号的能量谱累积函数并确定能量频率区间，有利于减少 参与互相关函数计算的频率范围,同时有利于提高方法的抗噪性。

进一步的，将振幅谱模板函数与实际振幅谱做互相关计算，为后续寻找最大 相关系数提供了数据基础。

进一步的，在步骤S5所有的互相关系数中寻找最大的互相关系数及其对应 的速度，可提供一个较为粗糙的速度估计，有利于提高后续速度估计的精度。

进一步的，以步骤S6确定的速度为基点，缩小速度变化间隔，重新建立振 幅谱模板函数及再次进行振幅谱模板函数与实际振幅谱的互相关计算，有利于提 高后续速度估计的精度。

进一步的，寻找最大的互相关系数所对应的速度并将该速度记为列车运行的 最终估计速度，有利于得到精度更高的列车速度估计。

综上所述，本发明可以有效、快速的实现仅利用一个地震检波器数据的高铁 列车运行速度估计，所采用的方法为速度扫描，具有可靠性高等你，同时为检测 高铁列车运行速度提供了一个独立于车载/隔离区内设备的方法。

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

图1为本发明流程图；

图2为列车1经过时单个检波器接收到的一道高铁震源地震信号；

图3为列车1经过时单个检波器接收到的一道高铁震源地震信号的振幅 谱；

图4为按照300km/h生成的振幅谱模板函数；

图5为一系列振幅谱模板函数与实际信号振幅谱的互相关函数。

具体实施方式

本发明提供了一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法，仅利用一个在隔 离区外的地震检波器数据即可实现高铁列车运行速度的估计。本发明首先对高铁 列车结构参数及预设列车运行速度生成一系列受力函数振幅谱，然后计算各种速 度下的受力函数振幅谱与单个检波器所接收到信号振幅谱的互相关函数，最终选 取互相关函数值最大时对应的速度作为列车运行速度的估计值。

请参阅图1，本发明一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法，包括以下 步骤：

S1、根据运行速度和高铁列车的典型参数设计振幅谱模板函数；

高铁列车参数相对固定，选择典型列车参数为：车厢数N为16节，每节车 身长度D为25米。以一定的速度间隔Δv₁不断地改变预设的列车速度v(例如可 从30千米/小时变化到400千米/小时，间隔为1千米/小时)，得到一系列与速度 有关的振幅谱模板函数|F(ω,v)|：

v＝v_initial+mΔv₁ (2)

若将v_initial的值设为30千米/小时，m的取值范围限定为[0,370]，Δv₁为1千米 /小时，则这一系列振幅谱模板函数中共包含371个函数。

S2、在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号；

在高铁线路隔离区外埋置检波器，在高铁经过时从检波器接收到的信号中截 取高铁经过时所激发的信号，获取的有效信号所对应的时间范围为[t₁,t₂]。

S3、对截取的信号做傅里叶变换，得到其振幅谱；

假设截取出的高铁运行所引起的信号为y(t)，对该信号做傅里叶变换，得到 其振幅谱|Y(ω)|为：

S4、计算此信号能量谱的累积函数，确定其大部分能量所在的频率区间；

首先得到该信号的总能量E_y：

然后计算该信号的频率上界，对幅值的平方由频率的零值开始累加，直到累 加值与总能量E_y的比值高于设定的保留率η₁，此时对应的频率便是所求的频率上 界ω_max：

同理，在获取频率下界时，可以由频率上界开始累加，直到累加值与总能量 E_y的比值高于设定的保留率η₂，此时对应的频率便是所求的频率下界ω_min：

将η₁和η₂分别设为0.975和0.95，由此确定95％的能量所在的频率区间为 [ω_min,ω_max]。

S5、将振幅谱模板函数与实际振幅谱做互相关；

在频率区间[ω_min,ω_max]范围内，将已有的一系列振幅谱模板函数与实际接收到的数据振幅谱做互相关，得出与之对应的归一化互相关系数Corr(v)为：

互相关系数的取值范围在[0,1]之间，越接近1就表示当前速度v下的振幅谱 模板函数与实际数据振幅谱的相关性越强。

S6、在所有的互相关系数中寻找最大的互相关系数，以及其对应的速度；

在所有的互相关系数中寻找最大的互相关系数，并找出对应的速度v_r为：

v_r＝argmax_vCorr(v) (8)

其中，v_r是对速度v的一个粗略的估计。

S7、以步骤S6确定的速度为基点，缩小速度变化间隔，重新建立振幅谱模 板函数；

速度v_r确定好以后，在[v_r-Δv₁,v_r+Δv₁]范围之内，将速度搜索间隔减小为Δv₂(可取值为0.01千米/小时)，根据式(1)重新构建振幅谱模板函数|F(ω,v)|，其 中

v＝v_r-Δv₁+mΔv₂ (9)

其中，

S8、再次进行振幅谱模板函数与实际振幅谱的互相关计算；

利用式(7)计算新的模板函数与实际信号之间的互相关系数Corr(v)。

S9、寻找最大的互相关系数所对应的速度，将该速度记为列车运行的最终估 计速度v_final。

在[v_r-Δv₁,v_r+Δv₁]范围之内，利用式(8)寻找最大互相关系数所对应的速度，则将该速度记为列车运行的最终估计速度v_final。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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 描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中 的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因 此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的 本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本 领域普通技术人员在没有作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。

本发明一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法，以高铁经过时距高铁线 路75m的单个低频检波器所接收到的信号为例。

表1为8趟列车经过时利用本方法估计的高铁列车运行速度

请参阅图2，图2为列车1经过时单个检波器所接收到的高铁震源所引起的震动信号，采 样间隔为5ms，共有3001个采样点。请参阅图3、图4和图5，图3为列车1经过时所引起震 动信号的振幅谱，图4为按照300km/h生成的振幅谱模板函数，图5为一系列振幅谱模板函数 与实际信号振幅谱的互相关函数。从图5可以得到互相关系数最大值对应的速度为83.58米/ 秒(即300.89千米/小时)。对8趟列车经过时单个检波器所接收到的数据利用本专利方法进行 分析，得到的8趟列车速度估计值如表1所示，与我国高铁的商业运营速度吻合。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。