• ISSN 0258-2724
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基于经验模态分解的轨道不平顺时频特征分析

杨友涛 刘国祥

杨友涛, 刘国祥. 基于经验模态分解的轨道不平顺时频特征分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(4): 733-740. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.010
引用本文: 杨友涛, 刘国祥. 基于经验模态分解的轨道不平顺时频特征分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(4): 733-740. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.010
YANG Youtao, LIU Guoxiang. Analysis of Track Irregularity Time-Frequency Characteristics Based on Empirical Mode Decomposition[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(4): 733-740. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.010
Citation: YANG Youtao, LIU Guoxiang. Analysis of Track Irregularity Time-Frequency Characteristics Based on Empirical Mode Decomposition[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(4): 733-740. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.010

基于经验模态分解的轨道不平顺时频特征分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.010
基金项目: 

教育部春晖计划资助项目 Z2014066

国家自然科学基金资助项目 41474003

详细信息
    作者简介:

    杨友涛(1981-), 男, 讲师, 博士研究生, 研究方向为轨道不平顺数据挖掘与分析, E-mail:yangyt@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U213.2

Analysis of Track Irregularity Time-Frequency Characteristics Based on Empirical Mode Decomposition

  • 摘要: 高速铁路轨道不平顺测量值是由许多不同频率、不同幅值的单分量信号叠加而成的复杂随机过程.为分析轨道不平顺在空间域和频率域的分布特性,利用希尔伯特-黄变换方法提取轨道不平顺在时-频域的能量分布,为从幅值和波长两个方面综合评价轨道几何状态提供一种新的分析方法.首先,利用多元经验模态分解基于数据驱动的滤波特性,将轨道不平顺数据同时分解为不同尺度下的幅值-频率调制的多元本征模态函数;然后,通过希尔伯特变换计算各尺度下本征模态函数的瞬时频率,分析各层本征模态函数的频率和能量分布特征.通过对轨道检查车的实测轨道不平顺数据解算与分析表明:轨道不平顺的频率分布呈现出近似二进滤波特性,并且每个尺度下的频率带宽较窄;多元经验模态分解尺度图能确定轨道不平顺在各尺度下的能量分布及对应的波长特征;样本轨道不平顺数据中,轨距和水平不平顺的能量主要分布在中长波波段,轨向和高低的能量主要集中在空间波长4~36 m范围;扭曲的能量分布在波长为4.9 m和7.6 m的两个尺度内.

     

  • 图 1  轨道几何不平顺多元经验模态分解结果(A)

    Figure 1.  MEMD results of irregularities in track geometry (A)

    图 2  轨道几何不平顺多元经验模态分解结果(B)

    Figure 2.  MEMD results of irregularities in track geometry (B)

    图 3  轨道不平顺多元经验模态分解尺度图

    Figure 3.  MEMD-based scalograms of track irregularity

    表  1  轨道不平顺各层IMF的平均频率和相对标准差

    Table  1.   Average frequency and relative standard deviation of IMFs of track irregularity

    IMF
    层号
    轨距 水平 左轨向 右轨向 左高低 右高低 扭曲
    平均频率/m-1 相对标准差 平均频率/m-1 相对标准差 平均频率/m-1 相对标准差 平均频率/m-1 相对标准差 平均频率/m-1 相对标准差 平均频率/m-1 相对标准差 平均频率/m-1 相对标准差
    C1 1.295 0 0.48 1.472 7 0.29 1.418 6 0.44 1.381 1 0.47 1.417 4 0.42 1.409 4 0.42 1.460 1 0.29
    C2 0.629 4 0.23 0.763 0 0.20 0.745 6 0.17 0.721 8 0.19 0.715 8 0.18 0.718 5 0.18 0.770 1 0.20
    C3 0.367 6 0.17 0.431 9 0.20 0.423 6 0.19 0.398 8 0.20 0.429 3 0.21 0.424 0 0.18 0.468 0 0.13
    C4 0.251 7 0.15 0.226 8 0.21 0.235 7 0.20 0.237 1 0.17 0.222 3 0.16 0.219 3 0.16 0.201 7 0.17
    C5 0.129 7 0.19 0.127 1 0.19 0.128 9 0.16 0.128 4 0.18 0.132 3 0.16 0.138 3 0.16 0.131 8 0.18
    C6 0.073 2 0.17 0.071 5 0.14 0.072 2 0.15 0.070 1 0.16 0.071 0 0.15 0.070 2 0.16 0.074 8 0.15
    C7 0.041 5 0.20 0.042 2 0.19 0.040 7 0.15 0.043 4 0.15 0.042 0 0.20 0.040 8 0.21 0.046 1 0.18
    C8 0.026 4 0.17 0.027 1 0.11 0.028 4 0.08 0.028 0 0.08 0.027 8 0.10 0.028 3 0.13 0.028 1 0.13
    C9 0.016 9 0.11 0.012 4 0.17 0.017 1 0.15 0.017 2 0.14 0.015 1 0.13 0.014 8 0.15 0.013 3 0.19
    C10 0.007 6 0.16 0.008 2 0.20 0.008 3 0.26 0.008 8 0.22 0.008 7 0.24 0.009 5 0.17 0.008 6 0.15
    C11 0.003 5 0.15 0.003 6 0.12 0.004 5 0.31 0.003 9 0.31 0.004 0 0.13 0.004 4 0.17 0.004 1 0.26
    C12 0.002 2 0.18 0.002 3 0.12 0.002 4 0.13 0.002 3 0.11 0.002 9 0.09 0.002 8 0.12 0.002 2 0.22
    C13 0.001 3 0.08 0.001 3 0.14 0.001 6 0.11 0.001 3 0.09 0.001 3 0.07 0.001 2 0.11 0.001 3 0.04
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    表  2  轨道不平顺各层IMF能量所占比例

    Table  2.   Energy percentage of IMFs of track irregularity

    %
    IMF层号 轨距 水平 左轨向 右轨向 左高低 右高低 扭曲
    C1 0.1 3.6 0.8 0.7 0.4 0.2 4.8
    C2 0.3 5.2 1.8 1.6 1.3 0.7 5.5
    C3 1.1 6.7 4.1 3.7 2.7 2.3 7.2
    C4 5.5 19.0 15.2 15.2 12.8 15.0 30.1
    C5 5.4 17.4 18.7 19.0 17.4 17.9 34.0
    C6 6.5 13.5 20.1 22.1 27.8 23.5 12.7
    C7 8.1 10.7 24.4 27.9 25.4 27.4 4.2
    C8 5.2 6.0 14.3 9.2 10.9 11.7 0.9
    C9 6.1 8.6 0.5 0.5 0.8 0.9 0.5
    C10 19.1 5.1 0.2 0.1 0.3 0.3 0.1
    C11 40.9 2.9 0.0 0.0 0.1 0.1 0.0
    C12 0.7 0.8 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
    C13 0.9 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
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  • 收稿日期:  2016-12-09
  • 刊出日期:  2018-08-01

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