信号突变点（精选5篇）
信号突变点 篇1
0 引言
随着高速公路建设事业的突飞猛进, 保障公路运输安全、畅通显得越来越重要。因而, 在智能交通系统中, 需要了解各条道路上的车流量以实现交通信息统计、信息发布和交通控制。国内外对车流量的检测方法主要有感应线圈检测、超声波式检测、雷达检测、红外线检测和基于计算机图像识别技术的视频检测等。其中基于感应线圈的行驶车辆检测装置具有电路简单、性能稳定、成本低、使用方便的优点, 因而在智能交通系统中得到广泛应用。
感应线圈检测系统主要由感应线圈、调谐电路和检测器组成。感应线圈作为一个传感器, 采用数匝低阻抗的AWG线敷设在地面下, 通过变压器连接至检测器的调谐电路。调谐电路驱动能量 (10~200KHZ) 于感应线圈在其周围的空间产生电磁场, 进入磁场范围的车辆构件内产生自闭合回路的感应电涡流, 此涡流又产生与原有磁场方向相反的新磁场, 导致线圈的总电感量变小, 引起调谐频率偏离原有的数值, 检测器检测该偏离值即可用于判别车辆的类型, 并用以车流量统计。
由于高速行驶的车辆通过感应线圈的时间很短, 有时会导致检测器的频率变化过小而不能可靠检测到车辆, 从而使车流量统计产生误差。本文通过小波变化的方法对感应线圈的谐振频率进行多尺度分解, 利用谐振频率在频率上的突变和小波变换对奇异性信号的检测原理, 提出利用小波变换进行车流量检测的方法。这种方法不但能有效的提高车流量的检测精度, 而且为进一步通过车辆检测器实现对各种车型进行预分类提供了新的思路和方法, 因而具有相当的研究价值。实验结果表明, 采用小波变换方法分析车辆通过感应线圈时的频率变化信号, 相对于常规采用锁相环技术和双振荡器方案检测频率和相位的变化来判断感应线圈上是否有车辆的方法更加准确。
1 感应线圈频率变化的数学模型
检测器调谐电路的基准频率为 (10~200KHZ) , 对某一台检测器来说, 其调谐回路的基准频率相对比较稳定, 集中在一个比较小的范围内。当感应线圈上有车辆经过时, 调谐电路的输出频率会增加几k Hz至几十k Hz。由于感应线圈埋于公路路面下, 调谐电路会受到外部各种干扰, 例如周围环境的影响、有色噪声的污染以及很多无法预料的因素都会使频率变化引入许多频率干扰。实验证明, 引入到调谐电路的干扰反应在频率域主要有随机尖峰干扰和工频干扰。随机尖峰干扰幅值高但频率低, 即使将随机尖峰干扰当作正常频率检测也不会影响判断结果, 因而可以忽略该干扰;而工频干扰频率较高可能对检测结果产生不良影响, 所以需要进行滤波。
根据上述分析, 可以建立起车辆通过感应线圈时频率变化的数学模型作为样本进行分析。取某台检测器的调谐电路的基准频率为f0=40 k Hz, 并根据实验数据, 感应线圈上有车辆时的频率从f1=41 k Hz到f2=46k Hz的范围内随机变化, 并迭加有f3=50Hz的干扰频率。则当感应线圈上有车辆通过时, 调谐电路频率变化样本的数学模型可表示为x (t) =A[sin2πf0t0, sin2π (f1~f2) t1, sin2πf0t2]+Bsin2πf3t0-2 (1)
根据车辆通过感应线圈时的实际情况, 在式 (1) 中, 调谐电路的幅值A取2.5V, 工频干扰的幅值B取2.0V, 波形中的时间范围t0=0~0.25ms, t1=0.25~0.75ms, t2=0.75~1.0ms, t0-2=t0+t1+t2, 并取采样频率为fs=400k Hz, 可得到频率变化曲线样本如图1所示 (频率范围用随机函数生成, 图示的样本是在无穷样本集合中随机产生的) 。
2 小波信号特征检测的理论分析
2.1 小波变换与信号的突变性
S.Mallat将信号的局部奇异性与小波变换后的模极大值联系起来, 通过小波变换后的模极大值在不同的尺度上的衰减速度来衡量信号的局部奇异性。
反之, 若对于某个α (-ε<α<1) , f (t) ∈L2 (R) 的小波变换满足式 (2) 时, 则f (t) 在I上具有一致的Lipschitz指数α。
在信号和图像处理中, 常常使用卷积小波变换。为此, 这里引入卷积小波变换的概念。
为f (t) 的卷积型小波变换, 也称为f (t) 的小波变换。
若将f (t) 的小波变换理解成卷积型小波变换, 则式 (2) 和式 (3) 就变成
式 (2) 、 (3) 表明, 若α> (-1/2) , 小波变换模极大值随尺度j增大而增大;若α< (-1/2) , 则小波变换模极大值随着尺度j的增大反而减小。
上述情况说明, 可以利用小波变换模极大值尺度变化的情况来推断信号的突变点类型。
2.2 小波基选择
如何选择小波函数对信号进行分析处理目前还没有完整的理论标准, 但小波变换的小波系数性质为如何选择小波函数提供了依据。小波变换后的小波系数表明了小波与被处理信号之间的相似程度, 如果小波变换后的小波系数较大, 就表明小波和信号的波形相似度较大;反之则比较小。这种性质表明, 要反映信号的奇异性这种细节上的变换应该采用尺度较小的小波基。经大量的实验分析表明, 如果选用与信号形状相似的小波基, 特别是正交小波基进行信号处理时, 效果良好。Daubechies系列小波具有正交性, 紧支集和N-1阶消失矩, 其中心频率较高, 适合对该类信号进行分析处理。在db系列小波中经常用的是db4和db8, 而db8的正则性优于db4, 所以采用db8小波基。
3 实验结果与分析
图1所示的频率变化曲线样本中采样点100~300段的波形频率比0~100段及300~400段的要高, 这是由于0~100段及300~400段的感应线圈上没有车辆, 调谐电路运行在基准频率;而采样点100~300段的感应线圈上有车辆经过, 调谐电路的频率比基准频率高。为了更清楚的揭示这种特征, 利用db8小波基对频率变化曲线样本进行2层小波分解, 并对1~2层的细节信号系数进行重构得到细节信号d1和d2, 对逼近信号系数进行重构后得到逼近信号a1。这些信号波形及原始信号波形均显示在图2中。从图2中明显可以看出, 重构后的第1层细节信号d1在采样点100~300段清楚的分解出了我们所关心的高频细节信号, 即显示出了感应线圈上有车辆通过时的波形, 时间分界点及波形的特征都从原始信号中分离出来。时间分界点可以作为判别车流量、车速等依据;波形的特征则可以作为车辆类型的判据。
利用小波变换分析方法检测奇异信号的一般方法是, 对信号进行多尺度分解, 在信号出现突变阶段, 其小波变换后的细节系数可以集中在某一尺度上, 因而可以通过细节系数来确定突变信号的时间段。
基于感应线圈的车流量检测器在应用过程中由于通过感应线圈的车辆底盘材质、高低不同, 以及车辆通过感应线圈速度的不同, 车辆引起调谐电路的频率变化差值也各不相同。当频率变化差值较小时, 采用常规的采用锁相环技术和双振荡器方案检测频率和相位的变化来判断感应线圈上是否有车辆的方法往往会漏检车辆, 特别是在高速公路车辆预检系统中, 这种情况发生的更加频繁, 统计表明检测正确率约为97%左右。而采用小波变换方法时, 检测精度显著提高, 工程应用结果统计表明, 检测正确率约为99.2%。
利用小波变换分析方法分析奇异信号时需要选择合适的小波基。小波变换应用于信号检测其实质为不同尺度下的小波对信号进行滤波, 其检测能力与小波的幅频特性有关, 如中心频率和频宽, 而与小波的对称性、正交性和紧支性无关。
在进行大量样本采集与研究过程中, 发现由于不同类别车辆的底盘结构不同, 当通过感应线圈时, 得到的频率变化曲线的密度与包络线与车辆的类型有对应关系。因而有理由预测, 通过研究这些频率变化曲线的密度与包络线特征, 可以会进一步实现对各种车型进行自动分类。如果能够实现这一功能, 则基于感应线圈的车流量测装置的功能将实现重大突破, 关于这方面问题还需进一步研究。
4 结语
对行驶车辆通过感应线圈时的频率变化曲线进行小波变换后, 可以通过检测分解尺度下小波系数的方法提取车辆通过感应线圈时的突变信号特征作为车流量的检测方法, 可明显的提高车流量检测装置的精度。通过精确的车流量检测, 可以给智能交通系统提供更加精确的数据, 对于实现各条道路上交通信息统计、信息发布和交通控制提供了强有力的工具。
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信号突变点 篇2
摘要：地铁的出现为人们的生活带来了巨大的便利，随着科学技术的不断发展各种各样的新技术出现在人们的生活中，在本研究中笔者将涉及到一个词汇便是ATS（列车自动监控系统）。
关键词：地铁；ATS信号；发展
前言
ATS信号系统是在CBTC系统的基础之上发展起来的，所谓的CBTC系统是指基于通信的列车控制系统。目前的ATS系统不仅仅可以完成列车自动调整的功能，也可以对地铁实现连续的追踪，大大的提高了服务的水平，提高了人们的生活质量。
1.关于地铁ATS信号发展的必要性。
1.1关于地铁ATS信号发展的背景。
随着城市化进程的不断加快，对于城市的建设在不断地调整。在城市化建设的过程中，地铁在最近几年的建设中占据了比较重要的地位。中国的人口不断地增加，对于交通造成了一定的压力，地铁的出现缓解了交通的压力。在地铁行车的过程中，地铁运行中的信号如何关系着行车的安全与准时。目前计算机技术正在飞速的发展，渗透在各个领域里。地铁的信号系统也同样不例外。目前普遍采用的是地铁的自动控制系统，即ATC系统。ATC系统包括三个子系统列车自动防护ATP系统、列车自动运行ATO系统和列车自动监控ATS系统。ATS系统的主要功能是在运行的过程中，根据列车表运行，并且及时反馈列车的运行情况，在出现一定的问题而耽误列车的行程的时候，自动的采取一定措施来减少地铁运行的误差。目前科学技术的发展日新月异，促进了ATS系统的发展。但是在ATS系统方面，目前地铁的发展情况可能存在不统一的现象，有的地铁实现了通信，有的通信则开通的不全面，或者各种地铁内部的系统存在差异。ATS存在的意义是对于地铁内部的运行的速度、运行的状态、各种设备的工作情况进行监控，并且进行信息的记录与反馈，在出现一定的问题的时候，进行及时的调整，将误差降低。ATS系统也可以根据地铁的人流量进行调节地铁之间的运行间隔，这样可以针对具体的服务情况为乘客提供人性化的服务，为人们的日常生活提供便利。ATS系统最主要的一个功能便是实现列车的追踪。在ATS系统监控的系统之内，通过一定的方式识别运行的车辆，并且根据列车运行过程中各种数据的变化随时记录。前面笔者涉及到CBTC系统是ATS系统准确运行的基础。在此笔者将其原理进行简单的概述。CBTC是针对通信列车而言的，在通信比较好的情况之下，CBTC系统可以正常的运行，ATS系统可以在CBTC系统基础之上得到准确的列车的定位，ATS系统获得的数据非常的精细。可以囊括地铁所有细节信息。但是在通信强度不够的情况下，CBTC系统无法正常的工作，ATS无法获得精确地追踪数据，获得的只是地铁运行的粗略信息，这样对于调节地铁的运行会存在比较大的误差。目前我国的地铁在没有实现通信的地段就会出现CBTC系统无法正常工作的情况，这也是我国的地铁系统发展不完善的地方。所以，在以后发展的过程，完善地铁的通信系统是相关人员需要努力的重点。
1.2关于地铁ATS信号发展的现状
地铁的建设最先是在国外发展起来的。随后，我国的地铁也逐渐建设，并且应用ATS系统的地铁也越来越多。不得不承认，我国的地铁事业的起步是比较晚的，与之相对应的ATS系统应用的时间也并不长。ATS系统是跟随着北京地铁的发展而发展起来的。在地铁的建设之初，我国的信号系统发展不完善，所以一开始的信号系统基本上都是从国外引进的，随着我国科学技术的不断发展，我国逐步研发出属于我们自己的信号系统，并且与之一起发展起来一批与信号系统相关的企业。在90年代，由于我国的地铁信号系统发展的时间太短，我国甚至不能研发出一套完整的地铁信号系统，并且我国自主研发的地铁信号系统也存在一定不完善的地方，在我国的市场占有率比较低，只占有我国地铁信号市场的二分之一。发展到现在，我国已经研发出属于自己的完整的地铁信号系统，并且已经投入运行。包括CBTC系统在内的ATS等子系统的研究都取得了不错的成绩。虽然我国目前在ATS系统的地铁追踪方面取得了不错的成绩，但是不得不承认，我国在信号系统方面的研究与国外还存在一定的差距。并且在很大程度上，我国的很多信号系统方面的研究仅仅是纸上谈兵，只是在理论方面的研究很完善，很多的理论还没有投入实践，所以在地铁的ATS信号追踪方面，我国还有很长的道路要走。
2.关于地铁ATS信号系统的概述
目前的ATS系统都是在CBTC系统的基础之上发展起来的，所以，在此笔者将浅显的涉及一下CBTC系统。CBTC系统是目前城市轨道交通中广泛采用的先进列车运行控制系统，通过移动闭塞技术缩短列车之间运行间隔，提高列车运行效率，车-地之间信息交互不再依赖于轨道电路而是采用连续、高速、双向的数据通信技术，同时车载设备进行自动定位检测，实现对列车运行高效连续的控制。CBTC系统是受到ATS系统的控制的，ATS在地铁的列车运行的过程具有中枢系统的地位。ATS由两个部分组成。即中心层CATS与车站层LATS。中心层的CATS系统可以进行整体的控制，而车站层LATS系统则进行本联锁区的监督，LATS与CATS有着本质的区别，CATS主要功能是控制但是具有一定的监督能力，而LATS则只进行监督，不具备控制的功能。在ATS系统中应该设置后备模式，在中心监控系统出现故障的时候备用。
3.关于地铁实现ATS追踪的现实意义
ATS系统的主要功能是实现对于地铁的监督与控制，这是它的基本功能。地铁在ATS系统上实现追踪是具有重大现实意义的。利用ATS系统进行追踪可以区分运行的各个列车，并且可以分别监控列车所在的位置，所运行的速度，速度与标准速度之间的差距。以及目前运行的车辆各个设备的状态。通过ATS的追踪系统，可以在列车模板上随时更新地铁的信息，帮助乘客了解地铁的运行状况。通过对于地铁的监督与控制可以最大程度的减少地铁在运行的过程中带来的误差，利用ATS系统可以调节各个列车之间的运行，保证地铁有序的运行，根据列车运行调整需求和监控到的列车实际运行情况，接收ATS用户的人工操作请求，包括对列车识别号的操作和站台停站等。总而言之，通过在地铁线上设置ATS系统，可以使得地铁在运行的过程中更有序，时间误差更小，及时监督检测地铁在运行的过程中的的各个状态，在出现问题的时候，第一时间解决，提高了服务的效率与质量，为人们的出行带来了更大的便利。
4.结语
在本研究中，笔者提出了关于地铁ATS信号系统的几点看法。随着城市化进程的不断加快，地铁在缓解交通压力方面发挥了巨大的作用。在本研究笔者首先介绍了地铁ATS信号系统的背景与现状，然后简单介绍了地铁ATS信号系统，使得讀者对于地铁ATS信号系统具有一个大概的了解。然后笔者介绍了地铁ATS信号系统实现的现实意义。目前我国的ATS信号系统的发展已经取得了一定的成绩，但是与国外相比还存在着比较大的差距，需要我国相关的研究人员继续努力，减小与发达国家之间的差距。
参考文献：
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[2]刘晓娟，张雁鹏，汤自安.城市轨道交通智能控制系统[M].北京：中国铁道出版社，2005.
信号突变点 篇3
无线传感器网络具有低成本、易于安装和维修等优点,在不同的领域具有较高的应用价值。但是随着无线电技术的发展,城市环境下的电磁环境逐渐复杂,无线传感网络信号突变问题越来越多[1,2,3]。为了高效利用无线网络资源,应对无线网络信号突变进行监测和控制。传统的无线电监测系统,通过单站监测的方法对信号突变进行监测,不能对复杂的高频宽带无线电信号突变进行准确监测[4,5,6]。而无线电监测模块能够对无线传感网络信号突变进行检测,完成突变信号的定位,排除无线电突变信号,保持频谱资源的使用秩序。
文献[7]将无线传感器网络应用在信号突变监控中,但是采用的传感器输出的为模拟信号,并且选取芯片功能较少,无法实现大面积信号突变的检测。文献[8]分析了采用集中式定位算法实现了突变信号的检测,其传感网中定位节点获取的定位目标信息集中到传感网中心节点,再将这些数据融合得到全局的监控结果;该方法可实现大量、复杂信号的监测,但是过于依赖中心节点的作用,需要在低耗能的条件下实现。文献[9]将运算放大器ICL7650和FLASH型芯片MSP430F13X作为核心构造进行硬件和软件设计,实现无线传感网络信号突变的高精度检测,但是存在检测成本高,结构复杂的缺陷。文献[10]采用随机共振方法,在无线传感网络中融入合理强度的噪声,确保突变信号在噪声的协助下进行跃迁,提高突变信号的幅值功率,使突变信号的检测得到增强,但是该方法存在检测误差高的缺陷。
针对上述分析内容,为了提高无线传感网络信号突变监控模块的质量,设计无线传感网络信号突变监控模块的实现电路,其由高频激发器、窄带滤波器、程控放大器、A/D采集电路、FPGA和主控制器等构成。
1 无线传感网络信号突变监控模块的电路设计
1.1 电路总体结构图的设计
无线传感网络信号突变监控模块包括探头、高频激发器、信号检测电路、主控器、FPGA等,系统结构图如图1所示。
由图1可知,信号突变监控模块的运行流程为在50 MHz的高频信号激发下,探头内产生自由基溶液,主控器调控直流极化电路定时向探头输出直流脉冲,使得探头输出监控指令。监控指令控制测量开关的开启,通过A/D转换器完成传感网络信号的收集,并将获取的信号反馈给FPGA进行频谱分析,主控制器按照频谱分析中的频率值,设置窄带滤波器的中心频率和原始配谐电容值。无线传感器网络信号通过窄带滤波后,通过整形电路将变弱的正弦波变换成方波,FPGA中的测频模块检测该方波信号的频率,并将测量结果反馈给主控制器。若无线传感网络信号发生突变,窄带滤波器针对中心频率的滞后问题,将突变信号过滤掉,通过A/D变换器再次设置滤波中心频率,电路运行恢复正常,完成无线传感器网络信号突变的监控。上位机与主控器间通过串口实现信息交流,对总体无线传感器网络信号突变情况进行监控。
1.2 通过高频激发器电路产生指令脉冲
高频激发器是无线传感网络信号突变监控模块的关键电路,其可产生50 MHz的频率,促使自由基溶液产生电子顺磁共振,形成动态指令脉冲,将该指令脉冲信号作为突变监控电路的输入源,电路图如图2所示。电路采用两级信号频率放大方法,第一级是甲类LC谐振动率放大,第二级为丙类功率放大。在级间或输出末级通过相应的方法匹配无线传感网络,确保网络输出功率可有效地传递到下一级或负载中。第一级三极管采用2SC2221芯片,基极通过分压配置电路,集点极是LC选频回路,输入源信号的频率点中形成LC谐振,一、二级间为电容直接耦合。
1.3 采用窄带滤波器过滤网络信号中的噪声
通过窄带滤波器对被测网络信号的频率中的噪声进行过滤。采用开关电容滤波器MAX7490EEE的中心频率对被测信号频率的波动情况进行控制,该滤波器的电路如图3所示。MAX7490EEE电容滤波器的芯片包括A,B两级二阶滤波器,两种级别滤波器依据被测信号的频率波动情况,对滤波器状态进行单独控制,并通过该外部时钟源设置滤波器处于MODE1运行模式,确保时钟源同滤波中心频率之比为固定值,确保被测信号频率波动平稳。
1.4 通过程控放大器和整形电路对信号进行修整
窄带滤波器输出与程控放大器相连接,对信号进行增益处理,控制信号的幅值。因为受到电路极化时间以及地磁波动的因素,导致网络信号幅度产生波动,通过程控放大器对信号增益进行控制,确保其符合后续处理电路的需求。程控放大器电路如图4所示,其采用TL062ACP放大器芯片,选择MAX5401EKA-T型电位器,保护256个调控点,通过单片机调整其电阻值,完成信号电平的变换与信号增益值的调控。程控放大增益为A=RadjRu,其中Radj为MAX5401接入电路电阻值,Ru为窄带滤波器MAX7490输出信号的电阻值。
从程控放大器输出的信号需要通过整形电路进行处理,变换成方波信号,再通过FPGA中的测频模块检测该方波信号的频率,判断是否存在信号突变情况。整形电路如图5所示。
1.5 采用A/D变换电路完成信号的采集和转换
主控制器依据无线传感器网络信号的频率值设置,监控模块电路中的配谐电容值和窄带滤波的中心频率,在开始进行网络信号突变监控时,监控模块电路的窄带滤波器输出端与A/D变换器相连。A/D将网络信号反馈给FPGA模块进行频谱分析,获取信号的频率,并将信号频率数据传输给主控器。主控器调控DDS设置窄带滤波器的中心频率,并运算出谐振时的电容,采用FPGA设置配谐通过电容值。完成滤波器的原始频率和配谐电容值的设置后,A/D不再采集无线传感网络窄带滤波器输出信号。
当无线传感网络信号发生突变时,也就是信号的频率瞬间发生较高的波动,网络出现异常,此时通过主控器调控FPGA重新启动A/D转换器,分析网络信号频谱,再次设置滤波中心频率,电路运行恢复正常。通过单片机中的12位A/D变换电路获取网络信号的峰值电压。A/D变换电路如图6所示。
采用AD977ABR型A/D变换器,具有16位转换精度,可实现串口运行模式,能够完成电路的自主调控。通过PWRD端控制A/D采集的启动,A/D变换电路处于低电平时进行数据的变换,处于高电平时在外部时钟DATACLK调控下输出变换后的数据,再将数据反馈给FPGA模块,完成网络信号数据频谱的分析,判断是否存在信号突变现象。
1.6 FPGA模块分析信号频谱
采用CycloneⅢ系列器件EP3C5E144I8FPGA型芯片作为FPGA模块的核心,其对整形后信号进行计数测频,并将测频数据反馈给单片机,获取网络信号强度值。FPGA按照控制器反馈的配谐电容值,变换成不同电容值的组合,对接入信号突变监控相应电容的开关状态进行调控。
FPGA模块采集主控器的指令后,调控A/D采集网络信号,再将信号数据进行FFT变换,获取无线传感网络信号中的频率成分,得到信号的频率,再调控直流极化单元形成极化脉冲,完成信号突变的检测。FPGA模块的功能结构图如图7所示。
1.7 主控制器对总体监控电路的自主控制
所设计的无线传感网络信号突变监控模块的主控单元为MSP430F1611单片机,其具有低功耗、高效率的特点,可实现网络信号监控的自主管理。主控制器电路如图10所示,其中MSP430F1611单片机的时钟为8 MHz,通过JTAG下载调试方式实现信息的采集和管理。
通过该FPGA,DDS以及数字电位器直接管理电路,对信号进行频率、相位控制,其余电路向FPGA反馈指令,完成网络信号的间接管理。直接电路和间接电路通过并行的方式交流控制信息,单片机通过异步模式串行通信模块将网络突变信号监控信息反馈给上位机。
2 信号突变监控模块电路的控制软件设计
采用IAR Embedede Workbench for MSP430平台编写下位机软件程序。针对不同电路单元进行模块化编程,增强程序的可读性。下位机软件程序模块包括测频、DDS控制、峰值检波和频谱判断等内容。下位机控制器主程序对总体信号突变监控模块电路的原始参数进行初始化处理,并对各模块进行设置和管理,通过下位机系统调控不同模块的运行,对应的流程图如图9所示。完成系统初始化后,上位机对无线传感网络信号进行频谱分析,并设置监测参量,通过测频程序完成信号频率的分析,判断信号是否发生突变,若发生突变,上位机启动DDS控制程序,过滤突变信号,并重新分布频谱,对信号进行监测。其中,图9中的信号测频按照上位机设置的极化信号,通过单片机内部定时器,对定时传递极化脉冲进行管理,监测开关控制FPGA测频模块完成传感网络信号频率的监测。DDS控制通过待设置的信号频率值运算出频率管理字,并将该管理字输入N_POU脉冲下,逐次向DDS输出频率管理字、相位以及模式管理字,最终传递频率调控命令。信号突变监控模块电路中的上位机软件,向下位机反馈管理命令,对总体监测电路的运行过程进行调控,并采集和分析下位机反馈的信号处理数据,调整信号突变监控模块电路的运行状态,同时显示无线传感网络信号突变情况。采用VSC2005编译软件编写上位机软件程序,该软件在某个字函数内设定功能的实现是面向过程的,对于某个模块的编写时是面向对象的。
3 实验分析
实验对某矿井无线传感网络信号突变情况进行检测,进而验证本文设计的无线传感器网络信号突变监控模块电路的性能。图10给出了通过本文监控电路对矿井无线传感网络信号去噪效果,从图10中能够看出,本文电路将原始信号的下降变换成向上的脉冲,将上升沿转换成向下脉冲,脉冲的幅值增加,增强信号突变的检测准确性。加噪后的波形经通过本文电路的窄带滤波器、程控放大以及整形处理后,仍可获取易于监测的结果,能够看到本文电路对噪声具有较高的抵抗性,利于突变信号的监测。
实验过程中,本文监控模块对矿井无线传感网络信号突变的监控结果如图11所示。
矿井无线传感器网络信号源发出原始信号如图11(a)所示,发出原始信号后会在无线信道内叠加噪声,导致信号产生突变,如图11(b)所示,产生突变的矿井无线传感网络中不同空间位置射频传感器采集的信号具有不同的信噪比,则采用本文监控模块电路去除噪声,获取的传感信号图如图11(c)所示,由图11(c)能够看出,本文监控模块电路很好地去除了噪声,获取的信号波形图波动平稳。通过图11(d)可以看出,采用本文监控模块电路可过滤矿井无线传感网络中的突变信号,恢复出原始网络信号,确保矿井无线传感网络通信的顺利进行。
4 结论
本文设计无线传感网络信号突变监控模块电路由高频激发器、窄带滤波器、程控放大器、A/D采集电路、FPGA和主控制器等构成。编制开发了无线传感网络信号突变监控模块的上位机控制软件,并向下位机主控器传递控制指令,确保各电路模块协作完成无线信号突变的监控。实验结果说明,所设计监控模块的电路可对无线传感网络信号突变情况进行准确、高效率的监控。
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信号突变点 篇4
关键词：尖点突变理论,深基坑,支护桩,稳定状态
当基坑开挖较深,支护桩埋入地基比较深时,因支护桩顶通常设置一道钢筋混凝土冠梁,冠梁通常设置锚杆,故系统可简化为如图1所示。
稳定的能量准则:结构体系的平衡稳定可以用体系的总势能来判别。总势能是结构体系内的应变能和外荷载势能两者的代数和。如果体系受到微小扰动而变形,体系的总势能是增加的,则原来的平衡状态是稳定的;假如总势能是减少的,则原来的平衡状态是不稳定的;假如总势能∏保持不变,则为中性平衡。也就是说,当体系最初的总势能∏是极小值时,为稳定平衡;反之,为不稳定平衡。
1 力学模型简化
求得系统的总势能的函数表达式,通过自变量的变化来判断系统的稳定性。由于围护桩类似于梁式受力,而支撑类似于柱式受力,可将桩、支护系统简化为如图2所示。当采用钢筋混凝土支撑时,截面较大,自身较重,加之桩顶上的压顶梁和施工时的临时荷载,将三者合而为一,简化为作用在桩身顶部的竖向荷载P,与冠梁及锚固的作用,可简化成一支座,底部为固定支座,其力学简化模型如图2所示。
根据力学性质可将桩体在任意载荷作用下的水平位移表达式设为:
w(x)=θxsin(πx/L) (1)
可得,式(1)满足w(0)=0,w(L)=0及x=0,∂w/∂x=0的边界条件。
设u为支护桩体向坑内凸出的最大位移即u=w(x0),代入式(1),可得:
θ=u/[x0sin(πx0/L)] (2)
则式(1)化为:
w(x)=uxsin(πx/L)/[x0sin(πx0/L)] (3)
由于支护桩的桩身长度远远大于其截面的高度,根据材料力学的知识可知,剪力对弹性梁的变形影响较小,可忽略不计,故此处也忽略弹性梁的剪切应变能。由结构稳定理论能量法可得,实际位移协调系中弯曲变形的结构总势能为:
∏=∫EI(1/ρ)2/2ds-∑piΔi。
其中,EI为弹性梁的抗弯刚度;1/ρ为弹性梁挠度曲线的曲率;s为弹性梁挠度曲线上的点到固定端的弧长;pi为作用在弹性梁上的外力;Δi为对应于pi的挠度。结构的应变能为:
V=∫EI(1/ρ)2/2ds。
根据材料力学,有
d
系统中外力对桩体做的功包括:主动土压力,轴向荷载P,桩侧负摩阻力τx及桩体自重做功。设桩半径为r,单位长度土压力为Pe;Pe=∫π0κγxrsinθdθ=2κγrx。其中,κ,γ,x分别为土压力系数,土的重度及土的深度。
V土压力=∫L02κγrxw(x)dx=au。其中,a为一常数,a=2κγrL2/[x0sin(πx0/L)π]。
此处b为:
b=1/2[1/(x0sin(πx0/L))]2(1/2(P+G+τπrL)(L3/π-L/2)-(G/L+τπr)(L4+L4+L3/2π-L2/4)。
J=bu2+au。
设c=u/(x0sinπL/x0)。
V=EI/2∫
设此式为:V=fu4+gu2。
其中,f,g与V积分有关,与E,I,L有关。
系统的总势能为:
∏=fu4+(g-b)u2-au。
2 尖点突变理论运用
对势能函数求导可得:
∂∏/∂u=4fu3+2(g-b)u-a。
对其进行变换可得:
∂∏/∂u=z3+αz+β=0为函数极值点方程。
可知,函数的极值有极大值和极小值之分,因为若∂2∏/∂x2>0,即势能取极小值时,系统状态稳定;而当∂2∏/∂x2<0,即势能取极大值时,系统状态不稳定。但是此时的α,β,z必须都给出数值才能确定极值的情况,不能达到判断的需求,因此根据一元三次方程根的性质,即:
Δ=4α3+27β2。
对于不同的α,β,所得出的z值不断变化。当Δ<0时,有三个互异的实根;当Δ>0时,只有一个实根;当Δ=0时,如果u≠0,v≠0,在三个实根中有两个相同,如果u=v=0,则三个实根均相同。
3 结果分析
如图3所示,可知当有三个根时,或一个根时,系统处于稳定平衡。当只有两个根即Δ=0时,系统处于不稳定平衡,容易发生突变,即图示的尖点集合,通过验证Δ的值,可以判断系统是否会发生突变,即桩是否会断裂破坏。
4 结语
通过上述模型的建立,可以很好的得出桩破坏时的尖点集合,通过代入具体的α,β,可以计算Δ的数值,来判断系统是否处于不稳定状态。对于不同的系统,可以建立不同的模型。通过Δ的判断,很方便的做出判断。
参考文献
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[6]凌复华.突变理论及其应用[M].上海:上海交通大学出版社,1987.
信号突变点 篇5
1 力学模型
目前进行边坡稳定性分析的主要方法为刚体极限平衡法, 该方法假定介质为均质的, 根据岩体在平衡被破坏的那一刻来判断边坡的稳定性, 此时, 软弱夹层上的各点同时达到极限破坏状态。但是, 也有些学者认为在介质为非均质的情况下, 滑动面上各点同时达到剪应力极限值的情况是不可能的。
本文在前人研究的基础上, 取单位宽度的滑坡体进行研究, 上不滑坡体长度L, 滑坡体平均高度H, 坡角为α, 软弱夹层厚度为h, 滑坡体的质量为:M=HL (ρr+ρw) , 其中ρr为岩体的密度, ρw为水的密度。由于岩体重力的作用, 岩体会沿着滑动面下滑产生唯一u。滑坡面的软弱夹层中, 一些是表现为线弹性、非线性弹性的高强度介质。其抗剪强度与变形量呈正相关。另一介质较破碎的区段, 由于受到水的软化作用, 表现出应变弱化的性质。其抗剪应力的变化分为两个阶段, 第一阶段抗剪应力随着变形量的增大而增大;第二阶段, 当抗剪应力大于其峰值, 其抗剪应力就随之变小。
本次研究假设滑动面由弹性性质介质和应变弱化介质组成。
弹性介质区段的本构关系为:
弱化介质区段的本构关系为:
式中:τ1、τ2分别为软弱夹层弹性介质、弱化介质的剪应力;u1、u2分别为剪应力达到极限值时失稳点的位移;G1、G2相应介质的剪切模量;τm为残余抗剪强度。
本次研究引入了水质弱化函数, 以便反映出降雨因素对软弱夹层的影响, 弱化函数为:
式中:η为岩土体的饱和度, ω为岩土体的软化系数。
式 (3) 表现单调递减函数, 当岩土完全干燥时ω=0, fw=1;岩土体完全饱和时ω=1, fw=η<1。综合考虑降雨条件下应变弱化和水质弱化的因素, 建立两区段的本构关系:
式中:ω1为软弱夹层弹性区段介质饱和度, f1为软弱夹层弹性区段水致弱化函数;w2为软弱夹层应变弱化区段介质饱, f2为软弱夹层应变弱化区段水致弱化函数。
岩质滑坡体由于考虑到降雨的作用, 其后缘裂隙水压力和滑动面水压力如下:
式中:V为后缘裂隙水压力, U为滑动面水压力, γw是水的重度, hw裂隙内充水高度。
2 尖点突变模型
根据力学模型得出边坡系统的总势能函数:
式中:l1是弹性区段滑面长度, l2是滑面应变弱化区段长度。
式 (7) 求导, 得到边坡稳定性分析的平衡曲面:
根据式 (8) , 当Vu″=0可以得到平衡曲面尖点处剪切位移u=u1=2u2, 改为以恰好是应变弱化区段介质变形位移和剪应力的拐点。
将式 (8) 相对于尖点处状态变量值u进行泰勒展开, 截取3次项公式可转化为:
将式 (9) 做变量代换, 可以得到尖点突变理论平衡曲面方程的标准形式:
式中:x是系统状态变量;b、c是控制系统变量;k是刚度比;f是水致弱化系数比;ξ是几何-力学参数, 与介质的质量、降雨量、价值参数、几何尺寸有关。分叉集为
将式 (12) 、 (13) 带入 (17) 得
由突变理论可知, 当b≤0时, 系统才能出现突变失稳的情况。其必要条件是:
3 实例分析
商州至漫川关高速公路是国家西部大开发战略中武汉-银川高速公路的重要路段, 该路段沿线主要路过山高沟深的地区, 地质环境复杂。岩体主要为黄褐色强风化的片岩, 结构破碎, 自坡顶向下20m处夹有层厚为10cm的泥岩。整体边坡稳定相很差, 有发生滑坡的危险。K105+760-K105+843路基右侧为中山陡坡和河流峡谷地带, 坡度较大, 坡脚大概为45°, 边坡最大开挖深度为54.4m。根据现场观测可知, 软弱泥岩夹层弹性区段长度为0.8m, 软化系数是0.65, 饱和度是25%, 介质剪切模量是1.49×1010Pa;弱化区段长度为9.2m, 软化系数是0.45, 饱和度是35%, 介质剪切模量是0.41×1010Pa。
根据以上参数计算, 由式 (3) 求得f1为0.847, f2为0.682, 则f为1.241, 1/f为0.0806。由式 (14) 可得k值为1.12, k=1.12>0.806, 不会发生失稳现象。实际上, 在边坡开挖过程中, 并未发生坡体失稳现象, 表明利用突变理论分析复杂条件下受到多种因素影响的岩质边坡稳定性问题, 可以工程实施提供科学的判断依据。
4 结束语
本文综合考虑了强降雨条件下, 降雨导致岩体应变软化、水致弱化等不利条件对边坡的影响建立了对岩质边坡稳定性进行评价的综合地质力学模型。并通过突变理论分析了多种因素对边坡稳定性的影响, 并经过实例验证了, 本次本次研究给出的判断与实际相符。研究结果表明, 利用突变理论对边坡失稳的过程进行研究有助于研究人员深化对强降雨作用下边坡失稳的认识。
摘要：本文以研究强降雨作用下岩质边坡失稳为研究对象, 考虑到强降雨条件下, 雨水导致介质的出现应变软化和水致弱化的情况, 建立了对岩质边坡稳定性进行评价的综合地质力学模型。利用尖点突变理论, 分析得出了强降雨作用下岩质边坡失稳的判断依据。并通过实例验证本方法计算得出的边坡稳定性判断依据与实际情况相符。因此, 将尖点突变理论应用于强降雨作用下岩质边坡失稳的的分析是合理的。
关键词：强降雨,边坡失稳,尖点突变,应变软化
参考文献
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