基于聲信號統(tǒng)計特征的挖掘器械識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于聲信號統(tǒng)計特征的挖掘器械識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為適應(yīng)城市電網(wǎng)的建設(shè)和現(xiàn)代化企業(yè)的發(fā)展，保證供電系統(tǒng)的安全可靠，同時為 了美化環(huán)境，節(jié)約線路走廊用地，城市中原本縱橫交錯的架空輸電網(wǎng)絡(luò)被地下電纜供電系 統(tǒng)所取代。電力電纜管溝在中心城市中急劇擴(kuò)張。然而電纜在使用中時常受到工程器械的 外力破壞，如:手持電動鎬、液壓沖擊錘、挖掘機(jī)、切割機(jī)等。電纜供電安全可靠受到嚴(yán)重影 響。一旦發(fā)生事故，將會出現(xiàn)城市大面積停電、企業(yè)停產(chǎn)，造成巨人的經(jīng)濟(jì)損失。
[0003] 隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，可采用聲音傳感器實時采集地下電纜周圍的聲音信 號，判斷此時是否存在工程器械信號并識別出屬于哪一種工程器械設(shè)備正在作業(yè)，最后給 出預(yù)警信號。
[0004] 傳統(tǒng)的語音識別算法中，如LPCC、MFCC等在語音識別領(lǐng)域得到了很好的發(fā)展應(yīng)用。
[0005] 地下電纜經(jīng)常受到工程機(jī)械的破壞，而目前沒有較為成熟的針對工程機(jī)械的識別 方法，因此，本發(fā)明提出了一種通過提取工程機(jī)械聲音特征來識別工程機(jī)械的方法。
[0006] 傳統(tǒng)語音識別算法在工程器械識別問題上的應(yīng)用，存在以下問題：
[0007] 1.語音信號與本發(fā)明中的工程器械聲音信號還是存在很大的不同，語音信號具有 短時平穩(wěn)的特性，一般認(rèn)為l〇ms到30ms認(rèn)為語音信號是穩(wěn)定的，而工程器械聲音信號是非 穩(wěn)定的信號，所以從信號分幀環(huán)節(jié)就存在著一些問題。
[0008] 2. -般語音識別算法包括兩個部分，特征提取與分類識別。將所有目標(biāo)器械聲音 提取的特征建立一個聲音樣本庫是這些算法有一個極其重要的步驟。
[0009] 3.這幾種工程器械聲音信號的頻譜非常相似，它們都屬于非穩(wěn)定的帶寬信號。隨 著目標(biāo)信號距離的增加，頻譜會有很大的變化，如果使用傳統(tǒng)的語音識別算法，同一種工程 器械的特征也會存在很大的不同。
[0010] 因此，單單時域或者頻域的識別算法不能將所有目標(biāo)器械信號分類識別。傳統(tǒng)的 語音識別算法并不完全適合，在嘗試使用語音算法之后發(fā)現(xiàn)其在識別工程機(jī)械聲音很難提 高識別率，相反，誤警率很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種不需要建立樣本庫，其整體框架是 基于這幾類挖掘器械聲信號的統(tǒng)計特性，針對不同的挖掘器械設(shè)計相應(yīng)的逐層分類器的基 于聲信號統(tǒng)計特征的挖掘器械識別方法。
[0012] 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
[0013] -種基于聲信號統(tǒng)計特征的挖掘器械識別方法，
[0014] 使用采樣頻率為20k的麥克風(fēng)陣列采集裝置采集工程器械聲音樣本，包括如下步 驟：
[0015] 待測聲音信號的預(yù)處理步驟；
[0016] 沖擊型信號與持續(xù)平穩(wěn)型信號初步判斷步驟；
[0017] 沖擊信號精確判斷步驟；
[0018] 持續(xù)型信號精確判斷步驟。
[0019] 所述待測聲音信號的預(yù)處理步驟，對于每一秒信號首先使用巴特沃斯高通濾波器 對待測聲音信號進(jìn)行過濾，截止頻率為500Hz。
[0020] 信號在能量時間圖中存在脈沖狀信號確定為脈沖型信號。
[0021] 信號在在能量時間圖中為平穩(wěn)的信號確定為持續(xù)型信號。
[0022] 脈沖型與持續(xù)型信號判斷步驟如下：
[0023] -秒信號共Fs個點(diǎn)，以幀移為1個點(diǎn)，幀長為N求一秒鐘內(nèi)所有幀的能量值；
[0024] -秒信號共有(Fs-Ν-Ι)幀信號，共(Fs-Ν-Ι)個能量值，得到1行(Fs-Ν-Ι)列矩陣；
[0025] 取這一秒信號中所有能量值的中位數(shù)E_mid，取所有小于E_mid的能量值的平均值 E_average，計算過程如（1)所示，公式（1)中，count(Q)函數(shù)定義如下，當(dāng)Q為真時，函數(shù)值為 1;當(dāng)Q為假時，函數(shù)值為〇; E_n表示一秒內(nèi)所有小于E_mid的個數(shù)；
[0026] (13
[0027]
[0028]將每一幀信號能量值都除以E_average，當(dāng)?shù)玫降闹礱i大于a時認(rèn)為這一幀時脈沖 信號；
[0029] 統(tǒng)計一秒中脈沖信號的幀數(shù)Ν_α，當(dāng)時Ν_α大于b時，認(rèn)為這一秒符合脈沖信號條件 進(jìn)入脈沖信號分類器，否則進(jìn)入持續(xù)型信號分類器；計算過程如公式（2)所示，結(jié)果由 result 給出；
[0030]
[0031]
[0032] result = count (N_a>b)
[0033] 所述能量值為一幀信號各點(diǎn)信號幅度值平方后的求和。
[0034] 精確確定持續(xù)型信號步驟包括切割機(jī)信號判斷步驟。
[0035] 采集得到一秒信號，取幀長為N個點(diǎn)，幀移為N/2對其分幀，這樣每一秒都能得到 ncol幀信號；
[0036] 對每一幀信號加漢寧窗，漢寧窗公式如公式(3)，
[0037] w= l-cos(2jrn/N) 0 < η < N~1 (3)
[0038] 之后進(jìn)行傅立葉變換，再取模，公式(4)給出了離散快速傅立葉變化的公式；
[0039] 由于傅立葉變數(shù)值后是共輒對稱的，所以我們?nèi)∏癗/2個|X(k) | ;
[0040] -秒信號經(jīng)過處理之后得到(N/2)*(ncol)的矩陣，記為yo;
[0041 ] 采樣頻率為20kHz，
[0042]
[0043] where
[0044] WN=e(-2lti)/N (4)
[0045] 由采樣定律可知，可采集到的最大頻率為10k;每幀信號中N/2個I X(k) I表示對應(yīng) 那一幀信號幅頻圖中〇到10kHz的幅值大小，每一個點(diǎn)對應(yīng)一個頻率點(diǎn)，相鄰頻率點(diǎn)的間隔 為10k/(N/2)Hz;
[0046] 每一幀信號的f赫茲對應(yīng)第k個|X(k) |，對應(yīng)公式如公式(5)，其中Fs為采樣頻率，N 為幀長；
[0047] ki = fi/(Fs/N) (5)
[0048] 取fl赫茲到f2赫茲頻率段，對應(yīng)yo第ki行到k2行所有值得到矩陣A，A為(k2-ki+l) 行ncol列矩陣；
[0049] 計算A每一列數(shù)的平均值$卩，即每一幀信號所有頻率點(diǎn)幅值的平均值；
[0050] 將A中每一列的所有值除以對應(yīng)列的平均值，得到矩陣A_norma 1 i zed，矩陣A_ normalized與矩陣A行列數(shù)相同；
[0051 ]每一幀信號頻譜中各個頻率點(diǎn)上的幅值相差程度都能在A_normalized反映出，值 越大或者越小都代表相差程度越大；
[0052]正負(fù)β倍平均值之內(nèi)都屬于切割機(jī)正常情況；
[0053] 統(tǒng)計A_norma lized中每一幀信號l/β至旭的個數(shù)Tik;
[0054]當(dāng)有超過80 %個時，確定是寬頻帶信號，滿足切割機(jī)的第一個特點(diǎn)；
[0055]統(tǒng)計一秒中寬頻帶信號的幀數(shù)!^，當(dāng)1~2占比超過90%時，確定這一秒信號是切割機(jī) 信號；
[0056] 公式(6)給出了計算過程，其中k表示yo行序號，對應(yīng)某一頻率，i表示yo列序號，對 應(yīng)幀的序號;識別結(jié)果由〇utput4給出，
[0057]
[0058]
[0059] output4 = count(T2/(Fs-255) >90% )
[0060] 脈沖型信號確定包括:手持電動鎬信號判斷步驟；
[0061 ]液壓沖擊錘信號判斷步驟；
[0062]挖掘機(jī)信號判斷步驟。
[0063] 判斷依據(jù)為沖擊型信號的脈沖寬度，脈沖數(shù)量和脈沖間隔；
[0064] 取一秒信號中所有能量值的平均能量E，用平均能量值去截取這一秒信號的能量 時間圖線，將所有大于或者等于平均能量的數(shù)都置為平均能量值，計算過程由公式(7)給 出。
[0065]
[0066] 假設(shè)一秒內(nèi)共有n個1，取出這些值所在列的位置編號&1存入P行向量中，P中連續(xù) 的位置編號組成一個脈沖；
[0067] 相鄰差為100個點(diǎn)內(nèi)屬同一個連續(xù)的脈沖，P中有幾組連續(xù)的編號就代表有幾個脈 沖，每一組連續(xù)編號的長度就是對應(yīng)脈沖的脈沖寬度，將所有脈沖的寬度值存入w行向量；
[0068] 計算過程如公式(8)所示，式中Aai表示相鄰兩個ai的差，T表示一秒中脈沖數(shù)量， ht和rt分別表示第t個脈沖的起點(diǎn)與終點(diǎn)，wt表示第t個脈沖的寬度，dt表示第t個脈沖與第t +1個脈沖的間隔；當(dāng)一秒中只有一個脈沖時，hi為ai，ri為an，wi為(an_ai+l);
[0069] Δ ai = ai+i-ai 1 < i < n_l
[0070]
[0071]
[0072] L?? "
[0073] wt = rt~ht 1 < t < T
[0074] dt = ht+i-ht or rt+i~rt 1 <