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應(yīng)用于智能報(bào)警系統(tǒng)的腳步振動(dòng)信號(hào)的研究
引言
基于腳步振動(dòng)信號(hào)的智能報(bào)警系統(tǒng)，在安全領(lǐng)域是一個(gè)新的課題。若要實(shí)現(xiàn)報(bào)警效果的智能化，深入對(duì)腳步振動(dòng)信號(hào)的認(rèn)知是一個(gè)必不可少的過程。由于此報(bào)警系統(tǒng)含有上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)模塊，智能化不可避免的要同時(shí)在兩個(gè)部分都有實(shí)現(xiàn)才更加合理，即一個(gè)智能化采集報(bào)警下位機(jī)裝置、一個(gè)智能化上位機(jī)信號(hào)分析系統(tǒng)。腳步振動(dòng)信號(hào)的一些時(shí)域特征是實(shí)現(xiàn)下位機(jī)部分智能化的關(guān)鍵，也是本研究的出發(fā)點(diǎn)。論文將從振動(dòng)信號(hào)的應(yīng)用現(xiàn)狀來闡述振動(dòng)的信號(hào)的應(yīng)用前景，并從振動(dòng)及振動(dòng)信號(hào)的基本理論出發(fā)，得出腳步振動(dòng)信號(hào)的那些能夠智能化的特征參數(shù)。希望研究能為后續(xù)工作的展開做好理論支持，并且能夠得到后續(xù)工作的支持。
1 應(yīng)用現(xiàn)狀
振動(dòng)信號(hào)的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域并不是很廣泛，人們更多的關(guān)注的是語(yǔ)音等音頻信號(hào)。但是在其它領(lǐng)域振動(dòng)信號(hào)得到了廣泛的應(yīng)用，比如設(shè)備故障監(jiān)測(cè)、工程物探、質(zhì)量檢測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控等。下面將從這幾個(gè)方面來詳細(xì)論述：
在機(jī)器的運(yùn)行過程中，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)要產(chǎn)生振動(dòng)，不斷的振動(dòng)就是一系列振動(dòng)信號(hào)，在正常情況下從機(jī)器上得到的振動(dòng)信號(hào)是一種復(fù)雜的周期性振動(dòng)，對(duì)于每個(gè)周期而言，它的振動(dòng)是隨機(jī)的，但是對(duì)于同一種設(shè)備來說，這個(gè)隨機(jī)又是確定，所以說這個(gè)振動(dòng)應(yīng)該說是一個(gè)確定的周期性振動(dòng)，一旦發(fā)生機(jī)器的某一部分運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，這個(gè)振動(dòng)信號(hào)的每個(gè)周期就會(huì)出現(xiàn)不同的波動(dòng)反應(yīng)[1]。從而與實(shí)踐聯(lián)系就能得到設(shè)備是否發(fā)生故障，是哪部分發(fā)生故障。在這方面技術(shù)可以說技術(shù)已經(jīng)很成熟。但是對(duì)我們所要研究的信號(hào)似乎沒有什么幫助[1]。
在工程物探和質(zhì)量檢測(cè)上，這兩個(gè)分類其實(shí)可以說是一個(gè)只是同樣的儀器用在了不同的作用上而已。在工程物探非性手段中，利用彈性波理論的儀器大量出現(xiàn)，甚至在煤，石油的勘查中用到的儀器，也多是人工產(chǎn)生震源，采集地震波信號(hào)，用來分析得出結(jié)論[2]。在淺層物探和質(zhì)量檢測(cè)中，方法也是大同小異。在我最熟悉的陸地聲納法中，采用的就是對(duì)人工錘擊振動(dòng)信號(hào)的采集，分析地下或者掌子面前方的地質(zhì)情況[3]。在質(zhì)量檢測(cè)上，就是得出混凝土的厚度、中間是否有空洞、鋼筋含量是否足夠等結(jié)論[4]。從這個(gè)方面來說，采集裝置應(yīng)當(dāng)是我們的參考，便是關(guān)于智能化采集還要靠進(jìn)一步的研究工作。
另一個(gè)方面的應(yīng)用，雖說有人的參與但是從現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)來看似乎更多的是機(jī)械的參與。不過在戰(zhàn)場(chǎng)偵察中振動(dòng)信號(hào)的偵測(cè)還是很有效的，振動(dòng)信號(hào)本身具有靈敏性高、傳播距離遠(yuǎn)等特性[5]。使得振動(dòng)信號(hào)在戰(zhàn)場(chǎng)上有了更廣闊的舞臺(tái)。
從以上的幾個(gè)應(yīng)用可以看出，振動(dòng)信號(hào)作為一種地震波信號(hào)，能夠通過多種方式應(yīng)用，腳步振動(dòng)信號(hào)，不僅有著振動(dòng)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，還有著人行為的復(fù)雜性，這即為信號(hào)增加了復(fù)雜性，也同時(shí)為智能化報(bào)警提供了一個(gè)契機(jī)。
2 理論分析
振動(dòng)是物體在其平衡位置附近所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
振動(dòng)波包括體波、面波，體波又分為橫波、縱波。振動(dòng)波是一種能量的傳輸過程，當(dāng)振動(dòng)波通過某一質(zhì)點(diǎn)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就是振動(dòng)。
振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)數(shù)字信號(hào)的概念，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，它的加速度或者說速度是一個(gè)不斷變化的過程，正好體現(xiàn)了通過此物體的振動(dòng)波的波動(dòng)情況。通過附在物體上的傳感器以電壓變化的方式把這種振動(dòng)過程體現(xiàn)出來，得到的一系列數(shù)字化的數(shù)據(jù)，就是我們所要研究的振動(dòng)信號(hào)。
振動(dòng)波在固體里傳輸，是同時(shí)存在兩種體波，而且波在固體的傳播速度快，由于彈性系數(shù)高，衰減小，傳播距離更遠(yuǎn)也更靈敏。當(dāng)振動(dòng)波傳播到固體與其它介質(zhì)的分界面時(shí)，比如說空氣，由于空氣的彈性系數(shù)比較低，沒有了高彈性物質(zhì)的壓制，振動(dòng)波在交界面上會(huì)產(chǎn)生大于在固體中振幅的面波，同時(shí)產(chǎn)生劇烈的能量損失。
聲波也是振動(dòng)波（彈性波）的一種，由于空氣中不存在切應(yīng)力，在空氣中只能傳播縱波，從空氣中采到的聲音信號(hào)是振動(dòng)波在空氣中的傳輸。
我們的報(bào)警裝置設(shè)定是在腳步震源附近采集信號(hào)，傳感器貼于地面，得到的是強(qiáng)烈的面波、淺層的反射波，淺層的直達(dá)橫波共同疊加的振動(dòng)波。
而我們要研究的就是，此振動(dòng)波的頻率范圍、振幅表現(xiàn)。以及多少時(shí)間才能采集到一個(gè)完整的、保存著明顯腳步振動(dòng)信號(hào)特征的振動(dòng)信號(hào)。
3 實(shí)驗(yàn)分析
結(jié)合上述問題，翻閱了大量的文獻(xiàn)資料。地震波是多種波的疊加，它一般是指在地面以下，高彈性介質(zhì)中傳播的體波，它的頻率較低，在10-100Hz 之間[5]。
在工程物探中常用錘擊法人工獲得震源，這個(gè)方法與腳步振動(dòng)信號(hào)的方法相近，在陸地聲納的資料中，經(jīng)錘擊能夠激發(fā)和接收到10-4000Hz 頻帶的波，不同的應(yīng)用再進(jìn)行不同的濾波處理[3]。
在得不到準(zhǔn)確答案的情況下，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：
采用流行的麥克風(fēng)和專業(yè)音頻編輯軟件Cooledit 進(jìn)行腳步聲波信號(hào)的錄制，麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)范圍是20Hz-20KHz。Cooledit 采樣率設(shè)為44100、單聲道、32 位。把麥克風(fēng)貼放于地面，在麥克風(fēng)前做聲波測(cè)試。
我們得到的撞擊的聲波信號(hào)，可以說是振動(dòng)產(chǎn)生的縱波傳遞給空氣引起空氣振動(dòng)的波形信號(hào)，根據(jù)波的傳播的理解，我們知道波在不同介質(zhì)中的傳播，頻率不變�？梢哉f由聲波信號(hào)算出的頻率于振動(dòng)信號(hào)頻率相對(duì)應(yīng)，而且還能得到振幅的變化特征，并能得到具有明顯振動(dòng)波形的信號(hào)長(zhǎng)度。
中選中部分為34ms 經(jīng)過估算能最大表現(xiàn)出振動(dòng)信號(hào)的特征的頻率在20-60Hz，更高頻的振動(dòng)不是不存在，而是對(duì)波形信號(hào)的表現(xiàn)上沒有什么太大的幫助如放大的所示。
因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)范圍最低是20Hz 所以我們?nèi)〉卣鸩l率的下限10Hz。
我們要能得到 10-60Hz 的振動(dòng)信號(hào)，就能夠重現(xiàn)振動(dòng)波形。根據(jù)奈奎斯特采樣定理[6](1927 年，奈奎斯特確定了如果對(duì)某一帶寬的有限時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號(hào)最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。）采樣率至少應(yīng)該為最高頻率的2 倍，但是要能夠工程應(yīng)用使波形重現(xiàn)，采樣率應(yīng)該合理的設(shè)為4-5 倍，當(dāng)然采樣率越大越能完美的重現(xiàn)。所以我們的采樣率最好能設(shè)為50-300Hz，即3.3ms 獲得一個(gè)采樣數(shù)據(jù)。對(duì)現(xiàn)在的AD 轉(zhuǎn)換器來說不成問題。
當(dāng)物體敲擊地面時(shí)，是一個(gè)很干脆的過程，所以持續(xù)時(shí)間很短，但是當(dāng)人在走路時(shí)并不是簡(jiǎn)單的拿鞋去敲擊地面。而是一個(gè)過程，先是腳跟著地，再過渡到腳尖。（這就是為什么穿皮鞋時(shí)一腳下去會(huì)聽到兩個(gè)聲音的原因。）當(dāng)人們的心情不同也就是說著急情況不同時(shí)，這個(gè)過程是不一樣的，心情越急，腳跟到腳尖的過渡越快，甚至一起，當(dāng)人們跑起來時(shí)，腳跟甚至不著地，直接以腳尖著地。
為踏步信號(hào)，圖中所選部分為88ms。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)比較得出，具有腳步信號(hào)特征的信號(hào)長(zhǎng)度在50-100ms 比普通重物撞擊地面的時(shí)長(zhǎng)要長(zhǎng)。從頻率上看沒有什么變化，但是從振幅上看，腳步信號(hào)的振幅擁有更多的極值波峰或者波谷，最大振幅比之撞擊要小。如上所述，在上述采樣率下采集時(shí)間最好在100ms，才能夠得到完整的腳步振動(dòng)信號(hào)。
虛警排除算法
1. 對(duì)于平衡的環(huán)境信號(hào)，在系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，采集定量的數(shù)據(jù)，求均值，做為信號(hào)的平衡位置，同時(shí)也做為信號(hào)采集的門限值的基礎(chǔ)。
2. 對(duì)于突然發(fā)生的，物體落地或者單一振動(dòng)信號(hào)，能夠超越門限值引發(fā)信號(hào)采集的信號(hào)，求取整個(gè)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的均差。超過某個(gè)值的信號(hào)才有可能是腳步振動(dòng)信號(hào)。
3. 對(duì)于滿足前兩步條件的信號(hào)，引發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)一人計(jì)時(shí)程序，同時(shí)采集端斷續(xù)工作。在2秒內(nèi)計(jì)數(shù)超過5次或者低于2次的信號(hào)丟棄，不符合人的行為。滿足條件的可以上傳到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，也可同時(shí)引發(fā)報(bào)警。
4 結(jié)論與展望
腳步振動(dòng)信號(hào)作為本研究的主要對(duì)象，作為振動(dòng)波本身來說，它的頻率屬于低頻頻帶，作為一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的信號(hào)源，我們所要采集的頻率范圍處在10-60Hz 之間。振幅同時(shí)也反映了振動(dòng)的強(qiáng)度，它的確定要因環(huán)境而異不是一個(gè)確定的值。特征信號(hào)長(zhǎng)度為100ms。作為人的行為來說，腳步振動(dòng)信號(hào)又受到人的心情、鞋的材質(zhì)等諸多因素的影響。其中最重要的就是，人的腳步不自覺的是一個(gè)有節(jié)奏的狀態(tài)，人不同在一秒中走上十幾步。這也是智能報(bào)警系統(tǒng)中虛警排除算法中非常重要的一環(huán)。
作為腳步振動(dòng)信號(hào)智能報(bào)警系統(tǒng)的理論研究工作，我們得到了幾個(gè)在應(yīng)用中非常重要的數(shù)據(jù)，為整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)下位機(jī)智能采集和自主虛警處理設(shè)計(jì)了幾種算法。時(shí)域內(nèi)的特征用來完成采集系統(tǒng)的智能化，對(duì)于個(gè)體的識(shí)別，則需要更多的特征值和算法。
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