基于五点平滑与FFT 变换的集装箱物流 在途振动特征分析

徐　欢　　曹小华　　魏　恒武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063摘 要：在集装箱物流运输的过程中，因为路况与汽车的在途行使往往会发生振动。因货物的特殊性以及多样性，振动往往会对货物产生威胁，影响货物的品质。文中通过五点平滑处理并通过数字滤波与FFT 变换结合的方法对集装箱物流运输的振动特征进行分析，并将该方法应用于实测振动特征信号。分析结果表明该方法能够得到可靠的振动幅值与振动频谱的时频特征，为集装箱的可靠运输与监测提供了理论依据。关键词：集装箱物流运输；振动特征；五点平滑；FFT 变换中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）06-0085-040 引言在当前的多联化运输的背景下[1]，由于集装箱物流运输的方便、快捷、高效、良好的安全性使其得到广泛的发展与应用，同时随着运输业的发展，运输的货物也越来越呈现着物品的多样化。因此在集装箱的运输途中，集装箱运行的平稳性、箱内货物品质保证的问题也日益凸显。在集装箱公路运输过程中，货物的装卸、集装箱的调度以及在途运输等环节都可能会因为各种诱因而产生振动冲击。同时在振动冲击的作用下，因为货物本身的特殊性，往往会产生大量的货损。在集装箱的在途运输中，将集装箱视为容纳货物的容器，为货物提供安全保障，但是在剧烈的振动冲击下也会给货物带来意想不到的损伤。通过加速度传感器采集得到的数据信号往往有叠加的噪声信号，除了不规则的随机干扰信号外，还存在工频和它的倍频等干扰信号，通过五点平滑的方法来消除毛刺和集装箱振动特征信号的趋势项。在这些干扰信号中，由于随机干扰信号的频带范围较宽，同时在获取的这些干扰信号中高频信号所占的比重较大，本文将采用数字滤波来剔除杂波，并通过FFT 变换和频域的计算来获取时频信号，并由实测的集装箱振动特征频谱得到速度与频谱。在得到频谱后对其进行傅里叶逆变换，得到振动位移与振动速度的时间历程曲线。通过上述方法分析集装箱公路在途运输的振动特征，分析结果表明，该方法能够得到可靠的振动位移与速度频谱，为集装箱的可靠运输提供了理论依据与振动特征数据处理方法。1 振动信号采集在集装箱运输途中，集装箱箱体表面的振动激励源[2] 来自多个方面，因而集装箱产生的振动特征信号的频谱范围较大。本文选择了频谱范围较为宽广的加速度传感器，将传感器布置在集装箱的顶梁上。图1 　传感信息感知装置布局在集装箱中将加速度传感器与传感信息感知装置布置在箱体的内侧顶梁处（见图１），并采用多节点的方式采集数据，采用的加速度传感器为MPU9150，采集竖直方向上的加速度。2 振动信号的预处理在传感器获取到数据后，将剔除来自传感感知装置自身和外界的干扰影响与信号的干扰成分。文中所采用的加速度传感器对处理低频（1 Hz 以下）[3] 信号时的测量精度较低，会使得数据产生漂移，并在数据的处理中产生畸变。在集装箱公路运输中，较大的冲击的最大冲击值可超过5.59g，但发生次数最多与对货物危害性最大的为0.59 ～ 0.29g 的小冲击[4]。因此为了获取更加可靠的数据，提高加速度信号的信噪比，将对采集的数据进行预处理。2.1　集装箱振动趋势数据平滑处理　在集装箱振动信号的采集过程中，为了最大程度消除传感器的低频性能不稳定极易受到的外界干扰，往往使得在测量采集的数据中含有大量的毛刺与趋势项。为了消除这些影响在本文中将采用五点滑动平均法[5]。平均法的基本计算公式为式中：x 为采样数据，y 为平滑处理后的结果，m 为数据的样点数，h 为滤波因子。滤波因子应满足在本文中采用五点加权平均（N =2）, 可取利用最小二乘法原理对离散数据进行线性平滑的方法称为直线滑动平均法，五点滑动平均的计算公式为根据传感器采集的部分实测数据, 通过上述的算法，对数据进行分析。在数据的预处理过程中得到图2和图3。图2 为数据未经处理的原始加速度数据，在图2 中可以发现数据的噪声较大并有明显的数据漂移和产生的数据趋势项。图3 为通过五点平均法处理后得到的数据趋势，相比未经过算法处理的原始数据趋势更平滑，而且消除噪声与去除趋势项的效果明显，同时消除了数据的零漂。实测获得的数据经处理后加速度最大幅值为0.36g。对比图2 和图3，在整体数据趋势上没有产生消除峰值的现象，同时整体数据没有使加速度谱曲线体型变宽，数据拟合也呈现出较好的拟合效果。图2 　加速度原始信号图3 平滑处理得到的加速度信号2.2 集装箱振动信号粗大误差处理在加速度信号中往往会因为外界的干扰产生噪声和干扰频率，本文采用数字滤波的方法分离频率分量以及提高信噪比。在数字滤波中常见的有IIR 与FIR 滤波器。IIR 滤波器不能得到通带中的线性相位，而FIR 滤波器相对于IIR 滤波器而言，能够得到准确的线性相位。集装箱的振动信号滤波处理采用FIR 滤波器，FIR 滤波器的滤波表达式为式中：y (n ) 与x (n ) 分别为输出和输入的时域信号序列， bk 为滤波参数。　图4 为加速度信号经平滑处理后基于多带滤波器的设计函数remezd 的FIR 滤波器截止频率为50 Hz 的频响函数幅值图。3 数据分析通过上述的方法将数据平滑处理以及滤波后，对数据进行基于FFT（快速傅里叶变换）时域与频域分析。加速度数据信号经过预处理后，对数据进行数学处理，将加速度信号转换为位移信号。加速度谐波信号在对应的时域与频域的关系中可以由DFT（离散傅里叶变换）来对其进行描述。对应的离散傅里叶变换为图4 滤波器幅频特性曲线式中：K =0,1,2,3…,N -1, X F (K) 为第K 个DFT系数；n =0,1,2,3…,N -1, a(n)为一个均匀的采样序列。根据傅里叶逆变换的数学公式，可以将加速度数据信号在任意频率中以Fourier 分量表示为式中： 为加速度信号在频率w 的Fourier 分量，A 为的系数。当初速度的值为0 时，则可以通过加速度信号分量的时间积分得出速度信号分量式中：v(t )为速度信号在频率w 的Fourier 分量、V 为 v(t )的系数。在一次积分频域下的关系式为初始条件下初速度与初始位移信号的分量均为0时，通过对加速度信号的两次积分可得到位移分量通过上述分析，现将集装箱振动特征按照如图5 所示的流程进行分析。图5 基于FFT 变换流程从图6 可以看出，集装箱竖直方向的最大速度约为55 mm/s，速度频谱信号的理论位移与计算速度相吻合。从图7 可以看出，集装箱竖直方向上的最大位移约为2.25 mm, 理论分析计算位移与实际计算位移相吻合。图6 速度信号曲线图7 位移信号曲线通过Matlab 的仿真分析可以发现速度信号曲线与振动位移信号计算曲线及理论曲线一致。利用上述流程方法能够通过振动加速度信号准确获得振动速度信号与振动位移信号。4 结论1）采用五点滑动平均法来消除集装箱振动信号的漂移和振动信号的趋势项，当多项式的阶数为4 阶时如图1 和图2 所示，可获得较好的处理效果；2）通过对比数字滤波器，确定在本文中采用FIR滤波器，经过图5 的流程处理后采用FFT 变换与时域频域的处理获得了精确的振动速度与振动位移信号；3）所述集装箱在途运输中的振动特征信号分析与处理的方法为数据的准确处理提供了理论依据。在实际应用中研发人员可以将这种数据分析方法嵌入到振动监测软件中并将数据写入数据库中生成历史数据，实时监测集装箱，实现实时预警，达到降低集装箱物流事故率与货损的目的，具有较重要的实际应用价值。参考文献[1] 张咪，顾波军. 我国集装箱多式联运政策现状、不足与优化[J]. 中国水运，2014,14(6).[2] 胡咏梅，张鹏波，纪少波. 柴油机振动加速度信号测试及分析方法研究[J]. 内燃机与动力装置,2010(2).[3] 顾明坤，吕振华. 基于振动加速度测量的振动速度和位移信号识别方法的探讨[J]. 机械科学与技术,2010,30(4).[4] 赵世宜，梅林，任杰. 集装箱装卸运输振动冲击环境条件分析[J]. 起重运输机械,2012(6).[5] 王济，胡晓.MATLAB 在震动信号处理中的应用[M]. 北京中国水利水电出版社，2006.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章2020年中国港口行业市场竞争格局分析全球TOP20集装箱港口中国占9席全球1/3的集装箱运输被迫延期，供应压将推动运费涨价周转时间延长，全球至少37％的集装箱被延误，供应链持续承压！集装箱空箱回流仍不畅，2021年海运“一箱难求”如何破解？集装箱数量紧绷，外贸爆单致企业出口难

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