CN111577386B - 一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，属于领域，其包括对应隧道防护门设置的光纤探头、输出光纤、光纤主线、信号处理部件、语音判断数据库，利用各部件的匹配工作，可以实时反馈隧道防护门设置后的振动情况，并判断隧道防护门实时处于的状态，实现隧道防护门的实时监测。本发明的隧道防护门状态监测系统，其基于声音信号的采集和处理来工作，结构简单，设置简便，能有效实现隧道防护门在各种状态下振动状态的监测，实现隧道防护门应用时的实时监测，提升了隧道防护门监测的连续性和准确性，并为隧道防护门可能出现的异常情况提供了提前判断、提前维护的可能，充分保证了隧道的运营安全性，具有较好的应用前景和推广价值。

Description

一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统

技术领域

本发明属于隧道防护门监测技术领域，具体涉及一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统。

背景技术

随着我国轨道交通建设的不断发展，而隧道作为轨道交通最为重要的组成部分，也呈现井喷式发展。在铁路隧道中，往往设置有洞室，并在洞室中设置有防护门，作为防火分隔措施将横通道、疏散通道与车行隧道相分隔。同时，列车在隧道内运行通过时，由于列车截面积与隧道截面积之比较大，且隧道长度较长，列车运行速度较快，列车在隧道内会产生较大侧向风压，形成“活塞效应”，会对隧道内存放的通信、信号、电力设备带来损坏隐患。此时，隧道防护门的设置便对于防灾避难、设备存放起到了至关重要的作用。

由于隧道防护门在使用过程中长期受“活塞风”影响，长期承受气压变换所导致的振动作用。在这种情况下，隧道防护门极易出现松动和密封性能下降等问题，失去原有的防护作用。极端情况下，隧道防护门可能会因松动脱落而倾倒至轨道区域，造成隧道运营过程中的安全隐患，甚至引发严重的运行安全事故。

鉴于此，在实际设置隧道防护门时，往往需要定期对隧道防护门的设置状态进行检测，或者对隧道防护门的状态进行实时监测。在传统的应用过程中，往往是通过人工定期巡检的方式检测防护门的状态。这种方式虽然能一定程度上满足检测要求，但是，由于隧道防护门出现脱落、倾倒问题的情形具有不定时性，定期检测无法准确确定隧道防护门是否存在设置问题，存在一定的局限性，且人工检测也对应增加了检测人员的人力成本，并可能对检测人员的人身安全带来隐患。

虽然现有技术中也有通过对应隧道防护门设置监测装置或者脱落报警装置的方式来检测隧道防护门的状态，例如现有专利文献CN109682456A中提出的一种光电结合的隧道防护门振动监测系统和现有专利文献CN108122367A中提出的一种隧道防护门脱落报警装置。其中，前者通过监测每个隧道防护门的振动状态来判断隧道防护门的设置状态，这种设置形式易受到其他振动的干扰造成误判，且无法对防护门脱落后的情形进行报警；而后者通过在隧道防护门上设置分布式光纤传感器，能对隧道防护门脱落时的情形进行监测，并确定防护门脱落的位置，但是，这种结构也仅能监测防护门脱落时的状态，无法实时监测防护门平时的状态，更别说对防护门的脱落进行预防、提前示警，因而也存在一定的局限性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，能有效实现防护门设置后振动状态的实时监测，并对防护门待脱落、脱落倾倒、倾倒至轨行区域等状态进行实时检测，保证防护门设置应用的稳定性、可靠性和安全性，保证隧道运营的安全性和高效性。

为实现上述目的，本发明提供一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其特征在于，包括：

光纤探头，所述光纤探头至少为一个，其设置于隧道防护门安装门洞的旁侧或顶部，用于实时采集所述隧道防护门因振动、倒伏或者掉落所产生的声音信号，并将其与光信号调制、耦合，形成声光耦合信号；

输出光纤，所述输出光纤对应连接在所述光纤探头上，用于进行所述声光耦合信号的传输；

光纤主线，所述光纤主线布置在隧道中，用于连接各所述输出光纤并进行所述声光耦合信号的传输；

信号处理部件，所述信号处理部件包括依次电性连接的光电转换器和声音信号处理组件；所述光电转换器分别与所述光纤主线和所述声音信号处理组件对应连接，用于对该光纤主线中各声光耦合信号进行光电转换，并将光电转换后的信号传递到声音信号处理组件中，在此实现声音信号的放大、除杂、去噪和补偿；

语音判断数据库，所述语音判断数据库与所述声音信号处理组件电性连接，用于存储隧道防护门各种振动状态下的声音信号，接收来自所述声音信号处理组件完成处理后的声音信号，以及实现采集声音信号与预设声音信号的对比判断，从而实现隧道防护门实时状态的监测。

作为本发明的进一步改进，所述光纤探头包括底板、保护罩、壳体、反射膜、垫片、FC适配器、测量光纤、光纤耦合器和光源；

所述壳体安装在底板上，用于实现所述垫片的安装；所述垫片为透光材料制成，所述反射膜设置在其一侧端面上，且所述垫片的另一侧通过所述FC适配器连接所述测量光纤的一端，且所述测量光纤的另一端连接所述光纤耦合器；所述光纤耦合器具有三个接口，以分别连接测量光纤、输出光纤和光源；所述光源为永久光源，用于连续产生光信号并传递到所述测量光纤；所述保护罩以其开口侧固定在底板上，用于将各部件封装在保护罩内，且该保护罩对应壳体的罩体上开设有多个通孔，以用于声音信号传入保护罩内并作用于反射膜。

作为本发明的进一步改进，所述隧道防护门的安装门洞与轨行区域之间的地面上设置有至少一个所述光纤探头，即地面光纤探头，以用于采集所述隧道防护门脱落倒下时产生的声音信号。

作为本发明的进一步改进，所述地面光纤探头设置在所述隧道防护门的设置横断面上和/或该设置横断面的任意侧。

作为本发明的进一步改进，对应所述隧道防护门的轨行区域上设置有至少一个所述光纤探头，即轨行光纤探头，用于采集所述隧道防护门掉落至轨行区域时产生的声音信号。

作为本发明的进一步改进，所述轨行光纤探头设置在所述隧道防护门的设置横断面上和/或该设置横断面的任意侧。

作为本发明的进一步改进，所述声音信号处理组件包括依次电性连接的差分放大器、低通滤波器、第一模式去除器、积分放大器、高通滤波器、第二模式去除器；所述差分放大器与所述光电转换器电性连接，且所述第二模式去除器对应连接所述语音判断数据库。

作为本发明的进一步改进，所述反射膜由聚酯薄膜经镀膜而制成。

作为本发明的进一步改进，所述光源为LED光源。

作为本发明的进一步改进，对应所述底板设置有隔离板；所述隔离板可对应安装在隧道地面上或者壁面上，其与所述底板间隔一定距离设置，两板之间以若干安装螺栓连接，并在两板之间的安装螺栓外周上套设有弹簧。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其包括对应隧道防护门设置的光纤探头、输出光纤、光纤主线、信号处理部件、语音判断数据库，利用光纤探头的对应设置和声音信号的实时采集、传输、处理、判断，进而可以实时反馈隧道防护门设置后的振动情况，并通过该振动状态所对应声音信号与语音判断数据库中的预设语音信号进行比对判断，进而可以判断隧道防护门实时处于的状态，从而实现隧道防护门的实时监测，对可能出现的极端异常状态进行提前预防和诊断，保证隧道防护门的可靠设置和隧道的安全运营；

(2)本发明的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其通过优选设计光纤探头的结构形式，利用反射膜、垫片、FC适配器、测量光纤、光纤耦合器、光源等部件的对应设置，可以实时接收光纤探头设置位置处隧道防护门的振动声音信号，实现声音信号的输入以及声音信号与光信号的调制、耦合、输出；且通过保护罩与底板的对应设置，保证了各部件设置的稳定性、可靠性，提升了声音信号采集的效率，保证了监测的准确性；

(3)本发明的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其通过在光纤探头上设置由隔离板、弹簧、安装螺栓组成的隔离组件，能有效实现光纤探头核心部件与设置壁面、地面的接触，避免了因壁面过水、地面积水所导致的光纤探头损坏，延长了光纤探头的使用寿命，保证了光纤探头设置的可靠性和稳定性；

(4)本发明的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其通过在隧道防护门外周对应的隧道侧壁上、安装门洞与轨行区域之间的地面上、轨行区域的底面上分别设置光纤探头，可分别准确监测隧道防护门连接设置时、脱落倒伏时、掉落轨行区域时的振动声音信号，实现不同状态下的状态监测，监测的准确性和全面性高，进一步提升了隧道防护门设置的安全性和可靠性；

(5)本发明的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其结构简单，设置简便，能有效实现隧道防护门在隧道中设置后各种状态下振动状态的监测，实现隧道防护门设置连接完好、门体连接松动、门体连接脱落、门体倒伏、门体掉落至轨行区域等状态的实时监测，提升了隧道防护门监测的连续性和准确性，并为隧道防护门可能出现的异常情况提供了提前判断、提前维护的可能，充分保证了隧道的运营安全性，具有较好的应用前景和推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例中基于声音识别的隧道防护门状态监测系统的布置结构示意图；

图2是本发明实施例中隧道防护门状态监测系统的光纤探头的结构示意图；

图3是本发明实施例中隧道防护门状态监测系统的光纤分路器和光电转换器的设置示意图；

图4是本发明实施例中隧道防护门状态监测系统的工作原理示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1.光纤探头，101.保护罩，102.壳体，103.反射膜，104.垫片，105.FC适配器，106.测量光纤，107.光纤耦合器，108.光源，109.输出光纤，110.隔离板，111.安装螺栓，112.弹簧；

2.第一连接光纤；3.第二连接光纤；4.第三连接光纤；5.光纤主线；6.光纤分路器；7.光电转换器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

本发明优选实施例中的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统如图1中所示。其中，包括对应设置于防护门设置位置的至少一个光纤探头1，具体地，前述至少一个光纤探头1设置在隧道防护门设置门框的两侧或者顶部，用于对应实时监测隧道防护门的振动情况。在实际设置时，将设置于防护门外周的光纤探头1记为第一光纤探头，其设置位置优选为隧道防护门的一侧，且设置数量优选为一个，如图1中所示。

进一步地，在隧道防护门一侧的底面上，也设置有至少一个光纤探头1，记其为第二光纤探头。具体而言，第二光纤探头设置在隧道防护门与轨行区域之间的地面上，以用于对应检测当防护门倒下时发出的声音，进而将上述状态反馈回控制中心。同时，第二光纤探头的设置位置优选远离防护门以底边为轴旋转后贴合地面的区域，以避免隧道防护门倒下后对第二光纤探头的砸损。当然，第二光纤探头也可根据需要设置在隧道防护门倒下后对应的地面区域，使得隧道防护门刚好砸在第二光纤探头上，以提升声音信号采集的准确性。此时，需要对光纤探头的结构进行优选设置，防止因隧道防护门的倒砸而损坏。

进一步优选地，在隧道的轨行区域内还设置有至少一个光纤探头1，记其为第三光纤探头，其优选设置在隧道防护门设置横断面上或者该设置横断面两侧一定距离内，优选为±1.5m以内。在优选实施例中，第三光纤探头为设置为三个，即隧道防护门设置横断面上的一个和分设于该隧道防护门设置横断面两侧的两个。当然，第三光纤探头的设置位置应避免被列车剐蹭到，且其连接线路应当预埋设置，以避免列车运行时对其及相关线路产生影响。通过第三光纤探头的设置，使得当防护门掉落至轨行区域时，可以第一时间被第三光纤探头监测到，进而马上安排检修人员对其进行检修维护，避免列车在隧道中运行时发生运行事故。

在实际设置时，基于声音识别的光纤探头1的结构如图2中所示，其包括保护罩101、壳体102、反射膜103、垫片104、FC适配器105、测量光纤106、光纤耦合器107、光源108、输出光纤109、隔离板110、安装螺栓111和弹簧112。其中，保护罩101设置在呈板状结构的底板上，用于将监测用的相关部件封装在内并防止由于列车高速行驶所产生的飞沙走石损坏保护罩101内的相关结构。同时，保护罩101上间隔开设有多个圆孔，用于一定声波频率以上的声音可以传递到保护罩101内。其次，保护罩优选由吸声材料制成，可以增大光纤探头1对声音信号的接收效率。此外，对应底板优选设置有隔离板110，其优选与底板相对间隔一定距离设置，与底板通过安装螺栓111连接，且两板之间的安装螺栓111外周套设有弹簧112，用于底板振动时的缓冲，而隔离板110可以通过安装螺栓111安装在对应的墙体或者地面上。

进一步地，壳体102设置在保护罩101内，并对应固定在底板上，用于反射膜103、垫片104、FC适配器105等部件的固定。其中，反射膜103为厚度很薄的聚脂薄膜以镀膜的形式设置于垫片104上，而垫片104固定在壳体102上，如图2中所示。具体而言，光纤探头1中的反射膜103为弹性膜片，会在外界声波的影响下发生受迫振动，进而可以对该反射膜103上反射的光信号进行调制，从而将声音信号传递到测量光纤106中。

进一步地，垫片104为透光材料制成，其背离反射膜103的一侧通过FC适配器105连接测量光纤106，使得测量光纤中的光信号可以传递到垫片104上，并由反射膜103反射回测量光纤中。相应地，测量光纤106背离垫片104的另一端对应连接光纤耦合器107，在此实现光信号的分路和合路，并对光信号进行调制。在优选实施例中，光纤耦合器107为Y形熔融拉锥式耦合器。

进一步地，对应光纤耦合器107设置有光源108，用于产生光信号并输送到测量光纤106。在优选实施例中，光源108为永久光源，持续不断地产生光信号并发射到测量光纤106中，进一步优选地，光源108为LED光源。

同时，对应光纤耦合器107还设置有输出光纤109，用于将从光纤耦合器107输出的携带有声音信息的光信号输送到光电转换器7，并在光电转换器7中实现光信号与电信号的转换。具体而言，在各输出光纤109与光电转换器7之间设置有光纤主线5和光纤分路器6，其中，各输出光纤109的一端连接对应的光纤探头1，另一端分别连接至光纤分路器6，同时，光纤分路器6与光电转换器7之间通过光纤主线5连接，用于将各输出光纤109中的信号分别传递到光电转换器7中，进而分别完成光信号与电信号的转换。此外，在隧道开设时，隧道中的隧道防护门往往设置为多个，如图3中所示，此时，对应各隧道防护门设置的光纤探头1均可通过输出光纤109连接至光纤分路器6。

此外，如图4中所示，在监测系统中还包括依次设置的差分放大器、低通滤波器、第一模式去除器、积分放大器、高通滤波器、第二模式去除器，各部件之间通过电性连接。其中，声音信号经过光电转换后被差分放大器放大。相应地，声音信号中的噪声信号也同时被放大，而放大后的声音信号进入低通滤波器中，并在此处完成低于设定评率声音信号的过滤。在隧道防护门产生异样，例如连接松动、解除锁定、脱落、倾覆等，其往往会产生频率较高的声波信号，因此，在实际采集信号时，只需要采集特定频率以上的声波信号，这也是低通滤波器设置的理由所在。

进一步地，完成滤波的声音信号传输到第一模式去除器，并在此处去除声音信号中的噪声信号，保证只有纤芯光才能到达积分放大器中。到达积分放大器的声音信号在积分放大器中完成相位补偿，进而完成处理的声音信号输送到高通滤波器，在此将高频段噪声过滤掉。此后，声音信号传送到第二模式去除器，在此去除因积分放大器、高通滤波器引入的纤芯光，保证监测信号的准确性。

完成上述处理过程的声音信号可以传送到语音判断数据库，并在此进行声音信号的比对，进而判断该声音信号所对应的振动状态。在设置监测系统时，可以预先将隧道防护门正常振动声信号、连接松动时的振动声信号、脱落倾倒时的振动声信号、列车运行通过时的振动声信号采集并预存在语音判断数据库中，方便处理后声音信号的实时比对。一旦采集回来的声音信号表示隧道防护门的状态为异常，便及时报警提醒相关工作人员进行对应处理。

本发明中基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，通过在隧道侧壁面上、防护门与轨行区域之间的地面上，以及轨行区域中对应设置光纤探头，并优选设置光纤探头的结构，使得各位置的光纤探头均可以试试采集隧道内的声音信号，并将其与光信号调制、耦合后依次进行相关处理，去除杂质和噪声，进而筛选出对应声波频率的声音信号，以其与语音判断数据库中的预设声音信号进行比对，便能对应实现防护门所处状态的判断，从而实现隧道防护门状态的实时监测，避免隧道防护门的松动、脱落、倒伏和侵入轨行区域，保证隧道运行的安全性和可靠性，具有较好的应用前景和推广价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其特征在于，包括：

光纤探头，所述光纤探头至少为一个，其设置于隧道防护门安装门洞的旁侧或顶部，用于实时采集所述隧道防护门因振动、倒伏或者掉落所产生的声音信号，并将其与光信号调制、耦合，形成声光耦合信号；且所述隧道防护门的安装门洞与轨行区域之间的地面上设置有至少一个所述光纤探头，即地面光纤探头，以用于采集所述隧道防护门脱落倒下时产生的声音信号；以及对应所述隧道防护门的轨行区域上设置有至少一个所述光纤探头，即轨行光纤探头，以用于采集所述隧道防护门掉落至轨行区域时产生的声音信号；

输出光纤，所述输出光纤对应连接在所述光纤探头上，用于进行所述声光耦合信号的传输；

光纤主线，所述光纤主线布置在隧道中，用于连接各所述输出光纤并进行所述声光耦合信号的传输；

信号处理部件，所述信号处理部件包括依次电性连接的光电转换器和声音信号处理组件；所述光电转换器分别与所述光纤主线和所述声音信号处理组件对应连接，用于对该光纤主线中各声光耦合信号进行光电转换，并将光电转换后的信号传递到声音信号处理组件中，在此实现声音信号的放大、除杂、去噪和补偿；

语音判断数据库，所述语音判断数据库与所述声音信号处理组件电性连接，用于存储隧道防护门各种振动状态下的声音信号，接收来自所述声音信号处理组件完成处理后的声音信号，以及实现采集声音信号与预设声音信号的对比判断，从而实现隧道防护门实时状态的监测；

所述光纤探头包括底板、保护罩、壳体、反射膜、垫片、FC适配器、测量光纤、光纤耦合器和光源；所述壳体安装在底板上，用于实现所述垫片的安装；所述垫片为透光材料制成，所述反射膜设置在其一侧端面上，且所述垫片的另一侧通过所述FC适配器连接所述测量光纤的一端，且所述测量光纤的另一端连接所述光纤耦合器；所述光纤耦合器具有三个接口，以分别连接测量光纤、输出光纤和光源；所述光源为永久光源，用于连续产生光信号并传递到所述测量光纤；所述保护罩以其开口侧固定在底板上，用于将各部件封装在保护罩内，且该保护罩对应壳体的罩体上开设有多个通孔，以用于声音信号传入保护罩内并作用于反射膜；

对应所述底板设置有隔离板；所述隔离板可对应安装在隧道地面上或者壁面上，其与所述底板间隔一定距离设置，两板之间以若干安装螺栓连接，并在两板之间的安装螺栓外周上套设有弹簧。

2.根据权利要求1所述的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其中，所述地面光纤探头设置在所述隧道防护门的设置横断面上和/或该设置横断面的任意侧。

3.根据权利要求1所述的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其中，所述轨行光纤探头设置在所述隧道防护门的设置横断面上和/或该设置横断面的任意侧。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其中，所述声音信号处理组件包括依次电性连接的差分放大器、低通滤波器、第一模式去除器、积分放大器、高通滤波器、第二模式去除器；所述差分放大器与所述光电转换器电性连接，且所述第二模式去除器对应连接所述语音判断数据库。

5.根据权利要求2所述的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其中，所述反射膜由聚酯薄膜经镀膜而制成。

6.根据权利要求2所述的基于声音识别的隧道防护门状态监测系统，其中，所述光源为LED光源。