论文总字数：29171字

摘 要

如今，第三接触轨受流的方式在城市轨道交通领域中的应用已经十分常见，受流器持续稳定接触受流是车辆安全运行的保证，因此接触轨必须具有高的平顺性。本文分别用应变传感器和第三轨安装误差测试平台测量了第三轨的垂直高度变化情况，并采用了语音识别领域常用的动态时间规整（DTW）来验证安装误差与应变传感器信号的相互关系。针对测量过程中产生的较多的高频噪声，本文首先在设计了巴特沃斯低通滤波器进行滤波，然后利用信号处理工具箱完成了进一步的平滑，得到了较好的效果。另外传统的DTW存在时间复杂度高的问题，本文提取了两个时间序列的峰值作为特征点，降低了计算的复杂度，并设置了基于峰值的分段聚合近似和理想化处理作为对比。最后利用多种相关性评价方法对测量结果进行了评价。

关键词：时间序列，动态时间规整（DTW），低通滤波器，特征提取。

Abstract

Nowadays, the application of the third contact rail current flow method in the field of urban rail transportation is very common. The continuous stable contact of the current receiver is the guarantee of the safe operation of the vehicle, so the contact rail must have high smoothness. In this paper, the vertical height changes of the third rail were measured using the strain sensor and the third rail installation error test platform, and the dynamic time warping (DTW) commonly used in the field of speech recognition was used to verify the correlation between the installation error and the strain sensor signal. In view of the more high-frequency noise generated during the measurement process, this paper first designed the Butterworth low-pass filter to filter, and then used the signal processing toolbox to complete further smoothing and obtained good results. In addition, the traditional DTW has the problem of high time complexity. In this paper, the peaks of the two time series are extracted as feature points, which reduces the calculation complexity, and the peak-based segmented aggregation approximation and idealized processing are set as a comparison. Finally, a variety of correlation evaluation methods were used to evaluate the measurement results.

Keywords: time series, dynamic time warping (DTW), low-pass filter, feature extraction.

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题的背景及意义 1

1.1.1 课题的背景 1

1.1.2 课题的提出和意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 特征提取与降维 2

1.2.2 相似性度量研究现状 3

1.3 本文主要工作 4

第二章 第三轨安装误差的测量 6

2.1 第三轨供电系统简介 6

2.2 第三轨误差测量平台简介 7

2.3 应变传感器测量 8

第三章 滤波处理 9

3.1 干扰的产生 9

3.2 快速傅里叶变换 9

3.3 滤波器的设计 11

第四章 特征提取与特征表示 16

4.1 数据平滑 16

4.2 提取峰值点 18

4.3 分段聚合近似 20

第五章 相似性度量 22

5.1 欧式距离 22

5.2 动态时间规整 23

第六章 相关性计算 30

6.1 相关性的计算方法 30

6.2 计算相关性 30

第七章 总结与展望 33

7.1 总结 33

7.2 展望 33

参考文献 34

附录A 36

致谢 42

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.1.1 课题的背景

在我国城市建设的步伐不断变快的背景下，经济、文化等各领域都得到了比较快速发展。但在社会加速发展的同时，环境问题也变得越来越明显，尤其是我们对煤等不可再生资源的依赖性越来越强，大量使用化石燃料给环境带来了很大的破坏。同时大量的农村人口为了更好的就业涌入主要城市，各城市的车辆保有量基本都在快速增长，但许多城市的基础设施建设状况相对落后，交通拥堵问题和交通事故频发成为了许多城市的重大负担，也变成了我国城市化建设的首要问题之一。

如今的解决方案主要有三种，第一种是限制车辆的出行，如单双号限行，这种方法相对公平，让人们比较容易接受。通过对车辆出行的限制在一定程度上达到了缓解交通压力的目的，但是这种方法在很多城市普及程度并不够，管理起来也比较复杂。第二种是加快城市的道路建设，这种方法对环境的破坏很大，而且也比较浪费资源。第三种是大力发展和提倡乘坐公共交通工具，如公交车、轻轨等，公共交通出行方式以其低污染、低价格、高效率的优点得到了更多人的支持。

现如今各个城市都在加快对公共交通的建设，而城轨车辆的建设更是重中之重，相对公交而言，城轨车辆运行过程中没有交通干扰，所以运行速度要快的多，能够节约大量的时间，尤其受到上班族的青睐。另外城轨车辆的运行也比较平稳，又无污染物排放，因此成为了各大城市基础设施建设的重点。

城轨车辆的供电方式一般有两种形式:一种是在高空建设接触网供电，这种供电方式多用于速度较快的高铁上，另一种是增设一条辅助轨，即第三轨来提供电力。在大多数城市中第三轨受流系统的应用更加广泛。固定在转向架上的受流器和与传递电流的第三轨是第三轨牵引供电系统的核心构成，它们之间的能否持续接触是受流是否稳定的关键，也是车辆安全稳定运行的保证^[1]。

为保证受流器稳定受流，首先必须保证第三轨的平顺性，这就需要保证第三轨的安装精度，尤其是要保证铁轨接头处这样容易产生很大误差的部位的安装误差，安装误差越小则代表着受流越在第三轨上运行越稳定。其次受流器的设计要合理，尽量减少列车的速度波动对其的影响。因此受流器与第三轨的匹配程度分析也逐渐成为国内外研究者的重点研究课题^[2]。

1.1.2 课题的提出和意义

大多数测量第三轨安装误差都是在安装误差测试平台上完成的，测试平台结构简单，可以自行设计或改进，是一种最常用的方法。通过对同一轨道进行多次的测量，然后分析数据就可以取得到结果。这种方法操作起来比较简单，但是一般要测量多次，因为测量的次数越多，产生的误差就越小，因此在整个测量过程中重复的工作量较大，需要比较多的时间。另外一旦出现设计和操作上的问题，由于缺少对照，也很难发现问题所在。为此本文在上述方法的基础上又加了另一种测量方法，即利用应变传感器测量受流器静态接触力的变化数据，然后将接触力的变化数据转换为受流器在第三轨高度上的变化数据，就可以对形成对照组了。另外值得一提的是，应变传感器测的数据是与车速无关的，准确性有所提升。最后结合第三轨安装误差测试平台所测量的第三轨和走行轨间的安装误差数据，通过对测得的两个数据列进行相互关系验证，就可以明确第三轨安装误差平台测得的数据是否正确了。

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