道岔動作電流曲線的特征提取方法及道岔故障診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵路領域里道岔故障診斷方法，特別涉及一種利用值投影及柱狀圖的 道岔動作電流曲線的特征提取方法，以及利用該特征提取方法進行道岔故障診斷的方法。
【背景技術】
[0002] 道岔的主要作用是引導車輪的運行方向以實現(xiàn)列車的轉線和跨線運行，是保障鐵 路運輸安全與效率的關鍵設備之一。
[0003] 我國鐵路網(wǎng)規(guī)模龐大，覆蓋地域遼闊，氣候條件復雜多樣，不同的運營模式和列車 裝備條件等都對道岔的應用形成了巨大的挑戰(zhàn)。加之鐵路線路運輸繁忙，道岔轉換頻繁，在 長時間的使用過程中會產(chǎn)生磨損，并且由于道岔處于露天使用狀態(tài)，很容易出現(xiàn)異物堵塞 等情況，其機械狀態(tài)也易發(fā)生變化，造成道岔的誤動作，不動作或不完全動作，引發(fā)列車脫 軌、擠岔等事故。長期以來，我國對道岔設備的維修方式仍采用傳統(tǒng)的故障修和周期修的方 式，主要依靠維護人員定期瀏覽微機監(jiān)測采集到的道岔轉轍機動作電流、電壓曲線，通過與 正常運行道岔的監(jiān)測數(shù)據(jù)作對比，來識別道岔故障。這種人工定期維修方式對維護人員的 工作經(jīng)驗依賴較高，容易出現(xiàn)誤判和漏判等情況，嚴重影響維修效率，不能滿足鐵路運輸發(fā) 展的需求。因此，迫切需要改變傳統(tǒng)的道岔故障診斷及維護方式，采用新的智能診斷方法， 實現(xiàn)從基于故障修和周期修的維修模式向狀態(tài)修模式的轉變。
[0004] 智能故障診斷面臨的難題之一是如何發(fā)現(xiàn)故障特征知識。道岔工作機理復雜，在 道岔轉換過程中，道岔轉轍機的動作電流及道岔轉換阻力等的變化特性存在很大的不確定 性，如何基于道岔動作電流曲線來提取故障特征并實現(xiàn)故障診斷是極具挑戰(zhàn)的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為提高鐵路運輸系統(tǒng)安全和效率，解決道岔故障診斷問題中故障特征知識的發(fā)現(xiàn) 和識別問題，本發(fā)明提供一種道岔動作電流曲線的特征提取方法及道岔故障診斷方法，具 體如下：
[0006] -種道岔動作電流曲線的特征提取方法，包括如下步驟：
[0007] S310 :獲取道岔動作的電流數(shù)據(jù)，以道岔動作時間為橫坐標，離散的電流數(shù)據(jù)為縱 坐標，生成道岔動作電流曲線；
[0008] S320 :將道岔動作電流曲線轉換到投影坐標系，投影坐標系橫軸為電流值區(qū)間，投 影坐標系的縱軸為道岔動作電流曲線上各電流值區(qū)間內(nèi)所包含的離散點的數(shù)量；
[0009] S330:在所述道岔動作電流曲線上包括三個道岔動作區(qū)段，分別為解鎖區(qū)、轉換 區(qū)、鎖閉區(qū)；確定所述投影坐標系下各道岔動作區(qū)段的分段；
[0010] S340 :輸出各電流值區(qū)間的開始點與結束點。
[0011] 進一步地，S330包括如下步驟：
[0012] S331，確定投影坐標系下的極大值柱狀圖區(qū)間；
[0013] S332,確定投影坐標系下的轉換區(qū)的左右兩個邊界；
[0014] S333，確定解鎖區(qū)的結束點和鎖閉區(qū)的起始點。
[0015] 進一步地，步驟S331 :確定投影坐標系下的極大值柱狀圖區(qū)間：采用遺傳優(yōu)化算 法，將分段間隔、分段數(shù)量作為遺傳算法要優(yōu)化的目標，采用遺傳算法尋找最優(yōu)的分段參 數(shù)，使得所述道岔動作電流曲線中電流值變化平緩的區(qū)域內(nèi)的電流數(shù)據(jù)均落入一個電流值 區(qū)間內(nèi)形成極大值柱狀圖區(qū)間，投影后得到所述投影坐標系下的極大值柱狀圖區(qū)間。
[0016] 或者，步驟S331 :比較與極大值柱狀圖區(qū)間相鄰兩個區(qū)間的柱狀圖的大小，如果 極大值柱狀圖區(qū)間的相鄰的兩個電流值區(qū)間所包含的離散點數(shù)量與極大值柱狀圖區(qū)間所 包含的離散值的絕對值之差小于設定門限值，則認為轉換區(qū)沒有完全落入極大值柱狀圖區(qū) 間，繼續(xù)調(diào)整電流值區(qū)間的分段數(shù)量與分段間隔，直到極大值柱狀圖區(qū)間的相鄰的兩個電 流值區(qū)間所包含的離散點數(shù)量與極大值柱狀圖區(qū)間所包含的離散值的絕對值之差大于設 定門限值，確定出極大值柱狀圖區(qū)間。
[0017] 進一步地，
[0018] 步驟S332 :在確定了極大值柱狀圖區(qū)間后，選擇電流數(shù)據(jù)的離散點對應的時間的 5 %~95 %的部分作為轉換區(qū)以減少波動值及噪聲對分段的影響，
[0019] 步驟S333 :確定解鎖區(qū)的結束點和鎖閉區(qū)的起始點：轉換區(qū)開始點為解鎖區(qū)的結 束點，轉換區(qū)結束點作為鎖閉區(qū)的起始點。
[0020] 進一步地，道岔動作電流曲線上的每個離散點的電流值和動作時間均被記錄在數(shù) 據(jù)庫中，從而使得在所述投影坐標系下的每個電流數(shù)據(jù)均能與原道岔動作電流曲線上的電 流值相對應。
[0021] 一種道岔故障診斷方法，包括步驟：
[0022] SlOO :從鐵路相關部門的微機監(jiān)測系統(tǒng)中獲取需要的道岔的工作電流曲線；
[0023] S200:選取正常道岔和故障道岔的工作電流曲線作為樣本，用以后續(xù)步驟的診斷 豐吳型訓練；
[0024] S300 :利用上述的道岔動作電流曲線的特征提取方法，區(qū)分道岔動作電流曲線的 動作過程，進行特征提取，提取每個道岔動作過程的特征；
[0025] S400 :采用基于ReliefF的特征選擇算法選擇對于區(qū)分故障有意義的特征，得到 高效簡約的特征空間；
[0026] S500 :利用S400得到的特征空間訓練診斷模型以區(qū)分道岔故障；
[0027] S600 :利用S500得到的診斷模型，對實時或歷史的道岔動作電流曲線進行診斷， 得到道岔的工作狀態(tài)。
[0028] 進一步地，步驟S500采用五層前饋模糊神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)。
[0029] 進一步地，步驟S500的五層前饋模糊神經(jīng)網(wǎng)絡步驟如下：
[0030] S510 :利用模糊理論將輸入的故障癥兆信息模糊化，形成故障訓練樣本輸入網(wǎng) 絡；
[0031] S520:改變網(wǎng)絡的權值與閾值，使得網(wǎng)絡具有更強的表達能力，數(shù)據(jù)處理能力及穩(wěn) 定的推理能力；
[0032] S530:根據(jù)各個區(qū)段的不同特征以及設定的規(guī)則，給出故障診斷情況的輸出，提示 道岔的運行狀態(tài)。
[0033] 本發(fā)明的有益效果：
[0034] 道岔轉換過程大致分為解鎖、轉換及鎖閉三個階段，對應于這三個階段道岔動作 電流曲線呈現(xiàn)不同特征；道岔工作過程中出現(xiàn)的主要故障在道岔動作電流曲線上也有較為 明顯的表示。然而，由于不同道岔的性能差異以及現(xiàn)場應用環(huán)境的不確定性，直接從道岔 動作電流曲線的時域特征來進行轉換階段劃分十分困難，進而影響后續(xù)的故障診斷的準確 性。本發(fā)明首先通過值投影的方法對道岔動作電流曲線進行處理，極大簡化了道岔轉換階 段劃分及后續(xù)的故障模式識別工作，大大降低了故障診斷的計算復雜度，并將最終極大提 高診斷正確性，為提高道岔監(jiān)測與維護工作的效率奠定了堅實基礎。
[0035] 本發(fā)明的道岔故障診斷方法，不僅能在道岔發(fā)生故障時及時準確的提供維修信 息，指導現(xiàn)場維護人員有針對性的對故障道岔進行維修，降低維修成本，提高道岔的使用效 率，還能夠降低其發(fā)生故障后帶來的各種不利影響，壓縮故障延時，進一步減少運輸延誤， 對于提高運輸系統(tǒng)安全和效率也有重要的現(xiàn)實意義。本發(fā)明的道岔故障診斷方法，對現(xiàn)場 的微機監(jiān)測得到的道岔動作情況進行實時監(jiān)測，得到了較好的診斷效果，診斷準確率能夠 達到99. 04。
【附圖說明】
[0036] 下面結合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明：
[0037] 圖Ia是本發(fā)明一個實施例的道岔正常工作狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0038] 圖Ib是本發(fā)明一個實施例的道岔卡阻故障狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0039] 圖Ic是本發(fā)明一個實施例的道岔卡阻故障狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0040] 圖Id是本發(fā)明一個實施例的道岔異常狀態(tài)回操故障一狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0041] 圖Ie是本發(fā)明一個實施例的道岔異常狀態(tài)回操故障二狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0042] 圖If是本發(fā)明一個實施例的道岔異常阻力故障一狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0043] 圖Ig是本發(fā)明一個實施例的道岔異常阻力故障二狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0044] 圖Ih是本發(fā)明一個實施例的道岔卡缺口故障狀態(tài)下的電流曲線樣本。
[0045] 圖2是本發(fā)明一個實施例的特征選擇的過程。
[0046] 圖3是本發(fā)明一個實施例的Relief算法流程圖。
[0047] 圖4是本發(fā)明一個實施例按時間值固定間隔分段方法的特征選擇結果。
[0048] 圖5是本發(fā)明一個實施例按電流值固定間隔分段方法的特征選擇結果。
[0049] 圖6a是本發(fā)明一個實施例道岔正常狀態(tài)下的電流曲線投影圖。
[0050] 圖6b是本發(fā)明一個實施例道岔卡阻故障模式下的電流曲線投影圖。
[0051] 圖6c是本發(fā)明一個實施例道岔卡阻故障模式下的電流曲線投影圖。
[0052] 圖6d是本發(fā)明一個實施例道岔異常狀態(tài)回操故障一狀態(tài)下的電流曲線投影圖。
[0053] 圖6e是本發(fā)明一個實施例道岔異常狀態(tài)回操故障二狀態(tài)下的電流曲線投影圖。
[0054] 圖6f是本發(fā)明一個實施例道岔異常阻力故障一狀態(tài)下的電流曲線投影圖。
[0055] 圖6g是本發(fā)明一個實施例道岔異常阻力故障二狀態(tài)下的電流曲線投影圖。
[0056] 圖6h是本發(fā)明一個實施例道岔卡缺口故障狀態(tài)下的電流曲線投影圖。
[0057] 圖7是本發(fā)明一個實施例的道岔動作電流曲線值投影及柱狀圖的特征提取方法 流程圖。
[0058] 圖8是本發(fā)明一個實施例的按動作階段分段方法的特征選擇結果。
[0059] 圖9是本發(fā)明