《基于sa算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断研究-常高武.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于sa算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断研究-常高武.pdf（53页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、中图分类号： U283.2 密 级： 公开 UDC： 本校编号： 硕 士 学 位 论 文 论文题目： 基于 SA算法的无绝缘轨道电路 故障综合诊断研究 研究生姓名： 常高武 学号： 02130437 学校指导教师姓名： 张友鹏 职称： 教授 申请学位等级： 工学硕士学位 专业： 交通信息工程及控制 论文提交日期： 2016.6.17 论文答辩日期： 2016.6.5 _ 硕 士 学 位 论 文 基于 SA 算法的无绝缘轨道电路 故障综合诊断研究 Comprehensive Fault Diagnosis of Jointless Track Circuit Based on Simulated
2、 Annealing Algorithm 作 者 姓 名： 常高武 学科、专业 ： 交通信息工程及控制 学 号 ： 02130437 指 导 教 师： 张友鹏 教授 完 成 日 期： 2016 年 4 月 25 日 兰 州 交 通 大 学 Lanzhou Jiaotong University _独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含获得 兰州交通大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确
3、的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰州交通大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 _兰州交通大学硕士学位论文 - I - 摘 要 铁路信号系统作为铁路运输企业的重要技术装备， 在保障行车安全、 提高运输效率、
4、 传递行车信息等方面有不可代替的作用。无绝缘轨道电路已被广泛应用于我国铁路信号 系统中，补偿电容、道砟电阻是其两个重要的电气参数，在保证信号有效传输上具有重 要的作用。当补偿电容发生故障以及道砟电阻波动时，可能造成“红光带”和“掉码” 现象，进而降低运输效率，甚至危及行车安全。由此可见，对补偿电容故障、道砟电阻 波动进行故障诊断是十分必要的。本文以谐振式无绝缘轨道电路为研究对象，同时以分 路电流数据作为分析对象，从中提取补偿电容和道砟电阻的故障信息，进而实现故障诊 断。 首先，建立无绝缘轨道电路的分路态模型。在该模型的建立中，现有的研究是将道 砟电阻等效成一个均匀参数。但在实际中，道砟层容易被
5、细砂尘灰、矿灰及煤粉等污染， 同时列车的紧急刹车会造成道砟的分布不均匀，因此将道砟电阻等效成一个均匀参数不 切合实际，论文提出以补偿电容为界划分道砟区段，分段等效道砟电阻的方法。 其次，采用二端口网络理论和均匀传输线理论对分路态模型进行分析，得到分路电 流幅值包络的传输方程。设置轨道电路的基本电气参数，利用传输方程对道砟电阻波动 和补偿电容故障情况下的分路电流幅值包络进行仿真，通过对幅值包络线分析，得到补 偿电容、道砟电阻与包络线之间的规律。 最后，基于补偿电容、道砟电阻与包络线之间的规律提出基于 SA(Simulated Annealing,模拟退火)算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断方法。即
6、利用补偿电容对包络 线进行划分，运用每一段包络线构造目标函数，以补偿电容和道砟电阻作为决策变量， 按从发送端到接收端的顺序，依次对每一个目标函数运用 SA算法，得到目标函数最小 化时决策变量的最优解，在求解过程中将每一次的结果存储并作为下一个目标函数的已 知变量，求得所有决策变量的最优解，则完成故障诊断。 仿真结果表明，采用基于 SA算法的诊断方法不仅能够精确诊断多个电容故障，而 且还能准确反映道砟电阻波动情况。通过实际数据的验证，证明了该方法的正确性和可 行性，同时与基于遗传算法的诊断方法相比，具有诊断精度高、所用时间短、实用性强 等优点。 关键词：无绝缘轨道电路；补偿电容；道砟电阻；SA
7、算法；故障诊断 论文类型：应用技术研究 _基于 SA算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断研究 - II - Abstract As the main technological equipment of railway transit enterprises, railway signal system is irreplaceable for ensuring the traffic safety, increasing the transportation efficiency and transmitting the traffic information. Jointless track
8、circuit has already been widely applied in Chinese railway signal system. In this case, compensation capacitor and ballast resistor can be two important electrical parameters which play a critical part in ensuring the effective trans- mission of signals. When malfunctions and fluctuations are respec
9、tively occured on compen- sation capacitors and ballast resistors, the phenomena of “red-light-strap” and “code-missing” may appear to cause a negative effect in traffic safety and effective transportation. Thus, it is extremely necessary to generate the fault diagnosis on compensation capacitors an
10、d ballast resistors. This thesis took the resonance typed jointless track circuit as the research object and the shunt current data as the analysis object, the fault information of compensation capacitor and ballast resistor can be extracted to reach the fault diagnosis. Firstly, the shunt state mod
11、el of jointless track circuit has been built. During the con- struction of this model, the recent study is to make the ballast resistor be equivalent to a uni- form parameter. However, in reality, the ballast layer can be easily contaminated by sand, powder and budgust. And the trains emergency brak
12、e will lead to the non-homogeneous of ballast. Thus, it is unrealistic to treat the ballast resistors as a homogeneous parameter. From what is mentioned above, this method implemented that through dividing the ballast section, the ballast value can be piecewise equaled with the boundary of compensat
13、ion capacitor. Then, through mathematical modeling and analyzing the model with uniform transmiss- ion line theory and two port network, the transmission function of the shunt current amplitude envelope can be calculated. Through setting the basic electrical parameters and transmission functions, th
14、e shunt current amplitude envelope under the situations of ballast fluctuation and capacitor fault can be simulated to achieve the regulations among compensateion capacitor ballast resistor, and the current amplitude envelope. Finally, based on the regulations above, the complex fault diagnosis of j
15、ointless track cir- cuit with the SA was raised. During this process, using compensation capacitor to divide the envelope line, the target function can be constructed by each section of the envelope line. Taking the compensation capacitor and ballast resistor as the decision variable, from the sendi
16、ng end to the receiving end,the SA was applied to all the target functions to obtain the optimum solution of the decision variable in order to achieve the minimum target func- tion.During the solution, the results of each calculation will be saved and treated as the known variable for the next targe
17、t function. When all the optimum solutions are calculated, the diag- nosis can be finished. _兰州交通大学硕士学位论文 - III - The method raised in this thesis can not only test the faults on multiple capacitors accu- rately, but also reflect the fluctuation situation of ballast resistors. Compared with the gene
18、tic algorithm, SA algorithm covered the advantages of high detection accuracy, low time consuming and strong practicability. Key Words: Jointless track circuit, Compensation capacitor, Ballast resistor, SA algori- thm, Fault diagnosis _基于 SA算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断研究 - IV - 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . I
19、V 1 绪论 .1 1.1 选题背景和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.2.1 道砟电阻波动诊断的研究现状 .1 1.2.2 补偿电容故障诊断的研究现状 .2 1.2.3 SA算法研究现状 .3 1.3 主要研究工作内容 .4 2 无绝缘轨道电路建模基础 .5 2.1 轨道电路与四端网的关系 .5 2.2 二端口网络介绍 .6 2.2.1 二端口的方程和参数 .6 2.2.2 二端口的连接方式 .7 2.3 均匀传输线理论介绍 .8 2.3.1 均匀传输线概念 .8 2.3.2 均匀传输线方程及其正弦稳态解 .9 2.4 小结 . 11 3 无绝缘轨道电路分路态的建模与仿真 . 1
20、2 3.1 无绝缘轨道电路分路态模型. 12 3.1.1 道砟电阻的等效分析 . 12 3.1.2 分路态等效模型建立 . 13 3.2 分路态模型组成部分的数学建模 . 13 3.2.1 传输电缆设备的等效模型. 13 3.2.2 调谐区的等效模型 . 14 3.2.3 钢轨线路的等效模型 . 17 3.3 分路电流幅值包络线分析 . 20 3.3.1 包络线表达式 . 20 3.3.2 包络线仿真 . 21 _兰州交通大学硕士学位论文 - V - 3.3.3 唯一性分析 . 24 3.4 小结 . 24 4 基于 SA算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断方法 . 26 4.1 故障诊断基本原理
21、 . 26 4.1.1 仿真对象 . 26 4.1.2 故障诊断思路 . 26 4.1.3 诊断问题分析 . 27 4.1.4 单个补偿电容和道砟电阻的求解方法 . 28 4.2 SA算法 . 28 4.2.1 SA算法介绍 . 28 4.2.2 算法过程 . 29 4.2.3 SA算法应用的一般要求 . 31 4.3 故障诊断方法 . 32 4.4 实验结果 . 36 4.4.1 仿真数据验证 . 36 4.4.2 实际数据验证 . 37 4.4.3 结果分析 . 38 4.5 小结 . 39 结 论 . 40 致 谢 . 41 参考文献 . 42 攻读学位期间的研究成果. 45 _兰州交通
22、大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论 1.1 选题背景和意义 我国高速铁路的建设事业仍在进一步发展中，随着列车运行速度的不断提高，对行 车安全的要求也越来越高。列控系统是保障列车安全高效的核心设备，它由地面列控中 心或无线闭塞中心、轨道电路、地面点式信号设备、车地传输设备和车载速度控制设备 等组成。其中，轨道电路的工作情况直接影响行车安全。 无绝缘轨道电路由于具有较高的系统抗干扰能力和乘车舒适度，因此已被广泛应用 于我国列控系统中。论文选取谐振式无绝缘轨道电路为研究对象（如无说明，文中的无 绝缘轨道电路指的是谐振式无绝缘轨道电路）。道砟电阻和补偿电容是表征无绝缘轨道 电路健康状态的两个重要电
23、气参数，当这两个参数发生变化时，会直接影响轨道电路的 正常稳定工作。 当道砟电阻过低时，在调整态下会降低电流信号的幅度，当其幅度低于接收设备所 规定的灵敏度时，会导致轨道继电器错误的落下，显示出“轨道被占用”的信息，即产 生“红光带”现象。在分路态下会使钢轨短路电流幅度降低，当其幅度低于所规定的接 收灵敏度时会出现“掉码”现象 1 。当补偿电容发生故障时，同样可能会造成在调整态 下出现“红光带”及分路态下发生“掉码”现象，降低行车效率，甚至危及行车安全 2 。 由于道砟电阻的阻值与道砟材料、清洁度、道砟层的厚度、枕木的材质和数量以及 天气的温度、湿度有着密切的关系，因而在实际应用中，其阻值极易
24、发生变化。恶劣天 气、列车运行时的振动和冲击、牵引电流不平衡产生的浪涌电压以及人为因素等都会造 成补偿电容故障 3 。据统计补偿电容故障占全年故障总数的 95%以上。具有较高的故障 发生率。 综上，无绝缘轨道电路在实际应用中，补偿电容发生故障的几率较高，道砟电阻容 易发生波动，当它们故障时会直接影响到轨道电路信号的传输质量，进而造成行车安全 与效率问题。因此，对补偿电容故障与道砟电阻波动情况能够实现快速、准确的诊断具 有十分重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 道砟电阻波动诊断的研究现状 目前国内外对道砟电阻波动诊断的研究有： 文献1分析得到道砟电阻与感应电压幅 值包络线之间的对应
25、关系，通过实际的感应电压幅值包络线的变化确定对应的道砟电阻 _基于 SA算法的无绝缘轨道电路故障综合诊断研究 - 2 - 值。文献4利用传感器测量发送电压与产生的电流之间的相位差，通过相位差确定道砟 电阻值；文献5计算得到道砟电阻与轨入电压之间的关系曲线图，通过测得实际的轨入 电压，对应关系图得到相应的道砟电阻；文献6分析得到发送电压、接收电压与道砟电 阻的对应关系，通过测量实际的发送电压与接收电压得到道砟电阻值。 1.2.2 补偿电容故障诊断的研究现状 国外学者主要针对单个补偿电容故障情况进行研究。 文献7利用偏最小二乘回归和 神经网络在数据处理和故障诊断方面的应用，将其应用于无绝缘轨道电路
26、补偿电容的故 障检测；文献8对基于偏最小二乘回归和神经网络诊断方法的不足之处进行改进，提出 基于传递置信模型的补偿电容故障诊断方法；文献9对上述诊断方法做进一步优化，对 单个补偿电容故障情况，提出基于 D-S证据理论和趋势分析的诊断方法。以上方法并未 考虑无绝缘轨道电路复杂的应用环境等因素对网络建立、训练和识别的影响。因此，以 上方法处于理论阶段，不能直接应用于实际中。文献10分析了补偿电容故障和分路电 流幅值之间的关系，但是并未提出具体的诊断方法。 国内对单个和多个补偿电容故障情况都做了大量的研究。针对单个补偿电容故障情 况，文献11利用 L-M(Levenberg-Marquardt,莱文
27、伯-马克特)算法分段指数拟合分路电流 幅值包络信号，在此基础上应用广义 S变换得出信号瞬时频率的变化，对频率的变化结 果进行判决得出故障电容的位置； 文献12通过 HHT(Hilbert -Huang Transform,希尔伯特 -黄变换)计算信号的相位信息，再通过 DBWT(Discrete Binary Wavelet Transform,离散二 进小波变换)得到相位突变情况的分布，根据突变与补偿电容故障相对应的关系得出故 障电容的位置；文献13利用 AOK-TFR (Adaptive Optimal Kernel Time-Frequency Representation,自适应最优核
28、时-频分布)提取机车信号的频率信息； 通过频率变化实现故 障电容的定位；文献14根据分路电流幅值包络线的突变点来确定故障电容的位置，并 且仿真计算补偿电容依次故障时，从输入端往接收端看的输入阻抗值，最后得出倒数第 三个电容发生开路故障时，对接收端的轨道电流影响最大的结论。以上四种方法只能诊 断单个补偿电容断线故障，缺点是不能诊断容值下降的情况。文献15通过相空间重构 技术分析一维分路电流幅值包络信号，从而获得包络信号的伪相图，从伪相图中提出反 映故障的特征，进而实现故障诊断，该方法能诊断断线和容值下降故障，但是只有当补 偿电容容值下降到标注值的 60%以下时，该方法才能诊断出容值下降的情况；文
29、献2 对补偿电容断线和容值下降的情况提出了基于符号有向图的检测方法，随后将相空间重 构 Kalman 滤波方法用于对容值下降的预测；文献16根据补偿电容与感应电压幅值包 络线的一一对应关系，利用幅值包络线来估计对应单个补偿电容的容值。针对多个补偿 电容故障情况，文献17采用分段拟合分路电流幅值包络信号，提取补偿电容故障时的 _兰州交通大学硕士学位论文 - 3 - 特征， 建立相应于生物免疫机制的抗体特征库， 利用抗体特征库识别自己或非己的功能， 实现补偿电容状态的检测和故障的诊断，该方法能检测单个补偿电容断线的情况，对补 偿电容组合故障的情况，不能做出准确的诊断，需要现场进行进一步的测量；文献
30、18 采用遗传算法实现补偿电容故障和道砟电阻波动的诊断，但是该方法存在诊断精度低、 耗时长等缺点；文献19中，作者从原始电流信号中分离出体现补偿电容状态信息的特 征量，通过特征量的判决来确定故障电容的位置，该方法适用多个补偿电容断线故障的 检测。 1.2.3 SA算法研究现状 在理论上，已经证明 SA(Simulated Annealing,模拟退火)算法是一个全局优化算法， 并且以概率 1接近全局最优值。因此，它在各个领域内得到广泛的应用。目前，国内外 对 SA 算法的研究可分为两个方向。第一，是对经典 SA 算法的研究，其主要是通过设 置足够高的初始温度、足够慢的降温速度和足够低的终止温度
31、，使得能够遍解空间的所 有区域，最后可能搜到全局最优解。第二，是针对具体的问题，对 SA算法进行改进和 与别的算法相结合的研究，如快速 SA 算法以及 SA 算法与遗传算法相结合形成新的算 法等，与经典 SA算法相比，形成的新算法性能更优。 在国外，经典 SA 算法得到了广发的应用，如将 SA 算法应用于机器人避障、系统 总功率的追踪以及癌细胞识别等 20-22 。文献23提出了一种改进自适应 SA 算法，通过 使用混合概率分布函数来选择下一个状态来避免经典 SA算法的遗忘问题，这种方法可 以提高收敛性和稳定性。文献24,25是将 SA算法与遗传算法相结合的应用，结果表明： 混合算法的性能优于纯粹的遗传算法。 在国内，经典 SA 算法在组合优化领域取得了丰硕的成果 26-33 ；基于 SA 算法自身 改进算法的性能更优，如适应性 SA 算法的速度和收敛性比较高、快速 SA 算法智能性 较强，并且已在多个领域得到了广泛的应用 34-37 ；将 SA算法和别的算法相结合形成新 的算法，通过相互弥补自身算法的缺点，发挥算法的优点，使得结合形成的算法具有更 优的能力，如遗传算法的优点是具有对解空间具有指导性搜索的能力