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1、基于动作电流波形树表达的道岔转辙机状态检测方法）杨云国王伯军摘要给出了一种基于波形树的随机波形表达算法，即根据波形的特征点递归求出其波段组成的波峰集合。针对信号微机监测设备测试的道岔动作电流曲线，分析了ZD6型电动转辙机电流曲线的波动特征，通过计算电流曲线的波形表达识别出道岔转换的各个阶段，检测出波形中蕴涵的故障征兆。最后给出一个故障检测的示例，并指出该方法的适用范围。关键词信号，系统辩识，道岔转辙机，波形树分类号U284.58；TP391.4State Recognition Method for Point Machines Based onRepresentation of Shift
2、Current Waveforms by Relational TreesYang YunguoWang Bojun(Inst.of Reliability Tech.,Shanghai Tiedao Univ.,Shanghai )Abstract Shift current is an important parameter in testing and monitoring point machines,but it is difficult for an actual method to detect fault.This paper first proposes in detail
3、an algrithm for representation of random waveforms by relational trees,which can find out recursively the peak set in curve segmentationsmaking up the whole current curve in term of the characteristic points.Here the shift current data sampled by the dedicated equipment for testing and monitoring th
4、erailway signal appliance are used, then the features of shift current waveforms of ZD6 point machinesare analyzed.By computing the representation of shift current wavefoms by relational trees, eachstage in switch shift process is located and recognized,therefore the fault signal is discovered.A dia
5、gnosis example is also presented.Finally theapplicable range for this methodis given.Keywordssignal,systems identification, point machines,representation of waveformsby relational trees0引言道岔是电气集中故障率最高的设备之一，往往对行车安全和运行秩序产生重大影响。转辙机作为道岔转换装置，是实现联锁控制的关键设备，其性能随零部件结构状态的变化而变化。动作电流是考查转辙机电气特性的重要指标，现场常用的测试动作电流方
6、法有：在检修所用特制的测试台；用车站电气集中控制台上的电流表；转辙机计表时用电流表测试。第1种方法是在道岔离线且负载恒定时测试的，不能准确反映转辙机在实际使用的状况；后2种方法虽是在线测定，但只能测出几个粗略的数值，很难从中发现故障。用监测设备测试动作电流曲线则是在转辙机装在线路上动作时实时进行的，它真实准确地反映了转辙机推动道岔转换过程中各部件运动状态的变化和负载的变化。正常情况下道岔转换是一个相对稳定的过程，动作电流也是一条有规律的曲线。通过监测设备的智能诊断软件分析电流波形和数值的变化，可判别出转辙机工作是否正常，并记录其劣化趋势；或进行故障定位和分离，找出故障部件和位置，从而及时报警以
7、预防事故，同时给维修工作提供科学指导1。本文以现场使用最广的ZD6型电动转辙机为例，在分析其动作电流波形特征的基础上，给出了一种基于动作电流波形树表达的故障特征提取方法，并用于现场实测数据的状态辨识和故障诊断。1树表达与树的生成算法1.1基本定义定义1波形为平面点的有序集合W=(xi,yi)xixi+1,i=1,2,，N对于任一给定波形W，其yi值都由xi确定，因此可将波形简记为Wx1,xN，同理将波形Wx1,xN在任一区间xi,xj的子波形简记为Wxi,xj。定义2波峰Pi为波形Wx1,xN上的一点Wx1,xN,且满足：对于任意x，必存在极小正数，若，则，且(x,y)Wx1,xN。定义3波谷
8、Vi为波形Wx1,xN上的一点，且满足：对于任意x，必存在极小正数，若，则,且(x,y)Wx1,xN。定义4对于除端点外的任意一波谷(见图1)，必定存在一左子波形和一右子波形且有：其中1树的生成算法波形的树表达就是将某一待分析波段，根据其特征点划分成两个或多个子波形，对每一个子波形又由其特征点再划分为子子波形，直到每一个子波形是一个单一的波峰为止。一般取波形上的最小波谷为特征点。图1、2说明了波形的树表达过程。图1左、右子波形（对波谷Vi而言）图2波形的树表达根据Ehrich在文献2的分析，给出一种由波形的离散样点数据寻找其波峰(Pi)、波谷(Vi)及每一波谷的左子波形W、右子波形W的算法。输
9、入为任一波形的离散采样数据(xi,yi)xixi+1,i=1,2,，N，输出为波形的树表达，下述算法中Wxi,xj表示波形Wx1,xN在区间xi,xj上的子波形，对应于某一树结点。树的生成算法如下：令，且(x,y)Wx1,xN；求波形Wx0,xN+1的波峰集合Px0,xN+1=P1,P2,，Pn；波谷集合Vx0,xN+1=V1,V2,，Vm;令树根结点为Wx0,xN+1;调用数枝生成子程序CreateSubTree(Wx0,xN+1）;结束。树枝生成子程序CreateSubTree(Wxi,xj)如下：将Wxi,xj定为上级结点；找出波谷集合Vxi,xj中的最小波谷Vk=，即找出这样一个整数k
10、，使Vxi,yj,且对所有(x,y)Vxi,xj,有y;找出波谷集合Vk的左、右子波形，即和，其中，若区间或中只有单个峰，即集合或中只有一个元素，则转，否则转，；将当前结点作为上级结点的子结点；将子波形上的峰值作为当前结点的子结点，记为，返回；将当前结点作为上级结点的子结点；调用树枝生成子程序树枝生成子程序CreateSubTree是一个递归过程，先从整个波形出发，由波谷的幅值按从小到大的顺序将波形逐级划分，直到子波形为单峰为止。2道岔状态检测算法2.1动作电流曲线的波动特征ZD6转辙机采用直流串激可逆电机，在磁路未饱和时，转矩可表示为：(1)在磁路进入饱和状态时，转矩可表示为：(2)由于激磁
11、饶组与电枢饶组串联，因此激磁电流(If)与电枢电流(Is)相等。启动电流(I)即If，所以I是力矩(M)的函数，能反映负载的变化情况3。在转辙机各部件工作正常的情况下，道岔转换(定位反位或反位定位)分别是一个相对稳定的过程，动作电流曲线也呈现有规律的波形。如果这种有规律的波动过程发生较大的变化，就意味着转辙机各部件工作状态的变化和零部件故障的产生。图3是一个单动道岔正常动作的电流曲线，可分为3段，这3段分别对应于道岔转换程序的3个主要阶段4：图3道岔动作电流曲线(单动道岔)设道岔转换时间为T，则T=t3-t0。在解锁阶段，需要克服锁闭圆弧与齿条块之间的最大静摩擦，所以启动转矩最大，动作电流在此
12、处出现峰值；然后锁闭圆弧在削尖齿上滑动，负载变小，动作电流也迅速减小。锁闭圆弧从齿条块的削尖齿上退出，解锁完成。所以：T132.9/(324T)(3)在转换阶段，齿条块推动尖轨和表示杆作水平移动。由于尖轨与滑床板间磨擦的变化，所以动作电流有时会逐渐增大。当转换结束时：T2291/(324T)(4)在锁闭阶段，锁闭圆弧又在削尖齿上滑动，动作电流开始变小；当转换结束、电机电源被切断后，电流急剧减小，最后变为0。由减速器结构可知，转辙机的第一级减速比为i1=103/27,第二级减速比为i2=41/1，则电机的额定转速为：(5)(6)式中：Ia为道岔转换阶段电流变化的平均值，Ii为道岔动作电流实时测量
13、值。2.2状态检测算法动作电流曲线的特征可用6元组K=(T,T1,T2,I1，max,I2，min,I2，max)表达。其中：T为转换时间；T1为解锁时间；T2为推动时间；I1，max为解锁阶段电流最大值；I2，min为转换阶段电流最小值；I2，max为转换阶段电流最大值。道岔经整治后正常工作时测定的电流变化曲线称为动作电流的参考曲线。根据参考曲线的6个参数值(分别记为T,T1，T2,I1,max,I2,min,I2,max)和有关特征条件可诊断其它动作电流曲线。由于道岔转向定位与转向反位时电流变化不同，因此参考曲线必须分别测定。为使参考曲线具有普适性，可测出多个参考曲线，然后求参数的平均值作
14、为诊断用标准值。状态识别算法的步骤是：对采集的动作电流原始数据进行预处理，如畸点的剔除、数据的平滑等；调用过程CreateSubTree求出曲线波形的各个结点(包括叶子结点和非叶子结点)；将各个波峰按序号值从小到大的顺序排序；树根结点的右段宽度即为道岔的转换时间(T)；用式(3)、(4)依次求出T1、T2；根据T、T1和T2搜索出道岔转换各阶段所包含的波峰结点；根据表1的状态判定条件，依次检查各阶段上波峰结点的电流值，得出状态识别结果。23实例分析图4、5是TJWX型信号微机监测系统测试的某站ZD6三线制运营道岔的两条动作(定位到反位)电流曲线。其参考曲线(定位到反位)的参数见表2，状态检测结
15、果如表3所示。表1状态判定依据波形分段解锁阶段转换阶段锁闭阶段正常分段条件曲线单调下降分岔波形高度I1,max/2所有波峰结点高度I1，maxI2,minII2,max曲线单调下降分岔波形高度I2，max正常波形条件()()图4道岔动作电流曲线1图5道岔动作电流曲线2表2道岔参考曲线参数参数T/sT1/sT2/sI1,max/AI2,minAI2,maxA取值3.60.373.234.61.02.0表3状态诊断结果曲线波形故障征兆诊断结果原因(概率)1解锁阶段出现分岔，高度I1,max/2解锁不畅动作齿条的锁闭圆弧与动作杆上的削尖齿之间吻合不好(70%)2锁闭阶段出现分岔，高度I1,max/2
16、锁闭不畅尖轨与基本轨反弹力太大(80%)3结束语由于道岔安装在室外，受环境诸多因素影响，动作电流呈非平稳时变特征。完全用平稳随机过程理论和信号处理方法分析，过多的统计平均掩盖了时变规律，难以取得预期的识别效果。基于波形树表达的算法根据连续波段的特征点对波形进行递归划分，通过动态调整分段数和分段点使总体似合误差达到指定的值，由此确定分段数及断点位置，从而将一个复杂波形包含的复合模式分解为多个中间模式和基本模式，最终确定基本模式的功能属性。因此该算法特别适合分析具有自嵌套结构的波形。由于道岔动作电流的波形结构较为清晰，主频带的范围较窄，测试的信噪比较高，各种有关的异常状态信息都反映在波形的各种局部畸变中，因此适合用基于波形树表达的识别技术。修改模型及参数，该方法也可用于ZD7、电空、电液等道岔类型的状态检测。结合道岔控制电路原理和联锁逻辑，可对道岔电气故障和机械故障进行全面综合的诊断