高速鐵路接觸網(wǎng)參數(shù)特征提取

尹 伊，高仕斌，王明越

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高速鐵路接觸網(wǎng)參數(shù)特征提取

尹 伊，高仕斌，王明越

為實(shí)現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)，基于接觸網(wǎng)參數(shù)的多樣性，需對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及特征提取。本文提出AR譜模型與模糊分析相結(jié)合的方法，利用AR譜模型繪制接觸網(wǎng)線譜，對(duì)接觸網(wǎng)線譜峰值處的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用模糊分析求出各參數(shù)在整體評(píng)價(jià)體系中所占權(quán)重，為接觸網(wǎng)的狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。

接觸網(wǎng)；性能評(píng)估；AR譜；熵權(quán)

0 引言

電氣化鐵路的弓網(wǎng)系統(tǒng)由于其點(diǎn)面接觸的復(fù)雜性及不穩(wěn)定性，成為整個(gè)電氣化鐵路系統(tǒng)中備受關(guān)注的研究?jī)?nèi)容。其中，接觸網(wǎng)露天架設(shè)、無(wú)備用且需要承受來(lái)自受電弓的沖擊，成為電氣化鐵路系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)之一。隨著高速列車運(yùn)行速度的不斷提高，弓網(wǎng)之間的相互作用越來(lái)越不穩(wěn)定，將直接造成弓網(wǎng)接觸壓力劇烈變化，加劇磨損或?qū)е码x線產(chǎn)生拉??；由于接觸線抬升量的增加，受電弓與接觸網(wǎng)其他懸掛零件產(chǎn)生碰撞；接觸線的彎曲應(yīng)力增大，造成接觸線疲勞甚至斷裂[1]，因此對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)檢測(cè)至關(guān)重要?；诮佑|網(wǎng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的狀態(tài)評(píng)估是實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)“預(yù)防為主，重檢慎修”理念的重要前提之一。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為一個(gè)無(wú)備用系統(tǒng)，如果發(fā)生故障，將影響行車安全。文獻(xiàn)[2]建立了單、雙邊供電區(qū)段的可靠性模型，對(duì)接觸網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[3]利用故障樹(shù)分析法（FTA）建立模型，進(jìn)行接觸網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估。但這2種評(píng)估方法均需要大量完整的故障記錄及分析數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)信息較難以獲取，因而限制了其實(shí)際應(yīng)用。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)獲取的接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合接觸網(wǎng)實(shí)際情況，對(duì)大量不同形式、量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲取特征值、有效信息，并計(jì)算接觸網(wǎng)線譜；根據(jù)線譜圖形，選取不平順部分，并展開(kāi)進(jìn)行模糊綜合評(píng)估；在接觸網(wǎng)不平順譜基礎(chǔ)上利用熵權(quán)法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，避免人工經(jīng)驗(yàn)的主觀性，如此定量分析為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。

本文利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）選取信號(hào)數(shù)據(jù)的中高頻部分，將該部分信號(hào)作為輸入，計(jì)算、繪制接觸網(wǎng)線譜，根據(jù)線譜的波動(dòng)情況對(duì)線譜圖形的峰值部分展開(kāi)分析，運(yùn)用熵權(quán)法估算各項(xiàng)指標(biāo)所占權(quán)重，為接觸網(wǎng)性能退化評(píng)估提供基礎(chǔ)。

1 EMD分解

信號(hào)通常包含許多復(fù)雜信息，存在模態(tài)混疊問(wèn)題，因此，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）將復(fù)雜的接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF），再根據(jù)其中相鄰極值點(diǎn)之間的不同時(shí)延定義和區(qū)分每個(gè)不同的IMF，用篩選的方式完成分解，而相應(yīng)的信號(hào)在經(jīng)過(guò)EMD分解后，其瞬時(shí)頻率也具有了相應(yīng)的物理意義。EMD分解不受Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理的限制[4]，具有很高的頻率分辨率，且EMD方法是基于信號(hào)本身的特征進(jìn)行分解，不需預(yù)先設(shè)置基準(zhǔn)函數(shù)，也不需其他先驗(yàn)知識(shí)，是一種自適應(yīng)性較高的方法。

式中，r()是趨勢(shì)項(xiàng)，包含信號(hào)中頻率最低的部分，表征信號(hào)的平均趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程得到個(gè)頻率由高到低的本征模態(tài)函數(shù)IMF。

2 基于AR模型的接觸網(wǎng)線譜

功率譜密度函數(shù)PSD（Power Spectrum Density）是用于描述平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的一種統(tǒng)計(jì)函數(shù)，過(guò)程上常利用功率譜圖描述譜密度與頻率之間的函數(shù)關(guān)系。在軌道譜的繪制中，最常用到的方法是最大熵權(quán)法[5]和周期圖法。周期圖法是一種經(jīng)典譜估計(jì)方法，以Fourier變換為理論基礎(chǔ)，但是該方法得出的功率譜很難與信號(hào)實(shí)際的功率譜相匹配，是一種分辨率較低的譜估計(jì)方法。而現(xiàn)代譜估計(jì)方法是將隨機(jī)過(guò)程的參數(shù)模型作為基礎(chǔ)，具有比周期圖法高出許多的頻率分辨率，因而是一種高分辨率譜估計(jì)方法[6]。自回歸（AR，Auto-Regressive）模型法是一種現(xiàn)代譜估計(jì)方法，因此可采用AR模型法進(jìn)行接觸網(wǎng)線譜的計(jì)算和繪制。

經(jīng)EMD分解，選取接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)中的中高頻部分，將其運(yùn)用于AR模型法中，計(jì)算、繪制接觸網(wǎng)線譜。

在一離散隨機(jī)信號(hào)中具有個(gè)數(shù)據(jù)(0)，(1)，(2)，…，(1)，直接對(duì)其進(jìn)行Fourier變換，即

功率譜表示為頻譜及其共軛的乘積，即

如果該離散隨機(jī)過(guò)程滿足線性差分方程，則

式中，若()為已經(jīng)離散的白噪聲，則將該離散隨機(jī)過(guò)程{()}稱為自回歸滑動(dòng)平均（ARMA，Auto Regressive and Moving Average）過(guò)程；系數(shù)a和b表示AR過(guò)程和MA過(guò)程的參數(shù)；、表示AR和MA的階數(shù)。

運(yùn)用Wold分解定理，以AR過(guò)程來(lái)表示ARMA過(guò)程和MA過(guò)程：

式（5）即為標(biāo)準(zhǔn)AR模型形式，運(yùn)用該式進(jìn)行功率譜估計(jì)，實(shí)質(zhì)是求解Yule-Walker方程，即

3 熵權(quán)法

對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，是一個(gè)對(duì)多個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的過(guò)程，因此對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行合理地權(quán)重分配至關(guān)重要。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行各指標(biāo)之間的權(quán)重分配具有很強(qiáng)的主觀性，即使采用層次分析的方法，由于需要人為設(shè)定不同因素所對(duì)應(yīng)的重要性，同樣具有較大的主觀性。而熵權(quán)法是一種能夠客觀評(píng)價(jià)權(quán)重的方法，能夠挖掘需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的規(guī)律，克服人為確定各指標(biāo)權(quán)重所帶來(lái)的主觀隨意性，從而更加真實(shí)可靠地反映各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[7]。因而采用熵權(quán)法確定接觸網(wǎng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

熵權(quán)法是根據(jù)相對(duì)應(yīng)的具體指標(biāo)數(shù)值的大小來(lái)反映信息量的變化，其信息熵值越小，表示指標(biāo)之間的差異程度越大，由此直接導(dǎo)致該指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重增大。熵權(quán)法的具體計(jì)算步驟：

（1）數(shù)據(jù)初步整理。確定了所需數(shù)據(jù)指標(biāo)集之后，由于所選用數(shù)據(jù)具有不同的量綱，需要對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。越大越優(yōu)型數(shù)據(jù)指標(biāo)可表示為

越小越優(yōu)型數(shù)據(jù)指標(biāo)可表示為

（4）求數(shù)據(jù)指標(biāo)差異度。計(jì)算式：R=1-O。

由此可以得到數(shù)據(jù)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)重向量= (1,2,…,)。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究，接觸網(wǎng)的等級(jí)模糊集合和可靠性指標(biāo)特性需要采用三角形隸屬函數(shù)公式，其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)可表示為

其中，、、、、分別表示接觸網(wǎng)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)閾值的歸一化值。

根據(jù)上述系列計(jì)算式，可以得到對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)值隸屬其評(píng)判集的不同程度。根據(jù)不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同評(píng)判集的隸屬度r（即第個(gè)評(píng)估指標(biāo)隸屬于評(píng)判集中第個(gè)對(duì)象的程度），構(gòu)成第個(gè)評(píng)估指標(biāo)的單因素評(píng)估集= (r1,r2, …,r)，再由單因素評(píng)估集構(gòu)成模糊評(píng)判矩陣= [1,2,…,]（為評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)）。由此，可以對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行健康狀態(tài)綜合評(píng)估，計(jì)算式為

=*（10）

其中，模糊算子*選擇為加權(quán)平均數(shù)M(+，·)，則模糊綜合結(jié)果矩陣中元素：

4 實(shí)例分析

本文所做研究是在中國(guó)鐵路總公司科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（2015J008-A）“高速鐵路接觸網(wǎng)故障預(yù)測(cè)與健康管理”支持下完成?；诟咚勹F路牽引供電安全監(jiān)測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）所獲取的數(shù)據(jù)，選取武廣高鐵（清遠(yuǎn)—廣州北下行線路）的監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，對(duì)其展開(kāi)研究、分析。

4.1 接觸壓力AR譜

基于接觸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行AR譜的繪制，得出其線譜如圖1所示。

圖中不同曲線表示不同月份接觸壓力AR譜譜線，根據(jù)圖示可以觀察到不同月份譜線之間發(fā)生分離，且隨著時(shí)間的推移，譜線的波動(dòng)情況愈發(fā)劇烈，并且幅值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，在一定程度上可以表明接觸網(wǎng)的性能在不斷退化。

圖1 接觸壓力AR譜

4.2 接觸線抬升量AR譜

基于接觸線抬升量數(shù)據(jù)進(jìn)行AR譜的繪制，得出其線譜如圖2所示。

圖2 接觸線抬升量AR譜

與接觸壓力AR譜相同，圖2中不同曲線表征不同月份接觸線抬升量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的AR譜，觀察接觸線抬升量譜線發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，譜線間的分離情況更加明顯，說(shuō)明其性狀變化情況更加劇烈。

4.3 拉出值A(chǔ)R譜

基于拉出值數(shù)據(jù)進(jìn)行AR譜的繪制，得出其線譜如圖3所示。

圖3 拉出值A(chǔ)R譜

拉出值A(chǔ)R譜中不同曲線同樣表示不同月份的情況，隨著時(shí)間的推移，拉出值A(chǔ)R譜線間逐漸分離，但其譜線一直處于較為劇烈的波動(dòng)狀態(tài)。

4.4 硬點(diǎn)AR譜

基于硬點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行AR譜的繪制，得出其線譜如圖4所示。

圖4 硬點(diǎn)AR譜

從硬點(diǎn)AR譜中觀察不同月份硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的AR譜線可以發(fā)現(xiàn)，硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的譜線變化情況不同于接觸壓力、接觸線抬升量以及拉出值。對(duì)于不同的月份，譜線間同樣出現(xiàn)了較為明顯的分離，其隨著時(shí)間推移出現(xiàn)幅值變小且波動(dòng)更加劇烈的趨勢(shì)。

4.5 參數(shù)權(quán)重分析

根據(jù)上述4組不同參數(shù)的AR譜，為了準(zhǔn)確提取其特征，使之能夠完備地表征接觸網(wǎng)的實(shí)際狀態(tài)，首先對(duì)于同一參數(shù)，選取AR譜線出現(xiàn)峰值處的空間頻率所對(duì)應(yīng)各月份數(shù)據(jù)，對(duì)參數(shù)自身使用熵權(quán)法求取不同空間頻率對(duì)于該參數(shù)數(shù)據(jù)所占的權(quán)重，再分別對(duì)接觸壓力、接觸線抬升量、拉出值以及硬點(diǎn)數(shù)據(jù)自身求取各空間頻率所占權(quán)重后，基于已加權(quán)的4項(xiàng)參數(shù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，再次運(yùn)用熵權(quán)法求出4項(xiàng)不同參數(shù)用于共同表征接觸網(wǎng)性狀時(shí)所占的權(quán)重情況，根據(jù)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際情況，對(duì)每4個(gè)月數(shù)據(jù)進(jìn)行一次權(quán)重的求取，求出所選取數(shù)據(jù)的權(quán)重情況如圖5所示。

根據(jù)上述內(nèi)容，可以求出接觸壓力、接觸線抬升量、拉出值以及硬點(diǎn)數(shù)據(jù)在用于表征接觸網(wǎng)狀態(tài)時(shí)所占的權(quán)重。在實(shí)際接觸網(wǎng)維護(hù)工作中，現(xiàn)場(chǎng)工作人員更側(cè)重于對(duì)接觸壓力、接觸線抬升量數(shù)據(jù)的關(guān)注，著重于對(duì)相關(guān)部件的維護(hù)及相關(guān)數(shù)據(jù)值的調(diào)整。因此，圖像中所呈現(xiàn)的權(quán)重分布符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況。利用權(quán)重分布處理后的接觸網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)表征接觸網(wǎng)的狀態(tài)，符合實(shí)際情況，更具有參考性，為以后的接觸網(wǎng)性能評(píng)估提供了輸入條件。

圖5 各參數(shù)權(quán)重值分布

5 結(jié)語(yǔ)

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)十分特殊的系統(tǒng)，其功能復(fù)雜，既是電力機(jī)車的輸電線路，又是受電弓滑板的滑道，同時(shí)其工作條件惡劣，為高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。表征接觸網(wǎng)狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)復(fù)雜多樣，運(yùn)用本文所提出的方法，能夠準(zhǔn)確有效地對(duì)接觸網(wǎng)參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，并將其整合歸一，為接觸網(wǎng)性能評(píng)估及故障預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

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In order to realize the comprehensive assessment of OCS status for high speed railways, on the basis of varieties of OCS parameters, it is required to perform preprocessing of data of OCS status parameters and extraction of the characteristics. The paper introduces that a method combining of AR spectrum model and fuzzy analysis is adopted, among which, AR spectrum is to plot the OCS spectrum and analyze the inspection data at peak of OCS spectrum, fuzzy analysis is to calculate the weighting of various parameters in the whole assessment system, these will provide the basis for assessment of OCS status.

OCS; assessment of performance; AR spectrum; entropy coefficient

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.008

U226.8

A

1007-936X(2018)05-0029-04

2018-01-26

尹 伊.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；

高仕斌.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授；

王明越.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，助理工程師。

中國(guó)鐵路總公司科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（2015J008-A）“高速鐵路接觸網(wǎng)故障預(yù)測(cè)與健康管理”。