[發明專利]一種基于多級融合的軌道高低不平順故障報警方法

有效

• 申請號: 201810330291.9
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108528475B
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 徐曉濱;康保衛;翁旭;李建寧;侯平智;韓德強;黃大榮
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: B61K9/08
• 分類號: B61K9/08;B61D15/08;G06F17/50
• 代理公司: 杭州奧創知識產權代理有限公司 33272
• 代理人: 王佳健

1.一種基于多級融合的軌道高低不平順故障報警方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1)設定安裝在軌檢車的車軸和車體的加速度計獲得車軸和車廂位置的時域加速度信號記為a₁(t)和a₂(t)，軌檢車以100-120km/h的時速，每隔0.15-0.3m采樣一次加速度振動信號，共采集T次，T>1000，采樣時刻t＝1,2,…,T；設定軌檢車在每一個采樣時刻t利用慣性測量方法測得垂直位移為d_v(t)；

步驟2)將步驟1)中每個采樣時刻的時域加速度信號a₁(t)和a₂(t)分別以5.25m的窗口長度進行短時傅里葉變換，然后求得各頻域幅值絕對值的平均值作為車軸和車體的頻域特征信號T_Z1(t)和T_Z2(t)，其中分別為頻域特征信號T_Z1(t)和T_Z2(t)的最小值和最大值；取垂直位移d_v(t)的絕對值記為B_P(t)，B_P(t)∈[l₁，l₂]，其中l₁和l₂分別是B_P(t)的最小值和最大值；將T_Z1(t)、T_Z2(t)以及B_P(t)表示為樣本集合U＝{[T_Z1(t),T_Z2(t),B_P(t)]|t＝1,...,T},其中[T_Z1(t),T_Z2(t),B_P(t)]為一個樣本向量，這T個樣本向量為已知樣本向量；

步驟3)設定軌道高低不平順幅值B_P的結果參考值集合C＝{C_n|n＝1,…,N}，頻域特征信號T_Zi(t)的輸入參考值集合i＝1,2，N為軌道高低不平順幅值的結果參考值B_P的個數，J_i為頻域特征信號T_Zi(t)的參考值個數；其中J_i∈{5,10}，C_n∈{0,15}且C₁<C₂<…<C_n；

步驟4)給出頻域特征信號T_Zi(t)的證據矩陣表如下表所示

表1 頻域特征信號T_Zi(t)的證據矩陣表

表中C的個數為5個，取值從C₁,C₂,...,C₅分別為2,4,...,10；為輸出值B_P(t)的信度，且有對于任一有

步驟5)根據已知的T組樣本，定義并求得證據的可靠性r_i用來描述頻域特征信號T_Zi(t)評估軌道高低不平順幅值B_P的能力，具體步驟如下：

步驟5-1)定義輸入值T_Zi(t)與結果值B_P(t)的相對變化值為

步驟5-2)根據步驟5-1)定義的相對變化值，獲取反映輸入特征信號與不平順幅值變化趨勢的評價因子為

步驟5-3)根據步驟5-2)獲得的評價因子，由下式計算頻域特征信號T_Zi(t)的可靠性

步驟6)對于一個在線獲得的某一時刻t時的樣本對{Tz_i′|i＝1,2}二者的取值必然屬于某兩個區間及因此二者必定分別激活各自兩條相鄰的證據及那么樣本對{Tz_i′|i＝1,2}激活的證據Z_i(i＝1,2)表示為與加權和

z_i＝{(C_n,p_n,i),n＝1,...,N} (5)

步驟7)通過下式分別計算樣本對向量{Tz_i′|i＝1,2}與已知樣本S＝{[T_Z1(t)，T_Z2(t)]}中每個樣本的歐氏距離

其中j＝1,...,T，將計算結果所有的按照從小到大的順序進行排列，從中選出最小的五個距離對應的樣本，記為S_k＝{[T_z1(k),T_z2(k)],k＝1,...,5}；

步驟8)對于S_k＝{[T_z1(k),T_z2(k)],k＝1,...,5}中的每個樣本T_zi(k)，重復步驟6)計算其對應的

z_i＝{(C_n,p_n,i),n＝1,...,N} (8)

步驟9)在i＝1,2的情況下，分別計算相應的k個證據的可靠性，具體為：根據步驟7)中得到的距離最小的5個歐氏距離值分別將其與一個在第一象限內單調遞減的冪函數q(k)相乘，得到臨近樣本的可靠性指標，冪函數q(k)的表達式以及計算可靠性的公式如下式所示：

步驟10)分別對i＝1,2情況下的證據用ER規則進行融合，具體：根據步驟8)中計算出來的每個樣本激活的證據z_i，設證據z_i的初始權重等于步驟9)中計算出來的可靠性；融合過程為：首先把前兩個證據進行融合，其融合結果O(z_i(1))與第三個證據再次融合，以此類推得到最終融合結果O(z_i(5))；ER規則公式如下式所示：

i＝1時進行第一次的融合，即前兩個證據融合，利用式(12)、(13)有：其中：p_I(1,1)是指在第一次融合時第一個證據的第一個元素，p_I(1,2)是指在第一次融合時第二個證據的第一個元素；

得這樣得到了前兩個證據融合的結果為O(z₁(1))＝(p_1I(1),p_1I(2),p_1I(3),p_1I(4),p_1I(5))；設融合結果O(z₁(1))的證據可靠性為最初始的證據可靠性記為r₃，第三個證據的可靠性記為r₄，然后進行第二次的融合，即第一次融合的結果與第三個證據進行融合，利用式(12)、(13)有：

得這樣得到了第一次融合的結果與第三個證據融合的結果為O(z₁(2))＝(p_1п(1),p_1п(2),p_1п(3),p_1п(4),p_1п(5))；以此類推，得到最后一次融合結果為O(z₁(5))＝(p_1Ⅴ(1),p_1Ⅴ(2),p_1Ⅴ(3),p_1Ⅴ(4),p_1Ⅴ(5))；同樣的道理在i＝2時進行步驟10)中的融合步驟，最終得到融合結果為O(z₂(5))＝(p_2Ⅴ(1),p_2Ⅴ(2),p_2Ⅴ(3),p_2Ⅴ(4),p_2Ⅴ(5))；

步驟11)將步驟10)中得到的i＝1,2時的一級融合結果O(z₁(5))和O(z₂(5))再利用ER規則融合一次，得到最終結果為

O(z(5))＝(p_Ⅴ(1),p_Ⅴ(2),p_Ⅴ(3),p_Ⅴ(4),p_Ⅴ(5)) (14)

步驟12)根據步驟11)得到的最終融合結果，軌道高低不平順幅值由式(15)求得，式(16)用來計算式(15)計算出的幅值大小的精確度

步驟13)當軌道高低不平順幅值由步驟12)求出之后，進行報警決策工作，具體為：依據我國鐵路的維修政策，線路動態不平順各項偏差等級劃分為四級：Ⅰ級為保養標準，Ⅱ級為舒適度標準，Ⅲ級為臨時補修標準，Ⅳ級為限速標準，軌道高低不平順管理等級如表2所示，等級I表示軌道狀況良好，僅需要對軌道進行例行維護即可，當5mm<B_P≤8mm時，車體的振動會影響乘客的舒適度，但是從維修的角度，該等級下的不平順程度仍可接受，若不平順程度進一步惡化達到等級III，則必須發出報警，工程師需對故障發生的地點做及時維修，當B_P>12mm時，將對行車安全產生威脅，當不平順等級達到等級III及其以上都必須發出報警，維修工程師需對故障發生的地點做及時維修；

表2 軌道高低不平順的動態管理等級

從在軌列車車軸和車體上安裝的加速度計采集輸入特征信號，然后進行步驟2)～步驟12)從而得到較為精確的軌道高低不平順幅值估計值最后對應于軌道高低不平順的動態管理等級，將等級III及其以上的等級進行報警，做出相應的檢修或者限速的措施來保證列車行車安全。