張夢琪，趙會兵，孫上鵬

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

1 問題的提出

軌道電路作為保障我國鐵路運(yùn)輸安全和運(yùn)輸效率的基礎(chǔ)設(shè)備，具備列車占用情況檢測、完整性檢查、向列車傳輸行車信息等功能，為列車的安全、高速運(yùn)行提供重要保障。當(dāng)列車進(jìn)入軌道電路時，列車輪對將兩根鋼軌導(dǎo)通，使該區(qū)段電氣回路被短路，控制該軌道區(qū)段的軌道繼電器落下，控制臺顯示該段軌道被占用，這時為軌道電路分路狀態(tài)。然而由于軌面生銹等原因，輪對進(jìn)入軌道時沒有可靠短路鋼軌，軌道繼電器不能正常落下，這種現(xiàn)象稱為分路不良。分路不良現(xiàn)象的發(fā)生可能引發(fā)進(jìn)路提前錯誤解鎖、道岔中途轉(zhuǎn)換等情況，導(dǎo)致道岔被擠壓、列車延誤，甚至引起列車脫軌、沖撞等重大事故，將對乘客的生命安全造成威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全路共有超過3.6萬處分路不良區(qū)段[1]，在擠壞道岔、列車脫軌、車列沖撞等事故中，由分路不良引起的占30%以上[2]。

國內(nèi)現(xiàn)有的分路不良檢測方式主要有兩種：一是電務(wù)人員使用標(biāo)準(zhǔn)分路線可靠短路軌道進(jìn)行分路電壓、電流數(shù)據(jù)測量，這種方法適用于線路開通前或已確認(rèn)發(fā)生分路不良后進(jìn)行的檢查和記錄，不能及時預(yù)防分路不良現(xiàn)象；二是由電務(wù)人員觀察微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的逐段軌道電路分路殘壓值是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，該方法耗費(fèi)人力，且當(dāng)管轄區(qū)段軌道電路數(shù)目較多，或遇到雨雪天氣分路不良頻繁發(fā)生時，極易出現(xiàn)遺漏。國內(nèi)外針對分路不良的產(chǎn)生機(jī)理、解決方案等已做過一些研究[3-8]，但對分路不良的預(yù)測方法研究相對較少。

表1列舉了引起分路不良的幾個主要原因?？梢钥闯?，不僅軌道電路設(shè)備本身，通行的列車和鐵路沿線的運(yùn)營環(huán)境均有可能引起軌道電路分路不良。同時，分路不良的發(fā)生時間、位置和變化趨勢均存在不確定性。如：高速鐵路白天通車時線路正常，夜間維護(hù)時無車通過，當(dāng)夜間下雨時可能引起鋼軌生銹，引發(fā)分路不良；由于高鐵開通時間尚短，缺乏無砟軌道道床漏泄情況變化規(guī)律的相關(guān)研究，當(dāng)漏泄電阻過高未被及時發(fā)現(xiàn)時，對分路情況可能造成影響；普速線路通行貨物列車時，易被運(yùn)送的煤礦石等顆粒污染軌面，污染程度及位置難以確定，使得分路情況呈動態(tài)變化；同一段軌道電路，長編組列車輪對多，與軌面不斷打磨，可去除銹蝕或污染物，避免分路不良，而短編組軌檢車及其他維修車輛通行時，由于列車輪對少，輪對和軌面缺乏充分打磨，就可能出現(xiàn)分路不良；海南等沿海地區(qū)氣候潮濕，鋼軌極易生銹，分路不良現(xiàn)象難以預(yù)防。

表1 分路不良的主要原因

本文主要針對ZPW-2000型軌道電路瞬時分路不良或局部區(qū)域分路不良的現(xiàn)象進(jìn)行研究。瞬時分路不良或局部位置分路不良現(xiàn)象在列車過分相區(qū)、列車制動時撒砂、通過潮濕區(qū)段或貨運(yùn)段時經(jīng)常發(fā)生。由表1及上述分路不良的不確定性分析可知，從分路不良現(xiàn)象形成機(jī)理的角度來看，目前難以及時預(yù)防和徹底解決分路不良現(xiàn)象。因此，本文以機(jī)車信號接收到的感應(yīng)電流信號為研究對象，通過分析分路不良對感應(yīng)電流曲線的影響特點(diǎn)，提取相應(yīng)特征指標(biāo)并結(jié)合粒子群支持向量機(jī)算法，從數(shù)據(jù)的角度來實(shí)現(xiàn)分路不良的預(yù)測。

2 分路不良對感應(yīng)電流的影響分析

2.1 機(jī)車信號感應(yīng)電流模型

列車通過軌道電路的過程中，分路輪對數(shù)量先增加(列車正在進(jìn)入該段軌道電路)，然后保持不變(列車完全進(jìn)入)，最后減少(列車駛出本段軌道電路)，直至輪對完全出清該段軌道電路。文獻(xiàn)[5-7]通過軌道和輪對接觸的實(shí)驗(yàn)?zāi)M了列車的運(yùn)行，證明單一輪對和復(fù)數(shù)輪對進(jìn)入軌道電路時，輪對的分路電阻值基本相同，因此，本文將分路狀態(tài)簡化為只有一個分路輪對的情況。軌道電路分路狀態(tài)等效電路模型如圖1所示。

圖1 軌道電路分路狀態(tài)等效電路模型

圖1中，US為發(fā)送器所輸出軌道電路信號的振幅，對于特定的軌道電路，其取值范圍固定不變；Zes為發(fā)送端電氣絕緣節(jié)等效并聯(lián)諧振阻抗；Zp為發(fā)送端等效阻抗；C為補(bǔ)償電容；ZR為從分路點(diǎn)到接收端的等效視入阻抗；Rf為分路電阻；Icc為位于列車第一輪對前方的機(jī)車信號傳感器通過電磁感應(yīng)原理接收到的下方鋼軌中傳輸?shù)碾娏餍盘?。該電流信號能反映鋼軌沿線分路情況的信息，且分路不良現(xiàn)象發(fā)生初期，該電流大小大于機(jī)車信號接收靈敏度，可被機(jī)車信號接收，因此該信號對分路不良預(yù)測有重要作用。該電流信號可以表示為

( 1 )

式中：G11(x)和G12(x)為發(fā)送器到列車分路點(diǎn)間的傳輸特性等效四端網(wǎng)絡(luò)G(x)的特性參數(shù)。

( 2 )

式中：Ttr為Zp的四端網(wǎng)傳輸矩陣；TESJ為Zes的四端網(wǎng)傳輸矩陣。Icc經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕男问?，因此，電壓信號與Icc間僅存在幅值比例系數(shù)的差異，下文中將其稱為感應(yīng)電流[9]。

2.2 分路不良對感應(yīng)電流的影響分析

圖2為仿真得到的感應(yīng)電流與實(shí)際機(jī)車信號傳感器記錄到的某段軌道電路感應(yīng)電壓信號歸一化后的比較圖。

圖2 實(shí)際信號與仿真信號的比較

圖2中，C1～C11代表軌道電路由發(fā)送端至接收端的11個等間距補(bǔ)償電容；FS表示軌道電路的發(fā)送端；JS表示軌道電路的接收端。列車從軌道電路的接收端進(jìn)入軌道電路，向發(fā)送端行駛，越接近發(fā)送端，接收到的感應(yīng)電流信號幅值越大，因此形成如圖2所示的趨勢變化?？梢钥吹?，該等效電路模型具有較高的精度。

分路不良現(xiàn)象可反映為分路不良位置的分路電阻增大(分路電阻包含輪軌間接觸電阻和輪對本身電阻，其中輪對電阻影響極小，可忽略不計(jì)，因此分路電阻近似等于輪軌間接觸電阻[4]，表1中列舉的原因均會引起輪軌間的接觸異常，導(dǎo)致接觸電阻增大，即分路電阻增大)。由式( 1 )可知，ZR減小，感應(yīng)電流隨之減小。圖3為仿真列車通過一段軌道電路時，軌道電路正常和C4～C6之間分路不良程度逐漸嚴(yán)重(Rf值逐漸增大)時Icc的變化曲線對比。由仿真結(jié)果可對分路不良時的感應(yīng)電流曲線特性做如下總結(jié)。

圖3 分路不良對感應(yīng)電流的影響

(1)列車通過發(fā)生分路不良的位置時，機(jī)車信號接收到的感應(yīng)電流信號幅值減小，且隨著分路不良嚴(yán)重程度的加深(Rf增大)，在軌道電路相應(yīng)位置接收到的感應(yīng)電流信號幅值隨之減小。

(2)沒有出現(xiàn)分路不良的位置，機(jī)車信號接收到的感應(yīng)電流信號和正常情況下相同，幅值和變化趨勢不受分路不良位置的影響。

(3)分路不良位置接收到的感應(yīng)電流信號幅值驟降，但曲線的變化趨勢、包絡(luò)形狀不變。

3 分路不良預(yù)測方法總體設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)測模型功能與模型參數(shù)設(shè)計(jì)

本文利用粒子群優(yōu)化的支持向量機(jī)(PSO-SVM)模型，以機(jī)車感應(yīng)電流信號中提取的特征量作為模型輸入，實(shí)現(xiàn)分路不良的預(yù)測功能。預(yù)測模型的輸入和輸出量見表2。其中，輸入量為感應(yīng)電流信號經(jīng)小波分解與細(xì)節(jié)分量重構(gòu)后所提取的特征參數(shù)，在4.1中將詳細(xì)介紹。模型輸出0代表分路狀態(tài)正常，模型輸出1代表出現(xiàn)分路不良特征，可能會發(fā)生分路不良。

表2 預(yù)測模型輸入輸出參數(shù)

3.2 總體設(shè)計(jì)

圖4為基于PSO-SVM的軌道電路分路不良預(yù)測方法總體設(shè)計(jì)示意圖。

圖4 基于PSO-SVM的軌道電路分路不良預(yù)測方法

基于PSO-SVM模型的軌道電路分路不良預(yù)測步驟如下。

步驟1生成樣本數(shù)據(jù)。仿真得到一段960 m長的軌道電路，有分路不良趨勢的位置為距離發(fā)送端280～400 m的區(qū)段。分路電阻Rf小于0.15 Ω為正常范圍，當(dāng)分路電阻達(dá)到0.15～1 Ω之間時，為分路不良預(yù)警值。考慮軌道電路由于設(shè)備老化、人為調(diào)整等原因會引起發(fā)送端不完全匹配，設(shè)置發(fā)送端匹配程度控制參數(shù)Mfs在一定范圍內(nèi)變化。同時考慮線路周圍環(huán)境對感應(yīng)電流可能造成干擾，對感應(yīng)電流信號加入高斯白噪聲。最終仿真得到樣本集共22 878組數(shù)據(jù)，以11 439組作為訓(xùn)練樣本，11 439組作為測試樣本。

步驟2特征提取。首先對訓(xùn)練樣本與測試樣本進(jìn)行小波分解與細(xì)節(jié)分量重構(gòu)，得到細(xì)節(jié)信號分量，作為特征提取的對象。提取訓(xùn)練樣本和測試樣本的最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、峭度指標(biāo)、變異系數(shù)5個特征量。

步驟3特征數(shù)據(jù)歸一化。考慮到5個特征量的數(shù)量級不同，為避免由于某些特征的取值范圍過大或過小，使其在訓(xùn)練中占據(jù)過大或過小的比重，對5個特征指標(biāo)做歸一化處理。

步驟4PSO-SVM模型訓(xùn)練。將歸一化后的樣本特征集作為模型的訓(xùn)練樣本，用PSO優(yōu)化模型的懲罰參數(shù)和核函數(shù)參數(shù)，最終訓(xùn)練得到PSO-SVM預(yù)測模型。正常分路情況的樣本標(biāo)簽為0，出現(xiàn)分路不良特征的樣本標(biāo)簽設(shè)為1。

步驟5預(yù)測結(jié)果檢驗(yàn)。將歸一化后的測試特征集作為PSO-SVM預(yù)測模型的輸入量，得到最終預(yù)測結(jié)果。

4 預(yù)測方法詳細(xì)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 基于小波分解與重構(gòu)的特征參數(shù)提取

感應(yīng)電流信號不僅包含分路不良位置的感應(yīng)電流信號特征，還包含其他信息，對分路不良的特征提取造成干擾。表3總結(jié)了對分路不良的特征提取造成干擾的主要因素(由于軌道電路多種設(shè)備同時故障的概率很低，本文僅針對軌道電路發(fā)生分路不良這一單一故障情況進(jìn)行研究，不考慮多故障并發(fā)的情況)。根據(jù)表3可知，從原始信號中直接提取幅值、變化率等特征并不能有效地區(qū)分出分路不良與其他干擾因素。因此，首先采用小波分解與重構(gòu)WDR(Wavelets Decomposition and Reconstruction)方法對感應(yīng)電流進(jìn)行多分辨率分解與細(xì)節(jié)分量重構(gòu)。

表3 特征提取干擾因素

小波分解可去除信號的整體趨勢量，避免感應(yīng)電流本身增減趨勢及發(fā)送端不匹配帶來的干擾。細(xì)節(jié)分量重構(gòu)則保留了信號局部突變的特征。針對重構(gòu)的細(xì)節(jié)分量信號進(jìn)行特征提取，能捕捉到更準(zhǔn)確的分路不良特征信息。圖5是對正常分路(圖5(a))和分路不良(圖5(b))情況下的感應(yīng)電流分別進(jìn)行小波分解與重構(gòu)后產(chǎn)生的近似分量和細(xì)節(jié)分量圖，其中，縱坐標(biāo)表示歸一化后的感應(yīng)電流信號值，橫坐標(biāo)表示感應(yīng)電流樣本點(diǎn)數(shù)(共2 400個樣本點(diǎn))。

圖5 分路電流信號5層小波分解與重構(gòu)

圖5中，近似信號代表了感應(yīng)電流信號變化趨勢的基本信息，細(xì)節(jié)信號代表了在不同分辨率下的干擾信息，即信號傳輸過程中的加性高斯白噪聲和軌道電路分路不良對于感應(yīng)電流信號產(chǎn)生局部干擾信號的情況。將最不利分路條件下分路電阻值0.15 Ω[10]設(shè)為正常分路電阻值，當(dāng)分路電阻值大于0.15 Ω時為分路不良。此處將分路不良位置的分路電阻設(shè)為0.3 Ω。

可以看出，發(fā)生分路不良時，各層細(xì)節(jié)信號在分路不良位置的波動幅值均遠(yuǎn)大于正常分路情況，且在疊加有噪聲信號的情況下，分路不良位置的特征明顯大于噪聲引起的干擾。根據(jù)這一波動特征，本文選取重構(gòu)細(xì)節(jié)信號的標(biāo)準(zhǔn)差、方差、峭度指標(biāo)、變異系數(shù)、最大值5個指標(biāo)作為特征。其中，方差和標(biāo)準(zhǔn)差是測量數(shù)據(jù)變異程度最重要、最常用的指標(biāo)；峭度指標(biāo)和變異系數(shù)對于脈沖類設(shè)備故障非常敏感，由圖5(b)可知，這兩種特征指標(biāo)非常適用于本文研究的分路不良故障特征；最大值則可直觀反映出歸一化后細(xì)節(jié)分量信號的異常情況。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 PSO與SVM算法簡述

粒子群優(yōu)化算法PSO(Particle Swarm Optimization)從隨機(jī)解出發(fā)，通過迭代尋找最優(yōu)解，通過適應(yīng)度評價解的品質(zhì)。設(shè)一個E維空間由n個粒子組成一個種群。對粒子i，它在E維空間中的位置為xi=[xi1xi2…xin]T，飛行速度vi=[vi1vi2…vin]T，個體經(jīng)歷最好位置pi=[pi1pi2…pin]T，整個群體最好位置pg=[pg1pg2…pgn]T。在每次迭代中，粒子i的位置和速度表達(dá)式如式( 3 )、式( 4 )所示。

( 3 )

( 4 )

式中：ω為慣性權(quán)重；d=1，2，…；k為迭代次數(shù)；c1、c2為加速因子；r1、r2為取值范圍為[0，1]的隨機(jī)數(shù)。

支持向量機(jī)SVM(Support Vector Machine)是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小原理基礎(chǔ)上的，根據(jù)有限樣本信息在模型的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)能力之間尋求最佳折衷，以獲得最好的推廣能力。對于線性不可分問題，SVM通過非線性變換將其轉(zhuǎn)化為高維空間中的線性問題，在變換空間中求出最優(yōu)分類面。決策輸出函數(shù)可以表示為

( 5 )

式中：α*為拉格朗日乘子；偏置b*可通過α*求得；K(x，xi)為核函數(shù)。Mercer定理將核解釋為特征空間內(nèi)積，核函數(shù)的思想是將原本在高維特征空間中的計(jì)算，通過核函數(shù)在輸入空間中完成，無需知道高維變換的顯式公式。

4.2.2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

SVM能較好地解決小樣本、非線性、高維數(shù)和局部極小點(diǎn)等實(shí)際問題，已在函數(shù)逼近、時間序列預(yù)測和分類等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文利用SVM的分類算法實(shí)現(xiàn)分路不良的預(yù)測。在SVM模型中需要設(shè)置兩個關(guān)鍵參數(shù)：懲罰參數(shù)c(用于控制超出誤差的樣本懲罰程度)和核函數(shù)參數(shù)g(表示徑向基函數(shù)的寬度)。這兩個參數(shù)決定SVM的泛化能力，若由人為設(shè)置，需通過大量實(shí)驗(yàn)嘗試，存在模型生成效率低、無法找到最優(yōu)參數(shù)設(shè)置、不利于訓(xùn)練樣本更新后的預(yù)測效果等缺陷。因此首先將兩個參數(shù)構(gòu)成一個微粒(c，g)，采用PSO優(yōu)化算法對SVM分類模型中的懲罰參數(shù)和核函數(shù)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，將計(jì)算得到的最優(yōu)懲罰參數(shù)和最優(yōu)核函數(shù)參數(shù)作為預(yù)測模型的參數(shù)。參數(shù)優(yōu)化流程圖如圖6所示。

圖6 預(yù)測模型的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化流程圖

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表4為分別通過3種方式選取懲罰參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g的模型進(jìn)行軌道電路分路不良預(yù)測的結(jié)果。

表4 3種模型預(yù)測結(jié)果比較

采用隨機(jī)生成參數(shù)的方法經(jīng)10次實(shí)驗(yàn)，得到最高預(yù)測準(zhǔn)確率88.89%，預(yù)測用時在2～7 s之間。圖7(a)為采用交叉驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化算法對SVM模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后的預(yù)測結(jié)果，預(yù)測準(zhǔn)確度可達(dá)到97.2%，預(yù)測用時約2.5 min。圖7(b)為通過PSO參數(shù)優(yōu)化后的PSO-SVM模型預(yù)測結(jié)果，最終得到最優(yōu)懲罰參數(shù)c=16，核函數(shù)參數(shù)g=16，預(yù)測準(zhǔn)確率高達(dá)99.5%，高于另兩種模型，但預(yù)測用時大于10 min。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：利用PSO-SVM模型進(jìn)行軌道電路分路不良預(yù)測可達(dá)到極高的預(yù)測準(zhǔn)確率，但當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本過大時，運(yùn)算量偏大，運(yùn)算時間也較其他方法更長。

圖7 預(yù)測結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文提出一種基于粒子群支持向量機(jī)的軌道電路分路不良預(yù)測方法。首先分析正常和分路不良情況下機(jī)車感應(yīng)電流信號的特性，然后采用小波分解與重構(gòu)的方法去除感應(yīng)電流的趨勢量，得到兩種情況下的信號細(xì)節(jié)分量，對細(xì)節(jié)分量進(jìn)行特征提取，最終通過粒子群支持向量機(jī)模型實(shí)現(xiàn)對軌道電路分路不良情況的預(yù)測。根據(jù)表4可知，在樣本數(shù)據(jù)量足夠大的情況下，沒有進(jìn)行粒子群優(yōu)化的預(yù)測模型運(yùn)算速度更快，加入粒子群優(yōu)化算法后的模型計(jì)算速度相對較慢，但最終能找到參數(shù)最優(yōu)解，模型預(yù)測準(zhǔn)確度可達(dá)99.5%，高于其他兩種模型的預(yù)測準(zhǔn)確度。

本文提出的分路不良預(yù)測方法存在以下幾方面不足，將在今后研究中進(jìn)一步完善：

(1)預(yù)測模型優(yōu)化用時過長，主要由于PSO算法的運(yùn)算量過大，后續(xù)將考慮更多優(yōu)化方法以降低運(yùn)算量，提高預(yù)測模型的預(yù)測速度。

(2)ZPW-2000理論模型根據(jù)實(shí)際軌道電路參數(shù)進(jìn)行搭建，且仿真結(jié)果與實(shí)際機(jī)車信號接收數(shù)據(jù)比較接近，但后續(xù)研究仍需考慮預(yù)測模型的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本以提高預(yù)測模型準(zhǔn)確度。

由于現(xiàn)有微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)自動化程度不高，缺乏智能化數(shù)據(jù)分析功能，我國分路不良檢測完全依賴電務(wù)人員根據(jù)微機(jī)監(jiān)測曲線進(jìn)行人為判斷，判斷結(jié)果受人為因素影響大，且易遺漏。分路不良是鐵路運(yùn)輸?shù)囊淮蟀踩[患，開展分路不良預(yù)測方法的研究對于預(yù)防分路不良發(fā)生，保障行車安全有著十分重要的意義。本文提出的基于粒子群支持向量機(jī)模型的分路不良預(yù)測方法，通過人工智能算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測，為分路不良的預(yù)警提供了新的思路。

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