陳樂瑞潘秋萍孔金生

（1. 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，鄭州 450052；2. 鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450000）

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基于改進(jìn)ERSS的電氣化接觸網(wǎng)斷線故障定位研究

陳樂瑞1潘秋萍1孔金生2

（1. 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，鄭州 450052；2. 鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州 450000）

針對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)斷線故障定位問(wèn)題，采用改進(jìn)ERSS定位算法，對(duì)RSSI值與質(zhì)心法中加權(quán)因子進(jìn)行預(yù)處理和改進(jìn)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，在相同測(cè)試條件下，該定位算法在提高定位精度，降低費(fèi)用方面有很大的提高，從而為接觸網(wǎng)故障迅速檢修和列車運(yùn)營(yíng)恢復(fù)提供了有力保障。

電氣化接觸網(wǎng)；斷線；改進(jìn)ERSS；故障定位

電氣化接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車提供電能，保障列車正常運(yùn)行的裝置。在日常的運(yùn)行中接觸網(wǎng)一方面遭受大風(fēng)，雨雪，溫度變化，污染等自然因素的侵蝕，另一方面還要承受腕臂巨大的拉力和受電弓一定的壓力，再加上巨大電流（1000A以上）作用，使得接觸網(wǎng)經(jīng)常處于振動(dòng)，伸縮，發(fā)熱的狀態(tài)，從而使得接觸網(wǎng)斷線的可能性比普通供電線路大的很多。2012年9月深圳地鐵龍華線發(fā)生接觸網(wǎng)斷線事故，導(dǎo)致列車停運(yùn)7h。實(shí)踐證明接觸網(wǎng)斷線事故影響范圍大，危害嚴(yán)重，因此如何在斷線事故發(fā)生后迅速找到故障點(diǎn)為后續(xù)的搶修作用贏得時(shí)間是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)方向［1］，將大量的低功耗，低成本的小型壓力傳感器節(jié)點(diǎn)分布在接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置或者支柱上，利用節(jié)點(diǎn)形成的分布式網(wǎng)絡(luò)，將測(cè)得壓力，張力，坐標(biāo)等參數(shù)，通過(guò)GPS或者其他無(wú)線方式發(fā)送到監(jiān)控中心，通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。目前的定位手段基本上分兩大類：基于測(cè)距算法和無(wú)需測(cè)距算法［2］。前者是通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離使用三角測(cè)量或者三邊測(cè)量來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置，常用的測(cè)距技術(shù)有 RSSI、AOA等，這種算法對(duì)硬件要求較高，通常定位精度較好；跟前者相比后者不需要測(cè)量距離，主要是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接通性來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位，主要有APIT和DV-Hop法，這些算法對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件要求較低，但是定位精度效果不好。本文是針對(duì)RSSI定位算法中存在的缺陷，通過(guò)對(duì)RSSI值進(jìn)行預(yù)處理，修正質(zhì)心法中的加權(quán)因子，使新的算法在定位精度和定位時(shí)間上都能達(dá)到滿意的效果。

1 算法模型

1.1無(wú)線信號(hào)傳播模型

由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)損耗，綜合考慮本文采用常見的對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型，其模型如下：

式中，P（d）是距離節(jié)點(diǎn)d處的信號(hào)強(qiáng)度；Kp是路徑損耗的系數(shù)（通常在2～5之間）；P（d0）是在參考距離d0處的信號(hào)強(qiáng)度；X0是均值為0的高斯分布變量。

1.2三邊法定位數(shù)學(xué)模型

圖1所示，A，B，C是三個(gè)坐標(biāo)已知的傳感器節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)到A，B，C的距離dA，dB，dC也是能夠測(cè)量的，那么以A，B，C為圓心，以dA，dB，dC為半徑作圓，由于真實(shí)環(huán)境dA，dB，dC測(cè)量存在誤差ε，所以3個(gè)圓交集不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域（圖1中L，M，N所包圍區(qū)域），再求三角形LMN質(zhì)心即為所求未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。在求解質(zhì)心坐標(biāo)的過(guò)程中為了提高精度，在每組定位坐標(biāo)中引入加權(quán)因子，該加權(quán)因子大小為每次參與定位的3個(gè)圓的半徑倒數(shù)之和［3］，L（x1，y1），M（x2，y2），N（x3，y3）。dA、dB、dC分別為所做圓的半徑

圖1　三邊法模型

1.3優(yōu)化錨節(jié)點(diǎn)模型

根據(jù)文獻(xiàn)4所描述，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的角同時(shí)等于 30°時(shí)，定位誤差最小。ERSS定位算法根據(jù)滿足式（2）的錨節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位

式中，λ為閾值，通過(guò)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與其相鄰錨節(jié)點(diǎn)的角度值，把角度值滿足算式（3）的錨節(jié)點(diǎn)取出來(lái)。

2 改進(jìn)算法

提出新算法從3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：對(duì)RSSI值高斯濾波處理，最大似然估計(jì)濾波優(yōu)化RSSI值，修正質(zhì)心加權(quán)值。

2.1高斯濾波處理

在無(wú)線傳輸數(shù)值的過(guò)程中，存在障礙物干擾等諸多環(huán)境因素，導(dǎo)致接收端接收的多個(gè)RSSI的值有很大的波動(dòng)，在利用RSSI值計(jì)算距離之前要進(jìn)行濾波處理［5］，其處理過(guò)程如下：根據(jù)隨機(jī)變量服從正態(tài)分布的特點(diǎn)，在高概率發(fā)生區(qū)選擇概率大于 0.56 （0.56是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得）的范圍，經(jīng)過(guò)高斯濾波后，RSSI的取值范圍在其中：

2.2最大似然估計(jì)濾波優(yōu)化RSSI值

2.3修正質(zhì)心法加權(quán)值

傳統(tǒng)的算法在選取權(quán)值過(guò)程中存在不合理的因素，為了解決這個(gè)不合理問(wèn)題本文采用的修正加權(quán)質(zhì)心定位算法如下這樣做改變Ad、Bd主導(dǎo)關(guān)系，防止主要數(shù)據(jù)發(fā)生次要作用，避免了淹沒現(xiàn)象的產(chǎn)生［6］。通過(guò)對(duì)加權(quán)值的修改質(zhì)心坐標(biāo)變?yōu)?/p>

2.4算法流程

圖2　算法流程圖

3 仿真結(jié)果

利用Matlab建立一個(gè)在100m×100m范圍的仿真環(huán)境，從建設(shè)成本，定位精度兩方面來(lái)進(jìn)行仿真說(shuō)明。

圖3　節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)定位誤差影響

從圖3上可以看出，在錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量一樣的情況下，改進(jìn)后的 ERSS算法在精度上明顯要好于改進(jìn)前，也就是說(shuō)要想達(dá)到同樣精度，改進(jìn)后的算法要求使用的錨節(jié)點(diǎn)更少，從投資角度來(lái)講，減少了硬件投入，節(jié)約了資金。

圖4　ERSS算法定位誤差

圖5 改進(jìn)ERSS算法定位誤差

圖4和圖5是節(jié)點(diǎn)在通信半徑是50m，錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為40，未知節(jié)點(diǎn)為100情況下得到的，其中星號(hào)代表未知節(jié)點(diǎn)真實(shí)位置，圓代表算法預(yù)測(cè)到的節(jié)點(diǎn)位置，黑色三角代表錨節(jié)點(diǎn)位置，短線表示誤差。通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)改進(jìn)之后的算法在一定程度上減少了定位誤差。

4 結(jié)論

本文先后對(duì)RSSI值進(jìn)行高斯濾波，最大似然估計(jì)，修正加權(quán)系數(shù)等操作最傳統(tǒng)的 ERSS算法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)理論仿真證明在達(dá)到相同精度前提下，改進(jìn)之后的新算法要求無(wú)線傳感器的數(shù)量會(huì)更少，這樣可以降低電氣化鐵道接觸網(wǎng)的施工的預(yù)算，另外在接觸網(wǎng)斷線故障定位精度方面有進(jìn)一步的提高，為后續(xù)故障快速排除和事故搶修作業(yè)提供保障，但是該算法是在理想環(huán)境下仿真出來(lái)的，而實(shí)際中接觸網(wǎng)在空間幾乎呈現(xiàn)帶狀分布這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)決定了該算法存在一定的局限性，因此在適應(yīng)性方面進(jìn)行優(yōu)化是今后研究的重點(diǎn)方向。

［1］郭黎曼. 高速電氣化鐵路綜合故障測(cè)距分析［J］. 電氣化鐵道，2013，14（2）：28-29.

［2］馮冬青，趙志遠(yuǎn). 基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)定位算法［J］. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，37（6）：1158-1163.

［3］劉運(yùn)杰，金明錄，崔承毅. 基于 RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)修正加權(quán)質(zhì)心定位算法［J］. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（5）：717-721.

［4］李麗，周彥偉，吳振強(qiáng). 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21（10）：59-62.

［5］朱浩，顧宗海，蘇金，等. 一種基于交點(diǎn)質(zhì)心求解的RSSI定位算法及其優(yōu)化［J］. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，31（6）：43-46，59.

［6］Wang Huanhuan，Wan Jianchen，Liu Ruyou. A novel ranging method based on RSSI［J］. Energy Procedia，2011，12（2011）：230-235.

Research on the Disconnection Fault Location of Electric Contact Line based on Improved ERSS

Chen Lerui1Pan Qiuping1Kong Jinsheng2
（1. Department of Electrical，Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，Zhengzhou 450052；2. School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450000）

Aiming at the problem of Electric contact line disconnection fault location，the paper used improved ERSS algorithm，which pretreated and improved weighting factors in RSSI and cancroids method. Simulation results shows that under the same test conditions，this algorithm can improved the positioning accuracy and reduce the cost，also it provides powerful guarantee for rapid repair of the contact line and the recovery of the train operation.

electric line； disconnection； improved ERSS； fault location

陳樂瑞（1985-），男，河南南陽(yáng)人，助教，碩士，從事電氣化接觸網(wǎng)性能研究工作。

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（132102210397）