黃世澤 張肇鑫 張 帆 楊玲玉

(1.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；3.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都∥第一作者，副教授)

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，鐵路設(shè)備安全性和可靠性愈加重要。而道岔狀態(tài)直接影響著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托省．?dāng)前道岔故障識(shí)別研究取得了不錯(cuò)效果[1-3]，而對(duì)基于道岔曲線故障預(yù)測(cè)的研究還較少。

故障預(yù)測(cè)技術(shù)是一門(mén)涉及電子、控制、計(jì)算機(jī)及材料等多種專(zhuān)業(yè)的新興學(xué)科[4-6]。文獻(xiàn)[7]利用傳感器實(shí)時(shí)采集道岔的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到未來(lái)道岔退化水平。文獻(xiàn)[8-9]提出了電流電壓信號(hào)特征檢測(cè)和預(yù)測(cè)道岔故障。文獻(xiàn)[10-11]提出了采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與蒙特卡羅模擬結(jié)合以及利用AdaBoost和最小二乘法預(yù)測(cè)道岔故障方法。文獻(xiàn)[12-14]利用有限元分析法和滑動(dòng)平均模型預(yù)測(cè)道岔交叉口疲勞壽命。現(xiàn)有研究主要是預(yù)測(cè)道岔有無(wú)故障，而無(wú)法直觀獲知道岔未來(lái)時(shí)刻具體工作狀態(tài)，也無(wú)法預(yù)測(cè)故障類(lèi)型，更無(wú)法預(yù)測(cè)電流曲線。由于道岔故障類(lèi)型直接反映在電流曲線上，故預(yù)測(cè)電流曲線進(jìn)而預(yù)測(cè)故障類(lèi)型具有重要意義。

ARMA(autoregressive moving average,自回歸滑動(dòng)平均模型)僅利用電流歷史數(shù)據(jù)就可預(yù)測(cè)電流數(shù)據(jù)。因此，基于ARMA的道岔故障預(yù)測(cè)方法可預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的道岔動(dòng)作電流。

1 道岔動(dòng)作電流曲線

以S700K交流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，其正常動(dòng)作時(shí)的三相電流曲線如圖1所示，可分為T(mén)1—T5階段。道岔動(dòng)作電流突增故障曲線如圖2所示。

a)A相

a)A相

2 基于ARMA的道岔動(dòng)作曲線預(yù)測(cè)方法

2.1 ARMA模型的基本原理

取ARMA模型參數(shù)為{a1,a2,…,ai,…,ap}及{b1,b2,…,bj,…,bq}，則平穩(wěn)時(shí)間序列{Xt}滿(mǎn)足

(1)

式中：

p和q的特征多項(xiàng)式Ap(r)和Bq(r)分別為：

Ap(r)=1+a1r+…+aprp

(2)

Bq(r)=1+b1r+…+bqrp

(3)

其中，r為后移參數(shù)，有：

rsXt=Xt-s，s∈Z

(4)

(5)

2.2 道岔動(dòng)作電流曲線預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)

道岔動(dòng)作曲線預(yù)測(cè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 道岔動(dòng)作曲線預(yù)測(cè)模型流程圖

3 道岔動(dòng)作曲線預(yù)測(cè)的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 預(yù)測(cè)所用數(shù)據(jù)說(shuō)明

以某鐵路局實(shí)際產(chǎn)生的微機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為建模基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取近1個(gè)月內(nèi)的11個(gè)道岔動(dòng)作電流數(shù)據(jù)(如表1所示)。

表1 11個(gè)道岔電流數(shù)據(jù)的樣本量

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 電流突增故障曲線預(yù)測(cè)

圖4為1號(hào)道岔動(dòng)作電流突增故障曲線圖。由圖4可見(jiàn)，預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線擬合較好，說(shuō)明基于ARIMA預(yù)測(cè)得到的道岔故障電流曲線較準(zhǔn)確。

a)A相

3.2.2 正常電流曲線預(yù)測(cè)

圖5為7號(hào)道岔正常動(dòng)作電流曲線。圖5中的預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線擬合較好，說(shuō)明基于ARIMA預(yù)測(cè)得到的道岔正常動(dòng)作電流曲線較準(zhǔn)確。

a)A相

3.2.3 模型預(yù)測(cè)效果

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度，計(jì)算ARMA模型的MAE(平均絕對(duì)誤差)、MSE(均方誤差)、RMSE(均方根誤差)、MAPE(平均絕對(duì)百分比誤差)和NMSE(歸一化均方誤差)。

圖6為故障曲線預(yù)測(cè)結(jié)果誤差比對(duì)圖。由圖6可知，誤差值均在0.35以?xún)?nèi)，且大部分誤差值都為0.05左右。這進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度較高。

圖6 故障曲線預(yù)測(cè)結(jié)果誤差對(duì)比圖

圖7為正常電流曲線預(yù)測(cè)結(jié)果誤差對(duì)比圖。由圖7的預(yù)測(cè)誤差計(jì)算結(jié)果可知，誤差值均在0.15以下。

圖7 正常電流曲線預(yù)測(cè)結(jié)果誤差對(duì)比圖

由此可見(jiàn)，基于ARMA模型的道岔動(dòng)作電流曲線模型具有較好的預(yù)測(cè)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析道岔動(dòng)作電流曲線與道岔工作過(guò)程之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻道岔動(dòng)作電流曲線，進(jìn)而直接預(yù)測(cè)道岔設(shè)備具體故障類(lèi)型。建立基于ARMA的道岔動(dòng)作電流曲線預(yù)測(cè)模型，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，定量計(jì)算出道岔動(dòng)作曲線每一個(gè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果，得到完整道岔動(dòng)作電流曲線。結(jié)果表明，該方法能夠快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出道岔動(dòng)作預(yù)測(cè)曲線，具有較高預(yù)測(cè)精度。該方法從現(xiàn)有對(duì)道岔故障類(lèi)型的概率預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)道岔動(dòng)作電流曲線的預(yù)測(cè)，對(duì)直觀地預(yù)測(cè)道岔故障類(lèi)型具有重要的作用。