趙文彥，景曉衛(wèi)，樊笑棋

（國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，原平 034100）

隨著我國鐵路的不斷發(fā)展和完善，鐵路的運輸安全引起人們的高度關(guān)注。每次冬季降雪時，大量的雪會堆積在道岔附近，當雪水融化后會因為寒冷在道岔周圍結(jié)冰，如不對其進行及時處理，容易造成道岔無法正常轉(zhuǎn)換的問題，所以開展鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方面的研究十分必要[1-2]。

國內(nèi)相關(guān)專家給出了一些比較好的研究成果，例如文獻[3]主要通過可編程控制器和上位機遠程交互實現(xiàn)電加熱控制；文獻[4]利用人機交互界面和PLC 替換原始的儀表控制系統(tǒng)，對產(chǎn)品工藝參數(shù)展開靈活設(shè)定，同時控制系統(tǒng)通過產(chǎn)品的負載變換，引入模糊理論自動修正PID 參數(shù)，完成溫度控制；文獻[5]利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對常規(guī)PID 展開優(yōu)化處理，引入雙動量因子對主回路輸出的信息展開系統(tǒng)辨識，完成控制器自適應(yīng)整定，同時利用Kalman 濾波器對輸出噪聲濾波處理，最終實現(xiàn)控制。以上3 種方法均存在控制性能不佳等問題，故本次研究結(jié)合上述幾種研究方法，提出一種鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法，并利用實驗證明所提方法的應(yīng)用性能。希望通過本次研究，更好地實現(xiàn)鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制。

1 除雪設(shè)備電加熱控制方法設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)過濾處理

在鐵路道岔除雪設(shè)備中，雪深及軌溫是道岔除雪信息采集系統(tǒng)需要采集的重要參數(shù)。將雪深傳感器安裝在鐵路沿線的支柱上，對道岔周圍的預(yù)設(shè)測量點展開實時測量，詳細的測量原理如圖1 所示。

圖1 鐵路道岔雪深測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of snow depth measurement for railway turnout

如圖1 所示，μ 代表激光傳感器的安裝角度；l1代表傳感器與地面之間的距離；l2代表傳感器與監(jiān)測點之間的距離，通過三角關(guān)系可獲取激光傳感器和水平面的垂直距離l1：

在下雪時，通過數(shù)據(jù)處理單元持續(xù)測量傳感器與監(jiān)測點之間的距離，然后依據(jù)式（1）不斷計算激光傳感器和水平面的垂直距離，利用兩者相減完成鐵路道岔實際雪深的測量，得到單一鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)，其可表示為

式中：l3代表道岔實際雪深；l1′代表下雪時測量的激光傳感器到水平面的垂直距離。

接下來，采集軌溫數(shù)據(jù)T[6-7]，實時掌握不同道岔的加熱情況，同時將采集的數(shù)據(jù)上傳至電氣控制柜，以實現(xiàn)道岔電加熱的負反饋。如果軌溫超過最高溫度，則電氣控制柜會自動停止加熱；當軌溫低于設(shè)定的溫度值，電氣控制柜會重新運行，實現(xiàn)自動加熱。

由于傳感器受到自身及外在環(huán)境等多方面因素影響，導致系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)無法精準反映實際雪深和實際軌溫。為有效解決上述問題，需要對采集到的雪深和軌溫數(shù)據(jù)進行過濾處理[8-9]，剔除異常數(shù)據(jù)，以提升數(shù)據(jù)的有效率，詳細操作步驟如下所示：

（1）對雪深、軌溫中異常數(shù)據(jù)進行過濾[10-11]的基本原則就是增加對兩種數(shù)據(jù)的測量時間，從每1 min收集的測量數(shù)據(jù)中篩選出滿足過濾條件的異常數(shù)據(jù)進行優(yōu)先排查，然后在剩余的數(shù)據(jù)中選取與前1 min 有效測量值最為接近的值作為當前時間段內(nèi)的有效測量值。

設(shè)定g（x，a）為分辨矩陣上元素a 的取值，通過全局正則漸進分集方法獲取數(shù)據(jù)過濾的核函數(shù)β。在設(shè)定的有界論域F 內(nèi)，得到不同數(shù)據(jù)的特征分布集da*（β），對應(yīng)的表達式如下所示：

式中：Q（β|F）為概率密度特征；I 為統(tǒng)計量；B 為分辨矩陣中的元素總數(shù)。

（2）結(jié)合不同類型數(shù)據(jù)特征的分布情況，引入模糊決策方法建立數(shù)據(jù)過濾表達式，如式（4）所示：

式中：f（x）為數(shù)據(jù)過濾；di為數(shù)據(jù)項的總數(shù)；xu代表雪深數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；yu代表軌溫數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

（3）通過數(shù)據(jù)過濾模型對采集到的單一鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)l3和軌溫數(shù)據(jù)T 展開預(yù)處理，設(shè)定其有效數(shù)據(jù)的記錄范圍分別為（0，H）和（Y，4）。當l3＞H、l3＜0 時則判斷其雪深異常數(shù)據(jù)；當T＞4、T＜Y 時，則判斷其為軌溫異常數(shù)據(jù)，以此來完成異常數(shù)據(jù)判斷，并對其進行剔除。

（4）對于采集的全部數(shù)據(jù)在進行濾波處理，完成異常數(shù)據(jù)剔除后，設(shè)定余下有效數(shù)據(jù)的集合為Sf（x），其可表示為

對有效數(shù)據(jù)集內(nèi)全部數(shù)據(jù)展開離散程度判斷，假設(shè)離散程度低于現(xiàn)階段分鐘的有效測量值則直接記錄；反之，則在下一分鐘重新進行上述步驟操作，直至得到有效測量值。有效測量值的獲取可為后續(xù)初雪設(shè)備的電加熱控制提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免因采集數(shù)據(jù)不準確導致控制偏差的問題。

1.2 鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制

在鐵路道岔除雪設(shè)備中，電加熱控制是一個十分重要的環(huán)節(jié)，它直接決定了最終的除雪效果，故在完成雪深數(shù)據(jù)及軌溫數(shù)據(jù)采集后，開展鐵路道岔除雪設(shè)備展開電加熱控制[12-13]。

首先，需要確定輸入控制量Sf（x）對應(yīng)的模糊集合，如式（6）所示：

依據(jù)式（6），確認輸入控制量對應(yīng)的基本論域和模糊論域，其模糊論域N 為｛-6，+6｝，其輸入基本論域R 為，rΔImax和為偏差最大值和偏差最大變化率。在確定論域的取值范圍后，獲取二維模糊控制器輸入，即計算鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱溫度的偏差?（e）以及偏差變化率?（u），其對應(yīng)的計算式如下所示：

式中：h（a）為量化檔數(shù)；zec代表論域的覆蓋程度；z（e）代表偏置項。

在確定鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱溫度的偏差以及偏差變化率后，還需要確定論域的覆蓋程度和靈敏度，隸屬函數(shù)使用三角形隸屬函數(shù)，其對應(yīng)的示意圖如圖2 所示。

通過三角形隸屬函數(shù)的引入，可以精準確定模糊控制規(guī)則，在每條模糊控制規(guī)則中都有一個對應(yīng)的模糊關(guān)系，通過全部控制規(guī)則即可確定整個系統(tǒng)的模糊關(guān)系U，如式（9）所示：

通過模糊推理可獲取如式（10）所示的控制量集合GU：

結(jié)合上述分析，將模糊控制[14-15]和PID 控制相結(jié)合建立模糊PID 控制器，如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of fuzzy PID controller

依據(jù)上述模糊PID 控制器，不斷對比除雪設(shè)備溫度與設(shè)定溫度值，以實現(xiàn)設(shè)備電加熱的實時控制。在模糊PID 控制下，除雪設(shè)備溫度與設(shè)定溫度值間的偏差計算式如式（11）所示：

式中：E（GU）為模糊PID 控制下除雪設(shè)備的溫度和溫度設(shè)定值兩者之間的偏差；Δe（0）為除雪設(shè)備的溫度；Δe（1）為設(shè)定的溫度值。通過式（11），可實現(xiàn)當前加熱溫度與設(shè)定溫度的判斷，以此來實現(xiàn)加熱設(shè)備控制的負反饋。當E（GU）＞0 時，則需要設(shè)備停止加熱；當E（GU）＜0 時，則需要進行加熱，以此來實現(xiàn)除雪設(shè)備的電加熱控制。

綜上，完成鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法的設(shè)計。

2 實驗結(jié)果與分析

為驗證所提鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法的有效性，選取2022 年某高速鐵路ZY（J）7～ZY（J）17 道岔設(shè)備進行研究。采集其雪深數(shù)據(jù)和軌溫數(shù)據(jù)，并依據(jù)除雪設(shè)備對其進行良好控制，以檢驗其性能。獲取數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 判斷該方法的實用性。本次研究的數(shù)據(jù)分析部分在一臺操作系統(tǒng)為Windows 10 的筆記本電腦中進行，其具體配置如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)分析實驗環(huán)境配置Tab.1 Data analysis of experimental environment configuration

以上述為基礎(chǔ)，對所提方法開展測試，以驗證所提方法的綜合性能。

實驗優(yōu)先對所提方法的數(shù)據(jù)過濾性能展開測試，分析過濾前后雪深數(shù)據(jù)變化曲線和軌溫數(shù)據(jù)變化曲線，詳細的實驗測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 所提方法的數(shù)據(jù)濾波性能測試分析Fig.4 Test and analysis of data filtering performance of proposed method

分析圖4 可知，在沒有對鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)和軌溫數(shù)據(jù)濾波前，兩個數(shù)據(jù)曲線存在比較明顯的起伏變換，整體變化趨勢并不平穩(wěn)。經(jīng)過濾波處理后，鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)和軌溫數(shù)據(jù)變化曲線逐漸趨于平穩(wěn)，可有效保證鐵路道岔除雪設(shè)備安全平穩(wěn)的運行。

接下來，為驗證所提方法的優(yōu)越性，在鐵路現(xiàn)場展開實驗測試。隨機選定一段鐵路道岔，給出降雪后不同道岔區(qū)域需要加熱的溫度，理想溫度分布如圖5 所示。

圖5 鐵路道岔除雪溫度Fig.5 Temperature of snow removal for railway turnouts

利用所提方法對鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱展開控制，獲取的實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制效果Fig.6 Electric heating control effect of railway turnout snow removal equipment

通過圖6 可知，采用所提方法對除雪設(shè)備展開電加熱控制處理后，除雪設(shè)備的溫度和理想溫度圖基本吻合，可有效清除鐵路道岔上的積雪，更好地實現(xiàn)鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制，獲取滿意的控制效果。

進一步分析所提方法在鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制過程中所花費的時間，如表2 所示。

表2 除雪設(shè)備電加熱控制耗時結(jié)果Tab.2 Time consumption results of electric heating control for snow removal equipment

分析表2 可知，采用所提方法可快速完成鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制，由此可證明所提方法具有較快地運行效率。

最后，檢測所提方法控制規(guī)程中的能耗，得到結(jié)果如圖7 所示。

圖7 鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制能耗結(jié)果Fig.7 Energy consumption results of electric heating control for railway turnout snow removal equipment

通過圖7 可知，所提方法對應(yīng)的鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制能耗會隨著測試樣本數(shù)量的增加而增加，但是所提方法在鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制過程中能耗較低，其主要是因為所提方法在鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制前期對采集到的雪深數(shù)據(jù)和軌溫數(shù)據(jù)展開了過濾處理，這樣可有效減少所提方法在鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制中的能耗，全面驗證了所提方法的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)方法存在的不足，提出一種鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法。經(jīng)過實驗測試證明，采用所提方法可濾除雪深和軌溫數(shù)據(jù)中的異常值，同時還可有效減少鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制能耗及耗時，獲取更加滿意的控制結(jié)果。在后續(xù)階段，將進一步擴大研究范圍，確保所提方法可得到更加廣泛地應(yīng)用。