基于广义S变换的移频机车信号检测及故障诊断的研究（可编辑）

基于广义S变换的移频机车信号检测及故障诊断的研究（可编辑） 基于广义S变换的移频机车信号检测及故障诊断的研究 硕士学位论文 基于广义变换的移频机车信号 检测及故障诊断研究作者姓名: 学科、专业: 号: 学 指导教师: 完成日期: 兰州交通大学 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的研 究成果,也不包含获得兰趔銮遥太堂.或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 并表示了 谢意。 签字日期.沙哆年 月 汕 学位论文作者繇嘲哆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解兰妇蛮通太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰趔交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名: 导师签名: 咯哟 等威妒 签字日期:哆年‖月、日 签字日期:矽:净月 日兰州交通大学硕士学位论文 摘 要 机车信号是保证列车行车安全与高效的重要组成部分,不仅向司机提供地面控制信 息,而且还为列车运行监控及车载 ,列车超速防护等设备 提供所需的信号信息。由于目前机车信号检测技术落后,对机车信号的频率信息检测存 在一定的局限性,而且故障诊断方法自动化程度不高、效率低、不能够全面地诊断出该 机车信号是否发生了故障,故障类型以及故障原因。基于以上现场面临的问题,研究机 车信号的检测与故障诊断具有重要的意义。 本文主要以.移频信号为研究对象,在分析.移频信号的工作 原理、常见故障以及故障原因的基础上,对移频机车信号的检测算法进行了改进,提出 更加完善的移频机车信号故障诊断模型和知识库,从而实现了机车信号波形数据的检测 与故障诊断。论文主要完成以下内容: 首先,分析移频机车信号的特点,建立其数学仿真模型,并总结出移频机车信号常 见的故障类型;在研究各种时频分析技术和广义变换的基础上,引入了一种新的广义 变换,实现了对铁路移频机车信号频率的准确检测,根据所制定的故障频率判定准则判 断铁路移频机车信号是否发生了频率故障,并诊断其故障类型:检测移频机车信号的有 效电压幅值,制定电压故障判定准则,判断机车信号的有效电压是否正常;通过对正常 码序和故障码序匹配查找,实现了移频机车信号的码序检测及码序故障诊断。 其次,以频率、有效电压和码序为移频机车信号子故障建立移频机车信号网故 障诊断模型,采用该模型的关联矩阵和状态方程实现了移频机车信号的故障网推理 诊断,并搭建实验室仿真环境,进行模型验证。验证结果表明,该模型能够准确地判断 出信号是否发生了故障以及相应故障类型。 最后,在对.系统常见的无报警故障以及机车信号常见故障分析的基础 上,采用.和联合编程技术编写了移频机车信号故障诊断系统的人机界面, 应用现场数据进行移频机车信号检测和故障原因诊断,其诊断结果表明,该系统不仅能 够准确地诊断移频机车信号是否发生故障,而且能够准确地定位故障源,判断相应故障 类型及分析故障的原因,可以对各种故障信息及时快速地处理,提高了故障的诊断效率。 关键词:广义变换;移频机车信号;信号检测;故障诊断 论文类型:应用技术研究基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 . ’ . , .. . , , , .. , . 一 , , , , . : ., ... . ., .. . , . . . , . . , . , . 刀?兰州交通大学硕士学位论文 , , , . : , , , 基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 目 录 要??. 摘 ?..?.?..?.??...?.??.??.?.?..??.??..?.?.??.??..??.?.?. 目 录??..? 绪论. .论文的选题背景与现状??.. .论文研究的目的与意义??. .论文的主要研究内容. 移频机车信号及其故障特征 .机车信号系统原理?. .移频机车信号. ..移频信号数学模型?。 ..移频机车信号编码原理??.. ..移频机车信号干扰分析.移频机车信号常见故障..频率故障..码序故 障?。. ..电压故障.小结? 移频机车信号检测及故障诊断?.. .移频机车信号频率检测..广义变换算法原理 ..广义变换可行性及优越性测试分析.码序故障诊断的实现 电压故障诊断的实现 .小结? 网故障建模?. . 网原理一 . 网推理.. ..关联矩阵和状态方程??..一 ..故障网诊断算法??一兰州交通大学硕士学位论文 .移频机车信号网模型. .小结 移频机车信号故障诊断系统设计及应用实例?.. .移频机车信号故障诊断分析 .. .常见故障分析.. ..机车信号系统常见故障分析. .移频机车信号故障诊断系统设计? .移频机车信号故障诊断系统应用实例.小结结 论?. 致 谢?。 参考文献??。 攻读学位期间的研究成果?..:兰州交通大学硕士学位论文 绪论 .论文的选题背景与现状 机车信号是一种能够自动复示列车运行前方地面信号机显示状态的机车车载系统, 也是保证行车安全与提高铁路运输能力的基础设备之一,被称为机车“三大件”之一。 司机只能通过晾望前方地面信号机的显示获取行车在没有使用机车信号时, 信息,这样 导致司机往往不能在规定的距离与时间内正确地辨认前方地面信号机的显示,从而造成 冒进信号的危险,尤其对于行车密度大、列车速度快以及载重量较大的轨道区段,发生 冒进信号的可能性就越大。采用机车信号复示前方信号机的显示信息,不仅缩短了司机 的嘹望距离,而且避免了外部环境对司机晾望的干扰,提高了司机确认信号的可靠性。 机车信号不仅为司机提供地面信号杌的显示信息,而且还为其它的列车运行监控如自 动停车、超速防护等及车载设备等提供所需的信号信息,如,列车运行超速防 护系统,当司机因失去警觉而可能产生超速或冒进信号危险时,强迫列车减速行车或者 停车,从而实现故障导向安全的原则。随着机车信号技术的发展和列车速度的不断提高, 列车通过闭塞分区的时间逐渐缩短,使得司机对地面信号显示的确认越来越艰难,因此 对机车信号的功能也有了更高的要求。当列车运行速度在/以上时,司机已很难 确认地面信号,只能依赖于机车信号的显示,而当列车运行速度大于/时,只依 靠司机获取地面信号已无法保证行车的安全,因此在高速铁路中直接取消了区间通过信 号机,将机车信号作为主体信号为乘务人员提供信号信息,所以要求机车信号信息具有 更高的可靠性和安全性。 机车信号设备通过双路感应线圈将钢轨传输的地面.移频信号转化为车 载机车信号,通过主机译码后,点亮相应的机车信号灯,司机通过辨认灯位的显示来获 取地面信号传递的行车控制信息。当机车接收到的信号发生故障时,会导致机车信号异 常显示,机车接收不到正确的行车控制信息,从而影响正常的行车作业计划,甚至造成 重大的行车安全事故。由此可见,机车信号信息直接影响行车安全与效率。 目前国内外对机车信号质量的判断和故障诊断主要依赖人工添乘、轨检车和 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 器 软件。而采用人工添乘的方法需耗费大量的时间和人力且诊断效率不高,对于偶然性或 间歇性的故障诊断效果不好;轨检车通过分析轨道信号来间接地诊断机车信号,具有较 高的检测效率与准确度,但其检测过程需要加挂或增开专用的轨检车编组,占用列车运 行资源,降低了列车运输效率,例如:美国.型、.型轨检车,法国综合 检测列车以及我国新型的/综合检测车等;记录器软件在前期可以对信号进 行自 动记录及分析,但后期仍依靠人工进行故障诊断,这种诊断方法操作方便且诊断成本较基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 低,但诊断的效果受人为因素较大,通常依赖于技术人员的技术水平,例如:. 型机车信号的地面数据管理系统。随着列车运行速度的不断提高,对于机车信号故障诊 求也越来越高,不仅要判断出机车信号在整个运行过程中发生了何种断的要 异常,而且 还要明确引起此异常情况的故障类型以及造成故障的原因。 为了解决以上几种信号故障诊断方法存在的不足,人们不断尝试采用新的方法解决 这些问题,以便可以自主地检测常见的故障并给出故障诊断信息,减轻维修人员的工作 负担,提高工作效率。年,张屹等在对机车信号码序的研究中引用了模式匹配方法, 这种方法可以准确快速地诊断出机车信号码序故障,但存在的缺点是只针对信号码序故 障【】;年,孙伟利用神经网络实现了对机车信号的故障诊断,该方法可以判断 出信号的频率是否发生了故障,但由于该方法是基于傅里叶变换的频域分析,无法获取 信号的局部特征,反映在轨道信号解调上就是很难得到信号的上、下边频,而且对导致 信号发生故障的原因并未做进一步的研究【】:年,樊学涛将广义变换引入到轨道 电路信号故障诊断中,通过分析时频域特征获得信号的频率特征信息,但该方法也仅对 信号的频率故障进行了研究,并未对故障的原因进行分析【】。上述研究为机车信号的故 但是单一地以频率或码序作为机车信号故障评判障诊断奠定了一定的基础, 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 不具 有全面性。为了实现机车信号故障的准确诊断,首先必须要对机车信号的检测方法、故 障评判标准及故障原因进行更进一步地研究,选择更加适合的检测方法,制定更全面的 故障评判标准,建立更完善的故障诊断知识库。本文提出以频率、有效电压和码序三方 面作为信号的评判标准,并建立了无报警诊断知识库对机车信号诊断进行深入的研究, 其中有效电压和码序是在频率检测的基础上来实现的,因此机车信号检测方法的选择至 关重要。由于对机车信号诊断必须明确其频率随时间的变化特征,因此本文采用时频分 析技术对机车信号进行检测。 常用的移频机车信号时频检测方法主要有短时傅里叶变换、小波变换以及瓦格纳分 布等【】。短时傅里叶变换采用固定大小的滑动时间窗,虽然在一定程度上克服了传统傅 里叶变换的不足,但受测不准原理的约束,在时间和频率上不能同时获得最 佳分辨率【’】;小波变换的小波基一旦确定,在后期信号的分解和重构中无 法更换,且其 信息尺度和频率的关系不直接【,】。在铁路移频信号检测研究中,通常采用小波分析检测 其频率变化点得到低频频率信息,对于载频频率的检测则需要结合傅里叶变 换来实现; 瓦格纳分布存在固有的交叉干扰项,影响信号的分析,因此在应用中通常对其进行优化, 如伪瓦格纳分布、平滑瓦格纳分布以及平滑伪瓦格纳分布等【 】:变换无交叉干扰项, 其时频窗可根据信号的频率自适应调节以获取最佳分辨率【。然而这种调节方法并不适 合于所有的信号分析,为了提高其自适应性,一些学者将变换的窗函数进行优化,其兰州交通大学硕士学位论文 。 变换的优化形式都称之为广义变换【 在分析常用时频分析技术的基础上,结合铁路移频信号的特点,本文选择引入一种 新的广义变换作为机车信号的检测方法。 目前铁路信号制式繁多,德国系统采用 ,频移键控 信号;日本系统信号调制方式为 ,最小频移键控;法国 .系统也主要使用信号;而我国目前所使用的机车信号源主要有两种:一种为我 国自行研制的国产移频信号,另一种是在法国基础上国产化的.,这 两种信号都是移频信号;另外,还有极频信号等。由于.移频信号系统 在我国铁路网覆盖面较大,因此本课题选择.铁路移频信号作为研究对象。 .论文研究的目的与意义 由于将铁路地面移频信号发送到机车信号接收设备的过程中,要经过很多环节,会 其产生故障的主要原因有两种:其一,铁路信号设不可避免地产生各种故障, 备发生故 障,例如发送器故障,机车接收线圈故障等。当发送器出现故障时可能导致移频信号频 率出现偏移;当机车接收线圈虚接时会使列车在运行中无法持续稳定地感应到地面传输 的移频控制信号,直接影响了机车移频信号的质量:其二,移频信号在传输过程中混入 干扰,例如不平衡牵引电流谐波干扰、邻线干扰、绝缘破损干扰及高频电磁波的辐射干 扰等。这些干扰会造成正常移频信号失真,而质量差或失真的移频信号会导致机车信号 系统无法识别或识别为错误的信号,表现在机车信号显示终端上则为频繁掉灯、闪灯等 异常显示或灯位显示错误,影响了行车安全,严重的情况下,甚至导致重大的安全事故。 因此,准确并快速地检测出机车信号的频率信息,并诊断出引起机车信号显示异常的故 障原因以及故障点的具体位置,不仅可以指导相关维修人员快速正确地排除故障,缩短 故障处理时间,而且可以提高铁路运输的安全和效率。 目前铁路现场对于机车信号的检测方法落后,对信号故障的诊断主要还是依靠维修 人员依据现场经验进行诊断。这虽然在一定程度上可以满足铁路运输的要求,但是随着 对机车信号的检测以及现场故障诊断和排除我国列车运行速度的不断提高, 的效率也有 了更严格的要求。因此,研究出一种更加高效且准确的机车信号检测和故障诊断技术以 适应铁路大发展的需求是目前迫切需要解决的课题,对信号发展也具有重要的意义。 .论文的主要研究内容 本文重点以.移频信号为研究对象,在对.系统常见的无报 警故障以及.型机车信号车载设备常见故障分析的基础上,引入一种新的广 义变换,实现对铁路移频机车信号频率、有效电压以及码序的故障检测与故障诊断;基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 以频率、有效电压和码序为移频机车信号子故障建立移频机车信号网故障诊断模 型,采用该模型的关联矩阵和状态方程实现移频机车信号的故障网推理诊断;建 立移频机车信号故障诊断知识库,结合编程技术实现故障移频机车信号的故障原因诊 断。本文共分为以下几个章节,各章内容安排如下: 第章:绪论。主要介绍机车信号故障检测和故障诊断的重要性,分析目前机车信 号质量判断和故障诊断的研究现状,总结目前国内外机车信号质量判断和故 障诊断所采 用的各种方法的优缺点,并将一种新的时频检测方法引入机车信号检测领域。 第章:移频机车信号及其故障特征。在介绍移频机车信号的原理和移频信号编码 原理的基础上,分析三类常见的移频机车信号故障类型,即频率故障、码序故障和电压 故障。 第章:移频机车信号检测及故障诊断。提出采用一种新的广义变换实现对铁路 移频机车信号频率的准确检测,根据所制定的频率故障判定准则判断铁路移频机车信号 是否发生频率故障,并诊断其故障类型;检测移频机车信号的有效电压幅值,制定电压 故障判定准则,判断机车信号的有效电压是否正常;通过对正常码序和故障码序匹配查 找,实现移频机车信号的码序检测及码序故障诊断。 第章:网故障建模。提出以频率、有效电压和码序为移频机车信号的子故障 建立移频机车信号网故障诊断模型,采用该模型的关联矩阵和状态方程实现对移 频机车信号的故障网推理诊断,并搭建实验室仿真环境,进行模型验证。 第章:移频机车信号故障诊断系统。分析移频机车信号的传输路径,结合现场故 障排除经验,建立移频机车信号无报警故障诊断知识库,实现对移频机车信号无报警故 障的故障诊断,查找故障原因,定位故障源。采用.和联合编程技术编 写了移频机车信号故障诊断系统的人机界面,应用现场数据进行移频机车信号的检测和 故障原因诊断。兰州交通大学硕士学位论文 移频机车信号及其故障特征 .机车信号系统原理 机车信号系统分为地面信号设备和车载信号设备,如图.所示。通过分析列车运 行的线路信息以及本身的运行情况,地面信号设备根据信号编码条件产生相应的移频控 制信号并将该信号发送到钢轨上。而列车前端下方的双路接收线圈利用电磁感应原理接 收地面钢轨上传输的移频控制信号后,并送至机车信号主机的输入,主机经分析处理后 将译码结果输出给机车信号机点亮相应的灯位,并提供给其它系统作为基础控制信息。 机车 机车 信号 信号 机 机 。。。。‘。。。‘’。。 ?监控装置: 机妻篡号 主机 . 。““: ‘?一一’ .。.一 坚型 九‰端誉剖 /端.一一一, 一一电 车载 蓑銎制受咧心銎剥 图. .移频机车信号系统结构图地面.自动闭塞系统设备主要由室内和室外设备两部分构成。室内设备 :发送器、接收器、衰耗盒、站防雷以及电缆模拟网络等。发送器采用包括 冗余设 计,用于产生精确、稳定的.移频信号;接收器采用双机并联设计,接收并 解调本区段主轨道信号后,结合本区段小轨道条件动作本区段轨道继电器,同时还接收 并解调相邻区段小轨道信号,并将该小轨道检查条件送至其所属接收器;衰耗盒用作对 主轨道和正反向小轨道电路的调整,并给出一些测试条件和报警;站防雷用作对通过传 输电缆引入室内雷电冲击的防护;电缆模拟网络主要用于补偿实际电缆。 室外设备主要包括:调谐区、匹配电压器、补偿电容以及电缆等。调谐区实现 相邻轨道电路的电气隔离;匹配电压器主要用于轨道电路与电缆之间的电压调节和 传输匹配;加装补偿电容改善了轨道电路的传输特性;电缆用于传输移频信号。 车载设备主要包括:双路接收线圈、接线盒、机车信号主机以及机车信号显示器等。 双路接收线圈通过电磁感应将轨道电路传输的地面电流信号转化为车载电 压信号;接线 盒用于实现车载设备各路信号的汇流,方便用户测量和信号传递;机车信号主机将机车 感应到的电压信号信息进行处理,把译码结果送给机车信号显示器和其它列车运行监控 系统,其内置的记录器可以记录机车信号运行设备状态信息以及接收线圈接收的原始波 形信息等;机车信号显示器以双面灯位显示方式向司机提供地面控制信号信息【】。 .移频机车信号 移频机车信号是指机车电磁感应到的.无绝缘轨道电路信号。 .无绝缘轨道电路信号为相位连续的信号,简称移频信号。它是由特定 频率的载频信号和低频信号调制而成,用低频信号的幅值控制高频信号的频率做周期性 交替变化,其周期倒数即为低频信号的频率。而地面控制命令是通过低频信号的不同频 率来表示的。 ..移频信号数学模型 .移频信号的中心频率尼有种,下行轨道区段为:.、.、 .、.,上行轨道区段为:.、.、.、.; 低频频率五共有种.×.~:频偏;上边频石确劬下边 频开娟一够设铁路移频信号的中心频率为月,周期为,低频为五的方波信号,则该移 频信号时域波形图如图.所示,时域表达式如公式.所示: . 鸽 其中,兰州交通大学硕士学位论文 ? ‘ 一时挥 ? ,,, 。 鬲 函 时间 图.移频信号时频图 ..移频机车信号编码原理 .移频机车信号低频频率共有 种,每个低频频率都有相应的一个信息 名称,如.的信息名称为“码”。机车信号机使用双面八显示方式,八个灯从上 到 下依次是:绿、半绿半黄、黄、黄、半红半黄、双半黄、红、白【】。.移频 机车信号低频信息分配和显示如表.所示。基于广义变换的移频机车信号检 测及故障诊断研究 表. .移频机车信号低频信息分配和显示 在表.中未说明的.和.分别为载频切换和自动闭塞区段反方向时站 间闭塞行车的轨道电路占用检查。在三显示和四显示自动闭塞区段没有码、 码、 码、码、码、码和码。半自动闭塞区段则无码、码、码、 码、码、码、码、码和码。 应当注意的是,当机车接收到的信号由码或码转为无码时,机车信号机持续 点亮红灯;当机车接收到的信号从其它码转为无码时,机车信号机持续点亮白灯。 车站编码原则 站内轨道区段编码原则分为接车进路编码原则和发车进路编码原则。通过进路分解 为接发车进路,分别按照接发车进路的原则进行编码。轨道电路码序升级关系按照以下 顺序排列:?????一。 接车编码逻辑为: 正线接车时,接近区段发码,股道区段依照发车进路发码,咽喉区段发码与股道兰州交通大学硕士学位论文 区段保持一致。正线接车的码序为:??。 正线引导接车信号开放,接近区段发码,咽喉区发检测码,股道发默认码。正 线引导接车的码序为:?。 侧线接车进路上的最小号码道岔为号道岔时,接近区段应发码,股道区段 依照发车进路发码,咽喉区段发码与股道区段保持一致。码序为:。 侧线接车进路上的最小号码道岔为号道岔时,对仅运行动车组的线路,接近区 段应发码,其码序为:??/几几。 侧线引导接车进路,接近区段发码,股道区段依照发车进路发码,咽喉区段发 码。码序为:??。 进路信号机接近区段无岔区段的发码原则为,当进路信号机前方信号机开放时, 进路信号机的接近区段根据进路信号机状态发码;当进路信号机前方信号机关闭,且进 路信号机的接近区段空闲时发送检测码;当列车正常占用进路信号机的接近区段时,轨 道电路根据进路信号机状态发码;当进路信号机的接近区段非正常占用或轨道电路故障 ,则进路信号机的接近区段发送检测码。 占用时 发车编码逻辑如下: 正线发车进路,咽喉区段发码与离去区段保持一致,股道区段基于离去区段发码, 依照追踪码序递推。 正线引导发车信号开放,咽喉区发送检测码,股道发送码。 侧线发车进路上的最小号码道岔为号道岔时,股道区段应发码,咽喉区段 发码与离去区段保持一致。码序为:叫一?///。 侧线发车进路上的最小号码道岔为 号道岔时,股道区段应发码,咽喉区区 段发码与离去区段保持一致。码序为:?/几/【。 侧线引导发车进路,股道区段应发码,咽喉区段发码。 对于站内采用.轨道电路的客运专线车站,不发送.低频码。 区间编码原则 区间轨道区段应根据前方轨道区段占用状态以及前方车站接车信号开放情况,按照 轨道电路追踪码序发码,码序为:??【引。接近区段根据站内接车进路码序 发码。由多个轨道区段组成的闭塞分区,闭塞分区空闲时,同一闭塞分区内的所有轨道 电路区段低频发码应保持一致;若有车占用,列车所在区段及运行前方所有区段发送正 常码,后方各区段均发检测码。 区间改变方向期间轨道电路应发送检测码,在确认改变方向成功后,按新的运行方 向发码。基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 若某闭塞区段发生落物灾害时,该闭塞分区轨道电路发码,相关信号机关闭,后 续闭塞分区依次发送追踪码序。区间反方向运行时,灾害闭塞分区发码和区间正向一致。 ..移频机车信号干扰分析 机车通过电磁感应将轨道传输的移频信号转化为机车信号,机车信号从地面发生、 传输到被机车车载设备接收必然混入各种干扰,从而影响机车信号的质量。干扰严重时, 会造成机车掉灯甚至出现信号升级显示。影响机车信号正常的干扰主要有不平衡牵引电 流谐波干扰、邻线干扰及高频电磁波的辐射干扰等【】。 不平衡牵引电流谐波干扰 在电气化区段,钢轨既承担移频信号的传输任务,又作为电力牵引电流的回归通道。 产生牵引电流谐波干扰的原因为两根钢轨上的不平衡电流较大且电流中有较大的 谐波干扰。在正常情况下,牵引电流谐波中奇次谐波干扰量较大,偶次谐波干扰量较小。 谐波次数越高干扰量越小。当谐波频率在以上时,奇偶谐波所占的百分比基本 相当。 邻线干扰 机车邻线干扰是指在双线区段本线机车收到邻线轨道电路发送的移频信号,导致本 线机车信号显示邻线的信号信息,影响行车安全。机车信号邻线干扰主要是钢轨互感和 大地泄漏造成的。 高频电磁波的辐射干扰 对机车信号产生影响的高频电磁波的辐射干扰主要有两种,一种是电力机车的牵引 网周围产生的电磁场,会对其附近的传输线产生干扰;另外一种是电力机车运行时,其 动力系统中的电流也会在钢轨上感应电压,从而对机车信号产生干扰。 .移频机车信号常见故障 移频机车信号故障是指机车感应到的移频机车信号不正常,常见的故障可总结为: 频率不正常、码序不正常和感应电压不正常。要判断移频机车信号故障与否,就必须从 以上三方面出发对移频机车信号进行全面的判断。 ..频率故障 由频率引起的铁路移频信号常见故障类型主要有载频偏移和低频偏移等。载频偏移 是指实际的载频信号频率较标准的载频信号偏大或者偏小。如图.所示,当载频信号 偏大时,其频域表现为谱线整体右移,时频域中信号整体上移;当载频信号偏小时,其 频域谱线整体左移,时频域中信号整体下移。兰州交通大学硕士学位论文 瓣 曝 载频偏大 时间 .载频偏移时频域示意图 图 低频偏移是指在移频信号的低频频率出现偏差。在频域中,当低频偏大时,谱线以 载频点为中心向左右两边扩散,从图.中可以很直观的看出低频信号的周期变小频率 变大;当低频偏小时,,时域谱线以载频点为中心左右两边谱线向中心靠拢,时频域中低 频信号的周期变大频率变小。 低频偏大 时间 图.低频偏移时频域示意图 ..码序故障 机车信号显示出现错误的另一个主要原因为机车信号的码序规律发生了变化,即与 正常时的码序规律不同。.移频机车信号低频频率共有种,每个低频频率 都有相应的一个信息名称,如.的信息名称为“码”。码序就是指机车按时间顺序 接收到的信号码。例如,四显示自动闭塞区段区间运行的正常停车码序为: ?。码序故障是指,机车信号收到的码序排列顺序出现异常,主要包括: 掉码、串码和误码【。 掉码是指机车在有码区段接收不到轨道电路信息码,而出现信息不稳定,如“码 无码?码”或“码?无码码”等。由于道岔区段较短,列车运行速度过快, 以及有些车站仅在站内股道区段进行电码化,当列车经侧线通过或者停车时机车信号闪 白灯,这种情况下不应判断为掉码。基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 ‘串码是指由于邻线的干扰而造成信号的错误显示,分为侧线串码和正线串码。侧线 串码只发生在车站,所以其码序以“”或“”开头。正线串码只发生在半自动闭塞区 段,且只发生在出发信号机外。本论文只针对自动闭塞,因此只考虑侧线串码。 误码是指除掉码和串码外,不符合正常码序的码。例如当前码为“”,如果下一个 码为“”,则可判定为误码。 ..电压故障 目前我们使用的接收线圈为双路接收线圈,每个接收线圈内部都有两个线圈,每个 线圈与另外一个接收线圈中的其中一个线圈反向串联后形成一组接收。当机车运行时利 用电磁感应原理将钢轨上传输的电流信号转换为机车电压信号。机车信号主机从该感应 电压波形中提取频率信息。因此,机车信号感应电压值的大小决定机车信号是否正常, 所以机车信号的感应电压是判断机车信号正常与否的一个重要方面【。 一般规定,.的感应电压应大于 .%,但是由于各个路局的 规定不同,因此在实际应用中应按照各自的情况进行调整【】。 .小结 本章首先在介绍了.移频机车信号系统的基本工作原理和系统构成的基 ,建立了移频机车信号数学模型。其次,说明了移频机车信号车站和区间础上 的编码原 理。最后分析了移频机车信号的常见三类故障:频率故障、码序故障和电压故障,并以 此作为移频机车信号判断的标准,完善了移频机车信号的故障判断标准。兰州交通大学硕士学位论文 移频机车信号检测及故障诊断 .移频机车信号频率检测 由于移频机车信号会被各类干扰污染,因此先对待检测信号进行滤波。滤波后经广 义变换时频分析得到其时频分布,采用最高等高线法计算出移频机车信号的各个频率 特征值,最后通过.移频信号的频率故障诊断策略来判断移频机车信号的频 率是否正常。通过第章对移频机车信号干扰的分析可知,移频机车信号干扰信号的频 段分布广泛,对移频机车信号的质量影响严重。因此,为了得到较好质量的移频机车信 号,就必须滤除移频机车信号传输过程中混入的噪声。根据移频机车信号的频率特点, 本文选用巴特沃斯带通滤波器对移频机车信号数据进行滤波处理,巴特沃斯带通滤波器 。 的幅频响应仿真截图如图.所示。 ? 暮 趔 罄 。、 丁 .一 、 。\ /: 频率/ 图. 巴特沃斯带通滤波器幅频响应仿真截图 在图.中,该巴特沃斯带通滤波器的特性为:通带,,中心频率 。移频机车信号经巴特沃斯带通滤波器后通带内的信号保持不变,阻带内的 其他 干扰信号则被有效地滤除。 根据.无绝缘轨道电路的信号频率技术条件,即发送器发送的信号载频 频率偏差小于或等于.时为正常,低频频率偏移小于或等于士.时为正常, 制定出.移频信号的频率故障诊断策略,其上边频的正常范围为:., .;下边频的正常范围为:.,什.】;中心频率的正常范围为:嘶一., 月.:低频偏移判别式为:芎馋一。.【。其中,五为.的实测上边 频;.万为.的实测下边频;.届为.的实测中心频率;.尼为. 的实测低频频率,。为正常低频频率。基于广‘义变换的移频机车信号检测 及故障诊断研究 ..广义变换算法原理 年..等学者提出了一种新的时频分析方法,即变换【】,在短时 傅里叶变换和连续小波变换 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 的基础上,采用与频率有关的可变高斯窗函数,具有多 种分辨率】。设时域信号为办力,其频率为,则力的正反变换标准形式如式.所 : 示 ,, ?,尘.。些 华卜咖 彤炒 『『,厂 变换的高斯窗函数为: : 二 ~二【 扑接华 \ / 、 窗函数的时频窗口尺度因子仃定义为频率的倒数,如式.所示: ‘ 弘南 在式.中,变换的高斯窗宽度是由信号的频率控制的。当信号的频率较低时, 其高斯窗较宽,可取得较高的频率分辨率;当信号的频率较高时,其高斯窗较窄,可取 得较好的时间分辨率。然而这种调节方法对于有些信号却无法达到最佳的时频分析效 果,为此,不少学者对变换的窗函数进行改进,引入各种广义的窗函数代替变换的 高斯窗函数使改进后的变换具有更高的自适应性,这些变换的改进形式都称之为广 义变换。 年,将变换中对称高斯窗改造为一种不对称的双曲线时窗函数,如 式.所示: , %翮 监掣 其中, 了 砖,《,豺~~?十孝, /兰州交通大学硕士学位论文 善 其中,,册是时窗前半部的衰减参数,,:是时窗后半部的衰减量,肿是窗函数的曲率取 正值。 年国内学者高静怀等人将变换基函数进行推广,如公式.所示: . 一口?一‖一 其中,与坟取正实数,分别表示基本小波的振幅及能量衰减因子,‖是能量延迟时间, .而是基本小波的视频率。 年,陈学华等人在变换的标准窗函数中引入和两个调节因子,如公式 .所示: . 啪胁警唧虫攀 其中,为厂的常数系数,为厂的指数系数,用于确定小波的时间位置,参数和 调节小波的时间延续度和衰减速度。 用于 当,时,即标准变换的窗函数形式。当信号的频率变大时,时频窗变窄; 当信号的频率变小时,时频窗变宽。 当不变,时,频率对宽度盯的影响变弱,时频窗变宽;当时,频率对 宽度仃的影响加强,时频窗急剧变窄。 当不变,时,时频窗宽度随频率的变化减慢;当时,时频窗宽度随频 率的变化加速。 ..广义变换可行性及优越性测试分析 铁路移频信号检测方法分为频域与时频域两种,由于在检测频率的基础上还要实现 移频机车信号质量判断,因此选择时频分析方法来实现移频信号的检测。. 移频信号是一种非线性移频键控信号,因此采用线性调频与正弦调频相叠加而成的非线 性移频键控信号作为测试信号,通过与几种常用的时频分析方法对比测试以验证广义 变换在时频分析中的可行性及优越性,并引入一种新的广义变换作为移频机车信号的 检测方法。 由于.铁路移频信号频率范围在内,因此,选择如图. 所示频段内线性调频,.,.,,.,.与正弦调基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 频,.,.,,,.叠加而成的非线性调频信号作为测试信号。 , 之璎哩 卅 .. 时间/ 图.测试信号时域仿真截图 对测试信号做短时傅里叶变换后,其时频仿真截图如图.所示。短时傅里叶变换 对测试信号高频段及低频段的线性调频部分都有较好的分辨率,能够清晰地反映出其时 频变化特征,但是对正弦调频信号的分辨效果却不佳。因此,虽然短时傅里叶变换在传 统傅里叶变换的基础上进行了改进,但仍存在一定的不足,并不适合用于对复杂的非线 性调频信号进行分析。 旃 甄时间, 图.短时傅里叶变换时频仿真截图 由于瓦格纳分布存在固有的交叉干扰项,因此对测试信号进行瓦格纳变换后得到的 时频谱图分辨效果并不理想。如图.所示,测试信号高频段及低频段线性调频分量的 时频变化关系均不是很清晰,而其正弦调频信号分量的分辨效果也不佳。因此,不少学 者致力于瓦格纳分布的优化研究,虽然改进后的各类瓦格纳分布交叉干扰明 显减少,但 是却无法将其完全地消除。兰州交通大学硕士学位论文 工 爵 甄. . . 时间, 图.瓦格纳分布时频仿真截图 旃 曝 . . . 时间/ 图. 变换肛,时频仿真截图 工 爵 甄. . 时间, 图.广义变换肛,‖时频仿真截图 如图.所示,当五,时,时频窗的宽度与信号的频率成反比关系。/较小时, 时频窗较宽,可较清晰地反映出信号的时频变化特征;较大时,时频窗变窄, 谱图出 ..基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 现混叠,无法反映信号的时频变化特征。由此可知,对于高频信号的分析,应减小频率 对宽度的影响,使时频窗较宽,以得到清晰的时频分布谱图。因此,取,,使仃 扩展为式.所示的形式【】:仃万 所示的广义高斯窗函数: 则基本高斯窗可变为如式. , 非搓等竽 可得到改进后广义变换,其形式如式.所示: , 蚍小铥唧等竽批 为了遵循命名惯例,仍旧称之为广义变换。该广义变换在标准变换的时频窗 口尺度因子仃中只引入了一个调节因子,与原广义变换算法相比,调节因子少且调 节因子的取值范围明显缩小。 当,且时,对测试信号做广义变换,验证该算法的可行性及优越性。从 图.中我们可以得出:消弱厂对时频窗宽度的影响后,经广义变换后可以清晰地反 映出测试信号的时频变换特征。通过对测试信号的时频图分析表明,该广义变换对测 试信号的线性调频以及正弦调频的高低频段都有很好的分辨率,更适合于高频非线性信 号的研究。 对于给定的信号只要选取合适的值便可得到最优的广义变换。当列车行驶时, 在每个轨道区段接收到的移频机车信号不一定相同。每个轨道区段移频信号 的载频可 知,但传输的信息是不确定的,表现为低频调制信号的频率不确定。因此,值 的选取 要考虑同一载频下低频不同的情况。结合上述分析可得的确定条件为:,,步 .;对同一载频下,种低频...调制的移频机车信号做广 长为 义变换后,得到的检测结果与正常移频信号相比满足.移频信号的频率检 测技术指标;同一载频下,种低频调制的移频机车信号做广义变换的值相同 且 检测误差最小。取采样频率厂为,则中心频率为.的移频机车信号广义 变换值具体计算流程如图.所示。图中表示初始化值,?表示步长,研,表示 各频率特征值误差,表示最小误差,耽表示平均误差。.不同载频频 率与其最优值对应关系如表.所示。兰州交通大学硕士学位论文 图.参数计算流程图 表.载频与最优值对应关系 载频 最优值 . /? . 一/? . ?/ . ?/? 正常信号检测过程 以移频信号中心频率为。为例,来说明移频机车信号频率检测的过程。对 中心频率为.,低频为.调制的移频信号进行为.的广义变换得 到其三维时频图后投影到时频域。如图.所示,时频域内的频率在时间轴上呈 方波形式变化。如图.所示,以时频域等高线数据矩阵内的数据作为基础数据进行基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 计算可得到力的各个频率特征值。 『褂繇. . . . . 时间/ 广义变换时频域仿真截图 时间』 时频等高线数据分布仿真截图 图.低频为.广义变换过程仿真截图 中心频率为 .,低频为.的移频机车信号仿真检测结果为:上边频为 .,误差为.;下边频为.,误差为一.;中心频率为 .,误差为.;频偏为.,误差为.;低频为.,误差 为.。 对检测结果分析可得:经改进的广义变换能够清晰地反映出不同低频调制下的移 频信号时频特征。与正常移频信号相比,上下边频、低频、中心频率及频偏的检测误差 符合.移频信号的频率检测技术指标。 实验故障信号频率检测 以实验故障信号为例,来验证该算法是否有效地检测出故障移频机车信号。实验故 障信号发生了载频偏移和低频偏移,其载频偏移量为一.,低频偏移量为.。 该故障信号的时域波形仿真截图如图.所示,对该故障信号进行广义变换后 得到兰州交通大学硕士学位论文 的其等高线数据仿真截图如图.所示,以下是仿真过程。 . 三 迥 罂 .. 时间 时域波形仿真截图 时频等高线数据分布仿真截图 图.实验故障信号广义变换过程仿真截图 经计算得到该实验故障信号的各个频率特征值分别为:上边频为.,下边 频为.,中心频率为.,频偏为.,低频为.。与正 常信号相比可得:上边频误差为.;下边频误差为一.:中心频率误差为一.; 频偏误差为.;低频误差为.。根据故障判定准则可知,该实验信号的低频和载 频误差均超标。因此,可判断该信号发生了载频和低频故障。 由检测结果可知:该广义变换能够正确地检测出实验故障移频信号的各个频率特 征值,通过频率故障判定准则可以准确地判断出该信号的频率故障类型。 实际故障信号频率检测 对实际故障信号进行检测,判断该移频机车信号是否发生故障及其故障特点,其时 域波形图如图.所示,经广义变换后得到等高线数据图如图.所示。基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究莓『罂 加 加 . . . . . 时间 时域波形仿真截图 工 褂 爨 时间 时频等高线数据分布仿真截图 图.实际故障信号广义变换过程仿真截图 经计算得到该实际故障信号的各个频率特征值及误差分别为:上边频为 .,误差为.;下边频为.,误差为一.:中心频率为 .,误差为.;频偏为.,误差为;低频为.,误差为.; 该信号发生了载频和低频故障。根据故障判定准则可知,该实际信号的低频和载频误差 均超标,因此可判断该信号发生了故障。 .码序故障诊断的实现 移频机车信号的低频频率检测出来后,根据车站、区间信号编码原理,并结合现场 常见故障码序建立常用码序以及常见故障码序的码序库进行匹配查找来实现码序的故 障诊断。首先将待分析码序与常用码序内的码序进行匹配查找,如果常用码序内存在与 该条码序相同的码序,则该条码序正常。如果不存在相同的码序,则该条码序故障。若 码序故障,则将该码序与掉码和侧线串码库内的故障码序逐条匹配查找来判 断出码序的 故障类别,码序库表如表.所示。兰州交通大学硕士学位论文 表.码序库表 码序 类型 ??? 常用码序 ?一? 一一?? 一?呻卜?? , 掉码 , ,?,,,?? 侧线串码 ,?,,,?? ?,,,?? ?,,,,一? ?,,,??? ,,,? 误码 除掉码和串码外的非正常码序 经广义变换得到待检测移频机车信号序列的低频信息后,再进行码序故障的 检 测。首先将移频机车信号按时间顺序进行检测,得到按时间排列的移频信号 低频频率。 假设待检测的移频信号低频频率序列为:.一.一..,则其码序 为:???。通过匹配查找可得:在正常码序库内存在与该码序相同的码序, 因此该码序为正常码序。 .电压故障诊断的实现 经广义变换得到移频机车信号的低频频率.尼后,可以此为基础求得该信号的感应 ,并根据其大小来判断该机车信号是否正常【】。 电压值 设移频机车信号的采样频率为工,第点的感应电压采样幅值为,则该移频机车 信号在每个周期内的采样点数如式.所示: . / 其中,【表示向下取整,则电压有效值如式.所示: . 鼯 为了减少误差,在实际检测中通常按点数将移频机车信号分段后求出每段的电压 有效值,平均后作为最终的有效电压值 。设移频机车信号的采样总时间为岛,包含基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 个低频周期,如式.所示: 。×丘 . 轨道移频信号电压有效值的平均值如式.所示: ,:争 . 鲁 移频机车信号的采样频率和总的采样时间是已知的,结合机车信号记录器中存储的 信号波形数据和检测出的低频频率可求出和,最后代入公式.中得到该移频信号 感应电压的值。然后根据相关判断准则判断其大小是否符合要求。 .小结 主要介绍了移频机车信号三类故障的检测方法。首先,引入一种新的广义变换作 为移频机车信号检测的算法,并通过测试对比验证了该算法的可行性及优越性。其次, 采用该算法实现了故障移频机车信号频率特征值的检测,并在此基础上完成了移频机车 信号码序故障和感应电压故障的检测,为第章移频机车信号故障网的推理实现 奠定了基础。兰州交通大学硕士学位论文 网故障建模 . 网原理 年德国学者??在其博士论文中提出了网。网采用直观的网 状图形表达方式来模拟异步并发系统,能够精确地描述系统事件和条件之间的关系。 网已应用到计算机学科的各个领域【?。 一个基本的网的结构?是一个元组,即?尸,一,其中,尸??庀 为有限非空库所节点集合,用一个圆圈或椭圆表示;仁?,??死碱为有限非空变 迁节点的集合,用一根黑线或者方框表示:为库所与变迁之间的流关系,用带箭头的 有向线段表示:托肯用黑点表示。基本网点火示意图如图.所示,当、尸为 底层库所,尸顶层库所,当和尸代表的事件发生后,其表示库所的圆圈内会出现一 个黑点托肯。若和恳同时发生,则托肯转移到,表示所代表的事件发生。 点火前 点火后 图.基本网 对设备和系统的故障类型以及故障传播特点进行分析和总结后,在传统网的 基础上,发展出了适合故障诊断的故障网,将故障网模型定义为一个元组, 如式.所示: ?,,,,‖,, . 其中,?尸,正用构成?的基网。为?的容量函数;‖为?的权函数;为库所时间 标签集合,用来存储故障的传播路径;为?的初始标识,表示系统的初始状态。在故 障网中,用托肯是否标识表示故障的发生与否。因此,库所中托肯的数量为“”时 表示相应故障发生,否则表示设备状态正常。变迁点火则用于表示故障信息的流动【。 由于设备和系统的规模越来越大,复杂程度越来越高,其故障类型也越来越复杂。 对于复杂的设备或者系统,可以按照层次将其划分为多个子系统。利用故障网对 各个子系统建模后,将低层次故障网的目标库所作为高层次故障网的输入库 所,这样就可以搭建出复杂系统的完整故障网。基本故障网模式可以概括为 ..基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 以下五类: 一因一果模式 且这种对应关系是唯一的。其网 上下层故障之间存在一一对应的因果关系, 图形表示如图.所示。托 图.一因一果模式 多因一果模式 上下层故障之间存在多对一的关系。当所有的下层故障都发生后才会引发上层故 障,相当于逻辑“与门”的关系。该模式的故障网图形表示如图.所示。 图.多因一果模式 竞争模式 下层故障是由多个下层故障引发的,当这些下层故障至少有一个发生时上层故障就 发生,相当于逻辑“或门”的关系。该模式的故障网图形表示如图.所示。 乃 图.竞争模式 一因多果模式 该模式下,一种下层故障对应多种上层故障,当该种下层故障发生时会引发其所对 应的所有上层故障,该模式的故障网图形表示如图.所示。兰州交通大学硕士学位论文 图.一因多果模式 多因多果模式 该模式是用于表示多种下层故障对应多种上层故障,当所有下层故障都发生时其对 应的所有上层故障也随之发生。其故障网图形表示如图.所示。 图.多因多果模式 . 网推理 ..关联矩阵和状态方程 故障网的变迁点火后,其输入库所中的托肯并不消失,只是在变迁的输出库 所中产生一个新的托肯,如图.所示。因而,传统的网推理就不适合用于故障分 析,所以我们引入时间标签的概念。当点火发生后,我们将相关的库所贴上一个时间标 签根据时间标签韵有无和顺序可以找出故障的传播路径,即进行故障诊断。 图.点火后的故障网 若从库所到变迁的输入函数取值为非负整数,记为胛,,用从到的一有 向弧并旁注表示;若从变迁到库所的输出函数取值为非负整数,记为伙妒, 用从到的一有向弧并旁注表示。特别地,若,则不必标注;若邪,或基于广义变换的移频机车信号检测及故障诊断研究 驴,则不必画弧。,与均可表示为非负整数矩阵,与之差’伊田称为关联 矩阵四。 系统方程用来反映故障网的动态行为过程:?伊研其中,尬和尬一 分别表示网和卜时刻库所的点火序列;?为一时刻变迁的点火情况;为 网的关联矩阵。 ..故障 网诊断算法 采用故障网进行故障诊断时,若输入库所有点火托肯则表示底层故障发生。 而顶层故障是否发生可以通过故障网的变迁点火规则和状态方程来推理确定,如 果目标库所中含有托肯,则表示目标故障发生了,否则故障没有发生。以下是故障 网进行故障诊断的过程: 步骤:根据待诊断问