基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障診斷研究*

成利剛

（五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529000）

基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障診斷研究*

成利剛

（五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529000）

針對(duì)S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障定位和檢測(cè)精度不高，故障延時(shí)長(zhǎng)的現(xiàn)狀，通過(guò)分析于S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)電路和表示電路的故障的特點(diǎn)，建立了基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型，有效的解決了網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部最小值和收斂速度慢的缺點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試，表明了該方法的有效和準(zhǔn)確判斷S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的故障位置，效果良好，能夠滿足軌道交通現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)；控制電路；故障診斷

近年來(lái)，軌道交通發(fā)展迅猛，作為保證列車安全高效運(yùn)行的信號(hào)系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)廣泛的應(yīng)用于軌道交通的道岔控制，當(dāng)其發(fā)生故障，則列車將無(wú)法按照預(yù)定徑路安全的在線路上運(yùn)行，輕則造成列車晚點(diǎn)，重則導(dǎo)致列車發(fā)生傾覆、掉道等安全事故。當(dāng)?shù)啦砜刂葡到y(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如何準(zhǔn)確定位故障位置和類型，對(duì)于及時(shí)的排除故障，減少故障延時(shí)，保證列車運(yùn)行安全，提高軌道交通的運(yùn)輸效率意義重大。對(duì)于S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的故障診斷仍舊停留在依靠工作人員的個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單儀表進(jìn)行檢測(cè)的階段，處理故障困難，故障延時(shí)較長(zhǎng)。

AtamuradovV等人基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃模型建立了道岔故障診斷專家系統(tǒng)，檢測(cè)道岔故障［1］；RobertsC等人通過(guò)檢測(cè)道岔的轉(zhuǎn)速、壓力等相關(guān)參數(shù)，建立了多項(xiàng)式模型函數(shù)實(shí)現(xiàn)故障診斷［2］。翟永強(qiáng)等人通過(guò)建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔啟動(dòng)及表示電路的故障診斷［3］。趙林海等人基于道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)典型故障下的動(dòng)作功率曲線變化規(guī)律，提出一種基于灰關(guān)聯(lián)的道岔故障診斷方法［4］。

1　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法及改進(jìn)

1.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法

BP（BackPropagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其由輸入層、若干隱含層和輸出層組成，如圖1所示，為典型的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個(gè)過(guò)程組。輸入層各神經(jīng)元負(fù)責(zé)接收來(lái)自外界的輸入信息，并傳遞給中間層各神經(jīng)元；中間層負(fù)責(zé)信息變換，輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。當(dāng)實(shí)際輸出與期望輸出不符時(shí)，進(jìn)入誤差的反向傳播階段，不斷調(diào)整權(quán)值和閾值，直到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可以接受的程度，或者預(yù)先設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止［5］。

圖1　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，第k層j個(gè)神經(jīng)元的輸入輸出關(guān)系可表達(dá)為：

其中，wij（k-1）為第k-1層中第i個(gè)神經(jīng)元與第k層j個(gè)神經(jīng)元的連接強(qiáng)度；bj（k）為對(duì)應(yīng)神經(jīng)元閾值；fj（k）第k層j個(gè)神經(jīng)元的傳遞函數(shù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是取各神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為：

1.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在迭代計(jì)算的過(guò)程中，采用梯度下降法，容易使權(quán)值陷入局部極小值。而且由于學(xué)習(xí)速率是固定的，因此網(wǎng)絡(luò)的收斂速度慢，需要較長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間。為了解決這些問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

1）采用附加動(dòng)量法來(lái)解決局部極小值問(wèn)題。在本次誤差計(jì)算所得的權(quán)值調(diào)整量上加上前一次權(quán)值調(diào)整量的一部分，即：

其中，wij（k-1）（t）為當(dāng)前權(quán)；wij（k）（t+1）為修正后的權(quán)；δhj（k）為誤差傳遞項(xiàng)；α為動(dòng)量因子；η為學(xué)習(xí)速率

2）采用自適應(yīng)的學(xué)習(xí)速率，根據(jù)誤差變化而自動(dòng)的調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)速率，從而增加算法的穩(wěn)定性，提高其收斂速度。自適應(yīng)的學(xué)習(xí)速率為：

其中，e（t）為第t步的誤差。

2　S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路分析

S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路，如圖2所示，主要包含RD1、RD2、RD3、RD4熔斷器，BD表示變壓器，1DQJ、BHJ、2DQJ、1DQJF、DBQ、TJ、DBJ、FBJ 繼 電器。采用五線制控制，每線電阻應(yīng)小于54Ω，X1、X2、X5為定位啟動(dòng)線；X1、X3、X4為反位啟動(dòng)線；X1、X2、X4為定位表示線；X1、X3、X5為反位表示線［5，6］。

圖2　S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路

S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障，一般分為啟動(dòng)電路故障和表示電路故障：

1）啟動(dòng)電路故障：

a．1DQJ勵(lì)磁或自閉電路故障；

b．2DQJ電路故障；

2）表示電路故障

a.定位表示電路故障；

b.反位表示電路故障。

2.1啟動(dòng)電路分析

啟動(dòng)電路主要是為了接通或斷開(kāi)轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)電路，控制轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作的電路，主要包括1DQJ勵(lì)磁與自閉電路，2DQJ轉(zhuǎn)極電路，單獨(dú)操縱道岔，定位向反位轉(zhuǎn)換時(shí)的控制電路動(dòng)作過(guò)程：

1）1DQJ勵(lì) 磁 吸 氣 ；KZ→CA61-62→SJ81-82→1DQJ3-4→2DQJ141-142→AJ11-12→KF-ZFJ；

2）1DQJF勵(lì)磁吸氣；KZ→1DQJF1-2→TJ33-31→1DQJ31-32→KF；

3）2DQJF轉(zhuǎn)極；KZ→1DQJF41-42→1DQJ1-2→AJ11-12→KF-ZFJ；

電動(dòng)機(jī)得電過(guò)程如圖3所示。

圖3　反位起動(dòng)電路簡(jiǎn)化圖

反位啟動(dòng)電路故障電氣特性參考值，如表1所示，S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)電路典型故障主要有：（1）A1為1DQJF21-22接點(diǎn)接觸不良；（2）A2為X3室內(nèi)斷線；（3）A3為X3室外斷線；（4）A4為1DQJF11-12接點(diǎn)接觸不良；（5）A5為X4室內(nèi)斷線；（6）A6為X4室外斷線；（7）A7為1DQJ11-12接點(diǎn)接觸不良；（8）A8為X1室內(nèi)斷線；（9）A9為X1室外斷線；（10）A10為X2室內(nèi)斷線；（11）A11為X2室外斷線；（12）A12為X5室內(nèi)斷線；（13）A13為X5室外斷線。

B3為 1DQJF11—1DQJF21間交流電壓；B2為1DQJ11—1DQJF21間交流電壓；B1為1DQJ11—1DQJF11間交流電壓；B4為X1、X3間交流電壓；B5為X1、X4間交流電壓；B6為X3、X4間交流電壓。

表1　反位啟動(dòng)電路故障電氣特性參考值

2.2表示電路典型故障分析

表示電路是指將道岔所處的位置和狀態(tài)通過(guò)電路傳遞到信號(hào)樓并顯示，包括定位表示電路和反位表示電路，在此，僅以反位表示電路進(jìn)行分析，其反位表示電路簡(jiǎn)化圖如圖4所示：

圖4　反位表示電路簡(jiǎn)化圖

DJZ220→熔斷器RD4→表示變壓器→R1→1DQJ23-21→2DQJ131-133→1DQJF23-21→2DQJ121-123→分線盤X3→21-22接點(diǎn)→45-46接點(diǎn)→電阻R→二極管Z→24-23接點(diǎn)→電機(jī)線圈→分線盤X1→1DQJ11-13→表示變壓器→DJF220。

二極管與FBJ的接通公式為：

FBJ線圈端子1→1DQJF23-21→2DQJ121-123→分線盤X3→21-22接點(diǎn)→45-46接點(diǎn)→電阻R→二極管Z→24-23接點(diǎn)→電機(jī)線圈→41-42接點(diǎn)→分線盤X5→FBJ線圈端子4。

S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)表示電路典型故障主要有：（1）A14表示正常電壓；（2）A15表示FBJ短路；（3）A16表示室外混線；（4）A17表示電源故障或室內(nèi)公共部分?jǐn)嗑€；（5）A18表示R1短路；（6）A19表示二極管短路；（7）A10表示X5室內(nèi)斷線；（8）A21表示X5室外斷線；（9）A22表示X3室內(nèi)斷線；（10）A23表示X3室外斷線；（11）A24表示X1室外斷線；（12）A25表示整流匣短路。

C1表示FBJ繼電器1-4端電壓；C2表示R1兩端電壓；C3表示X1、X3間電壓；C4表示X1、X5間電壓；C5表示X3、X5間電壓。反位表示故障時(shí)的部分電氣特性參考值，見(jiàn)表2。

表2　反位表示故障時(shí)的部分電氣特性參考值

3　網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測(cè)試

S700K型轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路，由表1知，其啟動(dòng)電路監(jiān)測(cè)參數(shù)為6種；由表2知，其反位表示電路的監(jiān)測(cè)參數(shù)有10種。因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元數(shù)M為16；啟動(dòng)電路和反位表示電路的故障類型共有25種，因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層神經(jīng)元數(shù)L為25?；贛atlab工具箱，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法，設(shè)置學(xué)習(xí)率為0.05，動(dòng)量系數(shù)為0.9，最大訓(xùn)練次數(shù)為5000，將歸一化的若干樣本進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練過(guò)程收斂速度快，誤差小，如圖5所示，為訓(xùn)練目標(biāo)為0.001的誤差曲線，可看出網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)過(guò)10次訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到要求。

圖5　訓(xùn)練目標(biāo)為0.001的誤差曲線

將待測(cè)的歸一化樣本進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際值與理想值的誤差對(duì)比，如圖6所示，最大誤差為.0.1275，這說(shuō)明，針對(duì)S700K星轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型很好地表達(dá)了控制電路故障和各個(gè)影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律。

圖6　實(shí)際值與理想值的誤差對(duì)比

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)S700K星轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路故障定位和檢測(cè)精度不高，故障延時(shí)長(zhǎng)的現(xiàn)狀，通過(guò)分析于S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的特點(diǎn)，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模型，并對(duì)其容易陷入局部最小值和收斂速度慢的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)。測(cè)試結(jié)果表明了該方法的有效性和準(zhǔn)確性，效果良好，能夠滿足軌道交通現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，并且對(duì)ZYJ7型電液轉(zhuǎn)轍機(jī)、ZD6星電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路的故障診斷有一定的借鑒意義。

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U216.3

江門市基礎(chǔ)與理論科學(xué)研究類項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：20150030004128。