基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)車(chē)組預(yù)警系統(tǒng)研究

【摘要】應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的泛化能力對(duì)動(dòng)車(chē)組（EMU）監(jiān)控系統(tǒng)加以改進(jìn)，使動(dòng)車(chē)組監(jiān)控系統(tǒng)具備檢測(cè)潛在故障源并預(yù)警的能力，同時(shí)將無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）應(yīng)用到動(dòng)車(chē)組監(jiān)控系統(tǒng)，定時(shí)獲取并快速傳輸動(dòng)車(chē)組設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。本文以動(dòng)車(chē)組受電弓工作電壓為例建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。模擬和仿真結(jié)果表明，該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確判斷故障趨勢(shì)并起到預(yù)警的作用，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)控系統(tǒng)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)

目前，動(dòng)車(chē)組大多采用機(jī)車(chē)微機(jī)控制監(jiān)視系統(tǒng)[1]（TCMS），其主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)特性控制、邏輯控制、故障監(jiān)視和自我診斷，并將信息傳送到司機(jī)操縱臺(tái)上的微機(jī)顯示屏給司機(jī)以直觀的反映機(jī)車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)。但該監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)故障判斷的準(zhǔn)確性和快速性存在不足。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)車(chē)組預(yù)警系統(tǒng)是在機(jī)車(chē)微機(jī)控制監(jiān)視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)展趨勢(shì)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力的特性，對(duì)機(jī)車(chē)微機(jī)控制監(jiān)視系統(tǒng)加以改進(jìn)，使得機(jī)車(chē)微機(jī)控制監(jiān)視系統(tǒng)具備一定的預(yù)警能力。同時(shí)，將無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)車(chē)組監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車(chē)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和傳輸[2]，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，?shí)現(xiàn)潛在故障源的精確定位，很好地提高監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)動(dòng)車(chē)組監(jiān)控的快速性和準(zhǔn)確性。完善后的動(dòng)車(chē)組監(jiān)控系統(tǒng)，可減少人為誤差、減少工作人員工作量，在發(fā)生故障時(shí)，可使鐵路監(jiān)控中心及時(shí)做出決策，降低事故造成的損失，在很大程度上保障旅客的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

１．BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2.2系統(tǒng)設(shè)備選型及主要性能

（1）采用UHF頻段的RFID標(biāo)簽。UHF頻段包括433.92MHz和860～930MHz兩個(gè)不同范圍，該頻段的RFID標(biāo)簽最遠(yuǎn)識(shí)別距離可達(dá)6m，能夠滿足動(dòng)車(chē)組車(chē)廂內(nèi)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的識(shí)別與采集，且該頻段的DFID標(biāo)簽具有識(shí)別速度快和通訊品質(zhì)佳的優(yōu)點(diǎn)[4]，能滿足動(dòng)車(chē)組RFID系統(tǒng)的要求。

（2）采用有源可讀寫(xiě)標(biāo)簽電子標(biāo)簽，有源電子標(biāo)簽發(fā)射功率大，傳輸速度、傳輸距離、穩(wěn)定性均比無(wú)源電子標(biāo)簽好，鋰電池壽命在10年以上。同時(shí)，可讀寫(xiě)標(biāo)簽內(nèi)部的存儲(chǔ)器除了RAM，ROM和緩沖存儲(chǔ)器之外，還有非活動(dòng)可編程記憶存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原有數(shù)據(jù)的擦除及數(shù)據(jù)的重新寫(xiě)入。

（3）采用發(fā)射功率小于100mW的閱讀器，符合國(guó)際微波衛(wèi)生安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3系統(tǒng)工作原理

在動(dòng)車(chē)組中，各設(shè)備均裝有監(jiān)控設(shè)備，如溫度、壓力、電壓、電流、速度傳感器等。將傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，獲得行車(chē)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RFID系統(tǒng)的應(yīng)答器中儲(chǔ)存?？刂芌FID系統(tǒng)的閱讀器定時(shí)與應(yīng)答器進(jìn)行通訊，獲取應(yīng)答器中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控終端電腦，將采集到的行車(chē)數(shù)據(jù)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)行車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。判斷動(dòng)車(chē)組設(shè)備是否存在潛在的危險(xiǎn)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果及時(shí)地傳送至動(dòng)車(chē)機(jī)組及鐵路運(yùn)行監(jiān)控部門(mén)。

3.系統(tǒng)建模及仿真

3.1訓(xùn)練樣本的選取

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中的重要參數(shù)有：受電弓電壓[5]、主斷路器開(kāi)端容量、高壓電流互感器變流比、牽引電機(jī)功率等。由動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行中各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化非常復(fù)雜，難以判斷某個(gè)或某些設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的某個(gè)發(fā)展趨勢(shì)能夠引起設(shè)備故障。

本文以某一車(chē)廂受電弓工作電壓為例，研究了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在動(dòng)車(chē)組在線監(jiān)控[6]中的應(yīng)用。

動(dòng)車(chē)組受電弓工作電壓變化選取以下基本趨勢(shì)：

（1）受電弓工作電壓發(fā)生較大突變（突變范圍大于額定工作電壓的4%），系統(tǒng)報(bào)警。

（2）受電弓工作電壓超過(guò)額定工作電壓長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)升高或低于額定工作電壓長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)降低，系統(tǒng)報(bào)警。

（3）受電弓工作電壓超過(guò)額定工作電壓短時(shí)間持續(xù)升高或低于額定工作電壓短時(shí)間持續(xù)減低，最后返回額定工作電壓，系統(tǒng)不報(bào)警。

（4）受電弓工作電壓為額定工作電壓上下小范圍浮動(dòng)，此時(shí)不報(bào)警。

4.結(jié)論

本次BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障趨勢(shì)的模擬結(jié)果與訓(xùn)練樣本誤差小于1%，能夠準(zhǔn)確地判斷出故障趨勢(shì)，可在故障發(fā)生前，在動(dòng)車(chē)組上報(bào)警，可減少動(dòng)車(chē)組故障所造成的損失。

由于動(dòng)車(chē)組為一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)行系統(tǒng)，其中擁有許多極為復(fù)雜的運(yùn)行設(shè)備。因此，為了能設(shè)計(jì)出功能更為完整、判斷更為準(zhǔn)確的動(dòng)車(chē)組監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，需采集更多各類(lèi)動(dòng)車(chē)組設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，組建動(dòng)車(chē)組監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行大量的訓(xùn)練，使得建立的網(wǎng)絡(luò)模型具有很好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 [科]

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