THDS系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果有效性識(shí)別方法的研究與實(shí)現(xiàn)

陳 冬 上海鐵路局車輛處

THDS系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果有效性識(shí)別方法的研究與實(shí)現(xiàn)

陳 冬 上海鐵路局車輛處

通過(guò)對(duì)THDS系統(tǒng)探測(cè)出的32點(diǎn)波形進(jìn)行特征分析，提出一種基于特征值檢測(cè)的THDS系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果有效性的識(shí)別方法。該方法準(zhǔn)確率高，顯著優(yōu)于現(xiàn)有識(shí)別算法，對(duì)提高THDS系統(tǒng)熱軸兌現(xiàn)率及早期預(yù)警功能有明顯作用。

THDS；32點(diǎn)波形；特征值；識(shí)別

鐵路車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS），又稱為紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)，是利用軌邊紅外線高速探頭和智能跟蹤裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行車輛的軸承溫度，進(jìn)行跟蹤預(yù)報(bào)，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛熱軸、預(yù)防熱切軸，確保鐵路運(yùn)輸安全的重要設(shè)備。

1 概況

中國(guó)鐵路總公司頒發(fā)的《車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS）設(shè)備檢修維護(hù)管理規(guī)程》中規(guī)定，THDS設(shè)備兌現(xiàn)率須達(dá)到70%以上。兌現(xiàn)率的計(jì)算方法如下：

運(yùn)行的列車經(jīng)過(guò)THDS設(shè)備時(shí)，紅外探頭會(huì)連續(xù)采集車輛軸承部位左右共50 cm范圍內(nèi)的溫度，實(shí)際采集值為電壓值；將采集到的連續(xù)電壓值在50 cm范圍內(nèi)平均劃分為32個(gè)區(qū)域，取出每個(gè)區(qū)域的最大值，即32點(diǎn)電壓值；對(duì)數(shù)據(jù)32點(diǎn)電壓值進(jìn)行歸一化處理，得到的32個(gè)0～100區(qū)間的數(shù)值，形成波形圖，表示軸溫的32點(diǎn)波形，稱為“32點(diǎn)波形”；后由程序取出“32點(diǎn)波形”中的電壓最大值并通過(guò)公式換算為溫度值，作為該軸承部位的最高溫度，按照熱軸預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)報(bào)。普通貨車滾動(dòng)軸承32點(diǎn)波形圖見圖1。

在THDS系統(tǒng)完整的溫度計(jì)算過(guò)程中，共有三組數(shù)據(jù)輸出，分別是軸承部位連續(xù)50 cm范圍的電壓值、32點(diǎn)電壓值、32點(diǎn)電壓最大值。32點(diǎn)電壓值即為將軸承部位連續(xù)50 cm范圍的電壓值平均劃分為32個(gè)區(qū)域，取出每個(gè)區(qū)域的最大值，組成32點(diǎn)電壓值。32點(diǎn)電壓最大值是“32點(diǎn)波形”中最大的電壓值，為一個(gè)或者多個(gè)相同值。

圖1 最常見的軸承32點(diǎn)波形

如果對(duì)軸承附近連續(xù)50 cm范圍內(nèi)的所有電壓值進(jìn)行有效性識(shí)別，計(jì)算量太大，容易影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；若對(duì)最終的32點(diǎn)電壓最大值進(jìn)行有效性識(shí)別，則會(huì)由于特征不明顯無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別。因此一般采用對(duì)計(jì)算過(guò)程中生成的“32點(diǎn)波形”數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性識(shí)別，優(yōu)化計(jì)算量并提高識(shí)別準(zhǔn)確性。

由于紅外探頭在探測(cè)過(guò)程中還會(huì)受到外界因素的影響，因此作為熱軸預(yù)報(bào)依據(jù)的“32點(diǎn)波形”的最大值有可能不是真實(shí)軸承的溫度，若不對(duì)其進(jìn)行異常檢測(cè)，則容易出現(xiàn)誤報(bào)熱軸的現(xiàn)象，降低兌現(xiàn)率。

2 特征值檢測(cè)步驟

為降低THDS系統(tǒng)熱軸誤報(bào)的數(shù)量，提高THDS設(shè)備的兌現(xiàn)率，需要對(duì)測(cè)溫結(jié)果的有效性進(jìn)行判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)在測(cè)溫過(guò)程中存在異常干擾時(shí)，不預(yù)報(bào)熱軸或降級(jí)預(yù)報(bào)熱軸。其具體步驟如下：步驟一：選取軸承測(cè)溫值無(wú)效的訓(xùn)練樣本，對(duì)所有訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)中的32點(diǎn)電壓值均進(jìn)行歸一化處理；步驟二：對(duì)每一個(gè)歸一化處理后的訓(xùn)練樣本提取特征值，形成特征數(shù)據(jù)集；每個(gè)訓(xùn)練樣本均有多個(gè)特征值，所有的特征值組成特征數(shù)據(jù)集。步驟三：利用訓(xùn)練樣本的特征數(shù)據(jù)集生成并訓(xùn)練32點(diǎn)波形有效性分類器。對(duì)全部訓(xùn)練樣本提取特征值后，通過(guò)對(duì)訓(xùn)練樣本特征值的分析歸納，找出能夠準(zhǔn)確區(qū)分訓(xùn)練樣本和正常樣本的有效性分類器參數(shù)。步驟四：對(duì)采集到的32點(diǎn)波形進(jìn)行有效性判斷。具體判斷步驟為：①將采集到的32點(diǎn)電壓值，按著步驟一進(jìn)行歸一化處理；②對(duì)歸一化后的數(shù)值，結(jié)合訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)；分別按步驟二中的特征值對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到其特征值結(jié)果；③將特征值結(jié)果輸入到有效性分類器中進(jìn)行檢測(cè)；輸出有效性識(shí)別結(jié)果，結(jié)果顯示：該特征值有效或無(wú)效，并輸出詳細(xì)的判斷依據(jù)。

為了提高有效性分類器的準(zhǔn)確性，選用的樣本為2013年1月1日至2014年10月8日全路使用北京康拓紅外技術(shù)股份有限公司THDS設(shè)備的貨運(yùn)列車所有預(yù)報(bào)熱級(jí)的軸承數(shù)據(jù)，全部樣本數(shù)據(jù)共9 952條。其中，預(yù)報(bào)強(qiáng)激熱的軸承數(shù)據(jù)是299條，實(shí)際由于干擾等因素影響而使最終測(cè)溫值無(wú)效的數(shù)據(jù)樣本有114條，將這114條作為訓(xùn)練樣本使用，剩余的185條樣本數(shù)據(jù)稱為正常樣本。每個(gè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)包括：熱級(jí)、THDS設(shè)備類型、輛序、軸位、內(nèi)外探標(biāo)志、車型、32點(diǎn)電壓最大值、32點(diǎn)電壓最小值、32點(diǎn)電壓值和天空值過(guò)高標(biāo)志。通過(guò)逐一對(duì)其中的異常波形進(jìn)行分析，提取特征，得到特征值（見表1）。

表1 本方法對(duì)訓(xùn)練樣本的識(shí)別準(zhǔn)確率

3 特征值的特征

（1）平頂點(diǎn)數(shù)：將每一個(gè)訓(xùn)練樣本中的32點(diǎn)電壓值均進(jìn)行歸一化處理后，得到的第一個(gè)最大數(shù)值點(diǎn)及其左右兩側(cè)連續(xù)的超過(guò)95的點(diǎn)數(shù)，作為平頂點(diǎn)數(shù)特征值。本特征值主要用來(lái)判斷以下幾種波形，他們的共同特點(diǎn)是最大值點(diǎn)比較“突出”，若軸承溫度達(dá)到一定程度，由于其金屬特性，最高溫度分布應(yīng)該較為均衡，不應(yīng)只在一點(diǎn)或一塊很小區(qū)域出現(xiàn)最大值。平頂點(diǎn)數(shù)波形圖見圖2。

圖2 平頂點(diǎn)數(shù)波形圖

（2）波形寬度：將每一個(gè)訓(xùn)練樣本中的32點(diǎn)電壓值均進(jìn)行歸一化處理后，得到的第一個(gè)最大數(shù)值點(diǎn)及其左右兩側(cè)連續(xù)超過(guò)80的點(diǎn)數(shù)，作為波形寬度特征值。本特征值主要用來(lái)判斷以下幾種波形，這個(gè)特征值屬于第一項(xiàng)的另一個(gè)特例情況，由于探測(cè)部位寬度已知（約為500 mm），不應(yīng)出現(xiàn)只有很窄的溫度波形。波形寬度波形圖見圖3。

圖3 波形寬度波形圖

（3）飽和寬度：當(dāng)訓(xùn)練樣本中的32點(diǎn)電壓最大值超過(guò)9 990 mV但未超過(guò)10 000 mV時(shí)，將32點(diǎn)電壓值歸一化后，對(duì)應(yīng)的第一個(gè)最大數(shù)值點(diǎn)及其左右兩側(cè)連續(xù)超過(guò)90的點(diǎn)數(shù)，作為飽和寬度特征值。本特征值主要用來(lái)判斷以下幾種波形，飽和時(shí)，說(shuō)明溫度已經(jīng)達(dá)到探測(cè)器的最大量程，其溫度極高，應(yīng)該在可探測(cè)區(qū)域內(nèi)保持溫度高的一致性，飽和部位不應(yīng)只出現(xiàn)在很窄的區(qū)域。飽和寬度波形圖見圖4。

圖4 飽和寬度波形圖

（4）飽和時(shí)歸一化后小于20的點(diǎn)數(shù)：當(dāng)訓(xùn)練樣本中的32點(diǎn)電壓最大值超過(guò)9 990 mV但未超過(guò)10 000 mV時(shí)，將32點(diǎn)電壓值歸一化后，統(tǒng)計(jì)數(shù)值小于20的點(diǎn)數(shù)，作為飽和時(shí)歸一化后小于20的點(diǎn)數(shù)特征值，該特征值結(jié)果為數(shù)字。本特征值主要用來(lái)判斷以下幾種波形，一種是一條直線，表現(xiàn)為全部飽和，此時(shí)可能是受到陽(yáng)光干擾等因素；另一種是從飽和開始呈下降趨勢(shì)，此種情況的波形成因未知。飽和時(shí)歸一化波形圖見圖5。

圖5 飽和時(shí)歸一化波形圖

（5）能量：使用歸一化后的32點(diǎn)數(shù)值之和；能量的結(jié)果位于0～3200之間。本特征值主要用來(lái)判斷以下幾種波形，此時(shí)軸承的能量超出了其應(yīng)有的能量范圍。能量波形圖見圖6。

圖6 能量波形圖

（6）激熱電壓低標(biāo)志：當(dāng)熱級(jí)為激熱時(shí)，32點(diǎn)電壓最大值未超過(guò)-3 V時(shí)，設(shè)置訓(xùn)練樣本中的激熱電壓低標(biāo)志特征值為1，否則設(shè)置為0。本特征值主要用來(lái)判斷如圖7所示波形，圖7所示波形預(yù)報(bào)結(jié)果為激熱，但其電壓最大值只有-3530 mV，可能是由于環(huán)溫故障導(dǎo)致預(yù)報(bào)熱軸。激熱電壓低標(biāo)準(zhǔn)波形圖見圖7。

圖7 激熱電壓低標(biāo)準(zhǔn)波形圖

（7）罐車、箱車陽(yáng)光干擾標(biāo)志：當(dāng)車型為G或X，且歸一化后前三點(diǎn)數(shù)值均大于80，且存在天空值高標(biāo)志，且軸位為1軸或3軸時(shí)，置本標(biāo)志位為1，否則置為0。本特征值主要用來(lái)判斷以下幾種波形。當(dāng)車型為罐車或箱車，且在1、3軸位，由于軸承附近部位沒(méi)有遮擋，探測(cè)時(shí)探測(cè)器會(huì)探測(cè)到太陽(yáng)，導(dǎo)致溫度異常。罐車、箱車陽(yáng)光干擾波形圖見圖8。

圖8 罐車、箱車陽(yáng)光干擾波形圖

4 分類器介紹

為能依據(jù)特征，將波形的正常和異常進(jìn)行區(qū)分，需要針對(duì)每個(gè)特征值創(chuàng)建分類器（見表2）。

表2 分類器匯總表

5 實(shí)際應(yīng)用情況及結(jié)論

在測(cè)試系統(tǒng)上，對(duì)從2015年2月至2016年2月期間的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算判別，對(duì)微熱級(jí)別的異常波形判別準(zhǔn)確率為98.2%，對(duì)微熱熱級(jí)的正常波形判別準(zhǔn)確率為99.1%，對(duì)強(qiáng)激熱熱級(jí)的異常波形判別準(zhǔn)確率為100%，對(duì)強(qiáng)激熱熱級(jí)的正常波形判別準(zhǔn)確率為100%。

經(jīng)過(guò)訓(xùn)練樣本與真實(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)試，本文研究的基于特征值識(shí)別的THDS系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果有效性識(shí)別方法準(zhǔn)確率高，能大幅提升熱軸預(yù)報(bào)的效果，全面適應(yīng)了鐵路發(fā)展的新形勢(shì)，可以更好地為鐵路運(yùn)輸安全提供可靠保障。

責(zé)任編輯：王華 傅佩喜

來(lái)稿日期：2016-08-17