基于模糊集對(duì)分析的軌道電路分路不良預(yù)警方法研究

王梓丞，易立富，虞凱，朱明，楊城

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

1 研究背景

軌道電路是以鋼軌為導(dǎo)體，用于自動(dòng)、連續(xù)檢測(cè)線路是否被車輛占用的電路。由于軌道電路沿鐵路線路鋪設(shè)，其工作性能受室外環(huán)境的影響較大。例如，鋼軌表面易受污染導(dǎo)致分路電阻變化較大，從而出現(xiàn)分路不良故障，對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)母甙踩⒏咝试斐蓸O大威脅。因此，本文提出了基于模糊集對(duì)分析的軌道電路分路不良預(yù)警策略，輔助現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)早期故障，避免影響行車安全。

2 分路不良預(yù)警方法流程

基于模糊集對(duì)分析的軌道電路分路不良預(yù)警流程如下：

（1）指標(biāo)選取，選取軌道電壓(V)、軌旁濕度(H)、溫度(T)以及故障累計(jì)次數(shù)(N)作為預(yù)警模型的預(yù)警指標(biāo)。為使各指標(biāo)具有可比性，將樣本數(shù)據(jù)歸一化為無量綱的指標(biāo)值，其值域?yàn)閇0,1]。

（2）等級(jí)劃分，結(jié)合樣本嚴(yán)重程度劃分為紅色、橙色、黃色及綠色預(yù)警等級(jí)，分別用S1，S2，S3，S4表示。

（3）指標(biāo)權(quán)重求解，利用層次分析法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)專家經(jīng)驗(yàn)求解指標(biāo)權(quán)重。

（4）指標(biāo)權(quán)重優(yōu)化，基于灰色關(guān)聯(lián)理論優(yōu)化步驟3中得到的指標(biāo)權(quán)重。

（5）計(jì)算指標(biāo)值集合虞預(yù)警等級(jí)集合中各個(gè)預(yù)警等級(jí)的綜合同異反模糊聯(lián)系度。

（6）比較指標(biāo)值集合與預(yù)警等級(jí)集合中各預(yù)警等級(jí)的綜合同異反模糊聯(lián)系度，最大的預(yù)警等級(jí)作為指標(biāo)值集合的預(yù)警等級(jí)。

3 實(shí)例分析

本文以現(xiàn)有典型軌道電路分路不良故障為基礎(chǔ)，建立樣本數(shù)據(jù)集合Q=[Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7]，如表1所示，其中Qm=[U,H,T,N]，m=1,2…,7。前5組數(shù)據(jù)為參考樣本，后2組數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)樣本，歸一化處理結(jié)果見表2，預(yù)警等級(jí)范圍如表3所示。

表1 樣本數(shù)據(jù)

表2 預(yù)處理后實(shí)測(cè)樣本（歸一化）

表3 預(yù)警等級(jí)

基于三位專家的經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造判斷矩陣，用層次分析法得到指標(biāo)權(quán)重矩陣如表4所示。

表4 指標(biāo)權(quán)重矩陣

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)理論計(jì)算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，歸一化后得到最終優(yōu)化的指標(biāo)權(quán)重矢量ω=[0.6230,0.1358,0.1357,0.1055]。

以表3實(shí)測(cè)樣本7為例，根據(jù)前述判斷標(biāo)準(zhǔn)，Q7與各預(yù)警等級(jí)的聯(lián)系度表達(dá)式如式（1）～（4）：

式中，Q7為第7個(gè)樣本數(shù)據(jù)集合；S1、S2、S3、S4分別為紅色、橙色、黃色及綠色預(yù)警等級(jí)；i為差異度系數(shù)；j為對(duì)立系數(shù)。

以確定中差異度系數(shù)i為例，當(dāng)x1=0.833，x1∈[S2,S3]（其中S2=0.533，S3=0.933）時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（5）。

式（5）中，k=1,2,3,4。

得式（6）。

當(dāng)x4=0.75，x4∈[S2,S3]（其中S2=0.5，S3=0.75）時(shí)，將數(shù)據(jù)代入式（5）得式（7）。

結(jié) 合4個(gè) 指 標(biāo) 的 權(quán) 重ω=[ω1，ω2，ω3，ω4]=[0.6230，0.1358,0.1357,0.1055]，求得最終得到綜合模糊聯(lián)系度如式（8）。

再將所求得的綜合同異反模糊聯(lián)系度代入式（2）的差異度系數(shù)i中，得式（9）。

此時(shí)，所有的數(shù)據(jù)信息被全部利用，能滿足準(zhǔn)確度的要求，取i=0，j=-1，代入式(10)：

根據(jù)上述方法，再計(jì)算實(shí)測(cè)樣本6的聯(lián)系度，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 實(shí)測(cè)樣本6聯(lián)系度的計(jì)算與結(jié)果分析

第6組數(shù)據(jù)聯(lián)系度的最大值為0.7342，此時(shí)，軌道區(qū)段在綠色預(yù)警信號(hào)區(qū)域，軌道電路能夠正常工作，將其軌道電壓值保存為調(diào)整最大值。同理，第7組數(shù)據(jù)聯(lián)系度的最大值為0.54769，軌道區(qū)段在黃色預(yù)警信號(hào)區(qū)域，其中第7組數(shù)據(jù)表明軌道電路在分路狀態(tài)下工作，其分路殘壓較高，易于發(fā)生軌道電路分路不良故障，針對(duì)此種情況，現(xiàn)場(chǎng)工作人員應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視，必要時(shí)，采取一定的措施。

4 結(jié)語

通過實(shí)例分析與計(jì)算，得到的預(yù)警結(jié)果與分別采用模糊模式識(shí)別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及雷達(dá)圖法對(duì)軌道電路分路不良預(yù)警的結(jié)果一致，驗(yàn)證了預(yù)警結(jié)果的正確性。除此之外，基于模糊集對(duì)分析的預(yù)警方法計(jì)算簡(jiǎn)單，具有可操作性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程的優(yōu)點(diǎn)。