軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)故障定位研究

齊琳

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)城市軌道已初步實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的管理模式。但在高壓輸電線路以及無(wú)分支線路的關(guān)聯(lián)配電背景下，實(shí)際的信號(hào)定位傳輸程序具有單一的特點(diǎn)，在面對(duì)軌道交通環(huán)境時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)姆种н^(guò)多，且故障定位的結(jié)構(gòu)和渠道較復(fù)雜，線路長(zhǎng)度較短，致使故障定位的結(jié)果不準(zhǔn)確，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)故障的定位誤差[1-3]。信號(hào)定位端點(diǎn)的差異以及各網(wǎng)絡(luò)處理分支節(jié)點(diǎn)的變化會(huì)使故障點(diǎn)處的波阻形成不連續(xù)的情況，造成在對(duì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制的過(guò)程中，故障反射行波與定位信號(hào)疊加在一起[4-5]。另外，軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化控制與信號(hào)的故障定位實(shí)際上也存在著較大的聯(lián)系[6]。傳統(tǒng)的信號(hào)故障定位效果相對(duì)較差，主要是因?yàn)槎ㄎ坏姆较蚺c模式是單一的，不能滿足多方向故障定位的需求。所以，面對(duì)這種情況，需依據(jù)實(shí)際需求，創(chuàng)建更加靈活多變且穩(wěn)定的信號(hào)故障定位方法，以確保軌道交通網(wǎng)絡(luò)化控制效果的提升[7-8]。

鑒于此，本文將對(duì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)故障定位進(jìn)行分析與研究。在真實(shí)環(huán)境下創(chuàng)建軌道交通網(wǎng)絡(luò)化的背景，結(jié)合雙向的信號(hào)故障定位模式，采集并匯總相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)雙端行波定位法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的準(zhǔn)確定位，以此優(yōu)化傳統(tǒng)的信號(hào)故障定位模式，提升故障定位結(jié)果的精準(zhǔn)性與可靠性。

1 軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)故障定位方法

1.1 確定信號(hào)故障定位奇異點(diǎn)

在設(shè)計(jì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)故障定位方法前，需先確定其信號(hào)故障定位奇異點(diǎn)。定位奇異點(diǎn)實(shí)際上是信號(hào)變化的差值點(diǎn)，通常不是固定的，具有一定的變化性和不穩(wěn)定性。在實(shí)現(xiàn)故障定位前，只有確定奇異點(diǎn)的位置，才能進(jìn)一步確定故障的實(shí)際位置。所以，奇異點(diǎn)的確定也是軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)定位的基礎(chǔ)。在這個(gè)過(guò)程中，獲取軌道交通網(wǎng)絡(luò)的行波信號(hào)，當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)計(jì)算暫態(tài)行波來(lái)確定奇異核心點(diǎn)的位置。暫態(tài)行波核心波形值計(jì)算公式為：

式（1）中：W為暫態(tài)行波核心波形值；θ為故障影響范圍；R為執(zhí)行作用點(diǎn)的距離值；r為波形誤差值。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的暫態(tài)行波核心波形值。依據(jù)故障信號(hào)的作用位置，結(jié)合奇異點(diǎn)的核心距離，最終完成對(duì)信號(hào)故障定位奇異點(diǎn)的確定。

1.2 提取信號(hào)故障定位特征

在完成信號(hào)故障定位奇異點(diǎn)的確定后，需依據(jù)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)情況的變化提取信號(hào)故障定位特征。故障定位特征的提取是基于故障定位算法實(shí)現(xiàn)的，所以在這個(gè)過(guò)程中，只有精準(zhǔn)地明確信號(hào)故障的實(shí)際特征，才能編制出具有針對(duì)性的定位方法。在上述設(shè)定的環(huán)境中，傳輸提取的單極接地故障信號(hào)，在負(fù)極通路間，為避免其他部分產(chǎn)生故障或異常，需匯總軌道交通網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行通路特征。然后，形成較為完整的執(zhí)行特征提取結(jié)構(gòu)，在軌道交通正常運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)的指令關(guān)聯(lián)故障定位特征與實(shí)際的執(zhí)行特征，形成融合特征的提取，依據(jù)初始的定位程序，完成信號(hào)故障定位特征的提取。

1.3 創(chuàng)建多維信號(hào)自動(dòng)定位模型

在完成信號(hào)故障定位特征提取后，創(chuàng)建多維信號(hào)自動(dòng)定位模型。通常情況下，對(duì)軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)的處理與定位是相對(duì)繁雜的，多項(xiàng)信號(hào)的注入與定位實(shí)際上與首端配置信號(hào)裝置具有關(guān)聯(lián)性。故障信號(hào)也分為單相故障定位和雙相故障定位，而當(dāng)信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，單元信號(hào)會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，依據(jù)變化范圍及特定頻差值，創(chuàng)建多維度信號(hào)自動(dòng)程序，結(jié)合軌道交通的檢測(cè)范圍，進(jìn)一步建立初始定位模型。軌道交通控制程序故障相位的二次回路所傳輸?shù)男盘?hào)可反映故障定位的實(shí)際變化特定頻差，而當(dāng)在控制出口處檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度并進(jìn)行故障判斷時(shí)，一旦出現(xiàn)異常，主站的傳遞區(qū)域會(huì)發(fā)出故障警示信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的定位。與此同時(shí)，軌道交通的定位處于雙向循環(huán)中，在故障區(qū)域會(huì)實(shí)現(xiàn)集成定位，軌道交通的各分支定位控制單元也會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送警示信號(hào)，隨即攜帶對(duì)應(yīng)的故障請(qǐng)求數(shù)據(jù)信號(hào)，接收的區(qū)域系統(tǒng)可通過(guò)特殊的軟件讀取故障的分支幅值，與相負(fù)荷信號(hào)融合，形成特定的故障定位信號(hào)，采用拓?fù)潢P(guān)系陣進(jìn)行定位效果反饋，具體如表1所示。

表1 拓?fù)潢P(guān)系故障定位矩陣標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定表

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)信息，最終可完成實(shí)際的拓?fù)潢P(guān)系故障定位矩陣標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)及拓?fù)錀l件的設(shè)立，設(shè)計(jì)多維信號(hào)自動(dòng)定位模型結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

圖1 多維信號(hào)自動(dòng)定位模型結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1采集信號(hào)地故障定位數(shù)據(jù)信息，最終可得出初始的定位結(jié)果。

1.4 通過(guò)小波變換模型極大值法實(shí)現(xiàn)故障的定位

在構(gòu)建多維信號(hào)自動(dòng)定位模型后，采用小波變換模型極大值法實(shí)現(xiàn)故障定位。在上述初始定位結(jié)果基礎(chǔ)上，利用小波變換模型極大值法計(jì)算出軌道交通網(wǎng)絡(luò)的末端范圍處理值，計(jì)算公式為：

式（2）中：L為末端范圍處理值；η為小波變換作用范圍。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的末端范圍處理值。在上述處理值范圍中，結(jié)合變換模型極大值和定位模型實(shí)現(xiàn)故障定位。

2 方法測(cè)試

本次測(cè)試主要針對(duì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)故障定位效果進(jìn)行驗(yàn)證與分析，測(cè)試方法分別為傳統(tǒng)的多端信號(hào)故障定位法和本文所設(shè)計(jì)的方法。兩組方法同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，為確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需在相同的測(cè)試環(huán)境下同時(shí)進(jìn)行，得出相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

需構(gòu)建仿真信號(hào)故障定位測(cè)試模型。選取10kV的主電路電壓作為測(cè)試的電壓環(huán)境，在每個(gè)運(yùn)營(yíng)區(qū)域中均需設(shè)定一個(gè)對(duì)應(yīng)的故障定位節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均獨(dú)立運(yùn)行但在應(yīng)用過(guò)程中存在不同程度、不同方向甚至不同范圍的聯(lián)系，最終得出的效果存在較大差異。信號(hào)故障定位節(jié)點(diǎn)分別位于母線末端和分支末端之間，所以，為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的中心控制區(qū)域部分設(shè)立相對(duì)應(yīng)的核心定位節(jié)點(diǎn)，將信號(hào)的檢測(cè)裝置添加進(jìn)執(zhí)行電路中，并增加對(duì)應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備。但需注意的是，應(yīng)盡量選擇小型的監(jiān)測(cè)設(shè)備，避免信號(hào)監(jiān)控及檢查時(shí)出現(xiàn)誤差或偏差，影響中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)定。另外，軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的各分支區(qū)段對(duì)應(yīng)不同的定位節(jié)點(diǎn)，所以在測(cè)試環(huán)境搭建過(guò)程中，需確定定位的實(shí)際范圍，并按式（3）計(jì)算出實(shí)際的數(shù)值：

式（3）中：H為定位的實(shí)際范圍；R′為單相定位系數(shù)；F為故障關(guān)聯(lián)比；α為定位極限誤差。

通過(guò)上述計(jì)算，最終得出定位的實(shí)際范圍。依據(jù)該范圍設(shè)立對(duì)應(yīng)的仿真信號(hào)故障定位模型，此模型為初始的定位模型，具有一定的單項(xiàng)性。隨即進(jìn)行二次加置，設(shè)定故障定位信號(hào)的模型傳輸信道。這部分主要由故障初始行波波頭執(zhí)行時(shí)間來(lái)確定，定位信號(hào)行波值計(jì)算公式為：

式（4）中：M為定位信號(hào)行波值；K為信號(hào)的傳輸范圍；c為傳輸?shù)念A(yù)設(shè)定位時(shí)間。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出實(shí)際的定位信號(hào)行波值，將其添加入模型中完成二次設(shè)定，進(jìn)而完成測(cè)試環(huán)境的搭建。隨后，核查測(cè)試的準(zhǔn)備及系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)確保不存在影響最終測(cè)試結(jié)果的外部因素，核查無(wú)誤后開(kāi)始測(cè)試。

2.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

在搭建的測(cè)試環(huán)境中開(kāi)始測(cè)試。依據(jù)實(shí)際的故障信號(hào)傳輸需求設(shè)立對(duì)應(yīng)的定位波段，在每個(gè)波段的終端設(shè)定定位節(jié)點(diǎn)，依據(jù)行波值劃分各定位節(jié)點(diǎn)，形成大范圍的控制波段。將波段的控制區(qū)域與軌道交通的控制網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一的控制指令，將其添加在定位的模型中，并將日常的定位數(shù)據(jù)信息匯總整合，導(dǎo)入信號(hào)故障定位模型中，形成定位的初始結(jié)果。將各定位節(jié)點(diǎn)依據(jù)同一協(xié)議連接在一起，形成定位總控制區(qū)后，使軌道交通網(wǎng)絡(luò)作出指令變更，設(shè)置故障節(jié)點(diǎn)，利用模型記錄變化的情況及數(shù)據(jù)信息后，按式（5）計(jì)算故障定位的實(shí)際誤差：

式（5）中：P為故障定位的實(shí)際誤差；ε為定位距離變化值；υ為允許出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化控制極限差值。通過(guò)上述計(jì)算，最終可得出故障定位的實(shí)際誤差。通過(guò)對(duì)兩組測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，得出最終的結(jié)論，具體如表2所示。

表2 故障定位誤差結(jié)果對(duì)比分析表

由表2可知，在相同的測(cè)試環(huán)境下，對(duì)比于傳統(tǒng)的多端信號(hào)故障定位測(cè)試組，本文所設(shè)計(jì)的定位方法最終得出的定位誤差相對(duì)較小，表明其定位的效果更佳，在應(yīng)變軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)變化的時(shí)候，可確保定位的精準(zhǔn)性，形成雙向定位結(jié)構(gòu)，減少誤差，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

在軌道交通網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，對(duì)信號(hào)故障定位的控制及處理是一項(xiàng)重要的工作。相較于傳統(tǒng)的故障定位方法，本文所設(shè)計(jì)的方法具有更強(qiáng)的靈活性和穩(wěn)定性，對(duì)故障的定位及信號(hào)的傳輸也較為精準(zhǔn)。除此之外，不同于傳統(tǒng)定位方法的是，本文方法的定位范圍更大，在面對(duì)復(fù)雜或異常情況時(shí)，可分化初始的中游負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)定位。這種模式就相對(duì)更為全面、系統(tǒng)，不易出現(xiàn)大規(guī)?；蜿P(guān)聯(lián)性誤差，更易實(shí)現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)故障定位，操作定位的過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)便，一定程度上提升了整體的檢測(cè)定位效率，避免故障定位風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)。