基于數(shù)據(jù)特征的接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置卡滯識別方法研究

逯昊舒，張文軒，王 婧，楊志鵬，王 斌，寇鴻博

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

中心錨結(jié)與下錨補(bǔ)償裝置是接觸網(wǎng)的重要組成部分。中心錨結(jié)裝置用于限制承力索和接觸線的異常竄動，并可有效縮小事故范圍，便于及時排除故障，恢復(fù)運(yùn)行；下錨補(bǔ)償裝置用于補(bǔ)償接觸線和承力索因溫度變化而產(chǎn)生的張力變化，從而使張力保持恒定［1］。中心錨結(jié)及下錨補(bǔ)償裝置若存在狀態(tài)異?；虬l(fā)生卡滯等問題，會導(dǎo)致接觸線高度、弓網(wǎng)接觸力發(fā)生較大變化，影響弓網(wǎng)正常取流，嚴(yán)重時會發(fā)生弓網(wǎng)故障，影響列車行車安全。為快速找到此類缺陷，文中提出一種分析故障發(fā)生后弓網(wǎng)接觸力和接觸線高度數(shù)據(jù)特征，以尋找中心錨結(jié)及下錨補(bǔ)償裝置缺陷的方法。

高速鐵路弓網(wǎng)綜合檢測裝置（1C）安裝于高速綜合檢測列車上，能同時對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)接觸力、接觸網(wǎng)電壓、接觸線硬點(diǎn)、弓網(wǎng)離線燃弧等參數(shù)進(jìn)行測量［2］，并生成1C 檢測波形文件。文中依據(jù)其1C 檢測波形文件，進(jìn)行下一步工作。

1 波形數(shù)據(jù)特征分析及預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)特征分析

接觸網(wǎng)以錨段為一個自然分界，下錨補(bǔ)償裝置位于錨段兩側(cè)，尋找此類缺陷宜以一個錨段為獨(dú)立單元，分單元獨(dú)立評價。錨段與錨段之間一般以四跨、五跨過度，稱為四跨錨段關(guān)節(jié)、五跨錨段關(guān)節(jié)。過度區(qū)段存在接觸線高度相等的位置，稱為等高點(diǎn)。文中采用等高點(diǎn)作為錨段的起始、終止位置，并利用文獻(xiàn)［3］中方法識別等高點(diǎn)。

在確定尋找缺陷的特征變量時需考慮以下因素：

（1）特征變量是否為缺陷位置的直接體現(xiàn)。經(jīng)過對波形的整理歸納和現(xiàn)場復(fù)核，較為典型的下錨補(bǔ)償裝置卡滯問題波形如圖1 所示，特點(diǎn)表現(xiàn)為在錨段中部接觸線高度異常突起，波動劇烈；弓網(wǎng)接觸力在對應(yīng)位置出現(xiàn)異常值，變化迅速。

圖1 典型缺陷1C 波形圖

（2）特征變量是否關(guān)聯(lián)性較小。接觸線高度與弓網(wǎng)接觸力關(guān)聯(lián)性較小［4］，且分別從接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)受流參數(shù)描述該問題，具有完備性。故選擇接觸線高度和弓網(wǎng)接觸力作為判斷此類缺陷的特征變量。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

接觸線高度和弓網(wǎng)接觸力在檢測過程中由于干擾等原因會產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，具體表現(xiàn)為持續(xù)若干數(shù)據(jù)點(diǎn)為零或?yàn)槌?shù)。通過檢測數(shù)據(jù)是否持續(xù)為零或?yàn)槌?shù)，可以找到異常數(shù)據(jù)所在位置。為避免在下一步中產(chǎn)生誤判，需對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。采用線性插值進(jìn)行修正在此處可取得較好的效果，且其可執(zhí)行性高、原理簡明，故可采用該方法對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，操作步驟如下。

設(shè)第一個異常數(shù)據(jù)前一個正常數(shù)據(jù)點(diǎn)弓網(wǎng)接觸力/接觸線高度坐標(biāo)為ym，最后一個異常數(shù)據(jù)后一個正常數(shù)據(jù)點(diǎn)弓網(wǎng)接觸力/接觸線高度坐標(biāo)yn，則中間的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)由公式（1）得到的數(shù)據(jù)替代。

替代效果如圖2 所示。

圖2 弓網(wǎng)接觸力異常數(shù)據(jù)替代效果圖

2 算法提出

由特征變量判斷接觸網(wǎng)中心錨結(jié)及下錨補(bǔ)償裝置缺陷的總體思路：數(shù)據(jù)預(yù)處理→接觸線高度異常識別→弓網(wǎng)接觸力異常識別→邏輯綜合得出異常錨段。

2.1 接觸線高度異常識別

接觸線高度數(shù)據(jù)隨里程變化，可將其視為一個等效時間序列。采用滑動四分位差距法［5］進(jìn)行異常檢測具有較好的效果。

首先定義窗長W=800，步長為1，計算窗內(nèi)Q3（上四分位數(shù)）、Q2（中位數(shù)）、Q1（下四分位數(shù)）、IQR（四分位距）。令：

式中：取a0=1.3，x[0]取窗內(nèi)中點(diǎn)，得到點(diǎn)（x[0]，y[0]）。將滑動窗右移一個單位，即接納一個新數(shù)據(jù)，拋棄一個舊數(shù)據(jù)，重復(fù)上述操作，得到點(diǎn)（x[1]，y[1]）。將滑動窗從檢測波形首端移動到檢測波形末端，得到一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)（x[0]，y[0]）、（x[1]，y[1]）、…、（x[n]，y[n]），利 用3 次樣條插值［6］將其用平滑的曲線連接，得到曲線y=f(x)，稱其為上界線。

上界線為利用窗內(nèi)數(shù)據(jù)及窗的滑動形成的警示線，若接觸線高度沒有向上突變，則不會超過上界線，反之若接觸線高度超過上界線，則認(rèn)為接觸線高度存在異常。根據(jù)其特點(diǎn)制定2 條規(guī)則，需同時滿足才判定為缺陷。

（1）接觸線高度數(shù)據(jù)超過上界線連續(xù)48 個點(diǎn)以上。接觸線高度數(shù)據(jù)超過上界線需達(dá)到一定點(diǎn)數(shù)，如圖3 所示，以保證接觸線高度異常突起顯著且持續(xù)一段距離。

圖3 高度異常識別原理說明圖

（2）設(shè)接觸線高度為hji，i=1，2…，對應(yīng)位置上界線高度為hi，i=1，2…，i從接觸線高度超過上界線第一個點(diǎn)算起，到超過上界線最后一個點(diǎn)為止。定義為式（3）：

2.2 弓網(wǎng)接觸力異常識別

由于弓網(wǎng)接觸力變化迅速，異常值通常出現(xiàn)在跨中，可以一跨為單位，通過錨段中部若干跨內(nèi)弓網(wǎng)接觸力的統(tǒng)計量來進(jìn)行異常識別。設(shè)一跨內(nèi)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差為σ、平均值為Fˉ，為實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)性，若滿足σ＞0.2Fˉ，則認(rèn)為此跨接觸力波動大，定義此錨段為接觸力異常疑似錨段。

對于接觸力異常疑似錨段，根據(jù)波形數(shù)據(jù)特點(diǎn)及弓網(wǎng)接觸力自身特點(diǎn)、鐵路線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定3 條規(guī)則進(jìn)一步篩選出確定的接觸力異常錨段，所述規(guī)則均需滿足。

（1）受地形地貌條件限制，有些錨段跨數(shù)較少。由于在錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)接觸力波動大，屬于正?，F(xiàn)象，故需避開錨段關(guān)節(jié)所在跨而計算錨段中間的跨，劃分規(guī)則按式（4）、式（5）執(zhí)行。

式中：x為錨段包含跨數(shù)；y為需要判斷的中間跨數(shù)；A為x在不同范圍時所取具體跨集合；card為集合的基數(shù)。

為了更好理解式（4）、式（5）所述規(guī)則，舉例說明。若一個錨段有11 跨，則x=11，代入式（4）、式（5），得y=5，A={4 5 6 7 8}。其含義為需計算、判斷中間5 跨，分別為4、5、6、7、8 跨。具體位置如圖4 所示。

圖4 11 跨錨段1C 波形圖

（2）錨段中部一跨內(nèi)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差σ要滿足σ≥a2，a2可按多條線路統(tǒng)計規(guī)律取32.34 N。按該規(guī)則篩選出接觸力變化較大的跨。

（3）σi為第i跨弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差，定義pi為式（6）：

需滿足pi≥a3，a3可按多條線路統(tǒng)計規(guī)律取28%。

該條規(guī)則含義為篩選出錨段中間標(biāo)準(zhǔn)差（σ）占比較大的跨，以區(qū)別圖5（a）、圖5（b）這2 種情況。圖5（a）為整錨段弓網(wǎng)接觸力波動均較大，圖5（b）為錨段中部分跨弓網(wǎng)接觸力波動大，則通過此規(guī)則排除情況如圖5（a）所示，留下情況如圖5（b）所示。

圖5 條件3 輔助說明圖

2.3 綜合得出異常錨段

對某條線路進(jìn)行接觸線高度異常識別，設(shè)得到異常錨段為［a，b，c］，對該線路進(jìn)行弓網(wǎng)接觸力異常識別，設(shè)得到異常錨段為［b，c，d］，則判定［b，c］為異常錨段。即對接觸線高度異常錨段集合與弓網(wǎng)接觸力異常錨段集合取交集。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 200～250 km/h 線路

某條線路為速度250 km/h 等級線路，對其進(jìn)行人工查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)48 號錨段（44.98～46.08 km）、49號錨段（46.08～46.90 km）存在異常，檢測波形如圖6、圖7 所示。

圖6 48 號錨段檢測波形

利用上述算法對此條線路進(jìn)行計算，得到接觸線高度異常錨段為48、49 號錨段；得到弓網(wǎng)接觸力異常錨段為48、49 號錨段，結(jié)果見表1。按照規(guī)則綜合得出異常錨段為48、49 號錨段，驗(yàn)證結(jié)果正確。

表1 線路1 檢測檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 300～350 km/h 線路

某條線路為速度300 km/h 等級線路，對其進(jìn)行人工查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)213 號錨段（1 702.31～1 703.23 km）、256 號錨段（1 743.09～1 743.95 km）、259 號錨段（1 745.72～1 746.58 km）存在異常，檢測波形如圖8～圖10 所示。

圖8 213 號錨段檢測波形

圖9 256 號錨段檢測波形

圖10 259 號錨段檢測波形

利用上述算法對此條線路進(jìn)行計算，得到接觸線高度異常錨段為213、256、259 號錨段；得到弓網(wǎng)接觸力異常錨段為19、20、213、256、259 號錨段，結(jié)果見表2。按照規(guī)則綜合得出異常錨段為213、256、259 號錨段，驗(yàn)證結(jié)果正確。

表2 線路2 檢測檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

通過對不同速度等級線路驗(yàn)證，證明了此算法的有效性?？紤]到實(shí)際情況中各種因素相互影響，該算法在以下方面還有待提高。

（1）可以考慮根據(jù)線路速度等級、懸掛類型等因素分類，針對不同線路類型給出不同的系數(shù)。

（2）對中心錨結(jié)及下錨補(bǔ)償裝置缺陷形成原因進(jìn)行分類，分析故障原因并統(tǒng)計不同故障類型占比，針對不同原因給出不同的系數(shù)。

5 結(jié)論

文中提出一種通過1C 檢測波形尋找中心錨結(jié)及下錨補(bǔ)償裝置缺陷的方法。該方法針對缺陷位置波形主要特征，確定了接觸線高度與弓網(wǎng)接觸力兩個特征變量。對接觸線高度采用滑動窗進(jìn)行識別，對弓網(wǎng)接觸力采用按跨計算標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行識別，并設(shè)定相應(yīng)規(guī)則，最終尋找出缺陷發(fā)生位置。經(jīng)過驗(yàn)證，該方法可以正確識別出缺陷位置，可用來指導(dǎo)維修人員快速定位缺陷位置，為此類問題快速查找和及時整治提供數(shù)據(jù)支持。