Ato控制的高速列车制动系统间歇故障检测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高速列车制动系统故障诊断技术领域，具体地说，涉及一种面向 ATO(Automatic Train Operation，自动列车运行装置）控制的高速列车制动系统间歇故障 的检测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 制动系统是高速列车运行控制系统的重要组成部分，其直接关系到高速列车运行 安全与否。制动距离和精确停车是衡量制动系统性能好坏及制动能力大小的重要指标。高 速列车的制动功率不但与列车的运行速度的三次方成正比关系，而且与制动距离成反比关 系。因此，对高速列车的制动系统进行性能监测并及时检测制动系统的间歇故障，是提高高 速列车运行安全性和可靠性的重要保障。
[0003] 高速列车的制动系统通常都至少包括制动指令传输装置、制动控制装置和制动执 行装置等一整套零部件。根据制动原理的不同，制动系统可分为空气制动系统、再生制动系 统等。制动方式包括常用制动、紧急制动、非常制动、停放制动、保持制动、备用制动、救援制 动和耐雪制动等。制动模型分为基于制动率控制的制动模型和基于减速度控制的制动模 型。由于高速列车的运行速度超过200km/h，无法依靠司机辨别地面信号来控制行车，只能 以车载信号为主来控制列车运行。而车载信号指令都是采用微机控制以数字信号形式产生 和发送，伴随有强烈的电磁干扰和环境噪声，而且制动过程中纯机械装置会产生大量磨损， 极易毁坏，因此就会产生各种各样的故障，尤以间歇故障最为普遍。因此，研宄基于ATO控 制的高速列车制动系统的间歇故障检测是十分有必要的。
[0004] 制动系统原理并不复杂，但是由于制动系统具有系统响应延迟、指令传送速度慢 等特点，使得制动系统性能监测变得十分困难。现有的针对制动系统的检测方法多是针对 永久故障的数据驱动方法，需要大量的传感器测量数据，并且受到高速列车硬件资源的限 制，只能进行简单的检测，而无法实现对间歇故障的有效检测，更不能及时、准确地确定间 歇故障的发生时刻和消失时刻来实现间歇故障的准确检测和制动系统性能的实时监测。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明提供了一种ATO控制的高速列车制动系统间歇故障检测 方法及系统。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种ATO控制的高速列车制动系统间歇故障检测 方法，包括以下步骤：
[0007] 建立高速列车制动系统在间歇故障影响下的线性逼近模型；
[0008] 基于所述线性逼近模型，针对制动系统执行器间歇故障构建所述制动系统的标量 残差生成器；
[0009] 基于所述标量残差生成器生成检测信号，并利用所述检测信号进行假设检验以对 制动系统进行间歇故障检测。
[0010] 根据本发明的一个实施例，建立所述线性逼近模型包括：
[0011] 建立制动系统的非线性制动方程；
[0012] 对所述非线性制动方程线性化处理并结合测量方程建立中间模型；
[0013] 将间歇故障信号引入所述中间模型以建立所述线性逼近模型。
[0014] 根据本发明的一个实施例，采用二阶帕德逼近法将所述非线性制动方程处理为线 性制动方程。
[0015] 根据本发明的一个实施例，建立所述线性逼近模型进一步包括：
[0016] 将过程噪声引入制动系统以建立带有过程噪声的线性制动方程、将测量误差引入 所述测量方程以建立带有测量噪声的中间模型；
[0017] ,ν(?) ^ Ax(t) + Bu(/) + E\v{t)
[0018] y (t) = Cx (t) + η (t)
[0019] 将间歇故障引入所述中间模型以得到所述线性逼近模型：
[0020] .?·(?) = /1ν(?) + 5Μ(?)+ 5F(V) + .￡u'(i)
[0021] y (t) = Cx (t) + η (t)
[0022] 其中，x (t)为状态参量，A为系统矩阵，u (t)为输入量，B为输入矩阵，w (t)为外 部因素引起的附加加速度，E为附加加速度输入矩阵，y(t)为输出量，n (t)为测量误差，C 为输出矩阵，F⑴为间歇故障信号。
[0023] 根据本发明的一个实施例，构建所述标量残差生成器进一步包括：
[0024] 基于所述线性逼近模型，构造多个虚拟执行器通道Z1,...,4,其中，4为第α个 方向的虚拟执行器通道，a <n-l，n为系统维数，使得dimO =n-l,且5*Πβ = 0,其 中，Γ + Im( ·)表示象空间，inf( ·)表示空间下界，α、 n、i为整数；
[0025] 基于所述虚拟执行器通道和所述线性化逼近模型建立与过程噪声解耦的标量残 差生成器：
[0026] ? [t) = /uo[t)- Jy [t) +Gu (t)
[0027] r(t) = Μω (t)-Hy(t)+Ku(t)
[0028] 其中，ω (t)、r (t)分别为标量残差生成器的状态变量和输出变量，u(t)、y (t)分 别为制动系统的实际输入变量和实际输出变量，通过几何方法计算得到参数J、G、M、H和K， λ为设定的标量残差生成器的极点。
[0029] 根据本发明的一个实施例，通过几何方法计算得到参数J，G，M，H和K进一步包 括：
[0030] (a、计算制动系统的包含+ 的（C，Α)条件不变子空间IVT，算法如 下：
[0031]
【主权项】
1. 一种ATO控制的高速列车制动系统间歇故障检测方法，包括以下步骤： 建立高速列车制动系统在间歇故障影响下的线性逼近模型； 基于所述线性逼近模型，针对制动系统执行器间歇故障构建所述制动系统的标量残差 生成器； 基于所述标量残差生成器生成检测信号，并利用所述检测信号进行假设检验以对所述 制动系统进行间歇故障检测。
2. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，建立所述线性逼近模型包括： 建立制动系统的非线性制动方程； 对所述非线性制动方程线性化处理并结合测量方程建立中间模型； 将间歇故障信号引入所述中间模型以建立所述线性逼近模型。
3. 如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，采用二阶帕德逼近法将所述非线性制 动方程处理为线性制动方程。
4. 如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，建立所述线性逼近模型进一步包括： 将过程噪声引入制动系统以建立带有过程噪声的线性制动方程、将测量误差引入所述 测量方程以建立带有测量噪声的中间模型； χ(?) ^ Ax[t)-\- Bu[t) + Ewi^t) y (t) = Cx (t) + n (t) 将间歇故障引入所述中间模型以得到所述线性逼近模型： i(〇 - Av(〇 + Bu (〇 + BF(t) + Ew{t) y (t) = Cx (t) + n (t) 其中，x(t)为状态参量，A为系统矩阵，u(t)为输入量，B为输入矩阵，w(t)为外部因 素引起的附加加速度，E为附加加速度输入矩阵，y(t)为输出量，n (t)为测量误差，C为输 出矩阵，F(t)为间歇故障信号。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的检测方法，其特征在于，构建所述标量残差生成器 进一步包括： 基于所述线性逼近模型，构造多个虚拟执行器通道Λ，.·.,4,其中，4为第《个方向 的虚拟执行器通道，α彡η-1，η为系统维数，使得dim(S，=η-1，且5*ΠΒ = 0,其中， 矿= ?ηΓ5^丨+ 卜r卜5:/彡、，Im( ·)表示象空间，inf( ·)表示空间下界，α、η、 i为整数； 基于所述虚拟执行器通道和所述线性逼近模型建立与过程噪声解耦的标量残差生成 器： ?(?) = Aco(f)-Jr(f) + Gu (?) r (t) = M ω (t) -Hy (t) +Ku (t) 其中，ω (t)、r(t)分别为标量残差生成器的状态变量和输出变量，u(t)、y(t)分别为 制动系统的实际输入变量和实际输出变量，通过几何方法计算得到参数J、G、M、H和Κ，λ 为设定的标量残差生成器的极点。
6. 如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，通过几何方法计算得到参数J、G、M、H 和K进一步包括： 匕计算制动系统的包含㈨七' +巧^/^的⑴⑷条件不变子空间滅^算法如下：
(b、计算包含(ImE + Σ?丨⑴乙)的（C，A)不可观测性子空间S%算法如下：
并判断《5* η β = 0:是否成立，若成立，则所述残差生成器存在； (c、计算正则映射P:4 α*/?τ; (d、计算满足:μ + dc>t ? 51的矩阵D; (e、计算商空间上的诱导映射A。； (f、利用 kur(//r) = kei-r + f 计算矩阵 H ; (g、利用MP = HC计算矩阵Μ; (h、利用G = PB计算矩阵G ; (i、计算K = 0,其中0为适当维数的零矩阵； (j、设定λ，根据λ =Ac^D1M计算D1，基于J = HHD1H计算J。
7. 如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，基于所述残差生成器生成检测信号包 括： 利用制动系统的实际输入信号和实际输出信号，通过所述标量残差生成器产生标量残 差?目号r (t); 设定滑动时间窗口 △〖< δ，δ表示间歇故障的最小持续/间隔时间，并基于所述残 差生成器生成检测信号H./. 丨全r(/) - - Λ/)。
8. 如权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述假设检验包括： 基于所述线性逼近模型，针对执行器间歇故障，建立用于检测间歇故障发生时刻的假 设检验和用于检测间歇故障消失时刻的假设检验； 设定针对间歇故障发生时刻的假设检验的检验置信度γ，并基于所述间歇故障发生时 刻的假设检验确定间歇故障发生时刻检测的接受域Β〗(Δ/)，设定针对间歇故障消失时刻 的假设检验的检验置信度《9，并基于所述间歇故障消失时刻的假设检验确定间歇故障消失 时刻检测的接受域杧(Δφ 基于检测信号与接受域的关系来判断间歇故障的发生与消失，其中，若 r仏Λ/)拿贝IJ执行器发生间歇故障，若r(f, Δ?) - If (Δ_则执行器间歇故障消失。
9. 如权利要求8所述的检测方法，其特征在于，进行间歇故障检测后还包括基 于所述接受域确定制动系统在所述线性逼近模型下的间歇故障可检测性条件，基于 Β?(Δ/)ηΒ；；(Δ/)=0，定义 Α/^ιΓ{Δ/>Ο:Β;.;(Δ/)ηΒ:;(Δ/) = 0，Ο<Δ/<? ,可得到间歇故障可检 测性条件为：P2 且>Δ?>0,其中，δ表示间歇故障的最小持续/间隔时间，ρ表 示间歇故障的幅值，牙为间歇故障的可检测幅值，其通过定义M得到。
10. -种ATO控制的高速列车制动系统间歇故障检测系统，包括： 线性逼近模型生成模块，其用于建立高速列车制动系统在间歇故障影响下的线性逼近 丰旲型； 标量残差生成器模块，其基于所述线性逼近模型，针对制动系统执行器间歇故障构建 所述制动系统的标量残差生成器； 间歇故障检测模块，其基于所述标量残差生成器生成检测信号，并利用所述检测信号 进行假设检验以对所述制动系统进行间歇故障检测。
【专利摘要】本发明公开了一种ATO控制的高速列车制动系统间歇故障检测方法及系统，该方法包括以下步骤：建立高速列车制动系统在间歇故障影响下的线性逼近模型；基于线性逼近模型，针对制动系统执行器间歇故障构建制动系统的标量残差生成器；基于标量残差生成器生成检测信号，并利用检测信号进行假设检验以对制动系统进行间歇故障检测。本发明能够在存在未知扰动、测量噪声的条件下实现高速列车间歇故障的快速、准确检测，并量化其检测性能，分析间歇故障的可检测性。
【IPC分类】B60T17-22
【公开号】CN104875735
【申请号】CN201510131743
【发明人】周东华, 何潇, 鄢镕易
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年3月24日