专利名称：无绝缘轨道电路调谐区设备故障在线诊断方法
技术领域：
本发明关于铁路领域，涉及的是一种故障诊断方法，特别是指一种无绝缘轨道电路调谐区设备故障在线诊断方法。
背景技术：
列车在线路上运行，其行车安全的保障和运行效率的提高是由相应的列车运行控制系统来实现的。轨道电路作为该系统的关键设备之一，在列车定位、完整性检查以及地-车间行车命令的连续传输等方面发挥着重要作用。目前，无绝缘轨道电路以其抗干扰能力强、易于实现牵引回流等优点，在全国范围内得到了广泛应用。所谓无绝缘轨道电路是以铁路线路的两根钢轨为导体，在电路两端分别接入信号发送设备和接收设备，并通过在轨道电路两端设置相应的调谐区，以电气绝缘节代替传统的机械绝缘节来实现相邻轨道电路间信号隔离的一种电路。该电路中发送设备根据线路上列车的运行位置和轨道电路状态确定列车运行的目标速度，并以此选定相应的调制低频频率，产生载频一定的FSK信号，使其在钢轨中传输。在列车进入该无绝缘轨道电路之后，由相应机车信号设备接收该信号，并解调出该信号中的调制低频信息，最终经译码得到相应的列车目标速度。无绝缘轨道电路调谐区的基本结构主要包括一段长度为^m的钢轨线路，其两端分别针对相邻轨道电路信号的不同载频频率所设置的调谐单元和调谐区中部并接在钢轨间的空心线圈等设备。在实际应用中，上述设备能使调谐区对其两侧相邻轨道电路的不同载频的轨道电路信号，都表现出并联谐振的效果，使其相应的视入阻抗趋向于无穷，进而使相邻轨道电路从电气性能上得到隔离，以有效防止相邻轨道电路信号的越区传输，确保列车运行安全。由以上调谐区基本工作原理可知，只要调谐单元或空心线圈等调谐区设备发生故障，都会破坏原有的并联谐振关系，进而大大降低相邻轨道电路间传输信号的隔离效果，使得相邻区段轨道电路信号得以越过调谐区而串入本区段，造成信号的越区传输，形成所谓的邻区段频率干扰，使得车载机车信号设备给出相应的信号降级显示，直接影响到列车的运行效率，甚至可能会危及行车安全。因此，对调谐区各设备进行在线诊断具有十分重要的
眉、ο现有的调谐区设备故障诊断方法主要有两种，其中现场普遍应用的一种方法是，只针对调谐单元，利用发送端调谐单元故障会使调谐区接收端电压降低约一半，而接收端调谐单元故障会使调谐区接收端电压升高约5-7倍这一规律，通过在接收设备中设置相应的故障检测门限来实现对调谐单元的故障诊断。该方法在实际运用过程中，由于会受到道砟电阻等轨道电路参数波动以及补偿电容和空心线圈等轨道电路设备故障的影响，使得该方法的虚警率和误报率较高。同时，该方法也无法对空心线圈故障进行诊断，存在一定的局限性。另一种方法是利用各铁路局综合检测车的定期巡检，通过检查本轨道电路信号中是否混有相邻轨道电路信号来间接判断调谐区的状态。该方法的主要不足是只能确定调谐区是否发生故障，而不能进行故障定位，同时还需要由专业人员与专用的软、硬件设备相配合，因而存在检测性能较低、检测成本相对较高的问题。此外，综合检测车通常只能间隔15天左右开行一次，即在检测及时性上也存在不足。可见，随着铁路的高速发展和运输量的加大，传统的调谐区设备故障诊断方法已经不能满足轨道电路调谐区进行状态监测和故障诊断的要求。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种无绝缘轨道电路调谐区设备故障在线诊断方法。此诊断方法具有功能全面、检测准确度高、适应性强、实现方法简单、实时性好等特点，能够满足当前对轨道电路调谐区进行状态监测和故障诊断的需求。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种无绝缘轨道电路调谐区设备故障在线诊断方法，基于机车信号记录器获取机车信号感应电压幅值包络、分路点位置、列车速度以及轨道电路信号载频信息；对上述数据做预处理，得到轨道电路长度、补偿电容个数及其位置点和机车信号感应电压归一化幅值包络；对机车信号感应电压归一化幅值包络进行分段拟合及构建相应特征向量；构建神经网络，利用上述特征向量训练神经网络并对无绝缘轨道电路调谐区设备进行故障诊断；将所述调谐区设备故障诊断结果经机车信号远程监测系统发送至相应的地面监测客户端。本发明相比现有方法具有如下优点1.该故障诊断方法能准确定位调谐区故障设备，即不但能够实现调谐单元故障诊断，而且对于现有方法所无法实现的空心线圈故障诊断也具有良好的诊断效果。2.该故障诊断方法具有完善的数学理论依据，且基于机车信号感应电压幅值包络对调谐区各设备故障情况进行全局分析，比现有方法诊断结果更准确。3.该故障诊断方法利用分路点在调谐区入口处至靠近发送端调谐区的第4个补偿电容之间的感应电压幅值包络，对道砟电阻等轨道电路参数波动以及补偿电容等轨道电路设备故障具有较强的适应性。4.该故障诊断方法只需依托现有的机车信号车载系统就可实现无绝缘轨道电路调谐区设备故障诊断，而无需增设任何硬件设备和人力资源，其经济成本低，检测实时性好。
图1.本发明在线诊断方法流程图；图2.本发明在线诊断方法实施过程的具体流程图；图3.本发明在线诊断方法与机车信号车载系统的组成关系。
具体实施例方式本发明经过研究发现，由无绝缘轨道电路和车载机车信号设备的工作原理可知，调谐区设备故障会影响轨道电路信号在钢轨中的传输幅度，而该影响最终会体现在机车信号感应电压幅值包络上，且主要集中体现在离发送端调谐区最近的4个相邻补偿电容的作用范围内。因此，可以对机车信号感应电压幅值包络进行故障特征提取，构造相应的特征向量，再对这些特征向量进行模式分类，即可实现对无绝缘轨道电路调谐区设备的故障诊断。本发明提供了一种无绝缘轨道电路调谐区设备故障在线诊断方法，如图1所示，所述方法包括基于机车信号记录器获取机车信号感应电压幅值包络、分路点位置、列车速度以及轨道电路信号载频信息；对上述数据做预处理，得到轨道电路长度、补偿电容个数及其位置点和机车信号感应电压归一化幅值包络；对机车信号感应电压归一化幅值包络进行分段拟合及构建相应特征向量；构建神经网络，利用上述特征向量训练神经网络并对无绝缘轨道电路调谐区设备进行故障诊断；将所述调谐区设备故障诊断结果经机车信号远程监测系统发送至相应的地面监测客户端。进一步地，参考图2，详细描述了该故障诊断方法的流程，说明无绝缘轨道电路调谐区设备故障在线诊断方法。第1步基于机车信号记录器获取机车信号感应电压幅值包络、分路点位置、列车速度以及轨道电路信号载频信息；从机车信号车载记录器，获取机车信号感应电压幅值包络、相对应分路点位置、列车速度数据以及轨道电路信号的载频值；第2步对上述数据做预处理，得到轨道电路长度、补偿电容个数及其位置点和机车信号感应电压归一化幅值包络；由于相邻轨道电路的信号载频是不同的，可以此对机车信号感应电压幅值包络数据按其所对应的轨道电路区段进行划分，确定相应的起始点和结束点，获得与轨道电路相对应的机车信号感应电压包络数据，根据机车信号记录器所记录的与该包络数据相对应的列车速度、分路点、信号载频等信息，一方面可分别确定相应的轨道电路的长度、所包含补偿电容个数及位置点。另一方面，可利用插值和幅度归一化等操作消除速度和发送设备电压波动等因素对机车信号感应电压幅值包络的影响，得到轨道电路的各分路点与机车信号感应电压归一化幅值包络之间的关系；第3步对机车信号感应电压归一化幅值包络进行分段拟合及构建特征向量；设该段轨道电路所包含的补偿电容个数为N，其最靠近发送端的补偿电容依次编号为CpCV^Cm和CN_3，S为发送端调谐区入口位置，则基于二次函数ax2+bx+c = 0分别对分路点在[CN_3，CN_2]、[CN_2、CN_J息” CJ和[CN, S]各范围内的机车信号感应电压归一化幅值包络进行拟合，得到相应的4组分别为W1 = [ai，b1; cj ,W2 = [a2,b2, c2] ,W3 = [a3,b3,c3]和W4 = [a4, b4，c4]的拟合参数，并以此构建相应的特征向量为W = [wi; w2, W3, W4]；第4步构建神经网络，利用上述特征向量训练神经网络并对无绝缘轨道电路调谐区设备进行故障诊断；构建相应神经网络，按照1-3步对调谐区各设备正常与故障时机车信号记录器所获得的各分路点的机车信号感应电压归一化幅值包络进行特征提取，构建相应特征向量并对神经网络进行训练，将训练好的神经网络用于实现无绝缘轨道电路调谐区设备的故障模式分类，得到相应的故障诊断结果；第5步将第4步所得到的调谐区设备故障诊断结果发送至机车信号远程监测系统地面监测客户端上，实现对无绝缘轨道电路调谐区工作状态的在线诊断。可参考图3在线诊断方法与机车信号车载系统的组成关系，说明其具体的实现过程；1.将本发明诊断算法作为相应功能模块与机车信号记录器相结合，利用机车信号记录器所获得的列车速度、分路点位置等列车相关运行数据，实现调谐区设备的故障诊断；2.将诊断结果传送至机车信号远程监测系统的车载监测单元；3.车载监测单元将此诊断结果通过GPRS模块发送至机车信号远程监测系统的地面监测服务器，再利用该服务器通过hternet网络转发至铁路现场用户的监测客户端上，从而实现调谐区设备故障的在线诊断。由于本发明是利用调谐区不同设备故障时对列车分路点在发送端调谐区入口处至靠近发送端的第4个补偿电容之间的机车信号感应电压幅值包络所造成的不同影响来实现设备的故障诊断的，相比于现有的设置调谐区接收器检测门限值的方法具有更好的适应性。从目前的实测结果来看，其诊断精度可达99%，满足现场实际运用要求。此外，本发明也可用于调谐区空心线圈故障诊断，并能准确定位故障设备，弥补了现有调谐区设备故障诊断技术的不足。本发明只需利用机车信号感应电压幅值包络、列车速度、分路点位置和轨道电路信号载频等列车现有运行数据就可以实现调谐区设备故障的在线诊断，该方法具有功能全面、检测准确度高、适应性强、实现方法简单、实时性好等特点，其诊断精度满足现场实际运用要求；并且，实现诊断功能仅需依托现有的机车信号车载系统，不需要增加额外的硬件设备，降低诊断成本，有利于全线推广使用，对确保轨道电路正常工作具有重要的意义。具体地，为了进一步说明本发明所达到的有益效果，现以黎塘至镇江段某区段无绝缘轨道电路调谐区设备故障为例进行说明，如下利用该区段所对应的机车信号感应电压幅值包络和其它相关列车运行信息构建特征向量，利用训练好的神经网络诊断调谐区设备故障。通过铁路现场对实际设备进行检验，证明本发明对该区段轨道电路调谐区设备的诊断结果与实际情况相符。总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，其特征在于所述方法包括基于机车信号记录器获取机车信号感应电压幅值包络、分路点位置、列车速度以及轨道电路信号载频信息；对上述数据做预处理，得到轨道电路长度、补偿电容个数及其位置点和机车信号感应电压归一化幅值包络；对机车信号感应电压归一化幅值包络进行分段拟合及构建相应特征向量；构建神经网络，利用上述特征向量训练神经网络并对无绝缘轨道电路调谐区设备进行故障诊断；将所述调谐区设备故障诊断结果经机车信号远程监测系统发送至相应的地面监测客户端。
2.如权利要求1所述的无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，其特征在于，所述补偿电容位置点的获取方法为根据轨道电路长度和机车信号感应电压载频值，通过轨道电路调整表确定出该轨道电路区段所安装的补偿电容个数，依据补偿电容设置规则，确定补偿电容位置点。
3.如权利要求1所述的无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，其特征在于，所述构建特征向量的具体方法为基于二次函数，对分路点在发送端调谐区入口处至靠近发送端的第4个补偿电容之间的机车信号感应电压归一化幅值包络进行分段拟合，利用拟合结果构建特征向量。
4.如权利要求3所述的无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，其特征在于，所述分段拟合的具体方法为以补偿电容位置点作为分割点，截取分路点在发送端调谐区入口处至靠近发送端的第4个补偿电容之间的机车信号感应电压幅值包络为4段，并利用二次函数对各段分别进行拟合。
5.如权利要求1所述的无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，其特征在于，所述神经网络的获得方法为通过选取合适的神经网络类型和训练函数，基于大量仿真及实际运用数据训练所得。
6.如权利要求1所述的无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，其特征在于，所述利用特征向量诊断调谐区设备故障的具体方法为在机车信号记录器中利用神经网络对特征向量进行故障模式分类，以得到调谐区设备故障诊断结果。
7.如权利要求1所述的无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，其特征在于，所述将调谐区设备故障诊断结果经机车信号远程监测系统发送至地面监测客户端的方法为将调谐区设备故障诊断结果通过串口传送至机车信号远程监测系统的车载监测单元；车载监测单元将此诊断结果通过GPRS模块发送至机车信号远程监测系统的地面监测服务器，再利用该服务器通过hternet网络转发至铁路现场用户的监测客户端上。
全文摘要
一种无绝缘轨道电路调谐区故障在线诊断方法，涉及一种轨道电路的在线诊断。该方法包括获取机车信号感应电压幅值包络、分路点位置、列车速度及轨道电路信号载频信息；预处理上述数据，得到轨道电路长度、补偿电容个数及位置点和机车信号感应电压归一化幅值包络；对机车信号感应电压归一化幅值包络进行分段拟合及构建相应特征向量；构建神经网络，利用上述特征向量训练神经网络并对无绝缘轨道电路调谐区设备进行故障诊断；将所述调谐区设备故障诊断结果经机车信号远程监测系统发送至相应的地面监测客户端。本发明具有功能全面、检测准确度高、适应性强、方法简单、实时性好等特点，只依托现有的机车信号系统，不需增加任何硬件设备，诊断成本低。
文档编号B61L1/18GK102556118SQ20121000391
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者张才林, 赵林海 申请人:北京交通大学