基于移频信号的轨道电路故障监测平台及其监测方法与流程

本发明涉及一种zpw-2000a无绝缘移频轨道电路故障诊断系统及其故障诊断方法，尤其是一种基于移频信号的轨道电路故障监测平台及其监测方法。

技术背景

zpw-2000a无绝缘轨道电路作为铁路运输的基础安全设备，已被确立为今后铁路发展的统一制式，然而其使用环境复杂，利用钢轨作为导线传输信号，易受外界环境因素或人为干扰，常有故障发生，成为影响列控系统运行安全性和可靠性的关键因素。轨道电路是一种非线性耦合系统，当其出现故障时可能导致电路结构和电路耦合变化，从而导致其中的传输信号—移频信号发生变化，给故障诊断提供故障特征。

国内外现场使用的轨道电路诊断与维护措施主要有：人工巡检、信号集中监测系统、电务检测车和综合检测列车，为实现信号设备的状态维修提供可靠保证，但是这些手段存在效率低、监测不全面、时效性差及费用高等不足。

在zpw-2000a无绝缘轨道电路故障诊断领域，现有公开技术：如博士论文《无绝缘轨道电路故障诊断方法研究》（孙上鹏．北京交通大学，2014.）中，首次提出了应用二端口网络来对轨道电路进行建模，并采用支持向量机的方法完成轨道电路的故障识别；如公开号为：cn106202886a公开了一种《基于模糊粗糙集与决策树的轨道电路红光带定位方法》，该发明专利可快速准确地定位轨道电路的故障点，极大地降低了故障诊断的盲目性和复杂性。然而目前存在的的问题一是轨道电路发生故障时的大量信息未得到有效利用；二是诊断方法没有融入到实际系统中，无法形成工程化应用；再如公开号为：cn106202886a公开了《一种用于轨道移频信号的便携式检测仪及其检测方法》，介绍了一款移频信号检测装置，可检测zpw-2000a移频信号的频率及有效值，本发明中提到的便携式移频信号检测仪即沿用此装置。

技术实现要素：

现有道电路故障诊断方法多采用电压电流信号有效值进行判断，针对其判断过程复杂且频域信息常被忽略的问题，本发明提供一种基于移频信号的轨道电路故障监测平台及其监测方法，目的是提高轨道电路故障监测手段的便携性、实时性和有效性，以此作为现有轨道电路监测方法的补充。

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明采取如下的技术方案。

一种基于移频信号的轨道电路故障监测平台，包括数据接收模块、在线监测模块、特征提取模块、故障诊断模块、故障预警模块和数据存储模块；其特征在于：所述轨道电路故障监测平台是将数据接收模块、在线监测模块、特征提取模块、故障诊断模块、故障预警模块和数据存储模块集于一体，并在labview上设计完成，对前端检测数据进行实时处理，实现对轨道电路故障进行实时监测；

所述数据接收模块是通过activex控件，访问云端网址，下载监测数据；

所述在线监测模块是根据监测数据实时显示移频信号的时域波形图及频谱图，并计算移频信号的载频、低频调制频率、幅值等参数，以判断移频信号是否正常；

所述特征提取模块是从时域和频域信号中提取故障特征量；

所述故障诊断模块是以时域和频域特征量作为anfis诊断模型的输入，对轨道电路进行智能故障诊断；

所述故障预警模块是将诊断结果进行分析对比，给出最终的预警结果；

所述数据存储模块是进行轨道参数及历史数据的存储。

一种用于如上所述的基于移频信号的轨道电路故障监测平台对轨道电路故障进行实时监测的方法，其特征在于：所述实时监测的方法是按照如下步骤进行的：

（1）到指定轨道电路检修区段，在钢轨表面放置智能循迹小车，开启便携式移频信号检测仪并将其置于小车上，控制小车，使其沿铁轨移动；

（2）将便携式移频信号检测仪连入网络，将检测的移频信号数据上传至云端服务器；

（3）远程轨道电路故障诊断平台登录云端服务器，实时下载移频信号相关数据，对数据进行处理，实现对轨道电路的状态监测与故障诊断。

上述本发明所提供的技术方案与现有技术对比，具有如下优点与积极效果：

（1）采集信号的手段更加便利安全。现有技术主要运用钳形移频表在钢轨有引接线的地方进行信号的采集，有一定的局限性和危险性。本发明中的移频检测仪可非绕线地在任意有电流通过的钢轨上方采集到信号。

（2）充分利用铁路信号的频域信息。现有技术主要通过信号的时域特征，如电压电流的有效值来对故障进行判断，其判断过程复杂导致效率低。本发明充分利用了移频信号的时、频域特征进行故障特征量提取，量化过程更为简单。

（3）故障诊断过程更加智能化。目前，我国轨道电路的智能诊断方法多处于理论研究阶段，尚未在现场得到有效的应用与推广；本发明设计的轨道电路智能故障诊断系统在线运行时可有效提高故障诊断的准确性、全面性、快速性。

附图说明

图1是本发明轨道电路故障监测方法整体框图。

图2是本发明轨道电路故障监测平台整体框图。

图3是本发明检测仪检测位置图。

图4是基于本发明anfis的轨道电路故障诊断模型的系统框图。

图中：1：便携式移频信号检测仪；2：智能循迹小车；3：铁轨。

具体实施方式

实施上述本发明所提供的一种基于移频信号的轨道电路故障监测平台及其监测方法，具体实施方式式如下。

首先实施一种基于移频信号的轨道电路故障监测平台，包括数据接收模块、在线监测模块、特征提取模块、故障诊断模块、故障预警模块和数据存储模块；其轨道电路故障监测平台的构成是将上述数据接收模块、在线监测模块、特征提取模块、故障诊断模块、故障预警模块和数据存储模块集于一体，并在labview上设计完成，对前端检测数据进行实时处理，实现对轨道电路故障进行实时监测。

具体设计过程如下：

（1）数据接收模块：通过labview中的activex控件，访问云端网址，下载监测数据。

（2）在线监测模块：利用labview中的波形图表控件及fft频谱控件，将监测数据分别进行时域、频域的图形化显示。灵活运用labview后面板中的数组排序等功能，求取移频信号的载频、低频等参数。

（3）特征提取模块：根据时、频域特征量的计算公式，利用labview中的数值运算、信号处理等控件，编写程序框图，并对所有特征量进行归一化处理。

（4）故障诊断模块：以时、频域特征量作为anfis诊断模型的输入，对轨道电路进行智能故障诊断。anfis故障分类器采用在labview中嵌入matlabscript节点的方式，进行labview与matlab的联合编程。运用matlab提供的anfis函数创建anfis网络，以gbellmf钟形函数作为初始隶属度函数，隶属度函数条数设置为3条，训练次数设置为50次。

（5）故障预警模块：利用labview中的条件结构，将诊断结果进行分析对比，给出预警信息及维修建议，并在轨道电路中显示故障可能发生的位置。

（6）数据存储模块：利用labview中的数组、表格等控件，将轨道参数及历史诊断数据进行存储。

其次实施一种轨道电路故障监测方法，具体监测方法如下。

（1）确定监测量：在线监测轨道移频信号的时域波形图及频谱图，并实时计算出移频信号的载频、低频调制频率、主峰幅值等主要参数。

（2）特征量提取：由于统计量能充分表征轨道移频信号的波形和能量，通过对常用统计量的分析和比较，最终选取的时域特征量有：峭度指标k、裕度指标l、脉冲指标i；频域特征量有：一阶功率带值p、倒频谱脉冲指标f、功率谱熵e，公式如下：

上式中，--方根幅值，其值为；

绝对平均幅值其值为；

峰值，其值为；

；

功率谱熵e的计算过程如下：

假设移频信号的离散傅里叶变换为，角频率（为采样频率,n为采样点数，n=1,2,…,n），首先根据fft变换得到，然后得到其功率谱密度，再将功率谱进行归一化可得功率谱的概率密度分布函数为：

由信息熵公式可得相应的功率谱信息熵即功率谱熵计算公式（记作）：

。

（3）建立anfis模型：采集轨道电路不同故障时的移频数据，对数据进行归一化处理，构成输入特征向量in1=[kci]，in2=[pef]，对输出进行编码，用0~4来表示轨道电路的5种状态：0表示正常状态；1表示发送器故障；2表示补偿电容故障；3表示调谐区故障；4表示轨道短路故障；将这些数据随机分成训练样本和校验样本，分别对anfis进行训练与测试，以建立anfis故障诊断模型。

（4）故障诊断：在线运行轨道电路故障监测平台，将检测仪采集回的移频信号数据进行（2）中的计算，得到某一状态时的时、频域特征量，作为anfis故障分类器的输入，运行anfis得到输出编码。

（5）故障预警：根据(4)中anfis的输出编码确定轨道电路的状态并显示结果，当其处于某种故障状态时，在轨道电路结构图中显示故障的位置，发出轨道电路故障的警示声，并给出维修建议。

（6）数据存储：将轨道电路的载频、长度、补偿电容容值、受端轨面电压等参数存储到表格中，以便程序运行时进行相关参数的调用；将历史故障诊断数据记录到另一表格中，以便查询。

最后监测方法的具体实施过程如下。

步骤一、到指定轨道电路检修区段，在钢轨上表面放置智能循迹小车，开启便携式移频信号检测仪并将其置于小车上，控制小车，使其能沿铁轨移动。

步骤二、将便携式移频信号检测仪连入网络，有网则连入本地wifi，无网则连入手机热点，将检测的移频信号数据上传至云端服务器。

步骤三、远程轨道电路故障诊断平台登录云端服务器，实时下载移频信号相关数据，对数据进行处理，以完成对轨道电路的状态监测与故障诊断。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

如附图1-附图4所示，本发明主要应用在轨道电路故障监测领域，目的是提供一种轨道电路在线监测方法，为铁路部门的状态检修提供一定的依据，本发明除便携式移频信号检测仪、轨道电路故障监测平台外，如附图2所示，还融入了新兴的云服务器、智能小车等技术，提高了监测系统的实时性及智能化水平。

监测方法的具体实施过程如下：开启便携式移频信号检测仪，并将其连入网络综合系统，有网则连入本地wifi，无网则连入手机热点，到指定轨道电路检修区段，在钢轨上表面放置智能循迹小车2，将便携式移频信号检测仪1置于小车上，控制小车，使其能沿铁轨3移动，便携式移频信号检测仪将检测的移频信号数据上传至云端服务器，在轨道电路故障监测平台中设置相关参数，如当前轨道电路区段的载频、低频的理论值、轨道电路的理论参数以及anfis故障分类器的相关参数，在轨道电路故障监测平台登录云端服务器，实时下载移频信号相关数据，对数据进行处理，以完成对轨道电路的状态监测与故障诊断。

轨道电路故障监测平台的anfis诊断模型如附图3所示，其诊断过程如下。采集轨道电路典型故障的数据；对故障数据进行归一化处理，提取时、频域故障特征量，确定输入量，并对输出进行编码，选取部分数据，构成anfis故障诊断的训练样本和测试样本，分别对样本进行训练与测试，以建立anfis故障诊断模型，通过anfis故障诊断模型对故障模式进行诊断并输出诊断结果。

在上述具体实施方案中，轨道电路的健康状态包括五种：1）正常状态，不需要维修；2）发送器故障，建议检查移频发送设备；3）补偿电容故障，建议检查补偿电容，若松动则紧固，若损坏则更换；4）调谐区故障，建议排查调谐区的调谐单元及空芯线圈，若有损坏或者松动情况，及时处理；5）轨道短路故障，建议检查轨端是否绝缘不良或轨间是否有导体掉落。

本发明中的智能循迹小车，其传感器采用金属信号探测模块，可根据检测到的钢轨信号自行移动，小车距钢轨的高度应尽量近，其作用是承载便携式移频信号检测仪在指定轨道电路检修区段的钢轨上巡线，提高检修效率。

本发明将云端技术开创性地应用到轨道电路故障监测领域，解决了远程处理数据的问题，本发明中的云端服务器相当于一个数据中转站，为铁路现场检测仪与远方监控中心搭建一个数据连接平台。

在本发明中涉及到的以上技术内容及技术术语应当按照该领域的公共常识和惯用的技术手段理解和实施，也可以通过合理的分析推理设置实施。