基于改进粒子群算法的轨道电路故障诊断方法研究-徐甜丽.pdf

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1、 中图分类号： U284 密 级： 公开 UDC ： 本校编号： 工 程 硕 士 学 位 论 文 论文题目： 基于 改进粒 子群 算法的 轨道 电路 故障 诊断方 法研 究 研究生姓名： 徐 甜丽 学号： 0611066 学校指导 教师姓 名 ： 陈永刚 职称 ： 副教授 企业指导 教师姓 名 ： 张 才 职称 ： 教授级高工 申请学位工程领域名称： 控制工程 论文提交 日期： 2014.6.12 论文 答辩日期 ： 2014.6.8 _ 工 程 硕 士 学 位 论 文 基于改进粒子群算法的轨道电路故障诊断方 法研究 Study on Fault Diagnosis Method of Tra

2、ck Circuit Based on Improved Particle Swarm Algorithm 作 者 姓 名： 徐甜丽 工 程 领 域： 控制工程 学 号 ： 0611066 校 内 导 师： 陈永刚 副教授 企 业 导 师： 张 才 教授级高 工 完 成 日 期： 2014 年 4 月 22 日 兰 州 交 通 大 学 Lanzhou Jiaotong University _ 独创性声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果， 除了文中特别加以标注和致谢之 处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含获得 兰 州交

3、通大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文 版权使 用授权书 本学位论文作者完全了解 兰 州交 通大学 有关保留、 使用学位论文的规定。 特授权 兰 州 交 通 大 学 可 以 将学 位 论 文 的全 部 或 部分内 容 编 入 有关 数 据 库进行 检 索 ， 并采 用 影 印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇 编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名：

4、 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 _兰 州 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 - I - 摘 要 轨道电路是 CTCS 系统 重要设备之一， 其性能直接影响着列车的运行安全， 当轨道 电路发生故障时， 可能会引起严重的安全事故。 目前， 我国对轨道电路设备的故障诊断 方法存在准确率较低、 效率不高， 比较依赖于维修人员的工作经验。 传统的轨道电路故 障诊断方法已经不再适应高效率、 智能化、 全面化的要求。 因 此， 引入新的故障诊断技 术， 建立一个智能的轨道电路故障诊断系统 ， 对发现设备故障、 分析故障原因、 提高维 护效率，是非常有意义的。 本文

5、 主要以 ZPW-2000A 轨道电路为研究对象 ，对 ZPW-2000A 轨道 电路 的工作原 理、 技术特征、 常见故障、 故障机理等进行分析。 改进了轨道电路 的检测算法， 完善了 轨道电路故障诊断模型和数据 库， 从而实现了 对轨道电路的检测与故障 诊断。 论文主要 完成以下 内容： 首先，分析 ZPW-2000A 轨道电路的工作原理 ，总结出轨道电路的常见 故障。根据 均匀传输线理论， 建立 了轨道电路四端网络 模型。 归纳了补偿电容和道砟电阻影响幅值 包络的规律。 其次， 深入研究了粒子群算法的原理、 参数的选取、 算法的流程。 为了改善粒子群 算法的搜索能力， 对粒 子群优化算法

6、进行了改进。 因为 BP 神经网络 有易陷入局部最优、 收敛速度慢，故 使用 粒子群算法优化 BP 神经 网络的参数 。提出了一种基于改进粒子群 算法的神经网络建模方法，并给出了建模的步骤和优化的流程。 最后，归纳总结 ZPW-2000A 系统的常见 故障 ， 轨道电路故障诊断系统的人机界面 是使用 VC+6.0 和 Matlab 联合编程技术编写 的，根据现场数据，对轨道电路进行检测 和故障诊断。从诊断结果可看出 ，这个系统 可以准确地诊断出轨道电路 是否发生故障， 判断相应故障类型及分析 故障的原因， 能够及时 地处理各种故障信息， 故障的诊断效率 得到了提高 。 关 键词 ：ZPW-20

7、00A 轨道 电路 ；粒子 群算 法；BP 神 经网络 ；故 障诊断 论 文类 型：应 用基础 研究 _基 于 改 进 粒 子 群 算 法 的 轨 道 电 路 故 障 诊 断 方 法 研 究 - II - Abstract Track circuit is one of the most important equipment in CTCS (Chinese Train Control System), and the train operational safety is affected by the quality of its signal transmission directly

8、. When a fault occurs on track circuit, it may cause serious safety accidents. At present, the methods for fault diagnosis of track circuit equipment exist some shortages, such as inaceuracy in diagnosis, inefficiency of diagnosis, more rely on the repair work experience and so on. The traditional f

9、ault diagnosis methods for track circuit cann t meet efficient, intelligent, comprehensive requirements. Therefore, adopt advanced fault diagnosis tehnologies and build an intelligent fault diagnosis system of track circuit have an important significance to find hidden danger, analysis fault, improv

10、e the maintenance level. This dissertation mainly takes ZPW-2000A track circuit as the research object. It analyzes the working principle, technical characteristics, common fault and the fault mechanism of ZPW-2000A track circuit. The detection algorithm of track circuit is improved, and the fault d

11、iagnosis model and database of track circuit is perfected. Thus, the dissertation realizes the detection and fault diagnosis of track circuit. This dissertation mainly completes the following contents: Firstly, the dissertation analyzes the working principle of ZPW-2000A track circuit, and summarize

12、s the common fault of track circuit. According to the transmission line theory, the model of four terminal network is established on track circuit. The compensation capacitor and the ballast resistance effects the amplitude envelope, which is summarized. Secondly, the dissertation studys deeply the

13、principle, parameter selection, algorithm process of the particle swarm algorithm. In order to improve the search ability of the particle swarm algorithm, the particle swarm algorithm is improved. Aiming to the lack of BP neural network, such as slow convergence speed, easily falling into local opti

14、mum, the improved particle swarm optimization algorithm is adopted to optimize the parameters of BP neural network. A neural network modeling method is proposed based on improved particle swarm algorithm, and the optimization process is given. Finally, the common failure of the ZPW-2000A system is a

15、nalysis. Using VC+6.0 and Matlab joint programming methods makes a human-machine interface for track circuit fault diagnosis system. According to the field data, the dissertation detectes the track circuit and also fault diagnosis. From the diagnostic results, we can see this system can diagnose acc

16、urately the fault of track circuit, which judge fault type and analyse fault reason. All kinds of fault is processd timely, so the diagnosis efficiency is improved. Key Words ：ZPW-2000A track circuit, Particle swarm optimization, BP neural network ， _兰 州 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 - III - Fault diagnos

17、is _基 于 改 进 粒 子 群 算 法 的 轨 道 电 路 故 障 诊 断 方 法 研 究 - IV - 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . IV 1 绪论 . 1 1.1 论文的背景及选题意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 论文的主要研究内容 . 3 2 轨道电路的原理及常见故障 . 4 2.1 ZPW-2000A 系统原 理 . 4 2.2 轨道电路的技术特征 . 6 2.3 轨道电路常见故障 . 7 2.3.1 室内常见故障 . 7 2.3.2 室外常见故障 . 9 3 轨道电路的建模与仿真 . 12 3.1 轨道电路的四端网络模型分析

18、. 12 3.2 轨道电路的仿真 . 15 4 改进粒子群算法在轨道电路故障诊断系统中的应用 . 19 4.1 粒子群优化算法 . 19 4.1.1 基本粒子群算法的原理 . 19 4.1.2 基本粒子群算法的流程 . 20 4.1.3 粒子群算法的参数 . 20 4.1.4 粒子群算法的改进 . 21 4.2 BP 神经网络 . 25 4.3 粒子群算法对神经网络参数的优化 . 26 4.4 专家系统 . 27 5 轨道电路的故障诊断系统 . 30 5.1 轨道电路的故障诊断分析 . 30 5.2 轨道电路故障诊断系统的设计 . 36 5.2.1 算法验证 . 36 5.2.2 轨道电路故障

19、诊断系统的总体设计 . 39 _兰 州 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 - V - 5.3 轨道电路故障诊断系统的实现 . 40 5.4 小结 . 43 结 论 . 44 致 谢 . 45 参考文献 . 46 攻读学位期间的研究成果 . 49 _兰 州 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 - 1 - 1 绪论 1.1 论文 的背景 及 选题意义 铁路系统 主要包含 5 大系统： 车、 机、 工 、 电 、 辆。 通信系统和信号 系统就是电务 系统的 两大部分。 其中信号系统有： 电源屏、 信号机、 道岔、 轨道电路 、 控制台、 分线 盘、组合架 、半自动与自动闭塞

20、设备 等 1 。轨 道电路主要作用 反映该段线路区段是否空 闲， 传递车地信息。 轨道电路 对信号系统的安全性具有重要 做用。 根据调研， 每年各铁 路局由于信号系统内部故障造成多达 1000 小时的行车延迟 2 。 因此 ， 急需改善信号系统 的故障检测和诊断的水平 。 为适应我国国情及铁路发展的需要，我国对 UM71 的 技 术 进 行 再 研 发 ， 研 制 了 ZPW-2000A 型轨道电 路。ZPW-2000A 型轨 道电路因为能够 满足高铁和客专 的高可靠、 高安全、快速 的要求 ，故各铁路线使用 ZPW-2000A 型无绝缘轨道电路 的频率越高。 轨道电路的故障能对列车的行车安全

21、与铁路的运输效率产生较大的影响， 较轻的 影 响是降低 运输效率， 较重的影响是 导致 发生 安全事故。 红光带故障与分路不良是轨道电 路的两种故障 。 一般而言 ， 有很多因素会对轨道电路工作 造成影响， 例如道砟电阻的变 化、 补偿电容的故障、 电源电压的波动、 衰耗盒的 故障等等。 在现场 维护与维修中， 对 ZPW-2000A 轨 道电 路 故障的 诊断 ， 先依 次测 量相关 参数 ， 接着 维修 人员会 依照相 关参 数和现场经验判断故障 。 维修人员的经验在诊断过程中起到了重要作用， 但由于人为因 素的存在， 难免产生分析误差。 因此， 如何避免分析误差， 为 现场维修人员提供一

22、个快 速准确地诊断轨道电路故障的系统 ，是一个 值得深思的重要问题 3,4 。 PSO(Particle Swarm Optiimization, 粒子群算法) 具有以下优点： (1) 原理简单； (2) 调整参数少； (3) 收敛速度快； (4) 易实现。 粒子群算法在系统设计与控制、 生产调度、 人工智能、 信号处理、 模式识别、 分类、 决策和模拟、 规划等诸多领域得到了广泛应用。 该算法能够完成神经网络训练、 目标函 数的优化、动态环境优化等各种 工作 5,6 。 近年来 ，BP 神经网络 是高科技研究领 域 再次 升起的热潮，已 经广泛 应用 在许多学 科领域 。BP 神经网络有以下

23、特点 7 ： (1) 理论上可以充分逼 近任意非线性关系 ； (2) 并行分布处理 ； _基 于 改 进 粒 子 群 算 法 的 轨 道 电 路 故 障 诊 断 方 法 研 究 - 2 - (3) 较好的容错性 ； (4) 自学习能力。 专家系统是一个能智能化解决问题的软件。 它能够把专家的经验和知识转化成符号 形式， 以便于计算机能够处理。 专家系统运用专家的控制策略与推理方法， 来解决实际 的问题， 并且有专家那样的水平。 但是， 传统 的专家系统还有一些弊端没有解决， 例如： 知识的“窄台阶”问题、知识获取的“瓶颈”问 题、不具有联想记忆功能 8-10 。 若是 把粒子群算 法、BP 神

24、经网络和专家系 统 相结合，研发出 能够诊 断轨道电路的 故障的 神经网络专家系统。 将会很大程度改善 故障诊断的效率， 这正是本 文所做的主要 工作。 1.2 国内 外研究 现 状 ZPW-2000A 轨 道电 路 由优化 的传 输系统 参数 和传输 安全 性技术 构成 ，是“ 机车信 号作为主体信号”所具备的一个安全基础条件。成为我国目前传输性能强、高安全性、 拥有自主知识产权的一种自动闭塞制式。 因为 ZPW-2000A 设备使用没有多久，掌握的设备技术原理可能还不够全面。 ZPW-2000A 轨 道电 路 采 用了 数字信 号处 理技 术、单 片微机 等， 它的 电路结 构与工 作原

25、理具有独特性， 从而工作人员维修和维护起来更加艰巨， 且耗时更长。 虽然轨道电路设 备的维修质量是在逐步提高， 但是设备是一定会发生故障， 确保设备每一刻都正常运行 是不可能的。 目前， 现场人员是通过使用 CD96-3A 型 UM7l/YP 测试专业仪表来进行手 工测试的，以此来完成对 ZPW-2000A 系统的维修维护 11 。如果出现 故障，维修人员则 根据以往的经验进行维修。 而现场轨道电路设备数量多， 个人经验终究是有限的以及具 有依赖性，他们所具有的经验知识难以形成一套可供学习的理论 知识体系。 粒子群算法一经提出就得到了众多学者的重视和研究，促进了粒子群算法的发展。 1998 年

26、，Shi 和 Eberhart 为了提高算法的收敛 性能，在基本粒子群算法的基础上增加了 惯性权重 。Clerc 引 入 收缩因子 以保 证算法 的 收敛性， 同时 对速度 的 限制放松 ，即 速 度 可以超越设定的大小值。 还有一种研究的趋势是将粒子群算法与其他算法融合 。 将进化 算法中的一些算子， 如选择、 复制、 交叉、 变异等引入到粒子群算法之中， 加强了群体 间的信息交流，增强粒子的多样性。 因为轨道电路的故障问题的复杂度与规模度的增加， 单一的算法很难获得理想的效 果。BP 神经 网络的训 练样本的数量和 质量、 学习算法的选择 、网络 的拓扑结构等的选 择都会影响神经网路的模型

27、与性能。 作为一种优化工具， 粒子群算法具有参数简单、 易 于实现的优点。 如果将粒子群算法作为神经网络的学习算法， 能够在很大程度上提高其 _兰 州 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 - 3 - 收敛速度，这己成为改善算法性能的重要方法。 由于我国对轨道电路设备的故障诊断的智能专家系统还处于初期研发阶段。 如何对 ZPW-2000A 轨 道电 路 进行维 护、维 修还 没有 统一的 结论， 归纳 总结 专家的 经验知 识， 研究出一套针对维修的理论知识体系。 把面向对象技术运用到轨道电路设备的故障诊断 专家系统中 ，给出一种能够完善神经网络专家系统的思考方路。 1.3 论文 的

28、主要 研 究内容 本文针对 ZPW-2000A 轨道电路的故障诊断系统进行整体设计，并初步开发出故障 诊断神经网络专家系统。 主要内容 有： 第 1 章， 绪论。 主要介绍 本论文的背景和研究意义， 对轨道电路 的国内外研究现状 进行总结 ，简要概述 本文的主要内容。 第 2 章，轨道电路的原理及常见故障 。 分析和归纳 ZPW-2000A 设备 的故障机制， 总结出 ZPW-2000A 系 统的常见故障。 第 3 章，轨道电路的建模与仿真 。归纳 补偿电容和道砟电阻影响幅值包络的规律。 第 4 章， 改进粒子群 在轨道电路故障诊断系统中的应用 。 浏览相关粒子群算法、 BP 神经网络的文献，

29、 设计符合神经网络训练和实际要求的混合算法， 并对混合算法的有效 性进行 验证。 第 5 章， 轨道电路的 故障诊断系统的设计及实现 。 神经网络专家系统的模块设 计与 总体设计。 研究人机友好交互的轨道电路故障诊断系统， 并考验 该系统的实用性与高效 率。 _基 于 改 进 粒 子 群 算 法 的 轨 道 电 路 故 障 诊 断 方 法 研 究 - 4 - 2 轨道电路的原理 及常见故障 ZPW-2000A 型 无绝 缘 轨道电 路是 铁道部 着重 推广使 用的 轨道电 路。 因为它 能 满足 高铁和客专 对轨道电路 所要求的安全性强、 可靠性高的性能。 国家知识 产权局已授予了 有关 “多

30、路移频信号接收 器” 、 “机械绝缘节 轨道电路” 、 “钢轨断 轨检测” 等 8 项专 利。铁路信号系统的 一项重要设备是轨道电路，它可以监督列车 占用 列车线路的情况， 可以反映 信号显示和 列车运行。 它的性能 可以或 直接、 或间接的影响到运输效率 与行车 安全。 2.1 ZPW-2000A 系统 原理 ZPW-2000A 轨道电路 引进法国 UM71 技术并进行了国产化， 对轨道 电路的安全性、 可靠性、信号传输性能、传输长度的改善有明显的效果，并且 ZPW-2000A 的工程造价 要比 UM71 便宜。 ZPW-2000A 无绝缘轨道电路的信号参数除了载频为 8 个外，其它 信息特

31、征基本与 UM71 信号相同。以下为 ZPW-2000A 信号的 参数值： (1) 调制低频： 10.3+n 1.1Hz ，n =017 即：10.3Hz 、11.4Hz 、12.5Hz 、13.6Hz 、14.7Hz 、15.8Hz 、16.9Hz 、18Hz 、19.1Hz 、 20.2Hz 、 21.3Hz 、 22.4Hz 、 23.5Hz 、 24.6Hz 、 25.7Hz 、 26.8Hz 、 27.9Hz 、 29Hz( 共 18 个) 12 。 (2) 载频频率： 表 2.1 ZPW-2000A 轨 道 电路载 频 行驶方 向 频段 载频频 率(Hz) 上行 1700-1 17

32、01.4 1700-2 1698.7 2300-1 2301.4 2300-2 2298.7 下行 2000-1 2001.4 2000-2 1998.7 2600-1 2601.4 2600-2 2598.7 (3) 频偏： 11Hz ZPW-2000A 型无绝缘 轨道电路系统构成如 图 2.1 所示。 _兰 州 交 通 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 - 5 - C C C . . 匹 配变压器 T XG 、XGH 调 谐 单 元 空 心 线 圈 调 谐 单 元 调 谐 单 元 空 心 线 圈 调 谐 单 元 1GJ XG 、XGH XGJ 、XGJH SPT 电 缆 电 缆模拟网

33、 络盘 站 防雷 衰 耗器 接 收器 匹 配变 压器 SPT 电 缆 电 缆模 拟网 络 盘 站 防雷 发 送器 匹配变压器 3GJ SPT 电 缆 电缆模拟网 络盘 站防雷 衰耗器 接收器图 2.1 ZPW-2000A 系 统 构成 ZPW-2000A 轨道电路 系统分为室外设备和室内设备 。 (1) 室内设备组成 及作用 网络综合柜 、移频柜 是主要的室内设备。其中，网络综合柜有： 电缆模拟网络盘、 信号机的远程隔离变压器 、 接口柜。 而移频柜由区间电源屏、 衰耗盘、 发送器、 接收器 和组合柜构成 13 。 发送器用于 产生足够功率的输出信号； 输出信号共有 18 种低频 8 种载频的

34、高稳定、 高精度的移频信号；自检测移频信号特征；对轨道电路进行调整。 本主轨道电路移频信号由接收器接收， 并解调相邻区段 小轨道电路移频信号 。 另外， 检查轨道电路是否完好，是分路死区的长度减少。 衰耗盘用于调整 主轨道电路的输入电平； 调整小轨道电路； 提供 发送、 接收的电源 电压、 接收 GJ 、XGJ 测试条件、 接收用+24 电源电压、 发送供出电压 ； 给出轨道占用指 示灯等。 SPT 电缆长度的补偿由 电缆模拟网络完成，补偿距离可达 10km 。用于轨道电路的 _基 于 改 进 粒 子 群 算 法 的 轨 道 电 路 故 障 诊 断 方 法 研 究 - 6 - 调整以及改变行车

35、方向的电路。 (2) 室外设备构成及作 用 室外设备包括 SPT 数字 电缆、调谐区设备 、补偿电容、信号机 。 调谐区(JES-JES) 按 29m 设计，由调谐单元 、匹配变压器、空芯 线圈、钢轨引接线 机械、 绝缘空心线圈 等设备构成。用于实现 两相邻轨道电路之间的 电气隔离。 “ 机械绝缘节空芯线圈 ” 与调谐单元并接构成了机械绝缘节， 与电气绝缘节 的节特 性相同 。 按 0.31.0km 道砟 电阻设计匹配电压器， 从而完成 轨道电路与 SPT 传输电缆的匹 配连接 。 钢轨电感对移频信号传输的影响 由补偿电容抵消，确保轨道电路的 传输性能良好， 增加传输长度。 传输电缆采用 SPT 型铁 路信号数字电缆，其 线径 1.0mm。 一般条件下 ， 电缆长度按 10km 考虑。 调 钢轨引接线与调谐区设备使 用 3700mm 、2000mm 钢包铜引接线各两根构成 。完 成 BA 、SVA 等设备与 钢轨间的连接。 2.2 轨道 电路的 技 术特征 ZPW-2000A 轨道电路 的技术特征如下 ： (1) ZPW-2000A 比 UM71 在传输长度、 安全性、 抗干扰性方面等都有较大程度的改 善。 (2) 发送器采用 N+1 冗余 ，