一种基于多级融合的轨道高低不平顺故障报警方法   0    0

本发明涉及一种基于多级融合的轨道高低不平顺故障报警方法。本发明从安装在轨检车的车轴和车体的加速度计获得振动数据作为初始数据，从中利用傅里叶变换获取振动特征作为样本数据，构建相应的证据表。对于一个在线获得的振动数据样本其激活证据表中对应的证据，计算该振动数据样本对与已知样本的欧氏距离，选出距离值最小的五个对应的已知样本，用该五个样本再次激活证据表中对应的证据，利用证据距离计算临近样本的可靠性指标，最后利用ER融合规则，将证据进行多级融合，利用该融合结果估计出不平顺幅值，根据幅值高低进行报警决策。本发明无需对系统的输入和输出之间的可能的复杂关系作任何假定且具有精度高的特点。

1.一种基于多级融合的轨道高低不平顺故障报警方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1)设定安装在轨检车的车轴和车体的加速度计获得车轴和车厢位置的时域加速度信号记为a1(t)和a2(t)，轨检车以100-120km/h的时速，每隔0.15-0.3m采样一次加速度振动信号，共采集T次，T>1000，采样时刻t＝1,2,…,T；设定轨检车在每一个采样时刻t利用惯性测量方法测得垂直位移为dv(t)；
步骤2)将步骤1)中每个采样时刻的时域加速度信号a1(t)和a2(t)分别以5.25m的窗口长度进行短时傅里叶变换，然后求得各频域幅值绝对值的平均值作为车轴和车体的频域特征信号TZ1(t)和TZ2(t)， 其中 分别为频域特
征信号TZ1(t)和TZ2(t)的最小值和最大值；取垂直位移dv(t)的绝对值记为BP(t)，BP(t)∈[l1，l2]，其中l1和l2分别是BP(t)的最小值和最大值；将TZ1(t)、TZ2(t)以及BP(t)表示为样本集合U＝{[TZ1(t),TZ2(t),BP(t)]|t＝1,...,T},其中[TZ1(t),TZ2(t),BP(t)]为一个样本向量，这T个样本向量为已知样本向量；
步骤3)设定轨道高低不平顺幅值BP的结果参考值集合C＝{Cn|n＝1,…,N}，频域特征信号TZi(t)的输入参考值集合 i＝1,2，N为轨道高低不平顺幅值的结果参考
值BP的个数，Ji为频域特征信号TZi(t)的参考值个数；其中Ji∈{5,10}，
Cn∈{0,15}且C1步骤4)给出频域特征信号TZi(t)的证据矩阵表如下表所示
表1 频域特征信号TZi(t)的证据矩阵表
表中C的个数为5个，取值从C1,C2,...,C5分别为2,4,...,10； 为输出值BP(t)的信度，且有 对于任一 有
步骤5)根据已知的T组样本，定义并求得证据的可靠性ri用来描述频域特征信号TZi(t)评估轨道高低不平顺幅值BP的能力，具体步骤如下：
步骤5-1)定义输入值TZi(t)与结果值BP(t)的相对变化值为
步骤5-2)根据步骤5-1)定义的相对变化值，获取反映输入特征信号与不平顺幅值变化趋势的评价因子为
步骤5-3)根据步骤5-2)获得的评价因子，由下式计算频域特征信号TZi(t)的可靠性步骤6)对于一个在线获得的某一时刻t时的样本对{Tzi′|i＝1,2}二者的取值必然属于某两个区间 及 因此二者必定分别激活各自两条相邻的证据 及
那么样本对{Tzi′|i＝1,2}激活的证据Zi(i＝1,2)表示为 与 加权和
zi＝{(Cn,pn,i),n＝1,...,N}             (5)
步骤7)通过下式分别计算样本对向量{Tzi′|i＝1,2}与已知样本S＝{[TZ1(t)，TZ2(t)]}中每个样本的欧氏距离
其中j＝1,...,T，将计算结果所有的 按照从小到大的顺序进行排列，从中选出最小的五个距离对应的样本，记为Sk＝{[Tz1(k),Tz2(k)],k＝1,...,5}；
步骤8)对于Sk＝{[Tz1(k),Tz2(k)],k＝1,...,5}中的每个样本Tzi(k)，重复步骤6)计算其对应的
zi＝{(Cn,pn,i),n＝1,...,N}              (8)
步骤9)在i＝1,2的情况下，分别计算相应的k个证据的可靠性，具体为：根据步骤7)中得到的距离最小的5个欧氏距离值 分别将其与一个在第一象限内单调递减的幂函数q(k)相乘，得到临近样本的可靠性指标，幂函数q(k)的表达式以及计算可靠性的公式如下式所示：
步骤10)分别对i＝1,2情况下的证据用ER规则进行融合，具体：根据步骤8)中计算出来的每个样本激活的证据zi，设证据zi的初始权重等于步骤9)中计算出来的可靠性；融合过程为：首先把前两个证据进行融合，其融合结果O(zi(1))与第三个证据再次融合，以此类推得到最终融合结果O(zi(5))；ER规则公式如下式所示：
i＝1时进行第一次的融合，即前两个证据融合，利用式(12)、(13)有：
其中：pI(1,1)是指在第一次融合时第一个证据的第
一个元素，pI(1,2)是指在第一次融合时第二个证据的第一个元素；
得
这样得到了前两个证据融合的结果为O(z1(1))＝
(p1I(1),p1I(2),p1I(3),p1I(4),p1I(5))；设融合结果O(z1(1))的证据可靠性为最初始的证据可靠性记为r3，第三个证据的可靠性记为r4，然后进行第二次的融合，即第一次融合的结果与第三个证据进行融合，利用式(12)、(13)有：
得
这样得到了第一次融合的结果与第三个证据融合的
结果为O(z1(2))＝(p1п(1),p1п(2),p1п(3),p1п(4),p1п(5))；以此类推，得到最后一次融合结果为O(z1(5))＝(p1Ⅴ(1),p1Ⅴ(2),p1Ⅴ(3),p1Ⅴ(4),p1Ⅴ(5))；同样的道理在i＝2时进行步骤10)中的融合步骤，最终得到融合结果为O(z2(5))＝(p2Ⅴ(1),p2Ⅴ(2),p2Ⅴ(3),p2Ⅴ(4),p2Ⅴ(5))；
步骤11)将步骤10)中得到的i＝1,2时的一级融合结果O(z1(5))和O(z2(5))再利用ER规则融合一次，得到最终结果为
O(z(5))＝(pⅤ(1),pⅤ(2),pⅤ(3),pⅤ(4),pⅤ(5))              (14)
步骤12)根据步骤11)得到的最终融合结果，轨道高低不平顺幅值 由式(15)求得，式(16)用来计算式(15)计算出的幅值大小的精确度
步骤13)当轨道高低不平顺幅值由步骤12)求出之后，进行报警决策工作，具体为：依据我国铁路的维修政策，线路动态不平顺各项偏差等级划分为四级：Ⅰ级为保养标准，Ⅱ级为舒适度标准，Ⅲ级为临时补修标准，Ⅳ级为限速标准，轨道高低不平顺管理等级如表2所示，等级I表示轨道状况良好，仅需要对轨道进行例行维护即可，当5mm
12mm时，将对行车安全产生威胁，当不平顺等级达到等级III及其以上都必须发出报警，维修工程师需对故障发生的地点做及时维修；
表2 轨道高低不平顺的动态管理等级
从在轨列车车轴和车体上安装的加速度计采集输入特征信号，然后进行步骤2)～步骤
12)从而得到较为精确的轨道高低不平顺幅值估计值 最后对应于轨道高低不平顺的动态管理等级，将等级III及其以上的等级进行报警，做出相应的检修或者限速的措施来保证列车行车安全。