一种基于DWT和C‑SVM的道岔故障诊断方法

申请号 CN201710137757.9 申请日 2017-03-09 公开(公告)号 CN106976468A 公开(公告)日 2017-07-25
申请人 南京理工大学; 发明人 杨静; 杨志; 张健雨; 韩煜霖; 邢宗义;
摘要 本 发明 公开了一种基于DWT和C‑SVM的 道岔 故障诊断方法。该方法包括以下步骤:首先,确定要诊断的道岔类型,选择一个同类型的道岔并安装 电流 变送器,在该道岔上模拟出常见的故障模式,并分别采集每种故障模式下的电流运转 信号 若干组作为模拟故障信号;其次,在被诊断的道岔上安装电流变送器,采集其电流运转信号作为实测信号;然后对模拟故障信号和实测信号进行DWT,并进行归一化处理,并将处理后的模拟故障特征信号输入到C‑SVM分类模型中进行训练和参数寻优;最后,将处理后的实测特征信号输入到训练完成的C‑SVM模型,进行最后的故障识别。本发明具有成本低、工程实施简单方便和诊断正确率高等优点。
权利要求

1.一种基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,确定要诊断的道岔类型,选择一个同类型的道岔,并在选定的道岔上安装电流变送器;
步骤2,在该道岔上模拟出多个故障模式,并分别采集每种故障模式下的电流运转信号
20~30组;
步骤3,在被诊断的道岔上安装电流变送器,采集被诊断道岔的电流运转信号5-10组;
步骤4,对模拟故障电流运转信号和实测电流运转信号进行离散小波变换即DWT,并进行归一化处理;
步骤5,将处理后的模拟故障电流运转信号输入到非线性软间隔支持向量机即C-SVM分类模型中进行训练,并进行参数寻优;
步骤6,将处理后的实测信号输入到训练完成的C-SVM分类模型,进行最后的故障识别。
2.根据权利要求1所述的基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,其特征在于,步骤2所述故障模式包括解困难、转换台阶阻、转换锯齿阻力和锁闭困难。
3.根据权利要求1所述的基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,其特征在于,步骤4所述的离散小波变换中选用的小波基函数为Haar小波,Haar小波的具体表达式为:
式中,ψ为Haar小波,t表示时间。
4.根据权利要求1所述的基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,其特征在于,步骤4所述的归一化处理,采用线性归一,线性归一的具体公式如下:
式中,xnorm为归一化之后的信号值,xmax为最大信号值,xmin为最小信号值,x为归一化之前的信号值。
5.根据权利要求1所述的基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,其特征在于,步骤5所述的C-SVM分类模型选择RBF核函数K,具体公式如下:
式中,xi表示输入向量,x表示映射向量,σ2表示输入向量方差。

说明书全文

一种基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法

技术领域

[0001] 本发明涉及路道岔状态检测领域,特别是一种基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法。

背景技术

[0002] 道岔连接不同轨道并通常安装在两股或者多股轨道之间。。由于受到自身复杂机械结构和执行机构的制约,道岔各部分的机械强度一般低于线路上的设备,因此机械结构容易发生疲劳变化,引发道岔尖轨和基本轨之间间隙过大的情况,从而导致列车发生挤岔甚至脱轨事故。与此同时,道岔一般安装于室外,其工作环境受天气因素影响较大,如大天气可导致道岔尖轨与基本轨之间堵塞杂物从而卡阻,雨天气使得滑床板受到异常阻从而影响道岔转换,这些都有可能成为列车行车安全的潜在隐患。
[0003] 目前,各大铁路仍然依靠传统的定期预防性检测和人工计划检修来完成道岔设备运行状态的检测,因此现场维修工人无法第一时间发现产生故障的道岔,此外人工检测对检修人员的经验要求较高,常发生新员工因经验不足误诊断的情况。为了解决这个问题,目前一些铁路线路上安装有道岔设备微机监测设备,该设备能够根据采集道岔动作的电流和转换力等信号,并在设备中集成了基于阈值判断的故障诊断软件来实现故障报警。但是,道岔现场复杂和恶劣的运行工作环境使得微机监测设备中预设的阈值在道岔工作一段时间后就失去参考价值,此外,这些阈值一般也是由维护专家设置,专家经验的模糊性也使得其总结的阈值规则无法长期起作用并且得到有效推广。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种成本低、工程实施简单方便的基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,实现对道岔的故障识别。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,包括以下步骤:
[0006] 步骤1,确定要诊断的道岔类型,选择一个同类型的道岔,并在选定的道岔上安装电流变送器;
[0007] 步骤2,在该道岔上模拟出多个故障模式,并分别采集每种故障模式下的电流运转信号20~30组;
[0008] 步骤3,在被诊断的道岔上安装电流变送器,采集被诊断道岔的电流运转信号5-10组;
[0009] 步骤4,对模拟故障电流运转信号和实测电流运转信号进行离散小波变换即DWT,并进行归一化处理;
[0010] 步骤5,将处理后的模拟故障电流运转信号输入到非线性软间隔支持向量机即C-SVM分类模型中进行训练,并进行参数寻优;
[0011] 步骤6,将处理后的实测信号输入到训练完成的C-SVM分类模型,进行最后的故障识别。
[0012] 进一步地,步骤2所述故障模式包括解困难、转换台阶阻力、转换锯齿阻力和锁闭困难。
[0013] 进一步地,步骤4所述的离散小波变换中选用的小波基函数为Haar小波,Haar小波的具体表达式为:
[0014]
[0015] 式中,ψ为Haar小波,t表示时间。
[0016] 进一步地,步骤4所述的归一化处理,采用线性归一,线性归一的具体公式如下:
[0017]
[0018] 式中,xnorm为归一化之后的信号值,xmax为最大信号值,xmin为最小信号值,x为归一化之前的信号值。
[0019] 进一步地,步骤5所述的C-SVM分类模型选择RBF核函数K,具体公式如下:
[0020]
[0021] 式中,xi表示输入向量,x表示映射向量,σ2表示输入向量方差。
[0022] 本发明与现有技术相比,其显著优点是:(1)成本低,避免了微机监测系统的运行、维护成本;(2)电流变送器安装简单方便,且能适应现场恶劣的工作环境;(3)诊断结果可信度较高,能够为道岔的检修提供有效的指导。附图说明
[0023] 图1为本发明基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法的流程图
[0024] 图2为本发明中传感器安装示意图,其中(a)为正视图,(b)为俯视穿线图,(c)为俯视图。
[0025] 图3为实施例中道岔5种状态下的电流运转信号图,其中为(a)无故障状态下的电流运转信号图,(b)为故障1的电流运转信号图,(c)为故障2的电流运转信号图,(d)为故障3的电流运转信号图,(e)为故障4的电流运转信号图。
[0026] 图4为实施例中道岔5种状态下的特征信号图,其中为(a)无故障状态下的特征信号图,(b)为故障1的特征信号图,(c)为故障2的特征信号图,(d)为故障3的特征信号图,(e)为故障4的特征信号图。
[0027] 图5为实施例中道岔5种状态下的归一特征信号图,其中为(a)无故障状态下的归一特征信号图,(b)为故障1的归一特征信号图,(c)为故障2的归一特征信号图,(d)为故障3的归一特征信号图,(e)为故障4的归一特征信号图。
[0028] 图6为实施例中道岔故障诊断结果图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0030] 结合图1,本发明基于DWT和C-SVM的道岔故障诊断方法,包含以下步骤:
[0031] 步骤1,确定要诊断的道岔类型,选择一个同类型的道岔,并在选定的道岔上安装电流变送器;
[0032] 步骤2,在该道岔上模拟出多个故障模式,并分别采集每种故障模式下的电流运转信号20~30组;所述故障模式包括解锁困难、转换台阶阻力、转换锯齿阻力和锁闭困难;
[0033] 步骤3,在被诊断的道岔上安装电流变送器,采集被诊断道岔的电流运转信号5-10组;
[0034] 步骤4,对模拟故障电流运转信号和实测电流运转信号进行离散小波变换(DWT,Discrete Wavelet Transform),并进行归一化处理;
[0035] 所述的离散小波变换中选用的小波基函数为Haar小波,Haar小波的具体表达式为:
[0036]
[0037] 式中,ψ为Haar小波,t表示时间。
[0038] 所述的归一化处理,采用线性归一,线性归一的具体公式如下:
[0039]
[0040] 式中,xnorm为归一化之后的信号值,xmax为最大信号值,xmin为最小信号值,x为归一化之前的信号值。
[0041] 步骤5,将处理后的模拟故障电流运转信号输入到非线性软间隔支持向量机(C-SVM,C-Support Vector Machine)分类模型中进行训练,并进行参数寻优;
[0042] 所述的C-SVM分类模型选择RBF核函数K,具体公式如下:
[0043]
[0044] 式中,xi表示输入向量,x表示映射向量,σ2表示输入向量方差。
[0045] 步骤6,将处理后的实测信号输入到训练完成的C-SVM分类模型,进行最后的故障识别。
[0046] 下面结合具体实施例,对本发明作进一步详细说明。
[0047] 实施例1
[0048] 本实施例重点对某地铁公司线路铺设的某ZD6-A型道岔进行故障诊断,并在统计该类型道岔的历史故障数据之后,将诊断的故障类型设定为四个,分别为故障1(解锁困难)、故障2(转换台阶阻力)、故障3(转换锯齿阻力)和故障4(锁闭困难)。
[0049] 为了采集能够训练C-SVM模型的故障运转信号,在该地铁公司线路上随机选择一个ZD6-A型道岔并安装华控兴业生产的HK-D4I型电流变送器,如图2所示,其中(a)为正视图,(b)为俯视穿线图,(c)为俯视图;其次让检修工程师在该道岔上模拟出上述四种故障,分别采集每种故障状态下的电流运转信号各30组,采集频率设置为5K,采样时间为4S。考虑到被诊断道岔有可能未出现任何故障,故同样采集该道岔在无故障状态下的电流运转信号30组。采集到的5种状态下的电流运转信号如图3所示,其中为(a)无故障状态下的电流运转信号图,(b)为故障1的电流运转信号图,(c)为故障2的电流运转信号图,(d)为故障3的电流运转信号图,(e)为故障4的电流运转信号图。
[0050] 模拟故障信号采集结束之后,在被诊断的ZD6-A型道岔同样安装电流变送器,采集其电流运转信号10组。对采集到的所有信号进行如图4所示的基于Haar小波的9层离散小波变换,其中为(a)无故障状态下的特征信号图,(b)为故障1的特征信号图,(c)为故障2的特征信号图,(d)为故障3的特征信号图,(e)为故障4的特征信号图;然后将这些特征信号进行如图5所示的归一化处理,其中为(a)无故障状态下的归一特征信号图,(b)为故障1的归一特征信号图,(c)为故障2的归一特征信号图,(d)为故障3的归一特征信号图,(e)为故障4的归一特征信号图;最后将150组模拟故障归一特征信号输入到C-SVM多分类模型中进行训练,核函数选择参数取2,惩罚系数C取0.25,gamma取4。
[0051] 将实测的10组特征信号输入到训练后的模型进行最终的故障诊断,故障诊断的结果如图6所示。从图中可以看出,除了第3组和第8组,其余组特征信号的诊断结果均为故障2(转换台阶阻力),该故障诊断结果与现场工程师的人工诊断结果保持一致。
[0052] 综上,本发明能够及时识别道岔工作过程中出现的故障,为现场设备检修工人提供检修依据,提高诊断故障的准确率和解决故障的效率,从而保障城轨线路的行车安全和运营效率。
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