基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统设计_肖焕丽.pdf

测试与故障诊断计算机测量与控制 （）收稿日期：；修回日期：。作者简介：肖焕丽（），女，陕西渭南人，大学本科，讲师，主要从事机电一体化方向的研究。引用格式：肖焕丽基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统设计计算机测量与控制，（）：文章编号：（）：中图分类号：文献标识码：基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统设计肖焕丽（西安交通工程学院，西安 ）摘要：为使预警软件能够准确识别轨道电路分路的不良故障行为，设计基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统；设置电源电路，借助 转 接口模块，将电源回路与微处理器元件、显示及报警模块相连，完成轨道电路分路不良故障自动预警系统硬件设计；根据熵性质定义条件，求解模糊熵参数，以此为基础，分析故障信号的模糊特征，完成模糊熵算法的预警原理研究；完善编码器解码器结构模型，根据预警指标取值结果，界定警限区域范围，实现轨道电路分路不良故障预警体系的建立，完成基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统软件设计；对比实验表明，应用基于模糊熵自动预警系统，可将非故障电压与故障电压之间的差值水平控制在 之内，在提升系统主机对于轨道电路分路不良故障行为的预警能力方面具有突出应用价值。关键词：模糊熵；轨道电路分路；不良故障；自动预警；编码器解码器；警限区域 （，）：，：；引言轨道电路分路不良是指由继电器无法正常落下而引起的信号联锁失效作用。当轨道电路轨面存在不良导电物时，负载电压会随着列车行进距离的延长而不断增大，这就会导致实际分路电阻远超出额定电阻水平，从而抑制了继电器元件的正常下落，使轨道电路在列车行进过程中无法呈现区段空闲状态。模糊熵描述了数据样本在模糊集合中的模糊性程度，由于样本集合中数据信息存储量并不固定，所以模糊熵指标的求解结果也并不唯一。对于数据样本完全清晰的分明集合而言，其模糊熵指标的赋值为；型模糊集合中数据样本的隶属特性最难判断，故其模糊熵指标的赋值水平相对较高。当两个模糊集合的模糊性程度相同时，则表示这两个集合模糊熵指标的赋值也相同。在同一模糊集合空间内，数据样本的分布符合单调变化规律，即数据样本的排列位置越靠后，与之对应的模糊熵数值也就越大，当某一样本参量与第一个数据样本之间的间隔距离无限大时，则表示与该样本对应的模糊熵指标取值也接近无穷大。由于同一模糊集合中可能存在多个完全投稿网址：计算机测量与控制第 卷 相同的数据样本参量，所以模糊熵指标不满足唯一性判别条件。为实现对轨道电路分路不良故障的识别，电气设备局部放电融合诊断与智能预警系统通过采集声电信号局部特征的方式，完成对轨道电路分路不良故障表现行为的初步判定，再根据时间间隔内信号平均指标的取值水平，完成对故障行为的评估与预警。然而此系统对于某几类不良故障行 为 的 识 别 能 力 有 限，并 不 能 完 全 满 足 实 际 应 用需求。为解决上述问题，针对基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统展开研究。轨道电路分路不良故障自动预警系统硬件设计设置电源电路、转 接口模块、微处理器元件、微处理器元件个应用单元，完成基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统设计。电源电路电源电路提供了轨道电路分路不良故障自动预警系统所需的电量信号，可以按照模糊熵算法对电量信号的传输行为进行调试，从而使得系统主机能够准确感知轨道电路分路不良故障行为的表现强度。设备作为电源电路的核心应用元件，具有 、两种运行模式 运行模式下，元件、元件完全接入电源电路，两者保持并列连接关系，当前情况下 设备能够准确监控 与 的运行状态，并可以根据 元件的连接情况，来判断轨道电路分路不良故障行为的表现程度；运行模式下，元件不接入电源电路，元件保持独立运行状态，当前情况下，设备对于不良故障行为的预警能力相对较弱。完整的电源电路连接结构如图所示。图电源电路连接结构电阻存在于轨道电路的主连接回路中，其内阻水平相对较高；、电阻存在于轨道电路的次级分路中，内阻水平相对较低。实施不良故障自动预警时，、元件同时承担轨道电路输出的负载电压，此情况下负载电压数值越大，就表示不良故障行为的表现能力越强。转 接口模块由于自动预警系统对轨道电路分路不良故障数据的提取完全遵循模糊熵算法，所以为保障电源电路能够与微处理器元件、显示报警模块准确对接，还要设置 转 接口 模 块 将 高 压 输 入 信 号 转 换 成 低 压 输 出 信 号。端口与轨道电路分路的高压部分相连，能够根据电源电路中电压与电流分量的输出情况，来判断电路分路不良故障行为的表现强度。端口与轨道电路分路的低压部分相连，负责与微处理器元件、显示报警模块直接对接，但由于该端口只负责感应，不具备判别信号的能力，所以其在控制系统预警行为时，所表现出来的处理能力受到 端口中电信号输出量水平的直接影响。设、表示个不同的故障数据预警判别参量，其取值条件满足式（）。，（）规定表示与 端口匹配的预警向量，表示与 端口匹配的预警向量，表示自动响应系数，联立式（），可将 转 接口模块设置条件表示为：槡（）由于轨道电路分路不良故障行为具备迁移能力，所以在处理故障数据样本时，转 接口模块必须与电源电路直接对接。微处理器元件微处理器元件由 内核、通用寄存器两部分组成，可以按照模糊熵算法执行原则，完成对故障数据的寄存，并能够借助借助地址加法器设备，将电压故障、电流故障等多种不同的故障行为区别开来 。具体的微处理器元件连接结构如图所示。图微处理器元件结构示意图通用寄存器同时包含 类、类两种不同的识别端点，可将完成提取处理的故障数据样本，直接反馈至寄存器主机。内核能够准确区分故障行为的表现形式，并可以分析与所提取故障数据匹配的位置信息，从而使系统主机能够对轨道电路分路不良故障行为进行准确投稿网址：第期肖焕丽：基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统设计 预警。显示与报警模块显示与报警模块能够表明预警指令的执行状态，在轨道电路分路不良故障自动预警系统中，该结构接受微处理器元件的直接调节与调度。在轨道电路分路不良故障行为表现程度保持不变的情况下，显示与报警模块中预警指令的瞬时执行状态，就表示系统预警主机的当前执行状态。在模糊熵算法作用下，按需连接上述模块结构，实现轨道电路分路不良故障自动预警系统的顺利应用。基于模糊熵的轨道电路分路不良故障自动预警系统软件设计 模糊熵算法的预警原理模糊熵算法的预警原理涉及对熵性质、模糊熵参数与故障信号模糊特征的分析，本章节将针对上述内容展开深入研究。熵的性质熵指标可以解决随机性与无规律性问题，在定量分析不确定性问题时，可以获得大量的宏观样本参量，以用来判定相关数值解的排列形式。在故障数据样本模糊程度保持不变的情况下，设表示轨道电路分路不良故障数据样本标记值，表示数据样本提取系数，表示故障数据的单位累积量，表示熵值感应权限，且其取值恒满足的不等式条件，联立上述物理量，可将熵指标性质定义式表示为：）（）对于轨道电路分路不良故障行为数据而言，熵指标具有非负性、对称性、确定性、可加性三类基本性质。所谓非负性是指当自动预警系统中只存在确定性故障数据样本时，其熵值指标的求解结果才能小于或等于零，但由于轨道电路分路不良故障行为的表现具有随机性，故障数据样本取值不可能为确定性状态，所以熵值指标求解结果恒大于零。对称性是指故障数据样本排列顺序调换不会对熵指标求解结果造成影响。确定性表示每一个故障数据样本都只能对应一个熵指标求解结果。可加性是指两个不相等熵指标具有直接相加的能力。模糊熵参数模糊熵参数决定了数据样本之间的相似度，对于轨道电路分路不良故障行为而言，模糊熵参数的取值越大，就表示故障数据样本之间的相似度水平越高。对于模糊熵参数的求解，涉及模式维数、相似容限参数两项物理指标。模式维数影响故障数据信息样本存储量的大小，若维数指标设定值过小，会导致故障数据样本的丢失；若维数指标设定值过大，则会导致预警主机在单位时间内获得过于丰富的故障数据样本，从而增大主机元件的运行压力 。相似容限参数决定预警主机对故障数据样本的处理精度，在轨道电路分路不良故障表现行为不同的情况下，该项参数指标的取值结果也会有所不同。模式维数、相似容限参数的求解表达式为：（）（）（）烅烄烆（）式中，、表示两个随机选取的相似度指标，且的不等式条件恒成立，表示基于系数的故障数据样本存储特征，表示基于系数的故障数据样本存储特征，表示故障数据的实时存储向量，表示数据样本额定存储条件，表示容限系数指标，表示相似性度量值，（）表示基于系数的相似性判别函数。在式（）的基础上，设珗表示熵指标运行向量，模糊熵参数推导式为：（珗）（）（）推导模糊熵参数时，要求模式维数、相似容限参数取值不能同时等于最大值或最小值。故障信号模糊特征分析针对故障信号模糊特征的提取包含模糊熵参数粗粒化、熵阈值求解两个处理环节。模糊熵参数粗粒化是将模糊熵参数转化为模糊序列集合的处理过程，在轨道电路分路不良故障自动预警系统中，模糊熵参数指标的输入量越大，模糊序列集合内信息参量的排列形式就越密集。具体的模糊熵参数粗粒化处理原则如图所示。图模糊熵参数粗粒化原则图中，、表示个不同的熵节点对象，处理轨道电路分路不良故障数据时，每一个节点对象对于数据信息样本的提取能力完全相同。模糊熵参数与粗粒化节点之间保持多对一的映射关系，而粗粒化节点与模糊序列集合之间保持一对一的映射关系。熵阈值决定了模糊熵算法对故障数据的处理能力，在轨道电路分路不良故障自动预警系统中，熵阈值越大，故障数据的单位累积量就越小，系统主机对于不良故障行为的精准识别能力也就越强。熵阈值求解满足式（）。，（）其中，表示故障信号传输特征辨别系数，表示模糊度标记系数，表示基于系数的数据模糊程度。为实现对轨道电路分路不良故障行为的准确识别，应根据模糊熵投稿网址：计算机测量与控制第 卷 算法作用原则，对故障信号的模糊特征进行提取与处理。轨道电路分路不良故障预警体系建立轨道电路分路不良故障预警体系借助编码器解码器结构，选择预警指标，又按照模糊熵算法应用原则，完成对警限区域的界定。编码器解码器结构编码器解码器结构（如图所示）可以对轨道电路分路不良故障自动预警系统中的数据样本进行转码处理，由于信息参量的传输具有双向性，所以进行转码时不对码源状态设置要求。当码源参量为密文时，编码器解码器结构运行方向为转码节点 寄存节点 编码节点；当码源参量为明文时，运行方向则相反。图编码器解码器结构简图寄存节点存在于解码器单元与密码器单元中部，可以在短暂存储轨道电路分路不良故障数据的同时，将密文模板与明文模板分离开来，从而使得过渡设备能够准确记录数据信息样本的传输状态。设珬表示轨道电路分路不良故障数据的编码向量，表示基于模糊熵算法的数据样本辨别系数，表示信息参量的方向性传输系数，表示明文编码参量，表示故障数据明文样本的编码特征，表示密文解码参量，表示故障数据密文样本的解码特征。自动预警系统编码器解码器结构的定义式条件满足式（）。珬 （）（）在编码器解码器结构中，一类轨道电路分路不良故障数据只能对应一个编码节点与一个解码节点。预警指标选择轨道电路分路不良故障自动预警系统的预警指标选择包含对轨道电压模量的定义与轨道电流模量的调整。设、表示个不同的电压模量指标，珘表示电流模量指标的定频系数，（珘）表示基于系数珘的电流模量预警表达式，联立上述物理量，可将基于模糊熵的轨道电路分路不良故障数据预警指标提取表达式定义为：（）（珘）（）轨道电压模量是指在轨道电路分路运行过程中，由不良故障行为引发的压升或压降现象，当电压模量对应压升现象时，表示不良故障行为发生在轨道电路的主路部分，此情况下电压信号在单一频段内呈现快速波动的变化状态，由于阶段性电压的累积量相对较大，所以轨道电压模量不断增大；当电压模量对应压降现象时，表示不良故障行为发生在轨道电路的次级分路部分，此情况下电压信号的波动能力较弱，故而阶段性电压的累积量相对较少，轨道电压模量持续减小 。电流模量决定了轨道电路主机对分路不良故障行为的预警能力，一般来说，电流模量的累计数值越大，预警指标的计算数值也就越小。警限区域界定警限区域的划分决定了系统主机对轨道