基于CEEMD特征提取的無絕緣軌道電路補償電容故障診斷

1、作者簡介：李亞蘭（1988），女（漢），甘肅天水，碩士，主修專業(yè)：交通信息工程及控制，Email: HYPERLINK mailto:liyalan liyalan?；贑EEMD特征提取的無絕緣軌道電路補償電容故障診斷李亞蘭1，董昱1，南接龍2(1. 蘭州交通大學自動化與電氣工程學院 蘭州 7300702. 南京恩瑞特實業(yè)有限公司軌道部 南京211100)摘要：本文利用電路網(wǎng)絡(luò)理論和傳輸線理論構(gòu)建ZPW-2000A軌道電路傳輸模型，仿真并分析了補償電容故障對軌面電壓的影響，提出基于互補的總體經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓–EEMD）特征提取的補償電容故障診斷方法。實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD

2、）和總體經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓‥EMD），基于CEEMD特征提取的補償電容故障診斷方法可以有效地克服EMD方法引起的模態(tài)混疊和能量泄露現(xiàn)象，減少EEMD方法在信號重構(gòu)過程中的白噪聲殘留，為補償電容的故障診斷提供了一種快速準確的方法，為保證信號傳輸質(zhì)量提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：電路網(wǎng)絡(luò)理論；ZPW-2000A軌道電路；補償電容；基于互補的總體經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓–EEMD）；故障診斷中圖分類號: U284.2 文獻標識碼：AJointless track circuit compensation capacitor fault diagnosis based on CEEMD feature extractio

3、nLi Ya-lan1, Dong Yu1, Nan Jie-long2(1. Institute of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China 2. Rail Department, Nanjing NRIET Industrial Co., Ltd. Nanjing 211100, China)Abstract: In this paper, ZPW-2000A track circuit transmission model is built by us

4、ing circuit network theory and transmission line theory. Then make simulation and analysis of impact on the track surface voltage when compensation capacitor failure, propose a fault diagnosis method of compensation capacitor based on complete ensemble empirical mode decomposition (CEEMD) feature ex

5、traction. Experimental results show that, compared to the empirical mode decomposition (EMD) and ensemble empirical mode decomposition (EEMD), compensation capacitor fault diagnosis method based on CEEMD feature extraction not only can effectively overcome the mode mixing and energy leakage phenomen

6、on which exist in EMD, but also reduce the white noise residues in signal reconstruction process caused by EEMD. Therefore, CEEMD provides a fast and accurate method for compensation capacitor fault diagnosis, and provides the basis for ensuring the quality of signal transmission. Keywords: circuit

7、network theory; ZPW-2000A track circuit; compensation capacitor; complete ensemble empirical mode decomposition (CEEMD); fault diagnosis0 引言近年來，高速鐵路技術(shù)不斷取得創(chuàng)新和突破，既而行車安全的概念不斷被強調(diào)，特別是“723”甬-溫線動車組追尾特大事故1之后，如何確保高鐵運行安全成為人們關(guān)注的熱點。ZPW-2000A設(shè)備作為主要的區(qū)間閉塞設(shè)備已得到了普遍的應(yīng)用，從實際調(diào)研結(jié)果來看，其故障主要集中在調(diào)諧單元斷線、補償電容斷線或容值下降等方面。而補償電容故障會

8、影響軌道電路信號的傳輸質(zhì)量和傳輸距離，影響列車運行控制系統(tǒng)的正常運行，因此，需要對補償電容進行定期檢測。國內(nèi)，文獻2提出基于軌道電路接收設(shè)備輸入電幅度與相位變化的補償電容故障檢測方法，文獻3針對既有線分別分析了補償電容故障和道碎電阻變化對短路電流幅值包絡(luò)的影響規(guī)律，并將其應(yīng)用到補償電容故障的診斷中。國外，文獻4、5中分別提出了基于偏最小二乘回歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補償電容故障檢測方法和基于傳遞置信模型補償電容故障檢測方法?？紤]到現(xiàn)場實際運用需求，補償電容的故障診斷要從多個層面進行，并對現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)充分利用。本文將CEEMD用于補償電容故障診斷的特征提取，提出了基于CEEMD特征提取的補償電容故障診斷方

9、法，此方法不僅克服了EMD方法引起的模態(tài)混疊和能量泄露問題，而且有效減少了EEMD在信號重構(gòu)過程中的白噪聲殘留，適合于補償電容故障診斷的特征提取。1 ZPW-2000A軌道電路建模ZPW-2000A軌道電路由主軌道和調(diào)諧區(qū)兩部分構(gòu)成，并將調(diào)諧區(qū)視為列車運行前方的“延續(xù)段”。ZPW-2000A的載頻頻率為1700Hz、2300 Hz、2000 Hz、2600 Hz，上行線路以2000 Hz、2600 Hz交替配置，下行線路以1700 Hz、2300 Hz交替配置。由于鋼軌呈現(xiàn)感性，采用等間距布置補償電容的方法減小信號傳輸中的衰耗，且不同載頻的補償電容值不同6。ZPW-2000A軌道電路構(gòu)成如圖1

10、所示。圖1 ZPW-2000A系統(tǒng)構(gòu)成圖ZPW-2000A軌道電路采取分段加補償電容的方法減弱鋼軌電感的影響，補償電容的設(shè)置方式采用“等間距法”，將主軌部分按補償電容N等分，其步長為，軌道電路兩端按半步長/2，中間按全步長設(shè)置。將補償電容及其相連的/2長的軌道看成一個四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，那么整個主軌部分由N個這樣的四端網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)而成7-11。以軌道電路2中的一個等效四端網(wǎng)絡(luò)為例，其網(wǎng)絡(luò)為：TZF2=Tgd(/2) TcTgd(/2)，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 補償電容所在四端網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)其中Tgd為軌道四端網(wǎng)絡(luò)，利用傳輸線理論可以得到其傳輸矩陣如下：（1） (2)公式(1)中Zc代表鋼軌的特性阻抗，代

11、表軌道四端網(wǎng)絡(luò)的長度，代表軌道電路的傳輸常數(shù)。Tc為補償電容四端網(wǎng)絡(luò)，為信號載頻，其傳輸矩陣如公式(2)所示。當軌道電路處于調(diào)整狀態(tài)時，主軌2等效為N個TZF2四端網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)，其傳輸矩陣為：TZ2=( TZF2)N。對于一個四端網(wǎng)絡(luò)，其兩個端口的電壓電流關(guān)系可用下式來表示： (3)計算任意點軌面電壓時，將點左邊的等效網(wǎng)絡(luò)記為TR，右邊的等效網(wǎng)絡(luò)記為TL，則TR網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗為TL網(wǎng)絡(luò)的終端負載阻抗，如圖3所示。計算可得網(wǎng)絡(luò)TR的輸入阻抗為： (4)圖3 點等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖公式(4)中，Zz為接收器的視入阻抗。左端等效網(wǎng)絡(luò)TL中任意一點電流為： (5)式(5)中US為發(fā)送器的電壓。因此，軌面上

12、任意一點電壓為：。根據(jù)以上公式及四端網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，級聯(lián)計算軌面電壓。仿真結(jié)果顯示，軌面電壓在每個補償電容處都存在一個尖銳的峰值，這是由于補償電容的補償作用所致。當補償電容發(fā)生故障時，其所在四端網(wǎng)絡(luò)中的補償作用消失，使得四端網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對于任意一點的軌面電壓而言，其左右網(wǎng)絡(luò)也隨補償電容的故障發(fā)生變化。以C10故障為例，其軌面電壓分布如圖4所示，其中紅色虛線代表C10故障時的軌面電壓，黑色實線代表正常情況下的軌面電壓。圖4 C10故障時與正常軌面電壓比較2 CEEMD方法經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD）法是N. E. Huang等人于199

13、8年提出的，適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號序列，具有很高的信噪比。該方法的關(guān)鍵是經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，它能使復雜信號分解為有限個本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function，簡稱IMF)，所分解出來的各IMF分量包含了原信號的不同時間尺度的局部特征信號12。EMD自提出后在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但也存在一些問題，如模態(tài)混疊。總體經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓‥nsemble Empirical Mode Decomposition，簡稱EEMD）法是針對EMD方法的不足，提出了一種噪聲輔助 HYPERLINK /doc/6144826.html t _blank 數(shù)據(jù)分析方法。在EMD 方法中，得到合理I

14、MF 的能力取決于信號極值點的分布情況，如果信號極值點分布不均勻，會出現(xiàn)模態(tài)混疊的情況13。為此，文獻14將白噪聲加入待分解信號，利用白噪聲頻譜的均勻分布，當信號加在遍布整個時頻空間分布一致的白噪聲背景上時，不同時間尺度的信號會自動分布到合適的參考尺度上，并且由于零均值噪聲的特性，經(jīng)過多次平均后，噪聲將相互抵消，集成均值的結(jié)果就可作為最終結(jié)果。但是EEMD也引入了新的問題，固有模態(tài)函數(shù)由于求取平均來近似而產(chǎn)生了相應(yīng)的偏差，且其在信號重建的過程中殘留了大量的冗余噪聲。文獻15中提出了一種補充的總體平均經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(Complementary Ensemble Empirical Mode De

15、composition，簡稱CEEMD)，CEEMD方法主要是通過向待分析信號中添加兩個相反的白噪聲信號，并分別進行EEMD分解。CEEMD不僅解決了EMD引起的模態(tài)混疊和能量泄露問題，并且在保證分解效果與EEMD相當?shù)那闆r下，減小了由白噪聲引起的重構(gòu)誤差。CEEMD包括以下幾個步驟：(1) 向信號中加入一對幅值相同、相位角相差180的高斯白噪聲，形成兩個新的信號,即：(2) 對信號和分別進行EMD分解，將每組分解結(jié)果的總體平均記為和；(3) 求和對應(yīng)分量的平均值，把該值作為CEEMD的分解結(jié)果，即：3 仿真分析以載頻2300HZ，軌道區(qū)段長度1400m，補償電容步長80m為例進行仿真，得到圖

16、4所示的軌面電壓分布。分別采用EMD、EEMD、CEEMD對正常的軌面電壓進行分解。參數(shù)的選擇，計算耗時以及正交性指標如表1所示。EMD、EEMD和CEEMD分解結(jié)果分別如圖5，圖6和圖7所示。其中表示第個分量，表示剩余趨勢項。表1 EMD、EEMD、CEEMD分解指標比較 參數(shù) 方法添加噪聲幅值添加噪聲個數(shù)計算耗時/s正交性指標EMD002.21370.1752EEMD0.220054.88370.2483CEEMD0.220047.20580.2501圖5 軌面電壓的EMD分解結(jié)果圖6 軌面電壓的EEMD分解結(jié)果圖7 軌面電壓的CEEMD分解結(jié)果從圖5，圖6和圖7可以看出，EMD分解出現(xiàn)了

17、明顯的模態(tài)混疊和能量泄露，同時分解產(chǎn)生了較多的虛假分量；EEMD和CEEMD克服了EMD模態(tài)混疊的缺陷。既而利用這三種方法對信號進行重構(gòu)，結(jié)果表明，CEEMD的重構(gòu)結(jié)果相關(guān)系數(shù)可達97%，EEMD可達96%，EMD為92%?？梢姡瑢EEMD用于軌面電壓信號的特征提取是很有必要的。4 提取特征向量經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸饽軌蛴行У奶幚矸瞧椒€(wěn)信號，它將信號分解成不同時間尺度下的內(nèi)稟模態(tài)分量，各個頻帶的能量變化表征著補償電容的正常與否，為此，本文用IMF分量的能量來反映補償電容的工作狀態(tài)，從而有效地提取信號的特征向量。提取特征能量向量的步驟如下：(1) 按照CEEMD的分解步驟得到若干個內(nèi)稟模態(tài)分量：(2)

18、計算各個內(nèi)稟模態(tài)分量的能量，公式如下：(3) 以能量為元素并歸一化特征向量，公式如下：以C10故障為例，分別使用EMD、EEMD、CEEMD對正常的軌面電壓和C10故障的軌面電壓進行分解，獲得特征向量。其中EEMD和CEEMD分解的各個頻段內(nèi)能量分布圖如圖8和圖9所示，EMD分解結(jié)果不再列出。圖8 EEMD分解IMF能量特征分布圖圖9 CEEMD分解IMF能量特征分布圖從圖中明顯看出，CEEMD較EEMD可以更好地提取特征向量，正常信號和故障信號的特征對比更明顯，因此，本文采取CEEMD方法進行特征提取，按照上述步驟依次對各補償電容故障的軌面電壓進行CEEMD特征提取，歸一化后的數(shù)據(jù)如表2所示

19、。表2 不同故障狀態(tài)下特征向量狀態(tài)特征向量E1E2E3E4E5E6E7E8E9正常狀態(tài)0.05320.01920.01630.15841.94160.11610.14300.43760.8485C1故障0.00090.00030.00020.00100.03470.00880.01630.92890.0089C2故障0.00060.00030.00020.00380.04650.02620.05510.85330.0140C3故障0.00150.00050.00050.00330.45770.21970.18780.12230.0069C4故障0.00120.00050.00030.00390

20、.51630.22400.21710.03460.0021C5故障0.00120.00040.00030.00480.40250.26590.11400.20830.0026C6故障0.00080.00030.00030.00180.02810.54310.12310.29940.0031C7故障0.00170.00060.00050.00370.05590.62180.14840.15470.0126C8故障0.00200.00080.00060.00770.05940.62500.20450.08580.0142C9故障0.00190.00070.00060.00480.06950.486

21、70.26820.15150.0161C10故障0.00330.00110.00100.00870.10730.66100.13650.07350.0076采用Kohonen算法的自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SOM）不僅能夠像自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣學習輸入的分布情況，而且可以學習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，基于此，本文以100組上述特征向量為樣本，利用SOM進行故障分類，再以100組樣本進行驗證，驗證可知利用SOM進行補償電容故障分類的精確度達98%。5 結(jié)論針對補償電容故障的軌面電壓信號，本文提出了一種基于CEEMD的補償電容故障診斷方法。通過對比EMD、EEMD、CEEMD三種方法對信號特征提取的結(jié)果

22、，說明了采用CEEMD方法的有效，然后以內(nèi)稟模態(tài)特征法提取特征向量，最后用SOM進行故障分類。診斷結(jié)果表明，此方法不但克服了EMD中模態(tài)混疊和能量泄露現(xiàn)象，而且減少了EEMD方法在信號重構(gòu)過程中的白噪聲殘留，為補償電容的故障診斷提供了新方法。參考文獻1 劉鐵民. 突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)規(guī)范化勢在必行“723”甬溫線特大鐵路交通事故應(yīng)急響應(yīng)反思J.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2011,7(9):5-10.2 吳建生.ZPW-2000A移頻軌道電路補償電容在線監(jiān)測儀的研制與分析J.西鐵科技,2009(3): 34-37.3Lin-Hai Z, Jian-Ping W, Yi-Kui R. Fault diag

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