基于改進ERSS的電氣化接觸網斷線故障定位研究

陳樂瑞潘秋萍孔金生

（1. 鄭州鐵路職業技術學院電氣工程系，鄭州 450052；2. 鄭州大學電氣工程學院，鄭州 450000）

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基于改進ERSS的電氣化接觸網斷線故障定位研究

陳樂瑞1潘秋萍1孔金生2

（1. 鄭州鐵路職業技術學院電氣工程系，鄭州 450052；2. 鄭州大學電氣工程學院，鄭州 450000）

針對電氣化鐵路接觸網斷線故障定位問題，采用改進ERSS定位算法，對RSSI值與質心法中加權因子進行預處理和改進。通過仿真實驗表明，在相同測試條件下，該定位算法在提高定位精度，降低費用方面有很大的提高，從而為接觸網故障迅速檢修和列車運營恢復提供了有力保障。

電氣化接觸網；斷線；改進ERSS；故障定位

電氣化接觸網是向電力機車提供電能，保障列車正常運行的裝置。在日常的運行中接觸網一方面遭受大風，雨雪，溫度變化，污染等自然因素的侵蝕，另一方面還要承受腕臂巨大的拉力和受電弓一定的壓力，再加上巨大電流（1000A以上）作用，使得接觸網經常處于振動，伸縮，發熱的狀態，從而使得接觸網斷線的可能性比普通供電線路大的很多。2012年9月深圳地鐵龍華線發生接觸網斷線事故，導致列車停運7h。實踐證明接觸網斷線事故影響范圍大，危害嚴重，因此如何在斷線事故發生后迅速找到故障點為后續的搶修作用贏得時間是當今研究的熱點方向［1］，將大量的低功耗，低成本的小型壓力傳感器節點分布在接觸網補償裝置或者支柱上，利用節點形成的分布式網絡，將測得壓力，張力，坐標等參數，通過GPS或者其他無線方式發送到監控中心，通過數據分析實現故障點的精準定位。目前的定位手段基本上分兩大類：基于測距算法和無需測距算法［2］。前者是通過測量節點間的距離使用三角測量或者三邊測量來計算節點位置，常用的測距技術有 RSSI、AOA等，這種算法對硬件要求較高，通常定位精度較好；跟前者相比后者不需要測量距離，主要是根據網絡連接通性來實現節點定位，主要有APIT和DV-Hop法，這些算法對節點硬件要求較低，但是定位精度效果不好。本文是針對RSSI定位算法中存在的缺陷，通過對RSSI值進行預處理，修正質心法中的加權因子，使新的算法在定位精度和定位時間上都能達到滿意的效果。

1 算法模型

1.1無線信號傳播模型

由于信號在傳輸過程中會出現損耗，綜合考慮本文采用常見的對數-常態分布模型，其模型如下：

式中，P（d）是距離節點d處的信號強度；Kp是路徑損耗的系數（通常在2～5之間）；P（d0）是在參考距離d0處的信號強度；X0是均值為0的高斯分布變量。

1.2三邊法定位數學模型

圖1所示，A，B，C是三個坐標已知的傳感器節點，未知節點到A，B，C的距離dA，dB，dC也是能夠測量的，那么以A，B，C為圓心，以dA，dB，dC為半徑作圓，由于真實環境dA，dB，dC測量存在誤差ε，所以3個圓交集不是一個點而是一個區域（圖1中L，M，N所包圍區域），再求三角形LMN質心即為所求未知節點的坐標。在求解質心坐標的過程中為了提高精度，在每組定位坐標中引入加權因子，該加權因子大小為每次參與定位的3個圓的半徑倒數之和［3］，L（x1，y1），M（x2，y2），N（x3，y3）。dA、dB、dC分別為所做圓的半徑

圖1　三邊法模型

1.3優化錨節點模型

根據文獻4所描述，當未知節點與錨節點的角同時等于 30°時，定位誤差最小。ERSS定位算法根據滿足式（2）的錨節點來實現節點定位

式中，λ為閾值，通過計算未知節點與其相鄰錨節點的角度值，把角度值滿足算式（3）的錨節點取出來。

2 改進算法

提出新算法從3個方面進行改進：對RSSI值高斯濾波處理，最大似然估計濾波優化RSSI值，修正質心加權值。

2.1高斯濾波處理

在無線傳輸數值的過程中，存在障礙物干擾等諸多環境因素，導致接收端接收的多個RSSI的值有很大的波動，在利用RSSI值計算距離之前要進行濾波處理［5］，其處理過程如下：根據隨機變量服從正態分布的特點，在高概率發生區選擇概率大于 0.56 （0.56是根據經驗取得）的范圍，經過高斯濾波后，RSSI的取值范圍在其中：

2.2最大似然估計濾波優化RSSI值

2.3修正質心法加權值

傳統的算法在選取權值過程中存在不合理的因素，為了解決這個不合理問題本文采用的修正加權質心定位算法如下這樣做改變Ad、Bd主導關系，防止主要數據發生次要作用，避免了淹沒現象的產生［6］。通過對加權值的修改質心坐標變為

2.4算法流程

圖2　算法流程圖

3 仿真結果

利用Matlab建立一個在100m×100m范圍的仿真環境，從建設成本，定位精度兩方面來進行仿真說明。

圖3　節點個數對定位誤差影響

從圖3上可以看出，在錨節點數量一樣的情況下，改進后的 ERSS算法在精度上明顯要好于改進前，也就是說要想達到同樣精度，改進后的算法要求使用的錨節點更少，從投資角度來講，減少了硬件投入，節約了資金。

圖4　ERSS算法定位誤差

圖5 改進ERSS算法定位誤差

圖4和圖5是節點在通信半徑是50m，錨節點個數為40，未知節點為100情況下得到的，其中星號代表未知節點真實位置，圓代表算法預測到的節點位置，黑色三角代表錨節點位置，短線表示誤差。通過對比不難發現改進之后的算法在一定程度上減少了定位誤差。

4 結論

本文先后對RSSI值進行高斯濾波，最大似然估計，修正加權系數等操作最傳統的 ERSS算法進行改進，通過理論仿真證明在達到相同精度前提下，改進之后的新算法要求無線傳感器的數量會更少，這樣可以降低電氣化鐵道接觸網的施工的預算，另外在接觸網斷線故障定位精度方面有進一步的提高，為后續故障快速排除和事故搶修作業提供保障，但是該算法是在理想環境下仿真出來的，而實際中接觸網在空間幾乎呈現帶狀分布這一獨特結構決定了該算法存在一定的局限性，因此在適應性方面進行優化是今后研究的重點方向。

［1］郭黎曼. 高速電氣化鐵路綜合故障測距分析［J］. 電氣化鐵道，2013，14（2）：28-29.

［2］馮冬青，趙志遠. 基于RSSI的無線傳感器網絡改進定位算法［J］. 廣西大學學報（自然科學版），2012，37（6）：1158-1163.

［3］劉運杰，金明錄，崔承毅. 基于 RSSI的無線傳感器網絡修正加權質心定位算法［J］. 傳感技術學報，2010，23（5）：717-721.

［4］李麗，周彥偉，吳振強. 無線網絡定位技術研究［J］.計算機技術與發展，2011，21（10）：59-62.

［5］朱浩，顧宗海，蘇金，等. 一種基于交點質心求解的RSSI定位算法及其優化［J］. 鄭州大學學報（工學版），2010，31（6）：43-46，59.

［6］Wang Huanhuan，Wan Jianchen，Liu Ruyou. A novel ranging method based on RSSI［J］. Energy Procedia，2011，12（2011）：230-235.

Research on the Disconnection Fault Location of Electric Contact Line based on Improved ERSS

Chen Lerui1Pan Qiuping1Kong Jinsheng2
（1. Department of Electrical，Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，Zhengzhou 450052；2. School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450000）

Aiming at the problem of Electric contact line disconnection fault location，the paper used improved ERSS algorithm，which pretreated and improved weighting factors in RSSI and cancroids method. Simulation results shows that under the same test conditions，this algorithm can improved the positioning accuracy and reduce the cost，also it provides powerful guarantee for rapid repair of the contact line and the recovery of the train operation.

electric line； disconnection； improved ERSS； fault location

陳樂瑞（1985-），男，河南南陽人，助教，碩士，從事電氣化接觸網性能研究工作。

河南省科技廳科技攻關項目（132102210397）