基于QTA的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)故障診斷研究

陳旻棟，李政

（1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，上海 200443；2.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114）

城市軌道交通隨著城市化的進(jìn)程不斷的快速發(fā)展，電子監(jiān)控技術(shù)在軌道設(shè)備中的發(fā)展也較為明顯，但由于受到各種因素的影響，會(huì)產(chǎn)生各種故障，道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障診斷方面存在諸多問題，本文運(yùn)用QTA算法進(jìn)行ZD6轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障診斷和檢測(cè)。

1 轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行

轉(zhuǎn)轍機(jī)的類型不同，其電流的曲線也不同，但同一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)如果出現(xiàn)不同的電流曲線，也就代表著故障的不同。下面以ZD6轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，進(jìn)行同一臺(tái)電機(jī)不同工作電流的分析。在一般情況下，轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行過程。牽引軌道的切換操作可分為3個(gè)部分：解鎖-開關(guān)-鎖定。

比較并分析了轉(zhuǎn)轍機(jī)故障發(fā)生時(shí)正常工作條件下的運(yùn)行電流曲線，3個(gè)工作范圍之間存在顯著差異。如圖1所示，2種類型的故障描述如下：（1）難以解鎖的缺點(diǎn)。在釋放過程中，S1的工作電流間隔比正常狀態(tài)顯著增加，這是由反向解鎖的困難引起的。只要當(dāng)前的S1間隔增加，緊固鎖定，即所示的解鎖動(dòng)作電流的增加，可以用作判斷接近難度的故障；（2）在阻塞過程中難以解鎖，并且S3段工作電流單調(diào)增加。這是由于軌道與基軌之間的距離較短和阻塞阻力增加所致。只要再加工的電流增大，就很難對(duì)其進(jìn)行判斷，會(huì)對(duì)故障的發(fā)生產(chǎn)生影響，其他類型的故障可以直接從運(yùn)行電流中進(jìn)行分析。

圖1 不同工作狀態(tài)下動(dòng)作電流曲線對(duì)比

2 QTA的工作原理

QTA的建立是奠定在定性趨勢(shì)分析之上的。定性趨勢(shì)分析的內(nèi)容主要包括以下兩種，一是趨勢(shì)提??；二是趨勢(shì)識(shí)別。其中，趨勢(shì)提取使用固定時(shí)間窗口的所有趨勢(shì)段集{ABBCACCC ...}將數(shù)據(jù)劃分為連續(xù)時(shí)間間隔。當(dāng)時(shí)間窗口寬度為T時(shí)，總時(shí)間T = nT（n是分割后的間隔數(shù)）。間隔數(shù)據(jù)運(yùn)用最小的二乘法線擬合。連續(xù)區(qū)間中的數(shù)據(jù)擬合為：y(T)=P(t)，其中的T是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，是區(qū)間的起點(diǎn)，擬合函數(shù)的斜率為P，是時(shí)間的值。在趨勢(shì)識(shí)別中，將擬合函數(shù)的斜率P的范圍歸一化為[-1，1]，并選擇合適的閾值。根據(jù)斜率P，定義了三個(gè)趨勢(shì)段的范圍：A∈[β，1]，B∈[-β，-1]，C∈[-β，β]?；谛甭蔖的值，將擬合到每個(gè)分區(qū)的線性函數(shù)定義為對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)段。

3 基于QTA運(yùn)算方式對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障進(jìn)行診斷

對(duì)可能出現(xiàn)的故障條件進(jìn)行分析和識(shí)別，基于第一個(gè)規(guī)則知識(shí)庫：使用if.. error屬性由then語句映射。當(dāng)發(fā)生特定故障狀態(tài)時(shí)，故障特征由相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)表示，通過手動(dòng)計(jì)算的形式進(jìn)行分析結(jié)果的計(jì)算和提取。以規(guī)則知識(shí)庫為基礎(chǔ)，對(duì)趨勢(shì)圖中的故障類型進(jìn)行分析和總結(jié)，并進(jìn)行連接推理映射。如果傳感器S1是Td1并且傳感器S2是td2和td的趨勢(shì)。故障是F1。根據(jù)趨勢(shì)序列的順序和趨勢(shì)段的數(shù)量匹配各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。通過手動(dòng)模擬和分析，識(shí)別各種已知類型的可能故障，然后使用。

4 應(yīng)用分析

實(shí)驗(yàn)中，采用電流傳感器和電壓傳感器對(duì)接線盒中的信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)的監(jiān)控著電流信號(hào)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的頻率和信號(hào)進(jìn)行采樣分析。分別在不同時(shí)間進(jìn)行20組無障礙信號(hào)的采集，運(yùn)用疑難故障信號(hào)進(jìn)行書面上的表示，最后，將20組信號(hào)進(jìn)行解鎖分析。在20組中選不同狀態(tài)下的3種信號(hào)進(jìn)行分析，只選擇10組數(shù)據(jù)進(jìn)行。

4.1 診斷規(guī)則庫的建立

下面對(duì)無故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這些數(shù)據(jù)能夠反映出構(gòu)建規(guī)則知識(shí)庫的過程，適于解鎖故障診斷的過程。根據(jù)對(duì)10套無故障電流曲線的分析，從ZD6轉(zhuǎn)轍機(jī)開關(guān)開始到最大電流的時(shí)間為30m/s，所以，將時(shí)間定義為30m/s。電流信號(hào)被分為相同寬帶的數(shù)據(jù)段，每一個(gè)數(shù)據(jù)段都是采用最小二乘法擬合進(jìn)行的，擬合的一階函數(shù)的斜率用于判斷。對(duì)于不同的趨勢(shì)段，基于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定斜率的閾值是pI/18。本文對(duì)0-0.3S區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行攔截，在所有趨勢(shì)提取結(jié)果中均有109個(gè)趨勢(shì)段。為了便于分析，趨勢(shì)段集縮寫為{A1b8C61b2c89b1}。通過類比，提取并簡(jiǎn)化了其余9套無故障電流數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，得到了另外9套趨勢(shì)序列?？偨Y(jié)10個(gè)趨勢(shì)，如表1所示。

表1 10組無故障電流曲線趨勢(shì)序列

從表1中的10組非故障趨勢(shì)序列中選擇近似公共部分，最小值為{A1B6C6B1C88B1}。然后使用無故障診斷規(guī)則。允許趨勢(shì)段的數(shù)量小于50%的錯(cuò)誤。如果忽略不屬于誤差范圍的序列，則對(duì)干擾項(xiàng)進(jìn)行過濾。例如，第8組數(shù)據(jù)是{A1B7C6B1C1B2C88B1}。前4個(gè)趨勢(shì)段和最后3個(gè)趨勢(shì)段分別是{A1B7C6B1}和{B2C88B1}。它們都在錯(cuò)誤范圍內(nèi)，沒有診斷規(guī)則。第5個(gè)趨勢(shì)段不屬于忽略錯(cuò)誤的范圍。將省略的診斷序列簡(jiǎn)化為{A1B7C6B1B2C88B1}，這符合診斷規(guī)則序列。對(duì)于粘性故障和非故障，建立趨勢(shì)診斷規(guī)則類似于非故障診斷規(guī)則。

當(dāng)前，在解鎖過程中，困難電流曲線的下降趨勢(shì)小于S1間隔前段無故障電流曲線的下降趨勢(shì)，因此出現(xiàn)趨勢(shì)段{B}減。類似地，在解鎖過程中，解鎖較為困難的電流曲線在大于S1區(qū)間，所以，趨勢(shì)段{B}由表面上看更多。需要對(duì)趨勢(shì)的診斷匹配規(guī)則進(jìn)行修改和完善，以此來保證和完善趨勢(shì)段的匹配度。

4.2 故障診斷的驗(yàn)證結(jié)果

從當(dāng)前的數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取2組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，即便是故障趨勢(shì)序列和無故障趨勢(shì)序列之間存有很多的相似之處，即使計(jì)算結(jié)果相似，匹配度計(jì)算也能正確識(shí)別故障狀態(tài)。在不同故障狀態(tài)下，該方法的準(zhǔn)確率可達(dá)100%。表2為各個(gè)狀態(tài)趨勢(shì)診斷結(jié)果。

表2 各個(gè)狀態(tài)趨勢(shì)診斷結(jié)果

5 結(jié)語

QTA分析已經(jīng)成為轉(zhuǎn)轍機(jī)趨勢(shì)分析的有效使用工具。與大多數(shù)定量分析相比較，QTA將大量的數(shù)據(jù)計(jì)算過程變得簡(jiǎn)單化，并且通俗易懂，直面性較強(qiáng)。將采集而來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為趨勢(shì)圖來表示，其中數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，趨勢(shì)圖直觀明了，為轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障診斷提供了科學(xué)的依據(jù)。本文基于QTA對(duì)ZD6轉(zhuǎn)轍機(jī)故障分析的過程可了解到QTA計(jì)算方式能夠自動(dòng)、準(zhǔn)確的對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別。文中對(duì)2種故障形式進(jìn)行了細(xì)致的分析，對(duì)同一時(shí)間、不同類型的故障進(jìn)行分析。