基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的軌道電路故障診斷方法

（中國鐵路呼和浩特局集團有限公司呼和電務段，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

一、相敏軌道電路工作原理

25 Hz相敏軌道電路（簡稱相敏軌道電路）由送電端設備和受電端設備兩部分構(gòu)成。相敏軌道電路的工作原理為：220 V／50 Hz的工頻交流電接入軌道分頻器并反向接入局部分頻器后，分別產(chǎn)生UG和UJ，由于是反向接入，故UJ導前UG相角90°。UG通過電纜輸出至室外軌旁軌道變壓器BG25進行電壓調(diào)整，然后再輸入至扼流變壓器BE25，隨后信號通過鋼軌的兩軌條從送電端傳輸?shù)绞茈姸?，受電端接收到軌道信號，并通過扼流變壓器BE25和中繼變壓器BG25調(diào)整，然后通過電纜傳輸?shù)绞覂?nèi)二元二位繼電器JRJ1-70／240 的軌道線圈（3-4）兩端。而UJ直接作用于JRJ1-70／240 的局部線圈（1-2）兩端。在調(diào)整狀態(tài)時，JRJ 1-70／240 得電吸起，在斷軌狀態(tài)或分路狀態(tài)時，接收端沒有足夠大的電壓值，JRJ 1-70／240 失電落下。

二、道砟電阻對軌道電路的影響分析

道砟電阻是指單位長度（1km）的軌道電路中，電流由一根鋼軌經(jīng)過枕木、道砟及大地漏泄到另一根鋼軌的漏泄電阻。道砟電阻與信號制式、道床類型、天氣等因素相關(guān)。不同的道床類型，其道砟電阻不同，如鋼筋混凝土枕的區(qū)間道砟電阻水平是1.5Ω·km，而碎石道床的道砟電阻最小值取1.0Ω·k m。在雨季時，道砟電阻會降低，在有些隧道等地質(zhì)特殊區(qū)段，道砟電阻甚至能低到0.2Ω·km，而最大道砟電阻為∞Ω·km。道砟電阻降低，則鋼軌兩軌條間的泄露增加，使二元二位繼電器軌道線圈的電壓降低，有可能在調(diào)整狀態(tài)時錯誤地落下，造成紅光帶故障。據(jù)統(tǒng)計，軌道電路的紅光帶故障很多情況下是由于道砟電阻降低所導致的。設某一送一受區(qū)段相敏軌道長度l＝1.5 km，鋼軌阻抗Zg＝0.62)42°Ω／km，JRJ1-70／240 的工作電流Ij＝0.039 A，工作電壓為Uj＝15 ∠70°V，防護盒阻抗值為Zhf ＝400)-88°Ω。根據(jù)文獻軌道電路計算各項參數(shù)的選取辦法，選取受電端BE-400／25 型扼流變壓器、送電端BE-400／25 型扼流變壓器、受電端BG25-130／25 型中繼變壓器和鋼軌的四端網(wǎng)絡參數(shù)，利用Matlab 根據(jù)軌道電路上述設定的參數(shù)對軌道區(qū)段的調(diào)整狀態(tài)進行計算。計算中以二元二位繼電器JRJ 1-70／240 軌道線圈電流的相角等于0°為基準，從受電端往送電端反向逐段對各節(jié)點參數(shù)進行計算。計算中以道砟電阻作為變量，得出當軌道電路道砟電阻變化時，為了保證二元二位繼電器JRJ1-70／240 吸起，即軌道電路滿足調(diào)整狀態(tài)的要求，送電端供電變壓器二次線圈需要的電壓和電流隨道砟電阻的變化曲線。通過對該區(qū)段的計算，可得到送電端軌道變壓器的輸出參數(shù)和道砟電阻的關(guān)系。

為了保證JRJ1-70／240 在調(diào)整狀態(tài)時可靠工作，當?shù)理碾娮铚p少時，送電端軌道變壓器的輸出電壓和電流增加，尤其是在標準的最小道砟電阻0.6Ω·km以下時，送電端的參數(shù)變化很大，如：Rd＝0.6Ω·km時，Ub＝11.7482 V，而Rd＝0.2Ω·km時，Ub＝39.9218 V。在實際調(diào)試工作中，一般只對送電端電壓進行調(diào)整，而圖1中虛線所示的電流會隨之變化。由于軌道電路在增加了防護盒以后對相移進行了補償，所以電流的變化曲線與電壓的變化曲線相似，而為了滿足軌道電路調(diào)整狀態(tài)的要求，使二元二位繼電器吸起，確實需要同時滿足電壓和電流的要求，也是為了滿足功率的要求。

三、基于FNN 的故障診斷模型

（一）模型參數(shù)的選取

為了建立基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷系統(tǒng)，選擇送電端供電變壓器輸出電壓、軌道電路接收端軌面電壓和二元二位繼電器軌道線圈電壓作為FNN系統(tǒng)輸入?yún)?shù)。

根據(jù)相敏軌道電路的常見故障和電路參數(shù)的關(guān)系，將故障診斷的知識表示成模糊規(guī)則的形式，系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)選用“正?！?、“偏大”、“偏小”3個模糊子集來分類描述，分別以N、H、L表示。輸出的故障由可信度來表示，并用A、B、C、D等4個模糊子集來分類描述，分別表示：“非?？赡堋?、“有可能”、“很偶然是”、“基本不可能”。故障的可信度表示故障可能發(fā)生的概率，一般可以將其按照一定的映射關(guān)系映射到設備的健康狀況，如可定義映射關(guān)系如下；

式中：Hj＝0表示設備健康；Hj＝0.5 表示設備狀況惡化，需要及時檢修；Hj＝1表示設備已經(jīng)出現(xiàn)故障，需要馬上搶修。

（二）模型的建立

根據(jù)系統(tǒng)的設定，選定3個電壓作為輸入信號，每個信號經(jīng)過模糊化后得到3個模糊子集；系統(tǒng)的輸出為4個故障，用可信度描述，根據(jù)專家經(jīng)驗總結(jié)了9條規(guī)則。基于以上設計，建立一種基于Mamdani 模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

軌道電路故障診斷模糊神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

第1層為輸入層，將采集的電壓傳遞到下一層進行處理。

第2層的每個節(jié)點代表一個模糊子集，用于計算輸入分量屬于各模糊子集的隸屬度。

第3層每個神經(jīng)元代表一條模糊規(guī)則，用來匹配模糊規(guī)則的前件，計算出第k條規(guī)則的激活度rk。

第4層為歸一化運算，使所有規(guī)則激活度之和為1，

第5層為輸出層，實現(xiàn)清晰化運算，得到故障的可信度。

與標準模糊模型的清晰化計算比較，上式中的cjk相當于Fj的第k個語言值隸屬函數(shù)的中心值，cjk∈［0，1］。這種算法屬于一種模糊加權(quán)平均算子FWA。

（三）學習算法

基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型的故障診斷步驟為：1.建立故障診斷模糊規(guī)則庫；2.根據(jù)實測樣本數(shù)據(jù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法得出各層權(quán)值的最優(yōu)解；3.根據(jù)輸入的參數(shù)計算各規(guī)則的激活度；4.利用規(guī)則激活度和輸出的權(quán)值計算出當前輸入信號下的故障可信度。

總之，軌道電路作為影響鐵路運輸效率和行車安全的關(guān)鍵設備，在故障發(fā)生時應盡快找出故障原因并給予解決，提高設備的可靠性與安全性。