基于數據特征的接觸網補償裝置卡滯識別方法研究

逯昊舒，張文軒，王 婧，楊志鵬，王 斌，寇鴻博

（1 中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

中心錨結與下錨補償裝置是接觸網的重要組成部分。中心錨結裝置用于限制承力索和接觸線的異常竄動，并可有效縮小事故范圍，便于及時排除故障，恢復運行；下錨補償裝置用于補償接觸線和承力索因溫度變化而產生的張力變化，從而使張力保持恒定［1］。中心錨結及下錨補償裝置若存在狀態異常或發生卡滯等問題，會導致接觸線高度、弓網接觸力發生較大變化，影響弓網正常取流，嚴重時會發生弓網故障，影響列車行車安全。為快速找到此類缺陷，文中提出一種分析故障發生后弓網接觸力和接觸線高度數據特征，以尋找中心錨結及下錨補償裝置缺陷的方法。

高速鐵路弓網綜合檢測裝置（1C）安裝于高速綜合檢測列車上，能同時對接觸網幾何參數、弓網接觸力、接觸網電壓、接觸線硬點、弓網離線燃弧等參數進行測量［2］，并生成1C 檢測波形文件。文中依據其1C 檢測波形文件，進行下一步工作。

1 波形數據特征分析及預處理

1.1 數據特征分析

接觸網以錨段為一個自然分界，下錨補償裝置位于錨段兩側，尋找此類缺陷宜以一個錨段為獨立單元，分單元獨立評價。錨段與錨段之間一般以四跨、五跨過度，稱為四跨錨段關節、五跨錨段關節。過度區段存在接觸線高度相等的位置，稱為等高點。文中采用等高點作為錨段的起始、終止位置，并利用文獻［3］中方法識別等高點。

在確定尋找缺陷的特征變量時需考慮以下因素：

（1）特征變量是否為缺陷位置的直接體現。經過對波形的整理歸納和現場復核，較為典型的下錨補償裝置卡滯問題波形如圖1 所示，特點表現為在錨段中部接觸線高度異常突起，波動劇烈；弓網接觸力在對應位置出現異常值，變化迅速。

圖1 典型缺陷1C 波形圖

（2）特征變量是否關聯性較小。接觸線高度與弓網接觸力關聯性較小［4］，且分別從接觸網幾何參數、弓網受流參數描述該問題，具有完備性。故選擇接觸線高度和弓網接觸力作為判斷此類缺陷的特征變量。

1.2 數據預處理

接觸線高度和弓網接觸力在檢測過程中由于干擾等原因會產生異常數據，具體表現為持續若干數據點為零或為常數。通過檢測數據是否持續為零或為常數，可以找到異常數據所在位置。為避免在下一步中產生誤判，需對異常數據進行修正。采用線性插值進行修正在此處可取得較好的效果，且其可執行性高、原理簡明，故可采用該方法對異常數據進行修正，操作步驟如下。

設第一個異常數據前一個正常數據點弓網接觸力/接觸線高度坐標為ym，最后一個異常數據后一個正常數據點弓網接觸力/接觸線高度坐標yn，則中間的異常數據點由公式（1）得到的數據替代。

替代效果如圖2 所示。

圖2 弓網接觸力異常數據替代效果圖

2 算法提出

由特征變量判斷接觸網中心錨結及下錨補償裝置缺陷的總體思路：數據預處理→接觸線高度異常識別→弓網接觸力異常識別→邏輯綜合得出異常錨段。

2.1 接觸線高度異常識別

接觸線高度數據隨里程變化，可將其視為一個等效時間序列。采用滑動四分位差距法［5］進行異常檢測具有較好的效果。

首先定義窗長W=800，步長為1，計算窗內Q3（上四分位數）、Q2（中位數）、Q1（下四分位數）、IQR（四分位距）。令：

式中：取a0=1.3，x[0]取窗內中點，得到點（x[0]，y[0]）。將滑動窗右移一個單位，即接納一個新數據，拋棄一個舊數據，重復上述操作，得到點（x[1]，y[1]）。將滑動窗從檢測波形首端移動到檢測波形末端，得到一系列數據點（x[0]，y[0]）、（x[1]，y[1]）、…、（x[n]，y[n]），利 用3 次樣條插值［6］將其用平滑的曲線連接，得到曲線y=f(x)，稱其為上界線。

上界線為利用窗內數據及窗的滑動形成的警示線，若接觸線高度沒有向上突變，則不會超過上界線，反之若接觸線高度超過上界線，則認為接觸線高度存在異常。根據其特點制定2 條規則，需同時滿足才判定為缺陷。

（1）接觸線高度數據超過上界線連續48 個點以上。接觸線高度數據超過上界線需達到一定點數，如圖3 所示，以保證接觸線高度異常突起顯著且持續一段距離。

圖3 高度異常識別原理說明圖

（2）設接觸線高度為hji，i=1，2…，對應位置上界線高度為hi，i=1，2…，i從接觸線高度超過上界線第一個點算起，到超過上界線最后一個點為止。定義為式（3）：

2.2 弓網接觸力異常識別

由于弓網接觸力變化迅速，異常值通常出現在跨中，可以一跨為單位，通過錨段中部若干跨內弓網接觸力的統計量來進行異常識別。設一跨內弓網接觸力標準差為σ、平均值為Fˉ，為實現其自適應性，若滿足σ＞0.2Fˉ，則認為此跨接觸力波動大，定義此錨段為接觸力異常疑似錨段。

對于接觸力異常疑似錨段，根據波形數據特點及弓網接觸力自身特點、鐵路線路結構特點，制定3 條規則進一步篩選出確定的接觸力異常錨段，所述規則均需滿足。

（1）受地形地貌條件限制，有些錨段跨數較少。由于在錨段關節處弓網接觸力波動大，屬于正常現象，故需避開錨段關節所在跨而計算錨段中間的跨，劃分規則按式（4）、式（5）執行。

式中：x為錨段包含跨數；y為需要判斷的中間跨數；A為x在不同范圍時所取具體跨集合；card為集合的基數。

為了更好理解式（4）、式（5）所述規則，舉例說明。若一個錨段有11 跨，則x=11，代入式（4）、式（5），得y=5，A={4 5 6 7 8}。其含義為需計算、判斷中間5 跨，分別為4、5、6、7、8 跨。具體位置如圖4 所示。

圖4 11 跨錨段1C 波形圖

（2）錨段中部一跨內弓網接觸力標準差σ要滿足σ≥a2，a2可按多條線路統計規律取32.34 N。按該規則篩選出接觸力變化較大的跨。

（3）σi為第i跨弓網接觸力標準差，定義pi為式（6）：

需滿足pi≥a3，a3可按多條線路統計規律取28%。

該條規則含義為篩選出錨段中間標準差（σ）占比較大的跨，以區別圖5（a）、圖5（b）這2 種情況。圖5（a）為整錨段弓網接觸力波動均較大，圖5（b）為錨段中部分跨弓網接觸力波動大，則通過此規則排除情況如圖5（a）所示，留下情況如圖5（b）所示。

圖5 條件3 輔助說明圖

2.3 綜合得出異常錨段

對某條線路進行接觸線高度異常識別，設得到異常錨段為［a，b，c］，對該線路進行弓網接觸力異常識別，設得到異常錨段為［b，c，d］，則判定［b，c］為異常錨段。即對接觸線高度異常錨段集合與弓網接觸力異常錨段集合取交集。

3 實例驗證

3.1 200～250 km/h 線路

某條線路為速度250 km/h 等級線路，對其進行人工查驗發現48 號錨段（44.98～46.08 km）、49號錨段（46.08～46.90 km）存在異常，檢測波形如圖6、圖7 所示。

圖6 48 號錨段檢測波形

利用上述算法對此條線路進行計算，得到接觸線高度異常錨段為48、49 號錨段；得到弓網接觸力異常錨段為48、49 號錨段，結果見表1。按照規則綜合得出異常錨段為48、49 號錨段，驗證結果正確。

表1 線路1 檢測檢驗結果

3.2 300～350 km/h 線路

某條線路為速度300 km/h 等級線路，對其進行人工查驗發現213 號錨段（1 702.31～1 703.23 km）、256 號錨段（1 743.09～1 743.95 km）、259 號錨段（1 745.72～1 746.58 km）存在異常，檢測波形如圖8～圖10 所示。

圖8 213 號錨段檢測波形

圖9 256 號錨段檢測波形

圖10 259 號錨段檢測波形

利用上述算法對此條線路進行計算，得到接觸線高度異常錨段為213、256、259 號錨段；得到弓網接觸力異常錨段為19、20、213、256、259 號錨段，結果見表2。按照規則綜合得出異常錨段為213、256、259 號錨段，驗證結果正確。

表2 線路2 檢測檢驗結果

4 結果分析

通過對不同速度等級線路驗證，證明了此算法的有效性。考慮到實際情況中各種因素相互影響，該算法在以下方面還有待提高。

（1）可以考慮根據線路速度等級、懸掛類型等因素分類，針對不同線路類型給出不同的系數。

（2）對中心錨結及下錨補償裝置缺陷形成原因進行分類，分析故障原因并統計不同故障類型占比，針對不同原因給出不同的系數。

5 結論

文中提出一種通過1C 檢測波形尋找中心錨結及下錨補償裝置缺陷的方法。該方法針對缺陷位置波形主要特征，確定了接觸線高度與弓網接觸力兩個特征變量。對接觸線高度采用滑動窗進行識別，對弓網接觸力采用按跨計算標準差進行識別，并設定相應規則，最終尋找出缺陷發生位置。經過驗證，該方法可以正確識別出缺陷位置，可用來指導維修人員快速定位缺陷位置，為此類問題快速查找和及時整治提供數據支持。