基于機(jī)器學(xué)習(xí)的道岔故障特征提取及診斷方法探析

摘 要：道岔設(shè)備的可靠運(yùn)行對鐵路運(yùn)輸安全至關(guān)重要，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，其在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增多，特別是在道岔故障診斷領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。文章主要介紹了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷過程，深入分析了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)的故障診斷方法。通過對歷史數(shù)據(jù)和故障模式的分析，這些方法能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測道岔故障、判斷故障類型的目的，顯著提高了道岔故障診斷的準(zhǔn)確性和效率，為鐵路安全、可靠和高效運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：道岔 機(jī)器學(xué)習(xí) 特征提取 故障診斷

0 引言

作為鐵路的關(guān)鍵設(shè)備之一，道岔控制列車的運(yùn)行方向，實現(xiàn)線路轉(zhuǎn)換，在鐵路運(yùn)營中至關(guān)重要。而其長期暴露于室外，且機(jī)電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受設(shè)備老化及其他不確定因素（機(jī)械部分卡阻或缺油、滑床板斷裂和缺油等）影響，屬于易損設(shè)備。道岔一旦出現(xiàn)故障，若不及時診斷與維護(hù)，極易釀成重大事故，嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)行的安全與效率。

目前，現(xiàn)場對于道岔的故障診斷仍采用較為傳統(tǒng)的方式，即獲取道岔的電流、功率、動作時間等數(shù)據(jù)，設(shè)置各類數(shù)據(jù)的閾值，當(dāng)某個指標(biāo)超出閾值時，表明道岔存在異常，再通過人工判斷，推斷故障原因，進(jìn)行故障診斷。但在實際中，各道岔工作環(huán)境存在差異，所設(shè)定的閾值及診斷過程受限于技術(shù)人員的經(jīng)驗，存在易漏報誤報、準(zhǔn)確率低、診斷時間長等問題。因此，及時、準(zhǔn)確地提取故障道岔特征并進(jìn)行故障診斷，對保障行車安全意義重大。

1 道岔結(jié)構(gòu)與工作原理

道岔主要由基本軌、尖軌、導(dǎo)軌、翼軌、護(hù)軌及轉(zhuǎn)轍設(shè)備等組成，如圖1所示。其中，轉(zhuǎn)轍設(shè)備受動力驅(qū)動扳動尖軌，可使兩側(cè)尖軌分別處于密貼或斥離位置，以確定道岔開通方向，完成列車行駛方向的改變。

轉(zhuǎn)轍設(shè)備是道岔動作的核心，以我國廣泛應(yīng)用的ZD6型轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，其構(gòu)造包括電動機(jī)、減速器、摩擦連接器、自動開閉器、動作桿、表示桿及報警裝置等。其動作過程可分為三個階段：

（1）解鎖階段：通過電動機(jī)旋轉(zhuǎn)、減速器減速，輸出軸帶動主軸旋轉(zhuǎn)，帶動內(nèi)部傳動裝置完成內(nèi)部解鎖，再推動外鎖閉設(shè)備完成外部解鎖。

（2）轉(zhuǎn)換階段：動作桿被拉動，尖軌受轉(zhuǎn)轍機(jī)平穩(wěn)的推力而緩慢移動直到與基本軌密貼，道岔轉(zhuǎn)換。

（3）鎖閉階段：隨著尖軌轉(zhuǎn)換到規(guī)定位置，鎖閉齒輪鎖閉，鎖閉動作桿。

2 道岔故障診斷方法研究

不同學(xué)者在道岔故障診斷領(lǐng)域展開了多維度探究，常見有三種方法：基于模型的故障診斷、基于信號處理的故障診斷及基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的故障診斷。其中，基于模型的故障診斷最先發(fā)展起來，該方法受制于所建模型的準(zhǔn)確度，需要詳細(xì)的參數(shù)和故障數(shù)據(jù)，但道岔系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各設(shè)備之間存在耦合，應(yīng)用較為受限?；谛盘柼幚淼墓收显\斷是通過觀察、分析道岔工作過程中所隱藏的數(shù)據(jù)信息，提取特征，依據(jù)特征值確定是否發(fā)生故障，該方法需要故障檢測人員具備較高的專業(yè)知識和技能水平，熟練掌握信號處理技術(shù)和故障診斷要點?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的故障診斷則依據(jù)智能算法挖掘數(shù)據(jù)中隱藏的信息建立模型，并從數(shù)據(jù)和算法兩方面不斷積累和優(yōu)化，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練形成智能化的故障診斷模型，從而更準(zhǔn)確地判斷故障狀況，提高了故障診斷的精度，有較好的應(yīng)用前景。

2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)在道岔故障診斷中的應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)通過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，使計算機(jī)系統(tǒng)能夠自動識別和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的模式，并進(jìn)行預(yù)測或決策。道岔故障檢測與診斷即利用測試數(shù)據(jù)（電流、功率等），尋求測試數(shù)據(jù)與故障之間的聯(lián)系?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的道岔故障診斷流程如圖2所示。首先，我們根據(jù)故障模式成因、轉(zhuǎn)轍機(jī)工作原理及傳感器數(shù)據(jù)采集的可行性，確定最佳的監(jiān)測數(shù)據(jù)類型。隨后，對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以構(gòu)建正常和故障狀態(tài)下的樣本集。接下來，利用數(shù)據(jù)挖掘、信號處理算法，從樣本集中提取出能夠最大程度區(qū)分不同狀態(tài)的特征向量。最后，通過構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機(jī)故障的分類與精確診斷。

2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的道岔故障診斷

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的核心模型之一，以其獨(dú)特的輸入層、隱藏層和輸出層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過不同的連接模式構(gòu)建出多樣化的網(wǎng)絡(luò)模型。這些模型不僅具備自我學(xué)習(xí)能力，還能實現(xiàn)非線性映射，并具備高效的并行計算能力和出色的容錯性，因此，在道岔故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，誕生了許多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，常見有：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

2.2.1 基于多層前饋（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的道岔故障診斷

將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于道岔故障診斷，其故障診斷主要包含訓(xùn)練過程和測試過程，所對應(yīng)的原理圖如圖3所示。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷原理，我們對道岔故障診斷進(jìn)行了深入研究，并構(gòu)建了相應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：

（1）道岔電流特征數(shù)據(jù)采集

在道岔故障診斷中，首要任務(wù)就是采集道岔動作電流的數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性，選擇能夠準(zhǔn)確反映道岔動作電流趨勢和潛在故障區(qū)域的特征數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)歸一化處理

為了消除數(shù)據(jù)之間的數(shù)量級差異，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測性能，我們對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。通過這一步驟，可將不同維度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一數(shù)量級，確保了網(wǎng)絡(luò)輸入輸出的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在設(shè)計BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，充分考慮道岔電流和類別的輸入輸出特點。仔細(xì)確定了隱含層神經(jīng)元的數(shù)量，并選擇了適合的訓(xùn)練函數(shù)。同時，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點和實際需求，調(diào)整學(xué)習(xí)速率、訓(xùn)練函數(shù)、最大訓(xùn)練步長和訓(xùn)練精度等關(guān)鍵參數(shù)。在選擇隱含層神經(jīng)元數(shù)目時，結(jié)合具體的道岔動作電流數(shù)據(jù)，通過多次試驗和驗證，確定了合適的節(jié)點數(shù)。

（4）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

在完成了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計后，利用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，各層神經(jīng)元的權(quán)值和閾值不斷調(diào)整，使得網(wǎng)絡(luò)的輸出逐漸接近實際值。當(dāng)輸出結(jié)果的誤差達(dá)到預(yù)設(shè)的精度要求時停止訓(xùn)練，并認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備了較好的預(yù)測能力。

（5）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試與分析

將測試集數(shù)據(jù)輸入到已訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷。通過對比測試集的實際類別與網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的輸出類別，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷性能進(jìn)行了全面評估。這一步驟不僅驗證了網(wǎng)絡(luò)的有效性和準(zhǔn)確性，還為后續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化提供了依據(jù)。同時，我們還對診斷結(jié)果進(jìn)行深入分析，以發(fā)現(xiàn)可能存在的問題和改進(jìn)空間。最后，以正確率、漏報率等指標(biāo)來評價網(wǎng)絡(luò)的性能好壞。

2.2.2 基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）的道岔故障診斷

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）由輸入層、模式層、求和層以及輸出層四部分構(gòu)成。其簡潔的結(jié)構(gòu)和易于訓(xùn)練的特性使得它在解決分類問題時表現(xiàn)出色。為了對道岔電流故障數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析并解決其分類問題，我們構(gòu)建基于PNN故障診斷模型（圖4）。

（1）樣本集數(shù)據(jù)的獲取

樣本集的獲取過程與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似，這里不再贅述。所獲取的數(shù)據(jù)將用于構(gòu)建PNN網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集和測試集，以確保網(wǎng)絡(luò)能夠得到充分的訓(xùn)練和驗證。

（2）創(chuàng)建并優(yōu)化平滑因子可變的PNN網(wǎng)絡(luò)

在構(gòu)建PNN網(wǎng)絡(luò)時，我們利用Matlab中的newpnn（）函數(shù)，該函數(shù)允許設(shè)置平滑因子（SPREAD）作為唯一參數(shù)。平滑因子決定了網(wǎng)絡(luò)對輸入數(shù)據(jù)的敏感度，對PNN網(wǎng)絡(luò)的性能至關(guān)重要。通過多次試驗和驗證，確定了最優(yōu)的平滑因子，以確保PNN網(wǎng)絡(luò)在故障診斷中具有相對較高的準(zhǔn)確率。

（3）建立并測試最終PNN網(wǎng)絡(luò)

再次使用newpnn（）函數(shù)創(chuàng)建最終的PNN網(wǎng)絡(luò)，并將最優(yōu)參數(shù)代入網(wǎng)絡(luò)中。為了驗證網(wǎng)絡(luò)的性能，可利用之前準(zhǔn)備的測試集數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。在測試過程中，統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)的正確率、漏報率和虛警率等關(guān)鍵指標(biāo)，并對測試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。這些指標(biāo)將幫助我們評估PNN網(wǎng)絡(luò)在道岔故障診斷中的應(yīng)用效果，為后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。

2.3 基于支持向量機(jī)（SVM）的道岔故障診斷

支持向量機(jī)（SVM）是一種功能強(qiáng)大的二分類模型，通過引入核函數(shù)，有效地解決了在高維空間中的內(nèi)積運(yùn)算問題，具有小樣本量、非線性、高維模式識別和易實現(xiàn)等優(yōu)點，在道岔故障診斷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

盡管SVM通常作為二分類器使用，但在實際應(yīng)用中，道岔故障診斷等問題通常涉及多分類任務(wù)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，可以通過結(jié)合多個SVM分類器的方法來實現(xiàn)多分類，如一對一法、一對多法和SVM決策樹法等。這些方法通過構(gòu)建多個二分類SVM，并根據(jù)它們的輸出結(jié)果來綜合判斷樣本的類別，從而解決多分類問題。在道岔故障診斷（圖5）中，這些方法能夠有效地識別不同類型的故障，為維修和保養(yǎng)提供有力的支持。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中已整理好道岔樣本集，可直接用于SVM故障診斷模型的訓(xùn)練和測試，利用LIBSVM工具箱來建立SVM模型，分別確定核函數(shù)、最優(yōu)參數(shù)，以此完成最終模型測試。

3 結(jié)論

道岔設(shè)備的可靠運(yùn)行是確保鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵要素之一。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域的飛速發(fā)展，為道岔故障診斷提供了一種全新的、高效的方法。基于數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，通過對大量歷史數(shù)據(jù)和故障模式的深入分析，能夠快速識別故障發(fā)生的模式，判斷故障類型，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。此外，這些智能算法具有自學(xué)習(xí)和持續(xù)優(yōu)化的特性，使得故障診斷系統(tǒng)能夠不斷適應(yīng)新的故障類型和情況，保持長期的穩(wěn)定性和可靠性。通過應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，能夠更好地預(yù)防和解決道岔設(shè)備故障，確保鐵路運(yùn)輸?shù)捻槙澈桶踩?/p>

基金項目：西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題“行車安全驅(qū)動的道岔故障特征提取與診斷方法”（XTZY23K14）。

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