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道岔故障智能诊断 版权信息
- ISBN：9787030718570
- 条形码：9787030718570 ; 978-7-03-071857-0
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
道岔故障智能诊断 内容简介
本书在介绍道岔和微机监测曲线的基础上，深入分析道岔故障模式及其在道岔动作曲线上的表征规律。针对道岔故障少样本的情况，提出道岔异常曲线的识别方法和基于相似度的道岔异常曲线识别方法；针对无道岔故障样本的情况，提出基于无监督学习的道岔曲线自动聚类方法和基于深度学习的道岔故障诊断方法。*后分别提出基于道岔曲线特征和曲线点的道岔动作曲线预测方法。 本书适用于轨道交通信号相关学科的工程技术人员、科研人员以及高校研究生。通过本书能全面了解道岔故障智能诊断的近期新技术，指导道岔智能运维相关的研究工作。
道岔故障智能诊断 目录
目录
序
前言
第1章 道岔概述 1
1.1 铁路系统概况 1
1.1.1 铁路系统 1
1.1.2 高速铁路 2
1.1.3 城市轨道交通 4
1.2 道岔 5
1.2.1 道岔的基本概念及重要性 5
1.2.2 道岔的分类 8
1.3 转辙机 11
1.3.1 转辙机的基本概念及作用 11
1.3.2 转辙机的分类 11
1.3.3 直流转辙机的基本原理 13
1.3.4 交流转辙机的基本原理 15
第2章 道岔监测系统 19
2.1 道岔监测的必要性 19
2.1.1 道岔事故 19
2.1.2 道岔监测必要性分析 21
2.2 道岔监测系统的基本原理 22
2.2.1 道岔监测系统的相关标准规范 22
2.2.2 道岔监测系统的主要结构 23
2.2.3 道岔监测系统的主要功能 23
2.3 主要道岔监测系统介绍 25
2.3.1 CSM-TD型信号微机监测系统 25
2.3.2 CSM-HH型信号集中监测系统 33
第3章 道岔动作曲线 41
3.1 道岔动作曲线的分类 41
3.2 直流转辙机道岔动作电流曲线 41
3.2.1 道岔动作电流采集原理 41
3.2.2 单动道岔正常动作电流曲线分析 42
3.3 交流转辙机道岔动作电流曲线 43
3.3.1 道岔电流采集原理 44
3.3.2 交流转辙机道岔正常动作电流曲线分析 44
3.3.3 道岔动作曲线“小尾巴”的形成原理 45
3.3.4 ZYJ7型道岔正常动作曲线分析 47
3.4 道岔动作功率曲线 47
3.4.1 道岔动作功率曲线采样原理 47
3.4.2 道岔动作功率曲线分析 49
3.4.3 S700K型电动转辙机道岔动作功率曲线分析 49
第4章 道岔故障模式及故障曲线仿真 52
4.1 道岔故障分类 52
4.2 道岔常见故障分析 52
4.3 道岔动作曲线仿真 56
4.3.1 道岔动作模型构建及参数设置 56
4.3.2 基于道岔动作模型的动作曲线仿真 64
4.3.3 道岔正常动作曲线仿真 64
4.3.4 道岔长期运行曲线仿真 66
4.3.5 道岔故障曲线仿真 66
第5章 道岔异常曲线识别 72
5.1 道岔异常曲线识别总体技术路线 72
5.2 道岔正常参考曲线的选取方法 73
5.2.1 基于K均值聚类算法的道岔正常参考曲线的选取 73
5.2.2 基于弗雷歇距离的道岔正常参考曲线的选取 75
5.3 相似度的计算及阈值的确定 78
5.3.1 正常曲线与正常参考曲线之间的相似度计算 78
5.3.2 相似度阈值的确定 78
5.4 基于相似度的道岔异常曲线识别举例 78
5.4.1 正常参考曲线的选取 78
5.4.2 相似度的计算以及阈值的确定 80
5.4.3 实例测试 81
第6章 基于距离的道岔故障诊断 83
6.1 典型距离算法 83
6.2 基于距离的道岔故障诊断方法 85
6.3 基于动态时间规整的道岔曲线故障诊断实例 86
6.4 基于弗雷歇距离的道岔曲线故障诊断实例 89
第7章 基于深度学习的道岔故障识别方法 95
7.1 基于卷积神经网络的道岔故障识别方法 95
7.2 卷积神经网络 96
7.2.1 卷积神经网络概述 96
7.2.2 卷积神经网络经典网络算法 99
7.3 道岔故障诊断模型 100
7.3.1 输入数据预处理 100
7.3.2 模型训练过程 101
7.3.3 道岔故障诊断模型的验证 103
7.4 基于深度学习的道岔故障诊断实例 104
第8章 道岔曲线模式的自动聚类研究 105
8.1 道岔曲线的自动聚类方法 105
8.1.1 聚类概念 105
8.1.2 聚类方法分类 105
8.2 FCM聚类算法 106
8.2.1 相关概念 107
8.2.2 FCM聚类算法的步骤 108
8.3 道岔故障曲线的自动聚类实例 108
8.3.1 数据预处理 109
8.3.2 改进的FCM聚类算法 110
8.3.3 案例计算结果 110
第9章 道岔动作曲线预测方法 115
9.1 基于道岔曲线特征的预测方法 115
9.1.1 道岔动作曲线采集及代表特征选取 116
9.1.2 基于BP神经网络的道岔曲线特征预测方法 116
9.1.3 基于*小二乘法的道岔预测曲线的拟合 118
9.1.4 道岔预测曲线的故障诊断 119
9.1.5 基于道岔曲线特征的预测方法实例分析 119
9.2 基于曲线点的预测方法 122
9.2.1 预测所用数据说明及预测效果评价指标 122
9.2.2 基于ARMA模型的道岔动作曲线预测方法 124
9.2.3 基于支持向量机的道岔动作曲线预测方法 131
参考文献 135
序
前言
第1章 道岔概述 1
1.1 铁路系统概况 1
1.1.1 铁路系统 1
1.1.2 高速铁路 2
1.1.3 城市轨道交通 4
1.2 道岔 5
1.2.1 道岔的基本概念及重要性 5
1.2.2 道岔的分类 8
1.3 转辙机 11
1.3.1 转辙机的基本概念及作用 11
1.3.2 转辙机的分类 11
1.3.3 直流转辙机的基本原理 13
1.3.4 交流转辙机的基本原理 15
第2章 道岔监测系统 19
2.1 道岔监测的必要性 19
2.1.1 道岔事故 19
2.1.2 道岔监测必要性分析 21
2.2 道岔监测系统的基本原理 22
2.2.1 道岔监测系统的相关标准规范 22
2.2.2 道岔监测系统的主要结构 23
2.2.3 道岔监测系统的主要功能 23
2.3 主要道岔监测系统介绍 25
2.3.1 CSM-TD型信号微机监测系统 25
2.3.2 CSM-HH型信号集中监测系统 33
第3章 道岔动作曲线 41
3.1 道岔动作曲线的分类 41
3.2 直流转辙机道岔动作电流曲线 41
3.2.1 道岔动作电流采集原理 41
3.2.2 单动道岔正常动作电流曲线分析 42
3.3 交流转辙机道岔动作电流曲线 43
3.3.1 道岔电流采集原理 44
3.3.2 交流转辙机道岔正常动作电流曲线分析 44
3.3.3 道岔动作曲线“小尾巴”的形成原理 45
3.3.4 ZYJ7型道岔正常动作曲线分析 47
3.4 道岔动作功率曲线 47
3.4.1 道岔动作功率曲线采样原理 47
3.4.2 道岔动作功率曲线分析 49
3.4.3 S700K型电动转辙机道岔动作功率曲线分析 49
第4章 道岔故障模式及故障曲线仿真 52
4.1 道岔故障分类 52
4.2 道岔常见故障分析 52
4.3 道岔动作曲线仿真 56
4.3.1 道岔动作模型构建及参数设置 56
4.3.2 基于道岔动作模型的动作曲线仿真 64
4.3.3 道岔正常动作曲线仿真 64
4.3.4 道岔长期运行曲线仿真 66
4.3.5 道岔故障曲线仿真 66
第5章 道岔异常曲线识别 72
5.1 道岔异常曲线识别总体技术路线 72
5.2 道岔正常参考曲线的选取方法 73
5.2.1 基于K均值聚类算法的道岔正常参考曲线的选取 73
5.2.2 基于弗雷歇距离的道岔正常参考曲线的选取 75
5.3 相似度的计算及阈值的确定 78
5.3.1 正常曲线与正常参考曲线之间的相似度计算 78
5.3.2 相似度阈值的确定 78
5.4 基于相似度的道岔异常曲线识别举例 78
5.4.1 正常参考曲线的选取 78
5.4.2 相似度的计算以及阈值的确定 80
5.4.3 实例测试 81
第6章 基于距离的道岔故障诊断 83
6.1 典型距离算法 83
6.2 基于距离的道岔故障诊断方法 85
6.3 基于动态时间规整的道岔曲线故障诊断实例 86
6.4 基于弗雷歇距离的道岔曲线故障诊断实例 89
第7章 基于深度学习的道岔故障识别方法 95
7.1 基于卷积神经网络的道岔故障识别方法 95
7.2 卷积神经网络 96
7.2.1 卷积神经网络概述 96
7.2.2 卷积神经网络经典网络算法 99
7.3 道岔故障诊断模型 100
7.3.1 输入数据预处理 100
7.3.2 模型训练过程 101
7.3.3 道岔故障诊断模型的验证 103
7.4 基于深度学习的道岔故障诊断实例 104
第8章 道岔曲线模式的自动聚类研究 105
8.1 道岔曲线的自动聚类方法 105
8.1.1 聚类概念 105
8.1.2 聚类方法分类 105
8.2 FCM聚类算法 106
8.2.1 相关概念 107
8.2.2 FCM聚类算法的步骤 108
8.3 道岔故障曲线的自动聚类实例 108
8.3.1 数据预处理 109
8.3.2 改进的FCM聚类算法 110
8.3.3 案例计算结果 110
第9章 道岔动作曲线预测方法 115
9.1 基于道岔曲线特征的预测方法 115
9.1.1 道岔动作曲线采集及代表特征选取 116
9.1.2 基于BP神经网络的道岔曲线特征预测方法 116
9.1.3 基于*小二乘法的道岔预测曲线的拟合 118
9.1.4 道岔预测曲线的故障诊断 119
9.1.5 基于道岔曲线特征的预测方法实例分析 119
9.2 基于曲线点的预测方法 122
9.2.1 预测所用数据说明及预测效果评价指标 122
9.2.2 基于ARMA模型的道岔动作曲线预测方法 124
9.2.3 基于支持向量机的道岔动作曲线预测方法 131
参考文献 135
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道岔故障智能诊断 节选
第1章道岔概述 道岔是指轨道在平面上的出岔、连接和交叉的设备，在我国铁路上习惯把这些设备统称为道岔。道岔是铁路轨道的一个重要组成部分，它是引导机车车辆由一条线路转向另一条线路的过渡设备。道岔构造复杂，是线路的薄弱环节之一。 1.1 铁路系统概况 1.1.1 铁路系统 铁路运输是指以固定轨道作为运输线路、由机械动力牵引车辆、实现旅客和货物位移的一种运输方式。世界上**条使用机械动力牵引车辆的营业铁路，是1825年9月27日通车的英国斯托克顿至达林顿铁路。这条铁路长度约为40km，轨距为1435mm，使用的牵引动力是乔治 史蒂芬森设计制造的蒸汽机车，牵引12辆煤车并搭载500名左右乘客，*高速度达到24km/h。这条铁路的诞生开创了世界铁路运输的新纪元。当时铁路作为一种新兴的陆上运输工具，是一种适宜于远距离、大运量、全天候及低成本的运输方式。因此，发展较早的资本主义国家，如英国、美国、法国、比利时、德国、加拿大等相继开始修筑铁路。自此，人类交通进入了“铁路时代”。随着世界贸易的发展和西方资本主义势力在全球的扩张，铁路也在全世界各个角落开始展延。 清朝末年，世界各国均在大力兴建铁路，清朝政府拒绝采用近代科学技术和先进运输工具，严重阻碍了社会生产力的发展。由于清朝政府反对修建铁路的错误政策，中国铁路建设的历史进程大大延缓。直到1876年，中国大地上才出现**条营运铁路——吴淞铁路。1949年后，中国的铁路运输经历了曲折的发展。改革开放后，信息技术加速发展，铁路发展也加快了步伐，我国开创了铁路运输的新局面。 铁路系统可以分为车务段、机务段、工务段、车辆段、供电段、电务段六个构成部分： (1) 车务段是铁路行车系统的重要单位之一，负责列车运营。车务段管理车站货运等业务，管辖辖区内的各大小车站货运、客运的计划和收入，以及列车的运行监控，保证货运、客运的正常运营以及运营成本的正常回收。 (2) 机务段是铁路运输系统的主要行车部门，是主要负责铁路机车的运用、综合整备、整体检修的行车单位，一般设置在重要的铁路枢纽城市或重要的货运编组站附近。 (3) 工务段是铁路系统的基层单位，负责铁路线路及桥隧设备的保养与维修工作，以及铁路巡道、铁路道口的看守。 (4) 车辆段主要负责列车车辆的运营、整备、检修等工作。 (5) 供电段主要负责电气化铁路的牵引供电、铁路运输信号供电、铁路地区的供电、电力设备的检修与保养等工作。 (6) 电务段负责管理和维护列车在运行途中的地面信号与机车信号及道岔正常工作，职责是维护信号设备使信号正常显示，维护转辙机及道岔扳动正常，确保列车正常运行。 在铁路运输系统中，铁路信号肩负着指挥列车运行、调车作业以及向行车有关人员指示运行条件等任务，是对行车运行方向、运行间隔、运行进路以及运行速度进行控制的重要基础设施。道岔是铁路线路上的可动部分，它的位置与状态是否正确，直接关系列车是否走对路径，影响行车的安全。因此，道岔的转换和锁闭设备是铁路信号系统中的重要组成部分。 1.1.2 高速铁路 高速铁路是一个庞大复杂的现代化系统，它由工务工程、牵引供电、高速列车、通信与信号、运营调度和客运服务等多个子系统组成。高速铁路技术由各个子系统技术以及子系统之间的耦合技术共同构成，因此综合性强是高速铁路技术的一个显著特点。高速铁路的发展是一个通过技术不断创新、运行速度不断提高来满足社会经济发展需要的过程，主要特征表现为高速铁路建设标准等级不断提高、建设里程不断增加、参与建设的国家和地区不断增多。1964年，日本东海道新干线的开通运营开启了日本经济起飞的航程。1981年，法国TGV高速铁路后来居上，将高速铁路的发展推上了一个新台阶，同时带动了欧洲高速铁路的发展。此后，越来越多的国家和地区开始规划建设高速铁路。 中国高速铁路的发展虽然起步较晚，但是在短短十几年的时间里，中国已经成为世界上拥有高速铁路里程*长的国家。2018年底，中国高铁运营里程超过2.9万km，占全球高铁运营里程的2/3以上，超过其他国家总和。 中国修建的**条高速铁路是京沪高速铁路。早在20世纪90年代初，铁道部提出《北京至上海旅客列车专用高速铁路研究的初步设想》。1994年，集合国家科学技术委员会、国家计划委员会等多个部委，完成了《京沪高速铁路重大技术经济问题前期研究报告》。1996年4月，《京沪高速铁路预可行性研究报告(送审稿)》完成之后，中国高速铁路研究长期陷入轮轨方式和磁悬浮方式的技术之争。直到2003年，才得出结论：轮轨方式更加适合京沪高速铁路。2006年2月，国务院批准京沪高速铁路立项。下面介绍我国典型的高速铁路。 1. 京津城际高速铁路 2008年8月1日开通运营的京津城际高速铁路引起了国内外广泛关注。京津城际高速铁路是世界上首条运营速度达到350km/h的高速铁路。在技术方面，京津城际高速铁路无论是线路、供电、信号还是车辆，都采用了当时世界上*新的技术。“和谐号”CRH3型动车组在京津城际铁路运行实验中创出了394.3km/h的实验速度。实验过程中，高速列车各系统运行正常，列车平稳舒适。这意味着京津城际铁路线桥质量、动车组性能、各系统间的配合已达到世界一流高速铁路的标准。 2. 京沪高速铁路 京沪高速铁路全长1318km，于2011年6月30日全线开通运营，是目前世界上一次性建成的*长的高速铁路。京沪高速铁路连接北方的环渤海经济区和南方的长江三角洲经济区，贯通中国东部*发达地区。京沪高速铁路设计*高速度为380km/h，近期运营速度为300km/h，远期运营速度为350km/h。在技术方面，京沪高速铁路集中国高速铁路技术之大成，高速列车、列车运行控制、轨道、牵引供电等都代表着当时中国高速铁路技术的*高水准。2010年12月3日，京沪高速铁路CRH380AL动车组在枣庄至蚌埠间的实验区段创造了486.1km/h的中国轮轨列车运营实验速度新纪录。 3. 京广高速铁路 京广高速铁路于2012年12月26日全线开通运营，是目前世界上运营里程*长的一条高速铁路，全长2298km，设计速度为350km/h，初期*高运营速度为300km/h。从北京至广州*快的列车只需要7h 59min，途经河北、河南、湖北、湖南、广东五省。 4. 哈大高速铁路 2012年12月1日，哈大高速铁路开通运营，线路全长921km。哈大高速铁路设计速度为350km/h，初期*高运营速度为300km/h，将东北三省主要城市连为一线，主要技术特点在于防寒技术。例如，为哈大线量身定做的CRH380BG型电力动车组可以在40℃条件下正常运行；为防路基冻胀，在路基冻结深度范围内填筑了非冻胀性材料；采用防开裂的双向预应力CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道结构；道岔设置融雪装置，接触网设置融冰装置。 通信与信号系统作为整个铁路的“大脑与神经”，时刻保证着列车系统的安全和高效运行。随着通用的通信、控制和计算机技术的发展，这些先进的技术也相继应用在通信和信号领域。对于铁路通信系统，从19世纪末开始，电报刚一出现就在铁路运营中得到成功应用，紧接着电话、数字有线通信、模拟无线通信、数字无线通信技术不断地融入铁路运营，这都大大提高了铁路运营的效率。近年来，全球定位系统(global positioning system，GPS)卫星定位技术在青藏铁路成功应用，5G技术首次在我国高速铁路中(京张高速铁路)应用，这些新技术为铁路运营服务品质的进一步提升提供了保障。铁路信号系统从铁路的诞生之日起就应运而生。从*原始的站间闭塞，到以轨道电路、计轴设备等为基础的基于轨道电路的列车控制系统(train control system based on track circuit，TBTC)，再到基于通信的列车控制系统(communication based train control，CBTC)，铁路运行安全和效率不断地提升。随着先进技术的不断发展，高速铁路列车运行控制系统将更加集成化、智能化，并将更加安全可靠。 1.1.3 城市轨道交通 城市轨道交通系统(urban rail transit system)，简称城轨系统(urban rail system)，指在城市中具有固定线路、铺设固定轨道、配备运输车辆及服务设施、以电力驱动的公共交通运输系统。城市轨道交通是现代城市公共交通的主要形式，具有安全、快捷、准时等优点，可满足日益增长的城市居民出行需求，是一种节约资源、保护环境的城市公交系统。 地铁的产生源于将列车引入城市中心的构想。1856年修建的伦敦地铁是世界上**条地铁，1863年正式投入运营，线路位于地下隧道内，用蒸汽机车牵引列车。从此，铁路技术开始用来解决人们在城市内的出行问题。1965年我国开始修建内地**条城市轨道交通系统——北京地铁一期工程，1969年建成通车。20世纪70年代，天津修建了7.4km的地铁。从80年代末至90年代中期，以上海地铁1号线(21km)、北京地铁复八线(13.6km，现已并入北京地铁1号线)、北京地铁1号线改造、广州地铁1号线(18.5km)建设为标志，我国真正以交通为目的的地铁项目开始建设。 城市和区域轨道交通的系统制式可按运能、线路敷设方式、路权等多个方面进行划分，从目前国内外轨道交通的发展现状及趋势来看，城市和区域轨道交通的发展模式主要有地铁、轻轨、单轨系统、区域快速铁路、有轨电车以及新交通系统等几种。中国城市轨道交通发展迅猛，已经建成或正在兴建的城市轨道交通几乎包括了上述所有类型，截至2022年2月，已有76多个城市建成或正在兴建。中国城市轨道交通建设的特点是，不仅需要建设的城市多、建设势头猛，而且建设的类型多元化。中国正在形成以地铁为骨干、多种类型并存的城市轨道交通体系。上海、天津、大连等城市建成了快速轻轨交通系统；长春、大连进行了有轨电车改造，鞍山也准备对现有的有轨电车进行改造，上海、苏州等地已经建成有轨电车线路；重庆建成了我国**条跨座式的单轨交通系统；上海浦东龙阳路至浦东国际机场开通了磁悬浮高速线；广州和北京已建成或正在建设直线电机驱动的城轨车辆交通线路；北京首都机场内正在建设全自动化的新交通系统等。截至2021年12月31日，31个省(区、市)和新疆生产建设兵团共有51个城市开通运营城市轨道交通线路269条，运营里程8708公里，车站5216座。2021年，新增城市轨道交通线路35条，新增运营里程1168公里；洛阳、绍兴、嘉兴、文山、芜湖以及嘉兴(海宁)、镇江(句容)7个城市首次开通运营城市轨道交通。 城市轨道交通系统由轨道路线、车站、车辆、维护检修基地、供变电设备、通信信号设备、指挥控制中心等组成。采用以电子计算机处理技术为核心的各种自动化设备，代替人工的、机械的、电气的行车组织以及设备运行和安全保证系统。列车自动控制(automatic train control，ATC)系统可以实现列车自动驾驶、自动跟踪、自动调度；数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统可以实现主变电所、牵引变电所、降压变电所设备系统的遥控、遥信、遥测和遥调；楼宇自动化系统(building automation system，BAS)和火灾报警系统(fire alarm system，FAS)可以实现车站环境控制的自动化和消防、报警系统的自动化；自动售检票(automatic fare collection，AFC)系统可以实现自动售票、检票、分类等功能。所有系统全线各自形成网络，均在运行控制中心(operations control center，OCC)设中心计算机，实现统一指挥，分级控制。 城市轨道交通信
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