多故障環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理技術(shù)

楊玉修

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

引言

我國(guó)鐵路交通和城市軌道在近幾十年來得到快速發(fā)展，其自動(dòng)化發(fā)展水平已經(jīng)世界領(lǐng)先[1]。在鐵路交通智能化發(fā)展過程中中，鐵路通信已經(jīng)成為信息傳輸和信息處理的重要樞紐，但是因?yàn)殍F路通信線路雜亂繁多，具有一定的復(fù)雜性，容易出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致線路發(fā)生饋線中斷故障[2]，為了使鐵路通信設(shè)備能夠在鐵路運(yùn)行的過程中可以正常工作，需要對(duì)多故障復(fù)雜環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線進(jìn)行有效處理。關(guān)于這個(gè)問題，相關(guān)學(xué)者也提出了一些行之有效的方法。

李一雷[3]等人提出船舶通信定位信號(hào)短時(shí)中斷插值預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法，該方法首先對(duì)通信信號(hào)的中斷插值預(yù)測(cè)缺點(diǎn)進(jìn)行描述，分析出通信信號(hào)發(fā)生短時(shí)中斷故障是隨機(jī)的，通過對(duì)通信信號(hào)中斷故障數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將其看作成一種時(shí)間序列數(shù)據(jù)，利用粒子群算法優(yōu)化支持向量機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，完成對(duì)通信中斷故障的預(yù)測(cè)，該方法沒有對(duì)通信中斷信號(hào)進(jìn)行故障檢測(cè)，導(dǎo)致沒有獲取出現(xiàn)故障的主要因素，存在鐵路通信中斷饋線接線準(zhǔn)確率低的問題。

孫亞非[4]等人提出基于感知學(xué)習(xí)算法的地鐵通信故障研究方法，該方法利用感知學(xué)習(xí)算法解析了列車中的大數(shù)據(jù)，通過AP時(shí)間狀態(tài)曲線圖對(duì)列車中的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)以可視化形式展現(xiàn)出來，并將地鐵公司提供的真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)通信故障預(yù)測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵通信故障的研究，該方法沒有采用DSSA方法對(duì)鐵路通信中斷進(jìn)行故障檢測(cè)，導(dǎo)致對(duì)多個(gè)鐵路通信中斷饋線出現(xiàn)故障的原因不夠明確，存在電磁干擾預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低的問題。

左光[5]等人提出類X-37B升力體再入飛行通信特性中斷研究方法，該方法將飛行器再入到通信飛行測(cè)量數(shù)據(jù)中，并對(duì)通信特性和通信方法進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)飛行器開展了等離子體鞘套數(shù)值仿真，從中分析出通信電磁波衰減特性，采用高頻段電磁波Ka波段通信方式對(duì)通信中斷現(xiàn)象進(jìn)行解決，實(shí)現(xiàn)鐵路通信的處理，該方法沒有檢測(cè)鐵路通信多個(gè)中斷故障，存在鐵路通信故障漏報(bào)率多的問題。

以上方法在多故障環(huán)境下，存在諸多問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出多個(gè)故障環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理技術(shù)方法。

1 鐵路通信中斷饋線建模與故障檢測(cè)

1.1 鐵路通信中斷饋線能量泄露特征分析

從電力能量角度上看，鐵路通信主要通過配電系統(tǒng)對(duì)電能進(jìn)行分配和傳輸[6]，其中包括電源、斷路器、母線、饋線等重要設(shè)備，除此之外還需要多個(gè)傳感器對(duì)鐵路通信中的電流電壓監(jiān)測(cè)。

根據(jù)分配的電能傳輸，獲取與電能傳輸相同的網(wǎng)絡(luò)：

1）設(shè)置G為鐵路通信的配電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過若干個(gè)傳感器組成一個(gè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域也是鐵路通信能量網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)，傳感器就是鐵路通信能量網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的邊，其中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間相互輸送的能量就是邊的權(quán)值。若確定了能量流動(dòng)的方向，也就確定了邊的方向，這樣就可以獲取G所對(duì)應(yīng)的鐵路通信能量網(wǎng)絡(luò)G*。

有限非空節(jié)點(diǎn)集合V和邊集合E組建成能量網(wǎng)絡(luò)G*，即有項(xiàng)加權(quán)圖，其中G*=（V，E）。若V={v1，v2，…，vn}是節(jié)點(diǎn)的集合，那么vi，vj∈E時(shí)，就是有項(xiàng)加權(quán)圖G*中有序?qū)Γ╥，j）的邊，定義為eij。

此時(shí)節(jié)點(diǎn)vi輸送能量到節(jié)點(diǎn)vj，那么它的方程定義為：。式中，描述的是傳輸?shù)哪芰浚趖時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j輸送電能的過程中產(chǎn)生的功率就用表示。d為傳感器的采樣周期，主要用來確定t0到t1的時(shí)間長(zhǎng)度。

式中：

鐵路通信配電網(wǎng)及其能量網(wǎng)絡(luò)主要由一個(gè)單電源和若干段饋線構(gòu)成[7]，使用兩個(gè)傳感器對(duì)鐵路通信配電網(wǎng)進(jìn)行分割，劃分成3個(gè)區(qū)域，并與能量網(wǎng)絡(luò)中的3個(gè)節(jié)點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)，如圖1所示。

鐵路通信網(wǎng)絡(luò)AG的矩陣表達(dá)式為：

通過步驟（1），可以把鐵路通信能量網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)作為傳感器劃分的區(qū)域。在鐵路通信能量網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)就是ivV? ∈ ，它的輸入總能量在特定的時(shí)間內(nèi)就是，而就是它的輸出能量。按照能量守恒定律，，以此減少電能在傳輸過程中產(chǎn)生的損耗，但是差值不能超過損耗的上界，即：

式中，在節(jié)點(diǎn)iv中能量的損失上界用iε來描述。

根據(jù)上述規(guī)則，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在圖1中的節(jié)點(diǎn)能量平衡方程就是：

圖1 鐵路通信簡(jiǎn)易能量網(wǎng)絡(luò)和電源配電網(wǎng)

2）在鐵路通信能量網(wǎng)絡(luò)中，還存有從其它地方來源的能量，也就是節(jié)點(diǎn)能量注入；同時(shí)也有其余能量輸出，被稱作節(jié)點(diǎn)能量泄露。

通常來說，鐵路通信電源中對(duì)地短路或相間短路也會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)造成影響，出現(xiàn)能量泄露的情況，也就是能量在傳輸過程中沒有正常的輸送路徑[8]。

1.2 多故障環(huán)境下鐵路通信中斷故障檢測(cè)

在得到泄露特征的基礎(chǔ)上，采用DSSA方法對(duì)鐵路通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障檢測(cè)[9]。DSSA方法具有在線監(jiān)控階段和離線建模階段兩部分。

1）離線建模階段

①X∈Rn×m的訓(xùn)練集中，各個(gè)故障樣本xi都可以在X內(nèi)找到k個(gè)近鄰。

③在距離空間中，id是樣本，w描述的是窗口寬度，i描述的是樣本序號(hào)，那么一階統(tǒng)計(jì)量均值(μi)為：

二階統(tǒng)計(jì)量方差(vi)定義為：

高階統(tǒng)計(jì)量偏斜度skewnessi定義為：

高階統(tǒng)計(jì)量峰度kurtosisi用方程定義為：

采用移動(dòng)窗口技術(shù)對(duì)式（6）、式（7）、式（8）、式（9）進(jìn)行不同階次的各個(gè)窗口子集統(tǒng)計(jì)量計(jì)算。

④si=[μiviskewnessikurtosisi]統(tǒng)計(jì)量樣本空間可以在距離空間中取得樣本id的主要表達(dá)形式is，完成距離空間D∈Rn×k到統(tǒng)計(jì)量樣本空間S∈Rn-w+1×4k的轉(zhuǎn)換。

⑤統(tǒng)計(jì)量樣本空間可以采用PCA分析方法解析，主要提取空間內(nèi)的主成分，從而獲取復(fù)合矩陣[10]。

2）在線監(jiān)控階段

①為newx新樣本在故障訓(xùn)練集X中找尋k個(gè)近鄰。

②樣本xnew在=dik-djk和di=進(jìn)行計(jì)算，從而獲取距離空間內(nèi)的表達(dá)式newd。

③第一個(gè)窗口中缺失的故障數(shù)據(jù)子集需要通過wl-個(gè)正常樣本填補(bǔ)，利用移動(dòng)窗口技術(shù)對(duì)新樣本進(jìn)行運(yùn)算，并獲得監(jiān)控統(tǒng)計(jì)量值news。

④計(jì)算news，對(duì)比統(tǒng)計(jì)量2T和SPE的控制限，判斷整個(gè)過程中是否有故障發(fā)生。

⑤假如沒有故障發(fā)生，就需要把移動(dòng)窗口前移一個(gè)樣本，進(jìn)行下一次監(jiān)控；假如存在故障，就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

2 鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理

2.1 故障定位

1）鐵路通信中斷故障定位

當(dāng)鐵路通信線路出現(xiàn)故障時(shí)，若故障電流被檢測(cè)到，就發(fā)送“1”作為信號(hào)，若沒有檢測(cè)到故障電流，可以發(fā)送“0”信號(hào)，由鐵路通信主站對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行接收，并離散接收的信號(hào)，所以需要判斷出現(xiàn)故障的區(qū)間，對(duì)其進(jìn)行定位。

采用改進(jìn)的二進(jìn)制灰狼優(yōu)化算法對(duì)鐵路通信中斷饋線進(jìn)行故障定位，在該算法中，維數(shù)就是饋線的總數(shù)目、個(gè)體位置就是饋線目前的狀態(tài)，也就是“0”或“1”。通過反復(fù)迭代，使用適應(yīng)度函數(shù)評(píng)價(jià)灰狼個(gè)體位置的好壞，達(dá)到及時(shí)對(duì)灰狼的全局最優(yōu)位置和個(gè)體位置進(jìn)行更新的目的。在算法中，狼群的最優(yōu)位置就是鐵路通信饋線的實(shí)際狀態(tài)，因此獲取最優(yōu)位置后，就可以對(duì)故障位置進(jìn)行判斷。

2）適應(yīng)度函數(shù)

鐵路通信中斷饋線的實(shí)際狀態(tài)信息與實(shí)際上傳的故障信息誤差小，因此適應(yīng)度函數(shù)如下定義：

式中：

N—故障指示器的數(shù)量；

SB—設(shè)備狀態(tài)，通過“1”表示發(fā)生故障，“0”表示設(shè)備狀態(tài)正常；

Ij—第j個(gè)故障指示器中的故障電流信息；

μ—故障診斷權(quán)重系數(shù)，即μ∈ [ 0 ,1]，要想適應(yīng)度函數(shù)的解準(zhǔn)確性高，適應(yīng)度函數(shù)值就要小。

3）鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理流程

①設(shè)置G為狼群維數(shù)，并在鐵路通信饋線中對(duì)狼群的維數(shù)進(jìn)行確定，此時(shí)N為狼群個(gè)體數(shù)，它的最大迭代數(shù)由T表示。

②對(duì)種群進(jìn)行初始化，并對(duì)N個(gè)G維的狼群進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)，即X1,X2,… ,XG，同時(shí)用“0”和“1”對(duì)灰狼的個(gè)體進(jìn)行組成。

③通過式（11）計(jì)算灰狼個(gè)體的適應(yīng)度值，取得最小適應(yīng)度函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行排序，對(duì)最優(yōu)適應(yīng)度值及其對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

④灰狼最優(yōu)個(gè)體位置由Xα、Xβ和Xδ進(jìn)行記錄。

⑤當(dāng)t≤T時(shí)，(t=1,2,… ,n)，

式中：

P—擾動(dòng)概率；

T—最大迭代次數(shù)；

G—維度。

計(jì)算后若隨機(jī)數(shù)3rP≥ ，那么灰狼個(gè)體位置可以根據(jù)方程X(t+ 1) = (ω1X1+ω2X2+ω3X3)/3計(jì)算，

式中：

ω—ω狼；

X1、X2、X3—灰狼個(gè)體的位置；

若3rP＜ ，可以通過式子（12）對(duì)灰狼個(gè)體位置進(jìn)行更新。

式中：

f(M(t+ 1))—第t+1代對(duì)個(gè)體M進(jìn)行擾動(dòng)；

f(X(t+ 1))—灰狼個(gè)體X的目標(biāo)函數(shù)值。

⑥對(duì)參數(shù)收斂因子A、擺動(dòng)因子常數(shù)C進(jìn)行更新。

⑦當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)T時(shí)，該算法結(jié)束，并獲取全局最優(yōu)位置。

通過對(duì)鐵路通信故障位置進(jìn)行定位，從中獲取饋線目前的狀態(tài)，確定了鐵路通信中斷饋線適應(yīng)度函數(shù)，采用改進(jìn)的二進(jìn)制灰狼算法對(duì)鐵路中斷饋線進(jìn)行處理，并記錄適應(yīng)度函數(shù)的最優(yōu)位置，完成對(duì)鐵路通信中段饋線的故障處理，實(shí)現(xiàn)鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理。

此時(shí)它的算法流程如圖2所示。

圖2 鐵路通信中段饋線處理流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證多個(gè)故障環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理技術(shù)方法的整體有效性，需要對(duì)多個(gè)故障環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線進(jìn)行測(cè)試。

采用多個(gè)故障環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化技術(shù)方法（方法1）、電網(wǎng)運(yùn)維大數(shù)據(jù)背景下的繼電保護(hù)通信系統(tǒng)故障定位方法（方法2）和基于感知學(xué)習(xí)算法的地鐵通信故障研究方法（方法3）進(jìn)行有效測(cè)試。

對(duì)鐵路通信中斷饋線進(jìn)行處理后，需要對(duì)線路末端進(jìn)行接線，采用三個(gè)方法分別對(duì)接線的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，接線的準(zhǔn)確率越高說明鐵路通信饋線處理的越好，具體測(cè)試如圖3所示。

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，分別對(duì)方法1、方法2和方法3進(jìn)行5次接線測(cè)試，并將接線的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，方法1在第一次測(cè)試時(shí)，它的準(zhǔn)確率就要高于方法2和方法3，在接下來的測(cè)試中方法1接線的波動(dòng)軌跡也呈直線上升，可見方法1的接線準(zhǔn)確率要優(yōu)于方法2和方法3。

圖3 鐵路通信饋線接線準(zhǔn)確率測(cè)試

綜上所述，方法1的接線準(zhǔn)確率最高，是因?yàn)榉椒?采用DSSA方法對(duì)鐵路通信進(jìn)行故障檢測(cè)，從中獲取了故障因素，提升了饋線接線的精準(zhǔn)度，達(dá)到接線準(zhǔn)確率高的效果。

鐵路通信饋線在運(yùn)行過程中會(huì)受到電磁干擾，采用方法1、方法2和方法3檢測(cè)電磁干擾值，并將檢測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比，如表1所示。

本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行10次測(cè)試，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，方法1在噪聲干擾下，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果最接近，表明方法1的電磁干擾值要優(yōu)于方法2和方法3。方法2在測(cè)量期間，電磁干擾值不夠穩(wěn)定，并且在三個(gè)方法中與實(shí)際結(jié)果的誤差最大，說明方法2的電磁干擾檢測(cè)效果差。

表1 實(shí)際電磁干擾值與測(cè)量電磁干擾值對(duì)比測(cè)試

通過方法1、方法2和方法3對(duì)鐵路通信故障漏報(bào)檢測(cè)情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4中，共進(jìn)行10次檢測(cè)，方法1在測(cè)試過程中故障漏報(bào)率要低于方法2和方法3，方法3的軌跡波動(dòng)在檢測(cè)過程中持平穩(wěn)上升狀態(tài)，而方法2的波動(dòng)速度過快，并且在第6次測(cè)試時(shí)故障漏報(bào)率超過方法3，說明方法2的故障漏報(bào)率要高于方法1和方法3。

圖4 不同方法的故障漏報(bào)率測(cè)試

下面根據(jù)鐵路通信故障漏報(bào)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)鐵路通信饋線接線誤報(bào)個(gè)數(shù)進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，共對(duì)鐵路通信中斷饋線進(jìn)行50次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)方法1不論經(jīng)過多少次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，誤報(bào)個(gè)數(shù)始終在1次，而方法2和方法3在檢測(cè)次數(shù)逐漸升高后，誤報(bào)個(gè)數(shù)也隨之上升，但是方法3要高于方法1和方法2。綜上所述，方法1的鐵路通信中斷饋線誤報(bào)個(gè)數(shù)要低于方法2和方法3。

圖5 鐵路通信中斷饋線誤報(bào)個(gè)數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

由于鐵路環(huán)境中通信饋線居多，導(dǎo)致鐵路容易出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象，為了使鐵路通信能夠正常使用，需要處理多個(gè)故障環(huán)境下的鐵路通信中斷的問題，為此提出多個(gè)故障環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理技術(shù)方法。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的鐵路通信中斷饋線存在接線準(zhǔn)確率差、電磁干擾值檢測(cè)準(zhǔn)確率低、故障漏報(bào)率多、鐵路通信饋線接線誤報(bào)個(gè)數(shù)多的問題。根據(jù)上述問題，提出多個(gè)故障環(huán)境下的鐵路通信中斷饋線自動(dòng)化處理技術(shù)方法，首先對(duì)鐵路通信中斷饋線進(jìn)行建模，建模后進(jìn)行故障檢測(cè)，從中得到故障因素，并對(duì)饋線進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化處理，提升了該方法的有效性，為以后的鐵路通信設(shè)備提供了重要的基礎(chǔ)。