基于模糊熵和非對(duì)稱貼近度的軌道電路分路不良故障預(yù)警系統(tǒng)*

戚呈輝 任志俊 杜小虎

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 無(wú)錫 214122）（2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 無(wú)錫 214122）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，鐵路運(yùn)輸業(yè)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，列車運(yùn)行速度也隨之變快。而鐵路運(yùn)行的安全性關(guān)乎到越來(lái)越多的人，鐵路信號(hào)設(shè)備作為保障鐵路運(yùn)行安全的重要設(shè)施，其安全穩(wěn)定性顯得尤為重要。軌道電路是鐵路運(yùn)行系統(tǒng)中檢查車輛占用情況的信號(hào)設(shè)備，自其發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)在全世界使用了一百多年［1］。但是因?yàn)檐壍离娐酚幸徊糠质鞘彝庠O(shè)備，所以實(shí)用效果會(huì)受到氣溫、濕度、酸堿度等環(huán)境因素的制約，分路不良故障時(shí)有發(fā)生，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致車輛晚點(diǎn)，甚至?xí)斐绍囕v安全事故。因此，軌道電路分路不良是鐵路行業(yè)的重大安全隱患，必須加強(qiáng)其安全預(yù)警。

軌道電路故障預(yù)警已經(jīng)有很多研究，Gensuo MI 等采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行站內(nèi)軌道電路分路不良預(yù)警［2］；Haigui WEN等對(duì)分路不良進(jìn)行微機(jī)監(jiān)測(cè)的預(yù)警［3］；張夢(mèng)琪等采用粒子群算法對(duì)軌道電路故障進(jìn)行預(yù)測(cè)［4］。以上研究大多使用的是最大隸屬原則判斷故障等級(jí)，存在丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的缺陷，本文采用模糊熵和非對(duì)稱貼近度原則對(duì)ZPW-2000A 軌道電路分路不良進(jìn)行安全預(yù)警，并通過(guò)實(shí)際案例數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，為后面對(duì)軌道電路分路不良的研究提供一些參考。

2 ZPW-2000A 軌道電路分路不良介紹

2.1 工作原理

ZPW-2000A 型軌道電路分為室內(nèi)和室外兩個(gè)部分［5］，其構(gòu)成系統(tǒng)如圖1。當(dāng)該區(qū)間無(wú)車時(shí)，軌道繼電器能可靠吸起，進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)；當(dāng)區(qū)間有車時(shí)，軌道繼電器便可靠落下，呈分路狀態(tài)。另外，ZPW-2000A 還具有斷軌檢查功能，當(dāng)軌道發(fā)生斷裂時(shí)，軌道繼電器可靠落下，呈斷軌狀態(tài)［6］。

圖1 ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 分路不良介紹

具體來(lái)說(shuō)，軌道電路分路不良是指在分路狀態(tài)下，區(qū)間內(nèi)有列車輪對(duì)接觸到區(qū)間的兩根鋼軌，但是信號(hào)燈未顯示為紅色，控制臺(tái)未顯示該區(qū)間被占用。分路不良故障直接原因是分路電阻過(guò)高，而分路電阻受軌道電路區(qū)間鋼軌上的輪對(duì)數(shù)、輪對(duì)踏面是否有雜質(zhì)、鋼軌表面有無(wú)雜質(zhì)的影響。分路電阻過(guò)高會(huì)在列車占用軌道電路區(qū)間時(shí)，使本區(qū)間的軌道繼電器不能可靠落下，失去檢查是否有車輛占用的功能。

3 預(yù)警系統(tǒng)如何確定軌道電路分路不良故障

軌道電路分路不良故障預(yù)警系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、人機(jī)會(huì)話層，其功能如下：

數(shù)據(jù)采集層：在軌道電路中使用傳感器等對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并傳入到數(shù)據(jù)庫(kù)中；

數(shù)據(jù)分析層：對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)庫(kù)使用模糊熵與非對(duì)稱貼近度原則進(jìn)行決策，判斷故障的等級(jí)；

人機(jī)會(huì)話層：將算法決策的結(jié)果返回到頁(yè)面中，供管理員判斷。

3.1 預(yù)警指標(biāo)及其可靠范圍的確定與數(shù)據(jù)采集

預(yù)警指標(biāo)是指決定某區(qū)段分路狀態(tài)安全的幾個(gè)主要因素，而分路不良主要是由分路電阻過(guò)高引起。分路不良故障的發(fā)生會(huì)直接導(dǎo)致軌出電壓（分路殘壓）異常，所以選擇軌出電壓U作為指標(biāo)之一，軌出電壓可由ZPW-2000A軌道電路自行采集。根據(jù)ZPW-2000A軌道電路的相關(guān)資料顯示以及鐵路局電務(wù)處的反饋，環(huán)境因素會(huì)直接導(dǎo)致軌道電路的室外設(shè)備發(fā)生故障，而其中影響最大的環(huán)境因素就是氣溫與濕度，故選取環(huán)境溫度T與環(huán)境濕度H作為預(yù)警指標(biāo)。根據(jù)資料［7］顯示，在ZPW-2000A 軌道電路中，能使軌道繼電器穩(wěn)定落下的軌出電壓為a，且a≤140mV(amax=140mV)，能使軌道繼電器剛好落下的軌出電壓為b，且140mV ≤b≤170mV(設(shè)定bmin=140mV,bmax=170mV) ，可靠的環(huán)境溫度為-40℃~70℃（設(shè)定Tmin=-40℃,Tmax=70℃），環(huán)境溫度的臨界值（Tl）為18℃，可靠環(huán)境濕度為Tmax≤95% ，環(huán)境濕度的臨界值為50%（Hl1）和72%（Hl2）。在MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)建立軌出電壓、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度三個(gè)預(yù)警的data 數(shù)據(jù)表，其具體信息如表1。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)data信息

在軌道電路的室外部分安裝了溫度傳感器與濕度傳感器，將這些傳感器與無(wú)線傳輸裝置通過(guò)RS485 串口連接，再將無(wú)線傳輸器與收發(fā)軟件連接，它們之間的數(shù)據(jù)傳輸使用modbus 協(xié)議。其中無(wú)線傳輸器相當(dāng)于socket 的client 端，所以收發(fā)軟件中包含了socket 的server 創(chuàng)建、循環(huán)接受無(wú)線傳輸器的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理，最后連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)送解包后的有效數(shù)據(jù)，調(diào)試成功后傳入到MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，其流程如圖2。

圖2 傳感器無(wú)線傳輸流程圖

3.2 隸屬度矩陣的選取

設(shè)G為ZPW-2000A 軌道電路分路不良預(yù)警體系，共有3 個(gè)預(yù)警指標(biāo)，對(duì)應(yīng)預(yù)警指標(biāo)特征值：V=[v1,v2,v3]T，其中，gl為指標(biāo)i的特征值，i∈｛1，2，3｝。隸屬度函數(shù)是模糊控制的關(guān)鍵，所以模糊控制的結(jié)果取決于能否隸屬度函數(shù)的選擇。但隸屬度函數(shù)不是唯一的，本文采用直覺(jué)法評(píng)定隸屬度函數(shù)。為了避免本人的過(guò)多主觀因素，根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)選取合適的函數(shù)作為隸屬度函數(shù)。本文參考根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其模糊識(shí)別隸屬度函數(shù)的結(jié)果并經(jīng)過(guò)篩選，選取K次拋物線、三角函數(shù)作為其隸屬度函數(shù)［8~11］，各個(gè)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如表2~4。

表2 軌出電壓/U的隸屬度函數(shù)

表3 環(huán)境溫度/T的隸屬度函數(shù)

表4 環(huán)境濕度/H的隸屬度函數(shù)

依據(jù)隸屬度函數(shù)，計(jì)算各特征值gi對(duì)應(yīng)的隸屬度gij，并得出預(yù)警指標(biāo)的隸屬度矩陣［12］：

式（1）中，gij為指標(biāo)i的j級(jí)隸屬度值i=1，2，…，m，j=1，2，…，c（本文中m=3，c=3）?；谀：卮_定指標(biāo)權(quán)重的依據(jù)是：如果系統(tǒng)G只用gi一個(gè)指標(biāo)得出安全等級(jí)時(shí)，通過(guò)其特征值可得gi隸屬于安全等級(jí)論域中各模糊子集的隸屬度，并獲得判斷G安全等級(jí)的決策向量，gi的模糊熵值代表決策信息的模糊不確定性。系統(tǒng)中，當(dāng)某指標(biāo)隸屬安全級(jí)別的值為1，隸屬于普通危機(jī)和高度危機(jī)的隸屬度為0時(shí)，則可以確定該系統(tǒng)G此時(shí)處于安全級(jí)別。當(dāng)某一預(yù)警指標(biāo)隸屬于安全級(jí)別、普通危機(jī)和高度危機(jī)的隸屬度相同時(shí)，則無(wú)法確定其安全等級(jí)。當(dāng)有多個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)的模糊熵值越大，其不確定性越大，則在決策中作用越小，應(yīng)賦予較小的權(quán)重，反之，模糊熵值越小，應(yīng)賦予較大權(quán)重［13］。

3.3 預(yù)警指標(biāo)權(quán)重值的確定

賦權(quán)法有主觀、客觀和主客觀三種，但含主觀的賦權(quán)法不適合用在預(yù)測(cè)方面。因?yàn)橹饔^帶來(lái)了人為因素的影響，并不利于該系統(tǒng)預(yù)測(cè)方向的客觀性和真實(shí)性，所以本文采用的熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法［14］。本文中，熵權(quán)法是根據(jù)各預(yù)警指標(biāo)所代表的信息量的大小決定其權(quán)重值。為了滿足模糊熵的明晰、極大、分辨和對(duì)稱的特性，根據(jù)DeLuca 和Termini 的模糊熵定義［15］，計(jì)算各預(yù)警指標(biāo)的模糊熵F={f1,f2,…,fm}，其中第i個(gè)指標(biāo)的模糊熵值為

其中，K為歸一化常數(shù)，取值為，sij為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定指標(biāo)權(quán)重值，W={w1,w2,…,wm}，其中第i個(gè)指標(biāo)權(quán)重值：

3.4 運(yùn)用模糊非對(duì)稱貼近度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

其一，確定預(yù)警決策向量，將預(yù)警指標(biāo)權(quán)重與隸屬度加權(quán)平均集結(jié)如下所示，其中，j=1,2,…,c。

其二，進(jìn)行決策向量的非對(duì)稱貼近度集化，預(yù)警決策向量G中，若，則稱Di=(d1,…,di-1,1,di+1,…,dc)=(0,…,0,1,0,…,0) 是模糊論域設(shè)V={v1,v2,…,vc}中vi的特征模糊子集。

對(duì)G進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：首先，將gi,i?Ic={1,2,…,c}排在第一位，對(duì)任意i1，i2?Ic，若|i1-i|<|i2-i|，則把gi1放在gi2的前面；若|i1-i|=|i2-i|，且i1

對(duì)Di標(biāo)準(zhǔn)化，得。計(jì)算非對(duì)稱貼近度：

安全預(yù)警等級(jí)的確定，若

則決策結(jié)果屬于vk級(jí)。綜合以上分析，繪制出基于模糊熵與非對(duì)稱貼近度的針對(duì)ZPW-2000A軌道電路分路不良故障的流程如圖3。根據(jù)以上分析過(guò)程，利用Java語(yǔ)言在eclipse中編寫軌道電路分路不良安全預(yù)警系統(tǒng)，其系統(tǒng)界面如圖4。所以該系統(tǒng)在分析一組數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷軌出電壓是否大于bmax，若大于bmax，則直接報(bào)警。再判斷可靠濕度和可靠溫度是否在可靠范圍內(nèi)，如果不在，則直接報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警時(shí)，說(shuō)明其不在安全等級(jí)內(nèi)，則無(wú)需顯示信號(hào)燈顏色。本系統(tǒng)將安全等級(jí)類模糊論域設(shè)為D={d1,d2,d3}，分別為安全級(jí)別、普通危機(jī)、重度危機(jī)，對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈顯示顏色為綠色、黃色、紅色。

圖3 系統(tǒng)流程圖

圖4 故障預(yù)警系統(tǒng)界面

4 案例分析

本文選取上海局無(wú)錫站的某一時(shí)段的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證ZPW-2000A軌道電路的基于模糊非對(duì)稱貼近度預(yù)警系統(tǒng)的可靠性。取得表5 中10 組預(yù)警指標(biāo)的數(shù)據(jù)，根據(jù)圖3 的流程圖，首先系統(tǒng)進(jìn)行判斷U、H、T是否合格，第9 組數(shù)據(jù)軌出電壓U超出范圍，直接報(bào)警，第10 組數(shù)據(jù)環(huán)境濕度H超出范圍，直接報(bào)警。對(duì)于其他8組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析。

表5 預(yù)警指標(biāo)采集

首先根據(jù)隸屬度函數(shù)計(jì)算出數(shù)據(jù)的隸屬度矩陣，再將隸屬度矩陣代入到式（2）和式（3）進(jìn)行計(jì)算，得到預(yù)警指標(biāo)的模糊熵，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果與式（4）計(jì)算出預(yù)警指標(biāo)權(quán)重，再與式（5）計(jì)算得非對(duì)稱貼近度，最終計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 預(yù)警指標(biāo)的非對(duì)稱貼近度計(jì)算結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)可以得出：

1）第9、10組數(shù)據(jù)，超出篩選范圍，直接報(bào)警；

2）第1、3、4 組數(shù)據(jù)處于高度危機(jī)，會(huì)顯示紅燈警報(bào)；

3）第2、5、6、7、8 組數(shù)據(jù)處于安全等級(jí)，會(huì)顯示綠燈。

系統(tǒng)的結(jié)果界面顯示結(jié)果如圖4，與上面的計(jì)算結(jié)果一致。通過(guò)上述數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，并結(jié)合上海局無(wú)錫站工作人員的檢查反饋，系統(tǒng)的故障預(yù)警結(jié)果與軌道電路實(shí)際情況一致。

如果采用模糊熵理論與最大隸屬度原則進(jìn)行決策時(shí)，第4組會(huì)顯示普通危機(jī)，第6組會(huì)顯示普通危機(jī)，這兩組的結(jié)果與非對(duì)稱貼近度判斷的結(jié)果不同，并且與實(shí)際情況不一樣，會(huì)使判斷產(chǎn)生誤差，所以本文采用模糊熵與非對(duì)稱貼近度原則相結(jié)合進(jìn)行故障等級(jí)的決策，提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，保證行車的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)ZPW-2000A軌道電路分路狀態(tài)的基于模糊熵理論和非對(duì)稱貼近度原則的故障預(yù)警系統(tǒng)，首先根據(jù)對(duì)軌道電路分路不良的影響因子確定了三個(gè)預(yù)警指標(biāo)，并對(duì)其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了劃分。本文根據(jù)其隸屬度情況建立了九個(gè)隸屬度函數(shù)，并用熵權(quán)法確定了指標(biāo)權(quán)重值，最后運(yùn)用模糊非對(duì)成貼近度原則對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)估，依據(jù)結(jié)果對(duì)安全等級(jí)進(jìn)行分類，使得預(yù)警更加精確。

2）傳統(tǒng)的軌道電路分路不良故障預(yù)警系統(tǒng)通常采用最大隸屬度原則，存在易丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的缺陷，非對(duì)稱貼近度則可以克服這一缺點(diǎn)。將上海局無(wú)錫站的部分?jǐn)?shù)據(jù)用上述方法進(jìn)行計(jì)算分析，系統(tǒng)中得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的工作人員反饋一致，充分表現(xiàn)了該方法的可行性，可以對(duì)軌道電路分路不良的故障預(yù)警研究提供參考。