鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法

趙文彥，景曉衛(wèi)，樊笑棋

（國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，原平 034100）

隨著我國(guó)鐵路的不斷發(fā)展和完善，鐵路的運(yùn)輸安全引起人們的高度關(guān)注。每次冬季降雪時(shí)，大量的雪會(huì)堆積在道岔附近，當(dāng)雪水融化后會(huì)因?yàn)楹湓诘啦碇車Y(jié)冰，如不對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理，容易造成道岔無(wú)法正常轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，所以開展鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方面的研究十分必要[1-2]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)專家給出了一些比較好的研究成果，例如文獻(xiàn)[3]主要通過(guò)可編程控制器和上位機(jī)遠(yuǎn)程交互實(shí)現(xiàn)電加熱控制；文獻(xiàn)[4]利用人機(jī)交互界面和PLC 替換原始的儀表控制系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品工藝參數(shù)展開靈活設(shè)定，同時(shí)控制系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)品的負(fù)載變換，引入模糊理論自動(dòng)修正PID 參數(shù)，完成溫度控制；文獻(xiàn)[5]利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)常規(guī)PID 展開優(yōu)化處理，引入雙動(dòng)量因子對(duì)主回路輸出的信息展開系統(tǒng)辨識(shí)，完成控制器自適應(yīng)整定，同時(shí)利用Kalman 濾波器對(duì)輸出噪聲濾波處理，最終實(shí)現(xiàn)控制。以上3 種方法均存在控制性能不佳等問(wèn)題，故本次研究結(jié)合上述幾種研究方法，提出一種鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法，并利用實(shí)驗(yàn)證明所提方法的應(yīng)用性能。希望通過(guò)本次研究，更好地實(shí)現(xiàn)鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制。

1 除雪設(shè)備電加熱控制方法設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)過(guò)濾處理

在鐵路道岔除雪設(shè)備中，雪深及軌溫是道岔除雪信息采集系統(tǒng)需要采集的重要參數(shù)。將雪深傳感器安裝在鐵路沿線的支柱上，對(duì)道岔周圍的預(yù)設(shè)測(cè)量點(diǎn)展開實(shí)時(shí)測(cè)量，詳細(xì)的測(cè)量原理如圖1 所示。

圖1 鐵路道岔雪深測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of snow depth measurement for railway turnout

如圖1 所示，μ 代表激光傳感器的安裝角度；l1代表傳感器與地面之間的距離；l2代表傳感器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離，通過(guò)三角關(guān)系可獲取激光傳感器和水平面的垂直距離l1：

在下雪時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元持續(xù)測(cè)量傳感器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離，然后依據(jù)式（1）不斷計(jì)算激光傳感器和水平面的垂直距離，利用兩者相減完成鐵路道岔實(shí)際雪深的測(cè)量，得到單一鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)，其可表示為

式中：l3代表道岔實(shí)際雪深；l1′代表下雪時(shí)測(cè)量的激光傳感器到水平面的垂直距離。

接下來(lái)，采集軌溫?cái)?shù)據(jù)T[6-7]，實(shí)時(shí)掌握不同道岔的加熱情況，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)上傳至電氣控制柜，以實(shí)現(xiàn)道岔電加熱的負(fù)反饋。如果軌溫超過(guò)最高溫度，則電氣控制柜會(huì)自動(dòng)停止加熱；當(dāng)軌溫低于設(shè)定的溫度值，電氣控制柜會(huì)重新運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱。

由于傳感器受到自身及外在環(huán)境等多方面因素影響，導(dǎo)致系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)無(wú)法精準(zhǔn)反映實(shí)際雪深和實(shí)際軌溫。為有效解決上述問(wèn)題，需要對(duì)采集到的雪深和軌溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理[8-9]，剔除異常數(shù)據(jù)，以提升數(shù)據(jù)的有效率，詳細(xì)操作步驟如下所示：

（1）對(duì)雪深、軌溫中異常數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾[10-11]的基本原則就是增加對(duì)兩種數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間，從每1 min收集的測(cè)量數(shù)據(jù)中篩選出滿足過(guò)濾條件的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先排查，然后在剩余的數(shù)據(jù)中選取與前1 min 有效測(cè)量值最為接近的值作為當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)的有效測(cè)量值。

設(shè)定g（x，a）為分辨矩陣上元素a 的取值，通過(guò)全局正則漸進(jìn)分集方法獲取數(shù)據(jù)過(guò)濾的核函數(shù)β。在設(shè)定的有界論域F 內(nèi)，得到不同數(shù)據(jù)的特征分布集da*（β），對(duì)應(yīng)的表達(dá)式如下所示：

式中：Q（β|F）為概率密度特征；I 為統(tǒng)計(jì)量；B 為分辨矩陣中的元素總數(shù)。

（2）結(jié)合不同類型數(shù)據(jù)特征的分布情況，引入模糊決策方法建立數(shù)據(jù)過(guò)濾表達(dá)式，如式（4）所示：

式中：f（x）為數(shù)據(jù)過(guò)濾；di為數(shù)據(jù)項(xiàng)的總數(shù)；xu代表雪深數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；yu代表軌溫?cái)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

（3）通過(guò)數(shù)據(jù)過(guò)濾模型對(duì)采集到的單一鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)l3和軌溫?cái)?shù)據(jù)T 展開預(yù)處理，設(shè)定其有效數(shù)據(jù)的記錄范圍分別為（0，H）和（Y，4）。當(dāng)l3＞H、l3＜0 時(shí)則判斷其雪深異常數(shù)據(jù)；當(dāng)T＞4、T＜Y 時(shí)，則判斷其為軌溫異常數(shù)據(jù)，以此來(lái)完成異常數(shù)據(jù)判斷，并對(duì)其進(jìn)行剔除。

（4）對(duì)于采集的全部數(shù)據(jù)在進(jìn)行濾波處理，完成異常數(shù)據(jù)剔除后，設(shè)定余下有效數(shù)據(jù)的集合為Sf（x），其可表示為

對(duì)有效數(shù)據(jù)集內(nèi)全部數(shù)據(jù)展開離散程度判斷，假設(shè)離散程度低于現(xiàn)階段分鐘的有效測(cè)量值則直接記錄；反之，則在下一分鐘重新進(jìn)行上述步驟操作，直至得到有效測(cè)量值。有效測(cè)量值的獲取可為后續(xù)初雪設(shè)備的電加熱控制提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免因采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確導(dǎo)致控制偏差的問(wèn)題。

1.2 鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制

在鐵路道岔除雪設(shè)備中，電加熱控制是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，它直接決定了最終的除雪效果，故在完成雪深數(shù)據(jù)及軌溫?cái)?shù)據(jù)采集后，開展鐵路道岔除雪設(shè)備展開電加熱控制[12-13]。

首先，需要確定輸入控制量Sf（x）對(duì)應(yīng)的模糊集合，如式（6）所示：

依據(jù)式（6），確認(rèn)輸入控制量對(duì)應(yīng)的基本論域和模糊論域，其模糊論域N 為｛-6，+6｝，其輸入基本論域R 為，rΔImax和為偏差最大值和偏差最大變化率。在確定論域的取值范圍后，獲取二維模糊控制器輸入，即計(jì)算鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱溫度的偏差?（e）以及偏差變化率?（u），其對(duì)應(yīng)的計(jì)算式如下所示：

式中：h（a）為量化檔數(shù)；zec代表論域的覆蓋程度；z（e）代表偏置項(xiàng)。

在確定鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱溫度的偏差以及偏差變化率后，還需要確定論域的覆蓋程度和靈敏度，隸屬函數(shù)使用三角形隸屬函數(shù)，其對(duì)應(yīng)的示意圖如圖2 所示。

通過(guò)三角形隸屬函數(shù)的引入，可以精準(zhǔn)確定模糊控制規(guī)則，在每條模糊控制規(guī)則中都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系，通過(guò)全部控制規(guī)則即可確定整個(gè)系統(tǒng)的模糊關(guān)系U，如式（9）所示：

通過(guò)模糊推理可獲取如式（10）所示的控制量集合GU：

結(jié)合上述分析，將模糊控制[14-15]和PID 控制相結(jié)合建立模糊PID 控制器，如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of fuzzy PID controller

依據(jù)上述模糊PID 控制器，不斷對(duì)比除雪設(shè)備溫度與設(shè)定溫度值，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備電加熱的實(shí)時(shí)控制。在模糊PID 控制下，除雪設(shè)備溫度與設(shè)定溫度值間的偏差計(jì)算式如式（11）所示：

式中：E（GU）為模糊PID 控制下除雪設(shè)備的溫度和溫度設(shè)定值兩者之間的偏差；Δe（0）為除雪設(shè)備的溫度；Δe（1）為設(shè)定的溫度值。通過(guò)式（11），可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前加熱溫度與設(shè)定溫度的判斷，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱設(shè)備控制的負(fù)反饋。當(dāng)E（GU）＞0 時(shí)，則需要設(shè)備停止加熱；當(dāng)E（GU）＜0 時(shí)，則需要進(jìn)行加熱，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)除雪設(shè)備的電加熱控制。

綜上，完成鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法的有效性，選取2022 年某高速鐵路ZY（J）7～ZY（J）17 道岔設(shè)備進(jìn)行研究。采集其雪深數(shù)據(jù)和軌溫?cái)?shù)據(jù)，并依據(jù)除雪設(shè)備對(duì)其進(jìn)行良好控制，以檢驗(yàn)其性能。獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 判斷該方法的實(shí)用性。本次研究的數(shù)據(jù)分析部分在一臺(tái)操作系統(tǒng)為Windows 10 的筆記本電腦中進(jìn)行，其具體配置如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置Tab.1 Data analysis of experimental environment configuration

以上述為基礎(chǔ)，對(duì)所提方法開展測(cè)試，以驗(yàn)證所提方法的綜合性能。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)先對(duì)所提方法的數(shù)據(jù)過(guò)濾性能展開測(cè)試，分析過(guò)濾前后雪深數(shù)據(jù)變化曲線和軌溫?cái)?shù)據(jù)變化曲線，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 所提方法的數(shù)據(jù)濾波性能測(cè)試分析Fig.4 Test and analysis of data filtering performance of proposed method

分析圖4 可知，在沒(méi)有對(duì)鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)和軌溫?cái)?shù)據(jù)濾波前，兩個(gè)數(shù)據(jù)曲線存在比較明顯的起伏變換，整體變化趨勢(shì)并不平穩(wěn)。經(jīng)過(guò)濾波處理后，鐵路道岔雪深數(shù)據(jù)和軌溫?cái)?shù)據(jù)變化曲線逐漸趨于平穩(wěn)，可有效保證鐵路道岔除雪設(shè)備安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

接下來(lái)，為驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性，在鐵路現(xiàn)場(chǎng)展開實(shí)驗(yàn)測(cè)試。隨機(jī)選定一段鐵路道岔，給出降雪后不同道岔區(qū)域需要加熱的溫度，理想溫度分布如圖5 所示。

圖5 鐵路道岔除雪溫度Fig.5 Temperature of snow removal for railway turnouts

利用所提方法對(duì)鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱展開控制，獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制效果Fig.6 Electric heating control effect of railway turnout snow removal equipment

通過(guò)圖6 可知，采用所提方法對(duì)除雪設(shè)備展開電加熱控制處理后，除雪設(shè)備的溫度和理想溫度圖基本吻合，可有效清除鐵路道岔上的積雪，更好地實(shí)現(xiàn)鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制，獲取滿意的控制效果。

進(jìn)一步分析所提方法在鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間，如表2 所示。

表2 除雪設(shè)備電加熱控制耗時(shí)結(jié)果Tab.2 Time consumption results of electric heating control for snow removal equipment

分析表2 可知，采用所提方法可快速完成鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制，由此可證明所提方法具有較快地運(yùn)行效率。

最后，檢測(cè)所提方法控制規(guī)程中的能耗，得到結(jié)果如圖7 所示。

圖7 鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制能耗結(jié)果Fig.7 Energy consumption results of electric heating control for railway turnout snow removal equipment

通過(guò)圖7 可知，所提方法對(duì)應(yīng)的鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制能耗會(huì)隨著測(cè)試樣本數(shù)量的增加而增加，但是所提方法在鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制過(guò)程中能耗較低，其主要是因?yàn)樗岱椒ㄔ阼F路道岔除雪設(shè)備電加熱控制前期對(duì)采集到的雪深數(shù)據(jù)和軌溫?cái)?shù)據(jù)展開了過(guò)濾處理，這樣可有效減少所提方法在鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制中的能耗，全面驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的不足，提出一種鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制方法。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，采用所提方法可濾除雪深和軌溫?cái)?shù)據(jù)中的異常值，同時(shí)還可有效減少鐵路道岔除雪設(shè)備電加熱控制能耗及耗時(shí)，獲取更加滿意的控制結(jié)果。在后續(xù)階段，將進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍，確保所提方法可得到更加廣泛地應(yīng)用。