CN104634493A - 一种电气化铁路弓网接触压力不平顺诊断和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路弓网接触压力不平顺诊断和定位方法，通过采集电气化铁路受电弓和接触网之间的接触压力，使用Zhao-Atlas-Mark Distribution时频分析ZAMD结果对弓网接触压力中存在的不平顺波长进行诊断和定位，经A.弓网接触压力数据预处理、B.弓网接触压力ZAMD分析和C.诊断并定位不平顺波长等步骤确定接触压力中的不平顺波长数值及其持续里程范围。本发明克服了现有技术仅能定性评价弓网受流质量的好坏和判断接触网是否存在硬点的不足，可提取出接触压力中所包含的所有波长成分及其分布在铁路线中的位置；结合正常状态下分析结果进行对比，可以判断弓网接触压力中是否存在不平顺波长成分；并可以确定接触压力中的不平顺波长数值及其持续里程范围，定位其在铁路线中的具体位置，为弓网养护工作提供一定便利。

Description

一种电气化铁路弓网接触压力不平顺诊断和定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种电气化铁路弓网接触压力中不平顺波长的诊断和定位方法。具体说就是一种以弓网接触压力的ZAMD(Zhao-Atlas-Mark Distribution)时频分析结果为基础的不平顺波长诊断和定位方法。

背景技术

电气化铁路中，电力机车运行时顶部受电弓与接触网之间的接触压力是表征其受流质量的重要指标。接触压力反应了受电弓和接触线之间的接触质量，接触压力过小会使弓网间产生电弧或电火花，甚至导致弓网离线；接触压力过大则会加剧受电弓弓头和接触线的磨损，表明接触网中存在硬点，可能导致刮弓事故的发生。不良的接触压力不仅会影响电力机车的受流质量，同时也会加剧弓网系统机械性能的损耗从而降低其使用寿命，严重时会造成弓网系统的损坏致机车停止运行。现行弓网接触压力评价指标主要应用于对弓网动态相互作用性能的评价，包括接触压力均值、标准差、最大值、最小值和离线率等，这些指标反映了接触压力在时域内的整体趋势和波动，但是无法反应其频域特性。

目前，国内外对于弓网间接触压力数据的频域分析多采用功率谱分析的手段。藤井保和等使用功率谱分析了日本新干线接触线的波状磨耗及其与弓网离线的关系0。MitsuoAboshi等建立了日本新干线接触线不平顺功率谱，分析了接触线不平顺对接触压力的影响[Aboshi M.Precise measurement and estimation method for overhead contact line unevenness[J].IEEJ Transactions on Industry Applications,2004,124:871-877.]。Shunichi Kusumi等分析了接触压力信号功率谱的波形特征，提出根据接触压力功率谱的特征变化来诊断接触线状态。张卫华等在国内首先提出了接触线不平顺的概念。韩柱先等利用功率谱对刚性接触网的不平顺进行了数值模拟0。宦荣华等讨论了实测高速铁路接触线垂向不平顺谱对接触压力的影响0。刘志刚等提出了基于AR(Autoregressive)模型的接触网线谱，将接触压力功率谱用于弓网动态性能的评估[刘志刚,韩志伟.基于AR模型的电气化铁路接触网线谱研究[J].铁道学报,2013,35(12):24-29.0。以上功率谱分析都基于被分析数据为平稳随机过程的假设，而表征弓网动态特性的接触压力数据波动成因复杂，接触压力并非严格各态历经，张晓晓使用多种平稳性检验方法对接触压力数据平稳性进行了分析，认为采样里程在500m以下的接触压力数据呈现出非平稳性0，尤其是在实际线路结构中定位器、锚段 关节和线岔以及可能存在的接触线硬点以不均匀的间距出现，对应的接触压力数据呈现明显的非平稳性。因此，使用非平稳信号处理的方法对接触压力进行分析，不仅更符合接触压力数据本身的非平稳性，还能从时间-频率(里程-空间频率)二维角度得到更精确的信号特征描述，从而有利于接触压力时频域特征的提取和不良波长成分的诊断。同时，接触线表面磨耗导致不平顺的检测技术要求测量精度很高，导致测量难度大且成本高，而接触压力可间接反应这种不平顺的存在。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电气化铁路弓网接触压力中不平顺波长的诊断和定位方法。该方法通过弓网接触压力的ZAMD时频分析，诊断并定位其中可能存在的不平顺波长成分。该方法能较准确提取弓网接触压力信号中的时频域信息，在分析其波长成分的同时能定位波长持续的里程范围，为弓网养护工作提供一定参考。

本发明采用的手段是：

基于ZAMD的电气化铁路弓网接触压力不平顺波长诊断和定位方法，通过采集电气化铁路受电弓和接触网之间的接触压力，在电气化铁路的检修和维护工作中诊断并定位弓网接触压力中的不平顺波长，通过弓网接触压力的ZAMD时频分析，判断其中是否存在不平顺波长成分并定位其存在位置，其具体工作步骤包含：

A.弓网接触压力数据预处理

a.检验原始接触压力数据是否符合本方法要求。应用于本方法的实测或仿真弓网接触压力数据，其实测或仿真时受电弓运行的距离应不小于所选铁道线路一个跨距的距离，不超过一个锚段的距离，数据采样间隔不大于0.5米；

b.剔除接触压力中残差超过标准差3倍的数据，使用接触压力均值替换。

c.通过Hilbert变换将实数的弓网接触压力信号转换为解析信号：

z(t)＝s(t)+j·H[s(t)]   (1) 

其中s(t)表示弓网接触压力实数信号，H[·]表示Hilbert变换，z(t)即为得到的解析信号，j为虚数单位。

B.弓网接触压力ZAMD分析

使用Cohen类分布中的ZAMD对步骤A中获得的弓网接触压力进行时频分析，即以ZAMD的核函数为基础进行数据的非线性变换，获得接触压力的时频分析结果。弓网接触压力解析信号z(t)的ZAMD时频分析定义为：

$C_z(t,\mathrm{\ω})={\∫}_{-\∞}^{\∞}{R}_z(t,\mathrm{\τ})e^{-\mathrm{j\ω\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

式中t和ω分别为时间和频率，信号的时变自相关函数R_z(t,τ)为：

其中ψ(t,τ)为ZAMD的核函数，τ和v分别为时移和频移参数，g(τ)为窗函数，“*”表示取复共轭。

C.诊断并定位不平顺波长

a.将接触压力数据的ZAMD时频分析结果与正常状态下的结果进行对比，判断其中是否存在不平顺波长；

b.若接触压力中存在不平顺波长，根据所采用时频分析的时频分辨率，确定接触压力中的不平顺波长数值及其持续里程范围；

c.输出诊断和定位结果至后续处理或标注设备入口，输出内容包括弓网接触压力中有无不平顺波长、不平顺波长的数值及其存在的空间位置。

本方法的提出是鉴于对以下的理论研究的分析提出的：

非平稳信号的时频分析分为线性变换和非线性变换两大类。线性变换主要包括短时Fourier变换、Gabor变换和小波变换等，其中短时Fourier变换和Gabor变换的时频分辨率较差，小波变换不适用于包含多种相近频率成分信号的分解且对小波基的选取要求很高。非线性变换使用时间和频率的联合函数描述信号的能量密度随时间(里程)的变化，主要指的是Cohen类时频分布。

当Cohen类时频分布的核函数ψ(t,τ)为冲激函数δ(t)时，Cohen类时频分布就是Wigner-Ville分布(WVD)，WVD具有最好的时频聚集性，但其存在严重的交叉项现象和无物理意义的负频率，在应用中需要对其进行改进，即在不影响其时频聚集性情况下最大限度的抑制交叉项。围绕交叉项的抑制和WVD的改进，已提出伪Wigner分布(PWD)、平滑伪Wigner分布(SPWD)、Butterworth分布(BUD)、Choi-Williams分布(CWD)、Born-Jordan分布(BJD)和Zhao-Atlas-Mark分布(ZAMD)等Cohen类分布。

不同Cohen类分布适用于分析具有一定时频特性的信号，目前还没有一种分布能对所有信号取得较好的时频分析效果。电气化铁路弓网接触压力信号中包含复杂的频率成分，具有频率成分数量多且低频部分能量集中的特点，需要选取适当的时频分析方法对其进行分析。在使用Cohen类时频分布时，将实数信号转换为解析信号，能直接消除结果中的负频率成分和正负频率之间的交叉项，通过式(1)的Hilbert变换即可实现解析信号的转换。 得到弓网接触压力的解析信号后，即可进行ZAMD时频分析。

以下分析所使用的所有原始数据均来源于弓网仿真模型和实际测试数据，弓网仿真模型根据欧标EN50318《受电弓与架空接触网动态相互作用的仿真确认》标准建立，仿真结果符合标准范围，模型可信。取长度为384m(跨距为48m)的弓网接触压力数据，空间采样频率为0.5m，符合数据总长度小于500m的非平稳性分析要求。使用几种典型Cohen类分布对300km/h时速和DSA380受电弓下接触压力的时频分析结果如图1所示，6幅图均为等高线图，图中横坐标表示里程，纵坐标表示空间频率，黑色部分表示该处存在能量，白色表示该处无能量。

由图1可观察到WVD、CWD、BJD和BUD对接触压力的时频分析效果很差，存在交叉项的情况十分严重，而从SPWD和ZAMD的结果中可以较清晰观察到数条完整的水平线，表示在被分析数据段内存在该空间频率成分。其中，接触压力在空间频率0.021m-1处能量密度最大，该处正好表征了以接触网跨距为周期的波长成分47.6m，与模型跨距48m相符，是正常接触压力中能量最集中的波长成分。考虑到使用SPWD时需要设定时域和频域平滑窗口的宽度，且图1(b)中低频部分交叉项情况严重，无法精确分辨水平线对应的空间频率，故选择使用ZAMD进行弓网接触压力的时频分析最为合适。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

传统方法使用弓网接触压力的时域统计量和局部异常值来判断弓网相互作用状态并指导弓网养护工作，仅能定性评价弓网受流质量的好坏和判断接触网是否存在硬点，与传统方法相比本发明的有益效果包括：

1、本发明方法是基于时频分析理论的，传统的弓网接触压力时域统计量和局部异常值无法提取接触压力的频域信息，而本发明可提取出接触压力中所包含的所有波长成分及其分布在铁路线中的位置；

2、使用本发明方法分析弓网接触压力数据并与正常状态下分析结果进行对比，可以判断弓网接触压力中是否存在不平顺波长成分；

3、在确定接触处压力中存在不平顺波长成分后，根据所采用时频分析的时频分辨率，可以确定接触压力中的不平顺波长数值及其持续里程范围，定位其在铁路线中的具体位置，为弓网养护工作提供一定便利。

附图说明

图1为典型Cohen类分布的接触压力时频分析(图1(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别为WVD、SPWD、CWD、BJD、BUD和ZAMD的分析结果)。

图2为正常状态下弓网接触压力ZAMD时频分析。

图3为接触线存在全局不平顺时的弓网接触压力ZAMD时频分析(图3(a)、(b)、(c)和(d)分别为全局不平顺波长为0.5m、1m、2m和3m时的分析结果)。

图4为接触线存在局部不平顺时的接触压力时频分析(图4(a)和(b)分别为第四跨中存在波长2m不平顺和第六跨中存在波长2.5m不平顺的分析结果)。

图5为接触线存在复合不平顺时的接触压力ZAMD时频分析。

图6接触线不平顺类型示意图。

图7为8组弓网接触压力数据ZAMD分析输出结果图表。

具体实施方式：

以下分析所使用的所有原始数据均来源于弓网仿真模型和实际测试数据，弓网仿真模型根据欧标EN50318《受电弓与架空接触网动态相互作用的仿真确认》标准建立，仿真结果符合标准范围，模型可信。通过模型仿真可获得型号为DSA380的受电弓在某固定参数接触网中运行的弓网接触压力数据，同时使用接触线不平顺余弦波形公式：

$y\left(x\right)=\frac{1}{2}A[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(1\right)$

式中A表示不平顺幅值取1mm，λ表示不平顺波长，x表示沿接触线方向坐标，该余弦波形能有效模拟接触线波状不平顺。模拟接触线不平顺即是在接触线正常导高的基础上，加入上式计算值。改变并组合上式中不平顺幅值和波长，即可模拟接触线局部不平顺、局部不平顺和复合不平顺状态，各种不平顺示意图见图6。

仿真得到了300km/h车速下无接触线不平顺的正常状态下弓网接触压力，分别模拟了相同车速下接触线存在0.5m、1m、2m和3m全局不平顺下的弓网接触压力，接触线在第四跨中存在波长2m局部不平顺和第六跨中存在波长2.5m局部不平顺下的弓网接触压力，以及接触线存在波长为3m的全局不平顺并且在第四跨的第1、2吊弦间位置和接触线第七跨位置分别存在波长为1m、2m不平顺的复合不平顺下的弓网接触压力，共获得8组数据，

本发明方法的具体实施过程如下：

A.弓网接触压力数据预处理

a.待分析接触压力来源于仿真模型中的八跨接触压力数据，数据里程为384米，采样间隔为0.5米，原始数据符合采用本发明方法的要求；

b.剔除并使用均值替换了接触压力中残差超过标准差3倍的数据；

c.通过Hilbert变换将8组实数的弓网接触压力信号s(t)转换为了解析信号：

z(t)＝s(t)+j·H[s(t)](2)

z(t)即为接触压力解析信号。

B.弓网接触压力ZAMD分析

使用Cohen类分布中的ZAMD对步骤A中获得的8组弓网接触压力进行时频分析，即以ZAMD的核函数为基础进行数据的非线性变换，获得接触压力的时频分析结果。弓网接触压力解析信号z(t)的ZAMD时频分析定义为：

$C_z(t,\mathrm{\ω})={\∫}_{-\∞}^{\∞}{R}_z(t,\mathrm{\τ})e^{-\mathrm{j\ω\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(3\right)$

式中t和ω分别为时间和频率，信号的时变自相关函数R_z(t,τ)为：

其中ψ(t,τ)为ZAMD的核函数，τ和v分别为时移和频移参数，g(τ)为窗函数，“*”表示取复共轭。计算得到8组数据的ZAMD时频分析结果见图2到图5所示。

C.诊断并定位不平顺波长

a.由图2可观察到正常状态下弓网接触压力的波长成分，其中高频部分两条水平线对应空间频率为0.760m-1和0.737m-1，即波长1.32m和1.36m处为弓网高频振动波长；低频部分7处空间频率对应波长为3.21m、4.85m、8.01m、9.51m、11.9m、23.8m和47.6m，其中47.6m、23.1m、9.51m和4.85m分别表征了跨距、半跨距、9.5m吊弦间距和双倍5m吊弦间距以及单倍5m吊弦间距(波长位置见图2中箭头说明)。

将图3中接触线存在全局不平顺情况下的接触压力ZAMD时频分析与图2正常状态下的结果进行对比，可以观察到除包含了图2中的所有正常波长成分以外，图3(a)、(b)、(c)和(d)分别在波长0.5m、1m、2m和3m的位置附近出现了表征不平顺波长的水平线，这表明使用ZAMD能有效分析并观察到接触压力中存在的不平顺波长成分；

同理，将图4中接触线存在局部不平顺情况下的接触压力ZAMD时频分析与图2正常状态下的结果进行对比，可在图4(a)和(b)中分别观察到波长分别为2m和2.5m的不平顺成分；将图5中接触线存在局部不平顺情况下分析结果与图2正常状态下的结果进行对比，可观察到除图2中的所有正常波长成分的三处不平顺波长存在。

因此，图3、4和5的弓网接触压力都存在不平顺波长，则进行下一步分析。

b.对存在不平顺波长的图3、4和5所示分析结果，根据所采用时频分析的分辨率，确定图3(a)、(b)、(c)和(d)中接触压力中的不平顺波长为分别为0.5±0.02m、1±0.02m、2±0.02m 和3±0.02m，其持续里程区间分别为[2±5m,380±5m]，[24±5m,371±5m]，[88±5m,291±5m]和[102±5m,259±5m]。由于接触压力低频部分能量大，越靠近低频部分的不平顺能量越容易被覆盖，导致表征不平顺波长的波形旁瓣被淹没，造成水平线两端的缩短，因此实际里程相较于理论上区间[0m,384m]缩短。总体来说，使用ZAMD能较有效的观测到弓网接触压力中的全局不平顺波长成分，且不平顺波长越短效果越佳。

图4(a)可在里程区间[107±5m,139±5m]内观测到2±0.02m的波长成分，理想情况下该成分在图中应出现的里程区间为[96m,144m]，持续里程的两端变短同样是由于波形旁瓣被淹没造成的；同理在图4(b)中，观察到存在2.5±0.02m不平顺波长成分的里程区间为[205±5m,235±5m]，理论上区间为[192m,240m]。

同样地，对比图5与图2可见接触线的局部和全局不平顺能同时通过接触压力的ZAMD分析得到，其中2±0.02m和3±0.02m处的不平顺与上述分析结果一致；而理论上持续里程[101m,110.5m]的1m±0.02m波长不平顺在里程[104±5m,104±5m]处出现了波形。

c.输出诊断和定位结果至后续处理或标注设备入口，输出内容包括弓网接触压力中有无不平顺波长、不平顺波长的数值及其存在的里程区间，见图7。

本发明公开了一种基于ZAMD的电气化铁路受电弓-接触网间接触压力不平顺波长诊断和定位方法。针对现行弓网接触压力评价指标无法体现其频域特性的不足，提出以ZAMD时频分析为基础的弓网接触压力不平顺波长成分诊断和定位方法。对弓网运行时的一定里程接触压力数据进行预处理，剔除异常数据，保证数据有效性；对接触压力实数数据进行Hilbert变换，得到利于ZAMD分析的解析信号；使用ZAMD对弓网接触压力解析信号进行时频分析，将其结果与正常状态下接触压力分析结果对比，判断其中是否存在不平顺波长；若该弓网接触压力中存在不平顺波长，则确定其不平顺波长数值及其对应存在的里程区间，输出诊断和定位结果。使用本方法可直观的诊断弓网接触压力中可能存在的不平顺波长，明确不平顺波长成分及其对应的空间位置，为弓网的养护工作提供一定参考。

Claims (1)

1.一种电气化铁路弓网接触压力不平顺诊断和定位方法，通过采集电气化铁路受电弓和接触网之间的接触压力，使用Zhao-Atlas-Mark Distribution时频分析ZAMD结果对弓网接触压力中存在的不平顺波长进行诊断和定位，主要包含以下步骤：

A.弓网接触压力数据预处理

a.检验原始接触压力数据是否符合本方法要求，输入实测或仿真弓网接触压力数据，其实测或仿真时受电弓运行的距离应不小于所选铁道线路一个跨距的距离，不超过一个锚段的距离，数据采样间隔不大于0.5米；

b.剔除接触压力中残差超过标准差3倍的数据，使用接触压力均值替换；

c.通过Hilbert变换将实数的弓网接触压力信号转换为解析信号：

z(t)＝s(t)+j·H[s(t)]    (1)

其中s(t)表示弓网接触压力实数信号，H[·]表示Hilbert变换，z(t)即为得到的解析信号,j为虚数单位；

B.弓网接触压力ZAMD分析

使用Cohen类分布中的ZAMD对步骤A中获得的弓网接触压力进行时频分析，即以ZAMD的核函数为基础进行数据的非线性变换，获得接触压力的时频分析结果；弓网接触压力解析信号z(t)的ZAMD时频分析定义为：

$C_z(t,\mathrm{\ω})={\∫}_{-\∞}^{\∞}{R}_z(t,\mathrm{\τ})e^{-\mathrm{j\ω\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(2\right)$

式中t和ω分别为时间和频率，信号的时变自相关函数R_z(t,τ)为：

其中ψ(t,τ)为ZAMD的核函数，τ和v分别为时移和频移参数，g(τ)为窗函数，“*”表示取复共轭；

C.诊断并定位不平顺波长

a.将接触压力数据的ZAMD时频分析结果与正常状态下的结果进行对比，判断其中是否存在不平顺波长；

b.若接触压力中存在不平顺波长，根据所采用时频分析的时频分辨率，确定接触压力中的不平顺波长数值及其持续里程范围；

c.输出诊断和定位结果至后续处理或标注设备入口，输出内容包括弓网接触压力中有无不平顺波长、不平顺波长的数值及其存在的空间位置。