JP2017035973A - Overhead power line state diagnostic device - Google Patents

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Yoshitaka Yamashita
義隆 山下
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隆之 臼田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an overhead power line state diagnostic device capable of detecting an abnormal state of an overhead power line, by using a self-organization map, by utilizing data collected by an electric-track inspection-measurement vehicle.SOLUTION: An overhead power line state diagnostic device comprises an overhead power line state classification map formation device for generating an overhead power line state classification map of partitioning an area collected with every overhead power line state, by forming a self-organization map by adjusting a weight vector of the other node, by successively projecting a map forming input vector on the self-organization map, by generating a multidimensional map forming input vector by determining a value with every vector element on this vibration data, by collecting the map forming vibration data on an overhead power line of a normal state and an abnormal state, and also comprises a diagnostic device for diagnosing the overhead power line state based on a belonging area of a winner node of the overhead power line state classification map, by generating a multidimensional diagnostic input vector on this vibration data, by collecting the diagnostic vibration data in an overhead power line section of a diagnostic object.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電気鉄道の架線に発生する異常の有無と内容を診断する架線状態診断装置に関する。 The present invention relates to an overhead line state diagnosis apparatus for diagnosing the presence / absence and contents of an abnormality occurring in an overhead line of an electric railway.

電気鉄道の架線は、異常が発生する頻度は高くはないものの、2重系化されていない設備であるため、一度異常が発生するとその影響は甚大なものとなる。したがって、鉄道の安全運行のために、架線に対する高頻度の検査は極めて重要な作業の1つとなっている。架線に対する予防保全として、徒歩巡回や車両巡回による目視検査、電気・軌道検測車で収集するデータに基づく検査、などが挙げられる。
一方、労働人口は近年経常的に減少しており、メンテナンス品質の維持が課題となっている。そこで、走行する車両で測定されたデータを基に架線の状態を診断する手法の精度向上や簡便化が、労働人口の減少に伴うメンテナンス品質の劣化を防止する方策として注目されている。
Although the frequency of occurrence of abnormalities in electric railways is not high, it is a facility that is not duplicated. Therefore, once an abnormality occurs, the effect is enormous. Therefore, high-frequency inspections for overhead lines are one of the most important tasks for the safe operation of railways. Examples of preventive maintenance for overhead lines include visual inspections by walking and vehicle patrols, and inspections based on data collected by electric / track inspection vehicles.
On the other hand, the working population has been decreasing regularly in recent years, and maintenance of maintenance quality has become an issue. Therefore, the improvement and simplification of the method of diagnosing the state of the overhead line based on the data measured by the traveling vehicle is attracting attention as a measure for preventing the deterioration of the maintenance quality accompanying the decrease in the working population.

架線の異常には、吊架線からトロリー線を支持するハンガーが外れたハンガー抜け、直線区間においてトロリー線をパンタグラフから外れない位置に保つために使う振止金具や曲線部で使われる曲線引金具の回転軸不良で起きる振止金具固渋や曲引き固渋、振止金具や曲線引金具が外れたときの振り止め金具抜けや曲引き抜け、などがある。また、異常ではないが常態と異なるものとして、径間長の変化などがある。
これらの異常などは、パンタグラフの摺動にともなって発生するトロリー線の振動に影響を与えるので、架線・パンタグラフ間の接触力変化やパンタグラフ部材の加速度などを観察することにより察知できる可能性がある。
There are two types of overhead wire abnormalities: hanging hanger supporting the trolley wire from the suspended overhead wire, hanger coming off from the pantograph in the straight section There are brace brackets and bent braces that occur due to defective rotating shafts, and brace brackets and bent pullouts when brace brackets and curved brackets are removed. Moreover, there is a change in the span length, etc., which is not abnormal but is different from the normal state.
These abnormalities affect the vibration of the trolley wire that occurs as the pantograph slides, so it may be detected by observing changes in contact force between the overhead wire and the pantograph, acceleration of the pantograph member, etc. .

しかし、従来提案された、架線やパンタグラフの振動データなどを用いた架線の状態診断法には、パンタグラフに設置した加速度センサにより衝撃を検知して架線の異常を推定する方法や、架線金具等が破断して垂下している状況で架線金具等にパンタグラフが衝突する際の加速度により障害物を検知する方法などがあるが、いずれも把握できる状態は非常に限られたものであった。 However, conventionally proposed methods for diagnosing overhead lines using vibration data such as overhead lines and pantographs include methods for detecting shocks with acceleration sensors installed on pantographs and estimating overhead line abnormalities, overhead wire fittings, etc. Although there is a method of detecting an obstacle by acceleration when a pantograph collides with an overhead wire fitting or the like in a situation where it breaks and hangs down, the state that can be grasped is very limited.

自己組織化マップ(SOM) は、コホネン(Teuvo Cohonen)により開発された、神経回路を模倣した数理モデルである人工ニューラルネットワークの一種であるが、多次元データのパターン認識や、抽出したパターンを基にしたデータ分類などを行うことができ、多変量解析手法の一つともみなせる。SOMは、データ圧縮の手段として優れた性質を持ち、多次元データの位相関係を保持しつつ、低次元面上に表示できる。
このように、SOMは高次元データの可視化に有効なツールで有り、SOMへの高次元の入力データの類似度を2次元あるいは3次元のマップに描画する。具体的には、類似度の高い入力データ同士が近傍に配置され、結果的にデータがクラスタ化される。
工業分野においても解析や測定手法などにSOMを利用する事例が多く見られる。
A self-organizing map (SOM) is a type of artificial neural network developed by Teuvo Cohonen, a mathematical model that mimics a neural circuit. It is based on pattern recognition of multidimensional data and extracted patterns. Can be considered as one of the multivariate analysis methods. SOM has excellent properties as a data compression means, and can be displayed on a low-dimensional surface while maintaining the phase relationship of multidimensional data.
As described above, the SOM is an effective tool for visualizing high-dimensional data, and the similarity of high-dimensional input data to the SOM is drawn on a two-dimensional or three-dimensional map. Specifically, input data with high similarity are arranged in the vicinity, and as a result, the data is clustered.
In the industrial field, there are many cases where SOM is used for analysis and measurement techniques.

特許文献1には、自己組織化マップを用いてモータの異常診断を行う装置が開示されている。モータの老朽化は軸や軸受けに現れる。特に軸受けはボールベアリングを使用しており、軸受けに傷やさびが生じると振動音に特徴が現れる。そこで、現場で用いられている聴診棒を参考に製作した振動音センサを用いて採取したモータの振動データを用いて、モータの異常を検出する。特許文献1に開示された発明は、モータに接触して振動を音に変換する振動音センサの出力をウェーブレット変換により第2の音の波形に変換する。このようにして得た大量の第2の音の波形から抽出した入力データに対して自己組織化アルゴリズムを適用して、正常状態領域と異常状態領域を区画した自己組織化マップを作成する。モータ診断は、同じ方法で取得した第2の音の波形から抽出した入力データが配置される自己組織化マップ上の位置に基づいて、振動体の異常と正常を判定するというものである。 Patent Document 1 discloses an apparatus for diagnosing motor abnormality using a self-organizing map. Motor aging appears in shafts and bearings. In particular, the bearings use ball bearings, and if the bearings are scratched or rusted, a characteristic appears in vibration noise. Therefore, the motor abnormality is detected using the vibration data of the motor collected using the vibration sound sensor manufactured with reference to the auscultation stick used in the field. The invention disclosed in Patent Document 1 converts the output of a vibration sound sensor that contacts a motor and converts vibration into sound into a second sound waveform by wavelet transform. A self-organizing algorithm is applied to the input data extracted from the large amount of second sound waveforms obtained in this way to create a self-organizing map that divides the normal state region and the abnormal state region. The motor diagnosis is to determine whether the vibrating body is abnormal or normal based on the position on the self-organizing map where the input data extracted from the waveform of the second sound acquired by the same method is arranged.

これまで、電気・軌道検測車での検査により、架線やパンタグラフの振動データなどを大量に蓄積してきた。また、数値シミュレーションも精度が向上して、架線の異常に伴う諸現象を正確に再現できるようになっている。架線の異常診断において、電気・軌道検測車で走行する間に収集したデータに基づきSOMを利用することにより、簡易に架線の異常診断を行うことができれば、労働人口の減少に伴うメンテナンス品質の劣化を防止することができる。 Until now, a lot of vibration data of overhead lines and pantographs have been accumulated by inspections with electric and track inspection vehicles. In addition, the numerical simulation is improved in accuracy so that various phenomena associated with the overhead wire abnormality can be accurately reproduced. In the diagnosis of overhead lines, if SOM can be easily diagnosed by using SOM based on the data collected while traveling with electric and track inspection vehicles, the maintenance quality associated with the decrease in the working population will be improved. Deterioration can be prevented.

しかし、具体的な対象について、SOMを有効に利用するためには、事例に則したデータ構造を適切に形成する必要がある。電気鉄道の架線異常を検出する道具として使えるようにするためには、異常現象と密接に関連する変数を選択し、SOMを適用するのに適した処理をして、実際に異常検出を可能とする手法を開発することが求められる。 However, in order to effectively use SOM for a specific target, it is necessary to appropriately form a data structure according to the case. In order to be able to be used as a tool to detect electrical railway overhead line abnormalities, it is possible to select variables that are closely related to abnormal phenomena, perform processing suitable for applying SOM, and actually detect abnormalities. It is required to develop a technique to do this.

特開2011−107093号公報JP 2011-107093 A

そこで、本願発明は、電気・軌道検測車で収集するデータを活用し、自己組織化マップ(SOM)を利用して、架線の異常状態を検出することを可能とする架線状態診断装置を提供するものである。 Therefore, the present invention provides an overhead line state diagnosis device that can detect an abnormal state of an overhead line by utilizing data collected by an electric / track inspection vehicle and using a self-organizing map (SOM). To do.

本発明の架線状態診断装置は、正常状態と異常状態の架線について、架線下をパンタグラフを摺動させながら走行する間の架線のマップ形成用振動データを収集して格納するマップ形成用データ収集装置と、格納されたマップ形成用振動データについて、径間毎に区分しベクトル要素毎の値を求めて多次元ベクトル化してマップ形成用入力ベクトルを生成し格納するマップ形成用入力ベクトル生成装置と、径間毎のマップ形成用入力ベクトルを順次自己組織化マップの勝者ノードに投影して、他のノードの重みベクトルとの間の距離を縮めるように重みベクトルを調整する学習を繰り返して自己組織化マップを形成する自己組織化マップ形成装置と、架線状態毎に集合した領域を区画して診断用の架線状態分類マップを生成して格納する架線状態分類マップ形成装置とを備えることを特徴とする。 The overhead line state diagnosis apparatus of the present invention collects and stores vibration data for forming a map of an overhead line while traveling while sliding the pantograph under the overhead line for a normal state and an abnormal state of the overhead line data collecting apparatus. A map-forming input vector generation device that generates and stores a map-forming input vector by obtaining a value for each vector element by dividing the stored map-forming vibration data into a multi-dimensional vector, Self-organization by repeating the learning to adjust the weight vector so as to reduce the distance from the weight vector of other nodes by sequentially projecting the input vector for map formation for each span onto the winner node of the self-organization map Self-organizing map forming device that forms a map, and an overhead line that divides an area gathered for each overhead line state and generates and stores a diagnostic overhead line state classification map Characterized in that it comprises a status classification map forming apparatus.

また、本発明の架線状態診断装置の別の態様は、診断対象の架線区間において、架線下をパンタグラフを摺動させながら走行する間の架線の診断用振動データを収集して格納する診断用データ収集装置と、格納された診断用振動データについて、径間毎に仕分けしベクトル要素毎の値を求めて多次元ベクトル化して診断用入力ベクトルを生成し格納する診断用入力ベクトル生成装置と、径間毎の診断用入力ベクトルを架線状態毎に集合した領域が区画された架線状態分類マップの勝者ノードに投影して、勝者ノードの属する領域に基づいて架線の状態を診断する診断装置とを備えることを特徴とする。 Another aspect of the overhead line condition diagnosis apparatus of the present invention is diagnostic data for collecting and storing diagnostic vibration data for overhead lines while traveling while sliding a pantograph under the overhead line in the overhead line section to be diagnosed. A collection device, a diagnostic input vector generation device for generating and storing a diagnostic input vector by classifying the stored diagnostic vibration data for each span, obtaining a value for each vector element, generating a multidimensional vector, and a diameter; A diagnostic apparatus for projecting diagnostic input vectors for each interval onto a winner node of an overhead line state classification map in which a region in which the overhead line state is gathered is divided, and diagnosing the state of the overhead wire based on the region to which the winner node belongs It is characterized by that.

本発明の架線状態診断装置は、多量に蓄積された架線やパンタグラフの振動データに自己組織化アルゴリズムを適用することにより、架線の状態分類マップを作成しておいて、対象箇所で取得した架線やパンタグラフの振動データに対して自己組織化アルゴリズムを適用して架線状態分類マップに投影し、その投影位置から当該データを取得した対象箇所における架線状態を診断することを特徴とする。
振動データとして、パンタグラフに設置したセンサで収集する走行中の架線・パンタグラフ間の接触力やパンタグラフ部材の加速度などのパンタグラフ側で測定されたデータを用いることができる。これらの振動データには、ハンガー抜け、振止金具や曲引き金具の固渋や、振止め金具や曲引き金具の抜けなどの架線の異常と、径間長の変化が反映されている。
The overhead line state diagnosis apparatus of the present invention creates a state classification map of overhead lines by applying a self-organization algorithm to vibration data of a large amount of overhead lines and pantographs, A self-organization algorithm is applied to the vibration data of the pantograph and projected onto the overhead line state classification map, and the overhead line state at the target location where the data is obtained from the projected position is diagnosed.
As vibration data, data measured on the pantograph side such as the contact force between the running overhead line and the pantograph collected by a sensor installed on the pantograph and the acceleration of the pantograph member can be used. These vibration data reflect changes in span length and changes in span length, such as hanger disconnection, firmness of brace brackets and bent metal fittings, and disconnection of brace brackets and bent metal fittings.

本発明の架線状態診断装置により、電気・軌道検測車が走行中に収集したデータに基づいて、ほぼ自動的に架線異常の種類と位置を推定することができるので、巡回して検査する頻度を減少することができ、労働人口の減少を補ってメンテナンス品質の劣化を防止することができる。 The overhead line condition diagnosis apparatus of the present invention can almost automatically estimate the type and position of overhead line abnormality based on data collected by the electric / track inspection vehicle while traveling. It is possible to reduce the maintenance quality by compensating for the decrease in the working population.

本発明の1実施態様に係る架線状態診断装置において実行される工程を表すフローチャートである。図1(a)は自己組織化マップの作成工程、図1(b)は架線異常の診断工程を示す。It is a flowchart showing the process performed in the overhead wire state diagnostic apparatus which concerns on one embodiment of this invention. FIG. 1A shows a process for creating a self-organizing map, and FIG. 1B shows a process for diagnosing an overhead wire abnormality. 本実施態様に係る架線状態診断装置における自己組織化マップの作成工程をより詳細に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the creation process of the self-organization map in the overhead wire state diagnostic apparatus based on this embodiment in detail. 本実施態様における架線状態分類マップの例を示す図面である。It is drawing which shows the example of the overhead line state classification | category map in this embodiment. 本実施態様の1実施例に係る架線状態診断装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the overhead wire state diagnostic apparatus which concerns on one Example of this embodiment. 本実施例において架線状態分類マップを形成するために採取した振動データの例を示すチャートである。It is a chart which shows the example of the vibration data collected in order to form an overhead line state classification map in this example. 本実施例における架線状態分類マップの例を示す図面である。It is drawing which shows the example of the overhead line state classification | category map in a present Example. 本実施例における架線状態分類マップを使って異常状態を検出する例を示す図面である。It is drawing which shows the example which detects an abnormal state using the overhead wire state classification | category map in a present Example.

以下、本発明の架線状態診断装置に係る1実施態様について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment according to the overhead wire state diagnosis apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

電気鉄道の架線に異常があるときは、架線の振動モードに変化を来す。振動モードの変動は、車両が走行するときにトロリー線にパンタグラフが摺動することで発生する接触力変動波形やパンタグラフ部材の加速度変化などに反映される。接触力や加速度は電気・軌道検測車のパンタグラフ側に設置されたセンサにより連続的に測定することができる。
そこで、本実施例の架線状態診断装置で使用する架線状態分類マップには、マップを構成するノードの重みベクトルを構成する要素として、架線・パンタグラフ間の接触力やパンタグラフ部材の加速度など、パンタグラフ側で測定された振動データ、さらに、これらの振動データの信号処理結果や統計処理結果に係るデータを用いた。
When there is an abnormality in the overhead line of the electric railway, the vibration mode of the overhead line changes. The fluctuation of the vibration mode is reflected in the contact force fluctuation waveform generated by the pantograph sliding on the trolley line when the vehicle travels, the acceleration change of the pantograph member, and the like. Contact force and acceleration can be continuously measured by a sensor installed on the pantograph side of the electric / track inspection vehicle.
Therefore, in the overhead line state classification map used in the overhead line state diagnosis apparatus of the present embodiment, the pantograph side includes the contact force between the overhead line and the pantograph and the acceleration of the pantograph member as elements constituting the weight vector of the nodes constituting the map. Further, the vibration data measured in (1) and the signal processing results and statistical processing results of these vibration data were used.

架線状態分類マップになる自己組織化マップ(SOM)を作成するときに用いられた入力ベクトルに含まれない架線状態については検出ができないので、自己組織化アルゴリズムに従って架線状態分類マップを生成するために用いる入力ベクトルには、分類に含めたい異常が発生している架線についての振動データが含まれている必要がある。なお、架線の健全度を判断するためには、健全な架線状態に関わるデータも必要となる。
入力ベクトルは、実地の測定ばかりでなく、シミュレーションによっても得ることができる。架線状態分類マップを作成するために用いる振動データを収集するためには、分類に含めたい異常状態を適宜設定することができるシミュレーションを活用することが便利である。
In order to generate an overhead line state classification map according to the self-organization algorithm, it is impossible to detect an overhead line state that is not included in the input vector used when creating the self-organization map (SOM) that becomes the overhead line state classification map. The input vector to be used needs to include vibration data about the overhead line in which the abnormality to be included in the classification has occurred. In addition, in order to judge the soundness level of an overhead line, the data regarding a healthy overhead line state are also required.
The input vector can be obtained not only by actual measurement but also by simulation. In order to collect vibration data used to create an overhead line state classification map, it is convenient to use a simulation that can appropriately set an abnormal state to be included in the classification.

なお、架線状態分類マップを作成するために専ら数値シミュレーションにより得た入力ベクトルを用いる場合は、現車データを正確に再現できる精密な数値シミュレーションを使用する必要があることはいうまでもない。
なお、得られた振動データそのものを入力ベクトルとして用いる場合は、測定におけるサンプリング点における値がベクトルの要素となり、データの総数が入力ベクトルの次元となる。得られた振動データに何らかの処理を施す場合は、処理結果が入力ベクトルの1つまたは複数の要素となる。
Needless to say, when an input vector obtained exclusively by numerical simulation is used to create an overhead line state classification map, it is necessary to use a precise numerical simulation capable of accurately reproducing the current vehicle data.
When the obtained vibration data itself is used as an input vector, the value at the sampling point in the measurement becomes a vector element, and the total number of data becomes the dimension of the input vector. When any processing is performed on the obtained vibration data, the processing result becomes one or more elements of the input vector.

架線・パンタグラフ条件が同じであれば完全に同じ値になるような決定論に基づく数値シミュレーションによって得られた振動データであれば、振動データそのものを入力ベクトルとして用いることは有効である。
しかし、実測や確率過程を含む数値シミュレーションで得られた振動データの場合は、架線・パンタグラフ条件が同じであっても、結果にはノイズや測定誤差などに起因した差が生じる。この場合、振動データそのものを入力ベクトルとして自己組織化アルゴリズムを適用すると、異なる条件に基づくデータとして自己組織化マップ(SOM)上に配置される惧れがある。
It is effective to use the vibration data itself as an input vector as long as it is vibration data obtained by numerical simulation based on determinism such that the same value is obtained if the overhead line / pantograph conditions are the same.
However, in the case of vibration data obtained by numerical simulation including actual measurement and stochastic processes, even if the overhead line and pantograph conditions are the same, a difference due to noise or measurement error occurs in the result. In this case, when the self-organization algorithm is applied using the vibration data itself as an input vector, there is a possibility that the data is arranged on the self-organization map (SOM) as data based on different conditions.

このようなSOMによる誤判断を避けるため、振動データにノイズを減衰させ架線条件の特徴を強調するような何らかの処理を施して、たとえば卓越周波数成分やその他の統計量などの情報を抽出し、入力ベクトルの要素として用いることが好ましい。ここで選択したデータ処理は、振動データの特性あるいは検出したい異常状態などに左右されるので、診断の容易性や信頼性に大きな影響を及ぼす。 In order to avoid such misjudgment due to SOM, the vibration data is subjected to some processing such as attenuating noise and emphasizing the characteristics of the overhead line condition, and for example, extracting information such as dominant frequency components and other statistics It is preferably used as a vector element. Since the data processing selected here depends on the characteristics of vibration data or the abnormal state to be detected, it greatly affects the ease and reliability of diagnosis.

収集された入力ベクトルを用いてSOMを作成すると、類似する架線状態において得られた入力ベクトルはマップ上で互いに近傍に配置される。これにより、マップ上に「健全状態を示すグループの領域」「所定の異常状態を示すグループの領域」「どのグループにも属しない領域」など、架線状態に従って領域を区分したSOM、架線状態分類マップが形成される。 When the SOM is created using the collected input vectors, the input vectors obtained in the similar overhead line state are arranged near each other on the map. As a result, the SOM and the overhead line state classification map in which the areas are classified according to the overhead line state, such as “a group area indicating a healthy state”, “a group area indicating a predetermined abnormal state”, and “a region not belonging to any group” on the map Is formed.

図1は、本実施態様に係る架線状態診断装置で実行される診断手順を説明するフローチャートである。
初めに、蓄積された振動データを用いて自己組織化マップ(SOM)を作成する。図1(a)は本実施態様の架線状態診断装置で実行される自己組織化マップの作成工程を表すフローチャートである。
FIG. 1 is a flowchart for explaining a diagnosis procedure executed by the overhead line state diagnosis apparatus according to this embodiment.
First, a self-organizing map (SOM) is created using the accumulated vibration data. FIG. 1A is a flowchart showing a self-organizing map creation process executed by the overhead line state diagnosis apparatus of this embodiment.

まず、マップ化に必要な振動データを収集蓄積して(S1)、振動データのデータベース(D1)を生成する。振動データには、原因を特定できる異常が存在したときの異常振動データを適当数含む必要がある。
振動データは、加速度計、レーザードップラー振動計、レーザー変位計、枠組の関節部に設けられるロータリーエンコーダなどにより単独あるいは複合的に、あるいはアクチュエータの軸力を測定するロードセルなどにより単独に取得される。
なお、収集する振動データは実測値に限らず、シミュレーションにより得たデータであってもよい。なお、ここでは、異常現象の発生位置を特定する必要から振動データを径間毎に区分して用いる。
First, vibration data necessary for mapping is collected and accumulated (S1), and a vibration data database (D1) is generated. The vibration data must include an appropriate number of abnormal vibration data when there is an abnormality that can identify the cause.
The vibration data is acquired individually or in combination by an accelerometer, a laser Doppler vibrometer, a laser displacement meter, a rotary encoder provided at a joint portion of the frame, or a load cell for measuring the axial force of the actuator.
Note that the vibration data to be collected is not limited to actual measurement values, and may be data obtained by simulation. In this case, vibration data is classified and used for each span because it is necessary to specify the occurrence position of the abnormal phenomenon.

また、予め決められた診断に関与しうる複数の指標について、振動データからその成分を抽出して、あるいは演算により求めることにより、各振動データを多次元ベクトルで表す(S2)。ここでは、架線の異常がもたらす架線やパンタグラフの振動波形の変化を検出し得る指標として、径間の振動データにおける最大値と最小値、およびそれらを示す位置、すなわち支持柱からの距離に注目する。また、これらの指標に加えて、振動データについてサンプリングされた振幅値の標準偏差値、歪度および尖度を算定して、径間の振動データに係る入力ベクトルの要素とするなどして、多次元ベクトル化した入力ベクトルのデータベース(D2)を生成する。 Further, for a plurality of indexes that can be involved in a predetermined diagnosis, each vibration data is represented by a multidimensional vector by extracting its components from the vibration data or calculating them (S2). Here, we focus on the maximum and minimum values in the vibration data of spans and the positions indicating them, that is, the distance from the support column, as an indicator that can detect changes in the vibration waveform of overhead lines and pantographs caused by overhead line abnormalities. . In addition to these indices, the standard deviation value, skewness, and kurtosis of the amplitude values sampled for the vibration data are calculated and used as elements of the input vector related to the vibration data between the spans. A dimensional vectorized input vector database (D2) is generated.

次に、入力ベクトルのデータベース(D2)に対して自己組織化アルゴリズムを作用させて、自己組織化マップSOM(D3)を作成する(S3)。 Next, a self-organizing algorithm is applied to the input vector database (D2) to create a self-organizing map SOM (D3) (S3).

図2は、マップ形成用入力ベクトルに自己組織化アルゴリズムを適用して自己組織化マップを作成する工程を説明するフローチャートである。
ここでは、一般化するため、d次元のマップ形成用入力ベクトルをN個使用するものとする。i番目の入力ベクトルXiを下式(1)で表し、N個全ての入力ベクトルについてj番目の要素の最大値xmaxjと最小値xminjを下式(2)、(3)で定義する。
(1)
Xi={xi1,xi2,・・・xij,・・・,xid} (i=1,・・・,N)
(2)
xmaxj=max(x1j,x2j,・・・,xNj) (j=1,・・・,d)
(3)
xminj=min(x1j,x2j,・・・,xNj) (j=1,・・・,d)
FIG. 2 is a flowchart for explaining a process of creating a self-organizing map by applying a self-organizing algorithm to the map forming input vector.
Here, for generalization, it is assumed that N d-dimensional map forming input vectors are used. The i-th input vector Xi is expressed by the following equation (1), and the maximum value xmaxj and the minimum value xminj of the j-th element are defined by the following equations (2) and (3) for all N input vectors.
(1)
Xi = {xi1, xi2, ... xij, ..., xid} (i = 1, ..., N)
(2)
xmaxj = max (x1j, x2j,..., xNj) (j = 1,..., d)
(3)
xminj = min (x1j, x2j,..., xNj) (j = 1,..., d)

まず、自己組織化マップのSOMパラメータを決定する(S11)。
SOMパラメータには、マップの形状、マップサイズを決める総ノード数M、予定する学習回数T、重みベクトル更新時における重みベクトルの変化の程度を決定づけるパラメータσがある。これらのSOMパラメータは、SOMを適用する問題に依存して最適な値があり、試行錯誤等の方法でより適した値が求められる。
First, the SOM parameter of the self-organizing map is determined (S11).
The SOM parameters include a map shape, a total number M of nodes that determine the map size, a planned learning count T, and a parameter σ that determines the degree of change of the weight vector when the weight vector is updated. These SOM parameters have optimum values depending on the problem of applying the SOM, and more suitable values are obtained by a method such as trial and error.

次に、マップの初期化を行う(S12)。
マップ中のM個全てのノードに適宜の重みベクトルWを与えることにより、マップを初期化する。重みベクトルWは、入力ベクトルと同じ次元を持つ。k番目のノードに与える重みベクトルWkを次式(4)で表す。
(4)
Wk={wk1,wk2,・・・,wki,・・・,wkd} (k=1,・・・,M)
各重みベクトルのj番目の要素の値は、入力ベクトルについてj番目の要素の最小値と最大値の間[xminj,xmaxj]で一様分布するように生成された乱数で与えることができる。
Next, the map is initialized (S12).
The map is initialized by giving appropriate weight vectors W to all M nodes in the map. The weight vector W has the same dimensions as the input vector. The weight vector Wk given to the kth node is expressed by the following equation (4).
(4)
Wk = {wk1, wk2,..., Wki,..., Wkd} (k = 1,..., M)
The value of the j-th element of each weight vector can be given as a random number generated so as to be uniformly distributed between the minimum value and the maximum value of the j-th element for the input vector with [xminj, xmaxj].

次に、初期化されたマップに、蓄積された振動データを順次導入して、振動データに適合するSOMに変成していく。
先に形成した多次元入力ベクトルのデータベース(D2)から1個の入力ベクトルを入力する(S13)。
Next, the accumulated vibration data is sequentially introduced into the initialized map, and is transformed into an SOM suitable for the vibration data.
One input vector is input from the previously formed database (D2) of multidimensional input vectors (S13).

この入力ベクトルに最も近い重みベクトルを有するノードを下記の要領で決定する(S14)。
i番目の入力ベクトルXiと、各ノードに割り振られた重みベクトルWkとの距離Dikを求める。距離Dikは下式(5)で与えられる。
(5)
Dik=|Xi−Wk| (k=1,・・・,M)
距離Dikが最小となる重みベクトルを勝者ベクトルWlと呼ぶ。また、勝者ベクトルを格納するノードを勝者ノードと呼ぶ。
The node having the weight vector closest to this input vector is determined in the following manner (S14).
A distance Dik between the i-th input vector Xi and the weight vector Wk assigned to each node is obtained. The distance Dik is given by the following equation (5).
(5)
Dik = | Xi−Wk | (k = 1,..., M)
The weight vector that minimizes the distance Dik is referred to as a winner vector Wl. A node that stores a winner vector is called a winner node.

次に、勝者ベクトルと勝者ノードの近傍に位置するノードとに格納される重みベクトルWkを入力ベクトルXiに近づくように調整する(S15)。
調整前の重みベクトルをWkOLD、調整後の重みベクトルをWkNEWとすると、重みベクトルの調整は、パラメータσを用いて、たとえば、下の式(6),(7),(8)にしたがって行うことができる。
(6)
WkNEW=WkOLD+α(Xi−WkOLD)
(7)
α=βexp(−Lk/σ)
(8)
β=1−t/T
Next, the weight vector Wk stored in the winner vector and a node located in the vicinity of the winner node is adjusted so as to approach the input vector Xi (S15).
If the weight vector before adjustment is WkOLD and the weight vector after adjustment is WkNEW, the weight vector is adjusted using the parameter σ according to, for example, the following equations (6), (7), and (8): Can do.
(6)
WkNEW = WkOLD + α (Xi-WkOLD)
(7)
α = βexp (−Lk 2 / σ)
(8)
β = 1−t / T

ここで、Lkはk番目のノードと勝者ノードの間の距離、tはその時の学習回数、Tは予定された学習の総数である。
αは、重みベクトルの修正量に与える影響度を決定づける変数であり、勝者ノードに近いほど、また学習が浅いほど修正量を大きくする。なお、βは、学習回数の増加に伴って減少する関数であればよい。なお、勝者ノードからある程度以上離れているノードについては、重みベクトルの修正演算を行わないようにしてもよい。
こうして、勝者ノードの近傍のノードの重みベクトルが、使用した入力ベクトルに近づいた新しい重みベクトルに書き換えられる。
Here, Lk is the distance between the k-th node and the winner node, t is the number of learnings at that time, and T is the total number of learnings scheduled.
α is a variable that determines the degree of influence on the correction amount of the weight vector, and the correction amount is increased as it is closer to the winner node and the learning is shallower. Note that β may be a function that decreases as the number of learning increases. Note that the correction calculation of the weight vector may not be performed for nodes that are some distance away from the winner node.
In this way, the weight vector of the node in the vicinity of the winner node is rewritten with a new weight vector approaching the used input vector.

工程S15が完了したら、入力ベクトルXiが残っているか(i=N?)を確認して(S16)、残りがあればiを歩進し、工程S13に戻って入力ベクトルのデータベース(D2)から次のデータを取り込んで、工程S14と工程S15を繰り返す。
また、入力ベクトルXiを全て使用した場合は、これを学習回数の1回分として、学習回数tが予定の数Tまで達したか(t=T?)を確認し(S17)、最後になっていなければtを歩進し、工程S13に戻って、改めて、入力ベクトルのデータベース(D11)から初めのデータを取り込んで、工程S14と工程S15および工程S16を繰り返し、学習を重ねる。
なお、新しい学習工程で使用する入力データは、前回使用したものと同じセットであっても差し支えない。
When step S15 is completed, it is checked whether input vector Xi remains (i = N?) (S16), and if there is, step i is incremented, and the process returns to step S13 from the input vector database (D2). The next data is taken in and Steps S14 and S15 are repeated.
If all the input vectors Xi are used, this is regarded as one learning number, and it is confirmed whether the learning number t has reached the predetermined number T (t = T?) (S17). If not, t is incremented, the process returns to step S13, the first data is taken in again from the input vector database (D11), and step S14, step S15 and step S16 are repeated, and learning is repeated.
The input data used in the new learning process may be the same set as that used last time.

学習回数tが予定の数Tに達したときに、各ノードの重みベクトルが最終的に決定する。このように、自己組織化アルゴリズムによって多次元の入力ベクトルは2次元あるいは3次元の空間に投射され、入力ベクトルの類似度に応じて群を成すように配置された自己組織化マップSOM(D3)が完成する。
したがって、入力ベクトルに架線の状態に関わる情報を含むことで、架線の状態に係る分類をすることができる。
When the learning number t reaches the predetermined number T, the weight vector of each node is finally determined. In this way, the multi-dimensional input vector is projected onto a two-dimensional or three-dimensional space by the self-organization algorithm, and the self-organization map SOM (D3) arranged so as to form a group according to the similarity of the input vectors. Is completed.
Therefore, the information related to the state of the overhead line can be classified by including the information related to the state of the overhead line in the input vector.

そこで、図1(a)の工程S4に戻って、入力ベクトルのセットを自己組織化マップSOM(D3)に当てはめると、入力ベクトルそれぞれが距離の最小となる重みベクトルを有するノードに配置される。このとき、類似度の高い入力ベクトル同士が近傍に配置されるので、類似群に共通する架線状態を見出すことにより、マップ上に架線状態毎に領域を画定した架線状態分類マップ(D4)が形成される(S4)。 Therefore, returning to step S4 in FIG. 1A, when a set of input vectors is applied to the self-organizing map SOM (D3), each of the input vectors is arranged at a node having a weight vector that minimizes the distance. At this time, since input vectors having high similarity are arranged in the vicinity, an overhead line state classification map (D4) in which a region is defined for each overhead line state is formed on the map by finding an overhead line state common to similar groups. (S4).

図3は、本実施態様における架線状態分類マップの例を示すチャートである。
例示したマップは、正六角形のタイル631枚を正六角形に敷き詰めた形状とした。タイルはノードを表し、初めの段階では、それぞれ適当な重みベクトルが割り当てられていた。異常状態を含めた各種の架線状態について取得した振動データから所定の特性値を抽出して要素として多次元ベクトル化して得た入力ベクトルを、自己組織化アルゴリズムにしたがって処理してノードの重みベクトルを調整する学習を繰り返すことにより、図3に示すように、「健全である」「ある異常が発生している」あるいは「想定しない異常が発生している」などの異常種別毎に集合した領域に区画された架線状態分類マップが完成する。
FIG. 3 is a chart showing an example of the overhead line state classification map in the present embodiment.
The illustrated map has a shape in which 631 regular hexagonal tiles are spread in a regular hexagon. A tile represents a node, and an appropriate weight vector was assigned to each tile in the first stage. Extracting predetermined characteristic values from vibration data acquired for various overhead states including abnormal states and converting them into multidimensional vectors as elements, processing them according to a self-organization algorithm to obtain node weight vectors By repeating the learning to be adjusted, as shown in FIG. 3, in an area gathered for each abnormality type such as “healthy” “a certain abnormality has occurred” or “an unexpected abnormality has occurred” The partitioned overhead line state classification map is completed.

こうして形成された架線状態分類マップに検査対象区間で得られた振動データを射影すると、射影された位置が属する領域に基づいて、架線状態を診断することができる。
架線状態の診断においては、現場で取得した振動データから架線状態分類マップに使用したものと同じ特性値を要素とした入力ベクトルを生成し、これをSOM上の最も近似した重みベクトルを有するノードに射影する。こうして射影されたノードが属する領域によって、データを取得した区間の架線状態が「健全である」「ある異常が発生している」あるいは「想定しない異常が発生している」のいずれかであることが推定でき、架線異常の診断が可能となる。
When the vibration data obtained in the inspection target section is projected onto the overhead line state classification map thus formed, the overhead line state can be diagnosed based on the region to which the projected position belongs.
In the diagnosis of the overhead line state, an input vector having the same characteristic value as that used in the overhead line state classification map is generated from the vibration data acquired in the field, and this is used as a node having the most approximate weight vector on the SOM. Project. Depending on the area to which the node thus projected belongs, the overhead line state of the section from which the data was acquired is either “sound”, “an abnormality has occurred”, or “an unexpected abnormality has occurred” Can be estimated, and an overhead wire abnormality can be diagnosed.

図1(b)は、架線異常の診断工程を示すフローチャートである。
診断対象とする区間に電気・軌道検測車を走行させて診断用の振動データを取得する(S5)。取得した診断用の振動データ(D5)について、径間毎に、架線状態分類マップの重みベクトルと同じ要素の成分を算定して多次元ベクトル化し、診断用の入力ベクトルデータ(D6)を得る(S6)。診断用の入力ベクトルデータ(D6)について、入力ベクトルに最も近い重みベクトルが存在するノードを選定する(S7)。架線状態分類マップ(D3)において、このノードが属する領域を知ることにより、診断対象区間における径間毎の架線状態を診断する(S8)。
FIG. 1B is a flowchart showing an overhead wire abnormality diagnosis process.
The vibration data for diagnosis is acquired by running the electric / track inspection vehicle in the section to be diagnosed (S5). For the acquired vibration data for diagnosis (D5), the components of the same elements as the weight vectors of the overhead line state classification map are calculated for each span and converted into multidimensional vectors to obtain diagnostic input vector data (D6) ( S6). For the input vector data for diagnosis (D6), a node having a weight vector closest to the input vector is selected (S7). By knowing the region to which this node belongs in the overhead line state classification map (D3), the overhead line state for each span in the diagnosis target section is diagnosed (S8).

本発明の架線状態診断装置により、大量の蓄積データに基づいて架線状態にしたがって領域を区分した架線状態分類マップを予め形成しておいて、電気・軌道検測車を走行させて得た振動データを多次元ベクトル化して自己組織化アルゴリズムを適用して架線状態分類マップ上に射影することにより、対象とする区間における架線状態を診断することができる。したがって、検査密度を維持あるいは増加させても、現場における巡回検査の頻度を減少させることができ、労働人口の減少を補って架線のメンテナンス品質の劣化を防止することができる。 Vibration data obtained by running an electric / track inspection vehicle by previously forming an overhead line state classification map in which regions are classified according to overhead line states based on a large amount of accumulated data by the overhead line state diagnosis device of the present invention. By applying a self-organization algorithm to a multidimensional vector and projecting it onto the overhead line state classification map, the overhead line state in the target section can be diagnosed. Therefore, even if the inspection density is maintained or increased, the frequency of the patrol inspection at the site can be reduced, and the deterioration of the maintenance quality of the overhead wire can be prevented by supplementing the decrease in the working population.

以下、本実施態様の架線状態診断装置に係る1実施例を図面を用いて説明する。
図4は本実施例における架線状態診断装置の構成を示すブロック図である。
本実施例では、実験の容易性に鑑みて、架線・パンタグラフ系シミュレーション用ソフトウエアを用いて架線状況を再現して取得した振動データに基づいて架線状態分類マップを作成した。
Hereinafter, an embodiment of the overhead wire state diagnosis apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the overhead wire state diagnosis apparatus in this embodiment.
In this example, in view of the ease of experimentation, an overhead line state classification map was created based on vibration data obtained by reproducing overhead line conditions using overhead line / pantograph system simulation software.

本実施例の架線状態診断装置は、マップ作成用振動データを収集し、振動データを使って自己組織化マップSOMを作成し、性状が近似するデータが集合する領域を区画した架線状態分類マップを作成するマップ作成部100と、実地の振動データを採取して多次元ベクトル化し架線状態分類マップに投射して、投射位置が属する領域に基づいて架線状態を診断する状態判定部200からなる。 The overhead line state diagnosis apparatus according to the present embodiment collects vibration data for map creation, creates a self-organizing map SOM using the vibration data, and creates an overhead line state classification map that divides an area where data whose properties are approximated. A map creation unit 100 to be created, and a state determination unit 200 that collects actual vibration data, multi-dimensionally vectorizes them, projects them on the overhead line state classification map, and diagnoses the overhead line state based on the region to which the projection position belongs.

マップ作成部100は、シミュレーションプログラムを搭載したパソコンでなりマップ作成用振動データD11を生成するシミュレータ11と、振動データからデータの特性値を抽出して多次元化しマップ作成用の多次元入力ベクトルD12にする情報処理装置12と、多次元入力ベクトルに対して自己組織化アルゴリズムを適用して自己組織化マップ(SOP)D13を形成する演算処理装置13と、自己組織化マップSOPに投影した入力ベクトルの群に共通する特性に基づいて常態領域、異常領域、中間領域を区分して架線状態分類マップD14を形成して記憶するマップ形成装置14を備える。 The map creation unit 100 is a personal computer equipped with a simulation program, and generates a map creation vibration data D11. The map creation unit 100 extracts a characteristic value of the data from the vibration data and multi-dimensionalizes it, and creates a multi-dimensional input vector D12 for map creation. An information processing device 12 for generating a self-organizing map (SOP) D13 by applying a self-organizing algorithm to a multidimensional input vector, and an input vector projected on the self-organizing map SOP A map forming device 14 that forms and stores an overhead line state classification map D14 by dividing a normal region, an abnormal region, and an intermediate region on the basis of characteristics common to these groups.

状態判定部200は、対象区域を走行する電気・軌道検測車のパンダグラフ側に搭載され診断用振動信号D21を生成する振動センサ21と、診断用振動信号をリアルタイムで収集し、必要に応じて呼び出して使える診断用振動データD22として記録するデータロガー22と、径間毎に切り出した振動データの特性値を抽出して診断用の多次元化入力ベクトルD23にする情報処理装置23と、径間毎の振動データに対応する架線状態分類マップD14の勝者ノードを見つけ出す演算処理装置24と、勝者ノードの位置に基づいて径間毎の架線状態を診断する判定装置25を備える。
情報処理装置23と演算処理装置24と判定装置25は、別途試験室等に備えたコンピュータ等で構成して、データ収集したデータロガー22から振動データを取得して演算処理等するようにしてもよい。
The state determination unit 200 is mounted on the panda graph side of the electric / trajectory inspection vehicle traveling in the target area, collects the vibration signal for diagnosis in real time, and collects the vibration signal for diagnosis in real time. A data logger 22 that is recorded as diagnostic vibration data D22 that can be called and used, an information processing device 23 that extracts characteristic values of the vibration data cut out for each span to obtain a multidimensional input vector D23 for diagnosis, An arithmetic processing unit 24 for finding a winner node of the overhead line state classification map D14 corresponding to the vibration data for each interval and a determination device 25 for diagnosing the overhead line state for each span based on the position of the winner node are provided.
The information processing device 23, the arithmetic processing device 24, and the determination device 25 are configured by a computer or the like separately provided in a test room or the like, so that vibration data is acquired from the data logger 22 that has collected the data, and the arithmetic processing is performed. Good.

図5は、本実施例において架線状態分類マップを形成するために採取した振動データの例を示すチャートである。図5に示したデータは、常態にある架線状況を再現して取得したものである。 FIG. 5 is a chart showing an example of vibration data collected to form an overhead line state classification map in the present embodiment. The data shown in FIG. 5 is obtained by reproducing the normal overhead line situation.

ここで、自己組織化マップは、SOMのサイズを631ノードとし、形状はタイル631枚を敷き詰めた2次元の正六角形としたが、ノード数や形状は変更が可能である。初めに、各ノードに各要素が0から1の間でランダムに生成した値を有する多次元の重みベクトルを設定する。ここでは、後に説明するように9次元の入力ベクトルを使うので、重みベクトルもこれに応じて9次元とする。
振動データは、パンタグラフ側に設置された接触力センサで検出される架線・パンタグラフ間の接触力応答波形により代替した。接触力は架線の振動と高い相関を有し、従来から大量の実測データが蓄積されている。
Here, in the self-organizing map, the SOM size is 631 nodes, and the shape is a two-dimensional regular hexagon in which 631 tiles are spread, but the number of nodes and the shape can be changed. First, a multidimensional weight vector having values randomly generated from 0 to 1 for each element is set in each node. Here, since a 9-dimensional input vector is used as will be described later, the weight vector is also 9-dimensional accordingly.
The vibration data was replaced by the contact force response waveform between the overhead line and the pantograph detected by the contact force sensor installed on the pantograph side. The contact force has a high correlation with the vibration of the overhead wire, and a large amount of measured data has been accumulated conventionally.

シミュレーションした架線の主な諸元を挙げると、断面積がトロリー線で150mm、吊架線で116mm、線密度がトロリー線で1.334kg/m、吊架線で1.05kg/m、ヤング率がトロリー線で120GPa、吊架線で84.7GPa、張力がトロリー線で26,000N、吊架線で20,000Nである。
また、シミュレーション上、架線は32個の支持点で支持された31径間で構成されている。第1支持点から第5支持点の間および第28支持点と第32支持点の間の架線両端付近をのぞいて、標準の径間長は63mとした。なお、架線高さは、引き留め付近となる架線両端部分をのぞいて、トロリー線高さがハンガー位置において5.08m、吊架線高さが支持点において6.48mとした。また、架線は、架線両端付近をのぞいて、支持装置により支持点毎に交互に水平方向に線路の中心を挟んで0.2mずつ偏位するようにした。
Taking the main specifications of simulated overhead line, 150 mm 2 cross-sectional area in the trolley wire, 116 mm 2 in catenary, 1.334kg / m linear density of trolley lines, with catenary 1.05 kg / m, the Young's modulus Is 120 GPa for the trolley wire, 84.7 GPa for the suspension wire, tension is 26,000 N for the trolley wire, and 20,000 N for the suspension wire.
In the simulation, the overhead wire is composed of 31 diameters supported by 32 support points. The standard span length was 63 m except for the vicinity of both ends of the overhead line between the first support point to the fifth support point and between the 28th support point and the 32nd support point. The overhead line height was 5.08 m at the hanger position and the suspension line height was 6.48 m at the support point except for both ends of the overhead line in the vicinity of the holding. Moreover, the overhead lines were displaced by 0.2 m by sandwiching the center of the line in the horizontal direction alternately for each support point by the support device except for the vicinity of both ends of the overhead line.

シミュレーションにより、架線両端付近をのぞいた第6支持点と第24支持点の間でパンタグラフを接触させて走行するとし、境界の引き留め点からの影響を受けない走行区間中央部分に当たる第11支持点から第21支持点(11径間目から20径間目)における接触力応答波形を取得し、これを振動データとして使用して架線状態分類マップを作成した。 According to the simulation, it is assumed that the pantograph is in contact between the sixth support point and the 24th support point except for the vicinity of both ends of the overhead line, and from the eleventh support point corresponding to the central part of the travel section that is not affected by the boundary retaining point. Contact force response waveforms at the 21st support point (11th to 20th spans) were acquired and used as vibration data to create an overhead line state classification map.

シミュレーションは、一例として、架線に異常のない基準状態と、異常状態として振止め金具の引き角度を基準からずらしたケース、振り止め家具が固渋したケース、および振止め金具が欠損したケースを設定して、実行した。架線異常は測定区間の1支持点に存在とするものとし、パンタグラフは300km一定の速度で走行するものとした。 For example, in the simulation, a reference state with no abnormalities in the overhead wire, a case where the pulling angle of the anti-rest fitting is shifted from the reference as an abnormal state, a case where the anti-rest furniture is astringent, and a case where the anti-rest fitting is missing are set. And executed. The overhead line abnormality is assumed to exist at one support point in the measurement section, and the pantograph is assumed to run at a constant speed of 300 km.

なお、曲引き金具の固渋や欠損の異常は、振止め金具の固渋や欠損と同じ状況として検出されると考えられる。
交流25kV用架線を対象として、シミュレーション上でこれらの架線状態を表現し、その架線下を1基のパンタグラフが時速300kmで走行した際の振動データを取得した。
In addition, it is thought that the abnormality of the firmness of a bent metal fitting or a defect | deletion is detected as the same situation as the firmness or defect | deletion of a bracing metal fitting.
For an AC 25 kV overhead line, these overhead line states were expressed in the simulation, and vibration data was obtained when one pantograph traveled at 300 km per hour under the overhead line.

ある支持点(第13支持点から第16支持点のいずれか)における振止め金具が固渋した4ケース、および、ある支持点(第13支持点から第16支持点のいずれか)における振止め金具が欠損した4ケース、ある支持点(第13支持点から第16支持点のいずれか)における振止め金具の引き角度を0度、20度、30度、40度とした16ケースの合計28ケースを用意した。 4 cases in which the brace fitting at a certain support point (any one of the thirteenth support point to the sixteenth support point) is solid, and a brace at a certain support point (any one of the thirteenth support point to the sixteenth support point) A total of 28 cases including 4 cases with missing metal fittings and 16 cases with the pulling angle of the brace fitting at a certain support point (any one of the 13th support point to the 16th support point) being 0 degree, 20 degrees, 30 degrees and 40 degrees. A case was prepared.

張力変化に伴う架線の弛度の変化や径間長の変化などは接触力応答波形の低周波数領域に、ハンガーの異常は中間周波数領域に、また衝撃など非常に短時間の現象は高周波数領域における変動として検出できると推定される。
また、径間長の変化は、架線の振動の卓越周波数成分に影響を与え、ハンガーや振止め金具の異常は、振動周波数や振動のピーク値あるいはピークの位置に影響を与える。
架線異常とされない偶発的な振動波形の偏倚は、波形の統計的処理により相殺することが期待される。
Changes in the sag of the overhead wire due to tension changes and changes in the span length are in the low frequency region of the contact force response waveform, hangers are abnormal in the intermediate frequency region, and phenomena such as shocks are in the high frequency region. It is estimated that it can be detected as fluctuations in
Further, the change in span length affects the dominant frequency component of the vibration of the overhead wire, and the abnormality of the hanger or the clasp has an effect on the vibration frequency, the peak value of the vibration, or the peak position.
It is expected that the accidental vibration waveform deviation that is not considered to be an abnormal overhead line is canceled by statistical processing of the waveform.

上記に鑑みて、振動波形を径間毎に区切り、あるサンプリング時間毎に切り出した振動測定値を使って、その最大値と最小値、および最大値と最小値それぞれの発現した位置(支持点からの距離)、サンプリングした振動測定値の平均値μ、標準偏差σ、歪度(スキューネス)μs、尖度(クルトシス)μk、ウェーブレット変換を基に求まる値、を特性値として抽出し、9次元の入力ベクトルの要素とした。ただし、入力ベクトルの次元数は適宜選択できることは言うまでもない。
入力ベクトルの各要素の値は、それぞれの要素について、収集した振動データに出現する最大値と最小値を含む適度な範囲を1として正規化したものを用いた。
In view of the above, the vibration waveform is divided for each span, and using vibration measurement values cut out at every sampling time, the maximum value and minimum value, and the position where the maximum value and minimum value are expressed (from the support point) ), The average value μ of the sampled vibration measurement values, the standard deviation σ, the skewness (skewness) μs, the kurtosis (kultosis) μk, and the value obtained based on the wavelet transform are extracted as characteristic values. This is an input vector element. However, it goes without saying that the number of dimensions of the input vector can be selected as appropriate.
As the values of the elements of the input vector, values obtained by normalizing the respective elements with an appropriate range including the maximum value and the minimum value appearing in the collected vibration data as 1 were used.

本実施例においては、サンプリングした振動測定値を、ウェーブ数6のモレ(Morlet)ウェーブレット関数を用いてウェーブレット変換した。ウェーブレット変換は、周知の通り、信号について、小さな振動であるウェーブレット関数に平行移動と伸縮の操作を施したものとのたたみ込みで定義される。ウェーブレット変換は、信号について時間および周波数の位置測定をすることができ、非定常信号の変動特性を検出する優れた手法である。
本実施例では、径間毎の振動データに対してウェーブレット変換を施して得た二次元データを、適宜な区間について径間平均を算定して、各径間におけるウェーブレット変換値と径間平均との間の相関係数を算定して、入力ベクトルの1要素とした。これにより、ウェーブレット変換を基に求まる値を利用して、非定常状態の発生と発生した径間位置を的確に検知できるようにした。
In this example, the sampled vibration measurement values were wavelet transformed using a 6 wave number Morlet wavelet function. As is well known, the wavelet transform is defined by convolution of a signal with a wavelet function, which is a small vibration, subjected to translation and expansion / contraction operations. The wavelet transform is an excellent method for detecting the fluctuation characteristics of a non-stationary signal because it can measure the position of a signal in time and frequency.
In this embodiment, two-dimensional data obtained by performing wavelet transform on vibration data for each span, the span average for an appropriate section is calculated, and the wavelet transform value and span average for each span are calculated. The correlation coefficient was calculated as one element of the input vector. This makes it possible to accurately detect the occurrence of the unsteady state and the generated span position by using values obtained based on the wavelet transform.

ここで、歪度μsは、分布の非対称性を表す指標で、下の(9)式により表される。なお、Riは振幅値、μは径間における振動測定値の平均値である。
(9)
μs=(1/N)Σ(Ri−μ)/(((1/N)Σ(Ri−μ)1/2
また、尖度μkは、分布の鋭さを表す指標で、(10)式により表わされる。
(10)
μk=(1/N)Σ(Ri−μ)/(((1/N)Σ(Ri−μ)1/2
Here, the skewness μs is an index representing the asymmetry of the distribution, and is expressed by the following equation (9). Ri is an amplitude value, and μ is an average value of vibration measurement values between spans.
(9)
μs = (1 / N) Σ (Ri−μ) 3 / (((1 / N) Σ (Ri−μ) 2 ) 1/2 ) 3
Further, the kurtosis μk is an index representing the sharpness of the distribution and is expressed by the equation (10).
(10)
μk = (1 / N) Σ (Ri−μ) 4 / (((1 / N) Σ (Ri−μ) 2 ) 1/2 ) 4

正常状態と異常状態を含む少なくとも64個の区間データについて形成した11径間目から20径間目の入力ベクトルを繰り返し使って、自己組織化マップSOMを形成する。
SOMを形成するときに繰り返す学習数を100回として、図1(a)に示した手順にしたがって、各ノードに割り振られる重みベクトルを修正していくと、最終的なSOMが得られる。
The self-organizing map SOM is formed by repeatedly using the input vectors of the 11th to 20th spans formed for at least 64 section data including the normal state and the abnormal state.
When the number of learning repeated when forming the SOM is set to 100 and the weight vector assigned to each node is corrected according to the procedure shown in FIG. 1A, a final SOM is obtained.

入力ベクトルのセットをSOM上にプロットして、入力ベクトルの異常内容を対比することにより、ハンガーの欠損、振れ止め金具の固渋、振止め金具ハンガーの欠損、それぞれの異常を示す入力ベクトルが近傍に配置されて、領域が区別されることが分かる。また、異常状態ではないが、径間長が変化した場合についても群をなすことが分かる。こうして、マップ上に「健全状態を示すグループの領域」「所定の異常状態を示すグループの領域」「どのグループにも属しない領域」など、架線状態に従って領域を区分した架線状態分類マップが形成される。 By plotting a set of input vectors on the SOM and comparing the abnormal contents of the input vectors, the input vectors that indicate the abnormalities of the hanger, the steadyness of the steady bracket, the lack of the steady bracket hanger, and the respective abnormalities are nearby. It can be seen that the regions are distinguished. Moreover, although it is not an abnormal state, it turns out that it forms a group also when the span length changes. In this way, an overhead line state classification map is formed on the map that divides the area according to the overhead line state, such as “group area indicating a healthy state”, “group area indicating a predetermined abnormal state”, and “area not belonging to any group”. The

図6は本実施例において生成した架線状態分類マップの例を示す図面、図7は図6の架線状態分類マップに振動データから生成した入力ベクトルをプロットして、判定精度を検証した例を示す図面である。
本図は、検証の便宜のため、曲引き金具の角度異常を取り上げたものである。
径間始端に取り付けた曲引き金具の角度は10.4度を標準としているが、シミュレータにより0度、20度、30度、40度の異常角度を有する場合の振動データを生成して、これらの振動データと常態の振動データを合わせて形成する。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the overhead line state classification map generated in this embodiment, and FIG. 7 shows an example in which the determination accuracy is verified by plotting the input vector generated from the vibration data on the overhead line state classification map of FIG. It is a drawing.
This figure shows the angle abnormality of the bent metal fittings for convenience of verification.
The angle of the bent metal fitting attached to the starting end of the span is 10.4 degrees as standard, but vibration data is generated by the simulator when there are abnormal angles of 0 degrees, 20 degrees, 30 degrees, and 40 degrees. The vibration data of and the normal vibration data are formed together.

出来上がったSOMを見ると、曲引き金具角度が大きいときの入力ベクトルがマップの左下部分の縁近辺に集中し、そこからやや右に傾きながら上方に点在しながら、マップの左上の縁部分に続いて消えるような分布を示す。
異常状態の振動データがプロットされる点線で囲んだ領域が、径間内の架線に異常状態があるときの振動データの入力ベクトルのプロットが属すべき領域となる。
このように、自己組織化マップに架線状態を区分した領域を記入すると架線状態分類マップになる。
Looking at the completed SOM, the input vector when the angle of the bent metal fitting is large is concentrated near the edge of the lower left part of the map, and it is scattered slightly upward and scattered upward, and at the upper left edge part of the map The distribution then disappears.
The region surrounded by the dotted line where the vibration data in the abnormal state is plotted is the region to which the plot of the input vector of vibration data when the overhead line in the span has an abnormal state should belong.
In this way, when the area where the overhead line states are classified is entered in the self-organizing map, the overhead line state classification map is obtained.

図7は、こうして得られた架線状態分類マップに、対象区間で得られた振動データをプロットしたものである。異常状態の振動データ1〜4はいずれも異常領域に属しており、検出漏れというミスはなかった。正常状態の振動データは、多くの場合正常領域にプロットされたが、異常ではないにもかかわらず異常と判断された例5〜7が僅かにあった。
判定精度は、概ね良好と言うことができる。
FIG. 7 is a plot of vibration data obtained in the target section on the overhead line state classification map thus obtained. The vibration data 1 to 4 in the abnormal state all belong to the abnormal region, and there was no mistake of detection omission. The vibration data in the normal state was plotted in the normal region in many cases, but there were only a few examples 5 to 7 that were determined to be abnormal although they were not abnormal.
It can be said that the determination accuracy is generally good.

本実施例の架線状態分類マップを用いることにより、検査区間を走行する電気・軌道検測車から得られる振動データについて、径間毎に区分して入力ベクトルを生成し、架線状態分類マップにプロットした位置が属する領域に基づいて、異常の有無や種類を推定することができる。
これら異常診断は、データロギング装置と信号処理装置と演算処理装置を用いて、機械的に行うことができる。また、診断結果に基づいて、異常の発生箇所を実地踏査により検分する場合にも、異常の状態と位置が明確にされているので、現場作業は簡便にして的確に行うことができる。
By using the overhead line state classification map of this embodiment, the vibration data obtained from the electric / track inspection vehicle traveling in the inspection section is divided into spans to generate input vectors and plotted on the overhead line state classification map The presence / absence and type of abnormality can be estimated based on the region to which the position belongs.
These abnormality diagnoses can be mechanically performed using a data logging device, a signal processing device, and an arithmetic processing device. In addition, even when the occurrence location of an abnormality is inspected based on the result of diagnosis, the state and position of the abnormality are clarified, so that the field work can be performed simply and accurately.

なお、本実施例では、631ノードを有する2次元の六角形マップを選択したが、状況によりノード数も形状も変更することができることは言うまでもない。また、特にマップの境界部分で隣のノードとのベクトル間距離が飛躍する問題を防ぐために、境界がない円筒マップや球面マップを使うことは有効である。
さらに、本実施例では架線の振動データを電気・軌道検測車の架線・パンタグラフ間接触力センサを使って収集したが、普通の車両にセンサを搭載しても、また接触力センサに代えてパンタグラフ部材の変位センサや加速度センサを使って測定してもよい。
In the present embodiment, a two-dimensional hexagonal map having 631 nodes is selected, but it goes without saying that the number of nodes and the shape can be changed depending on the situation. In addition, it is effective to use a cylindrical map or a spherical map having no boundary, particularly in order to prevent a problem that the distance between vectors with adjacent nodes jumps at the boundary part of the map.
Furthermore, in this embodiment, the vibration data of the overhead line is collected by using the contact force sensor between the overhead line and the pantograph of the electric / track inspection vehicle. However, even if the sensor is mounted on an ordinary vehicle, the contact force sensor is used instead. You may measure using the displacement sensor and acceleration sensor of a pantograph member.

また、入力ベクトルを7次元化したが、さらに大きな次元数で形成してもよいし、異常状態の分布領域が出現するのであればより低次元でもよい。
さらに、振動データの最大振幅幅やフーリエ変換して得たピーク周波数などを、入力ベクトルの要素として使用することもできる。また、フーリエ変換後の波形を常態を反映した標準波形と比較した相関係数などを要素とすることもできる。
Further, although the input vector has been made seven-dimensional, it may be formed with a larger number of dimensions, or it may be of lower dimensions if an abnormal state distribution region appears.
Furthermore, the maximum amplitude width of vibration data, the peak frequency obtained by Fourier transform, and the like can be used as elements of the input vector. Further, a correlation coefficient obtained by comparing the waveform after Fourier transform with a standard waveform reflecting the normal state can be used as an element.

100 マップ作成部
11 シミュレータ
12 情報処理装置
13 演算処理装置
14 マップ形成装置
200 状態判定部
21 振動センサ
22 データロガー
23 情報処理装置
24 演算処理装置
25 判定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Map preparation part 11 Simulator 12 Information processing apparatus 13 Arithmetic processing apparatus 14 Map formation apparatus 200 State determination part 21 Vibration sensor 22 Data logger 23 Information processing apparatus 24 Arithmetic processing apparatus 25 Determination apparatus

Claims (6)

正常状態と異常状態の架線について、架線下をパンタグラフを摺動させながら走行する間の架線のマップ形成用振動データを収集して格納するマップ形成用データ収集装置と、
格納された前記マップ形成用振動データについて、径間毎に区分しベクトル要素毎の値を求めて多次元ベクトル化してマップ形成用入力ベクトルを生成し格納するマップ形成用入力ベクトル生成装置と、
径間毎の前記マップ形成用入力ベクトルを順次自己組織化マップの勝者ノードに投影して、他のノードの重みベクトルとの間の距離を縮めるように重みベクトルを調整する学習を繰り返して自己組織化マップを形成する自己組織化マップ形成装置と、
架線状態毎に集合した領域を区画して診断用の架線状態分類マップを生成して格納する架線状態分類マップ形成装置と
を備える架線状態診断装置。
A map forming data collecting device that collects and stores vibration data for forming a map of an overhead line while traveling while sliding a pantograph under the overhead line for a normal state and an abnormal state overhead line,
A map forming input vector generating device that generates a map forming input vector by storing the map forming vibration data for each span and obtaining a value for each vector element to generate a map forming input vector.
The map formation input vector for each span is projected onto the winner node of the self-organizing map sequentially, and learning for adjusting the weight vector so as to reduce the distance between the weight vectors of other nodes is repeated and self-organization is performed. A self-organizing map forming device for forming an integrated map;
An overhead line state diagnosis apparatus comprising: an overhead line state classification map forming apparatus that divides a region gathered for each overhead line state and generates and stores a diagnostic overhead line state classification map.
診断対象の架線区間において、架線下をパンタグラフを摺動させながら走行する間の架線の診断用振動データを収集して格納する診断用データ収集装置と、
格納された前記診断用振動データについて、径間毎に区分しベクトル要素毎の値を求めて多次元ベクトル化して診断用入力ベクトルを生成し格納する診断用入力ベクトル生成装置と、
径間毎の前記診断用入力ベクトルを架線状態毎に集合した領域が区画された請求項1記載の架線状態分類マップの勝者ノードに投影して、該勝者ノードの属する領域に基づいて架線の状態を診断する診断装置と
を備える架線状態診断装置。
A diagnostic data collection device that collects and stores diagnostic vibration data of the overhead line while traveling while sliding the pantograph under the overhead line in the overhead line section to be diagnosed;
A diagnostic input vector generation device that generates and stores a diagnostic input vector by dividing the span of the stored diagnostic vibration data for each span and obtaining a value for each vector element to generate a multidimensional vector; and
The state of the overhead line based on the region to which the winner node belongs is projected onto the winner node of the overhead line state classification map according to claim 1, wherein a region in which the diagnostic input vector for each span is gathered for each overhead line state is partitioned. An overhead line state diagnosis device comprising: a diagnosis device for diagnosing
前記マップ形成用データ収集装置は、架線の振動データを推定するシミュレータであることを特徴とする請求項1記載の架線状態診断装置。 2. The overhead line condition diagnosis apparatus according to claim 1, wherein the map forming data collection device is a simulator for estimating vibration data of an overhead line. 前記マップ形成用振動データまたは前記診断用振動データは、架線・パンタグラフ間接触力のデータであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の架線状態診断装置。 4. The overhead line state diagnosis apparatus according to claim 1, wherein the vibration data for map formation or the vibration data for diagnosis is data of contact force between overhead lines and pantographs. 5. 前記マップ形成用振動データまたは前記診断用振動データは、舟体の変位を測定する加速度計、レーザードップラー振動計、レーザー変位計、枠組の関節部に設けられるロータリーエンコーダ、あるいは、アクチュエータの軸力はロードセルにより測定されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の架線状態診断装置。 The map-forming vibration data or the diagnostic vibration data includes an accelerometer that measures displacement of the hull, a laser Doppler vibrometer, a laser displacement meter, a rotary encoder provided at the joint of the frame, or an axial force of the actuator. The overhead line state diagnosis apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the overhead line state diagnosis apparatus is measured by a load cell. 前記ベクトル要素は、振動波形における最大値と最小値、および最大値と最小値それぞれの発現した位置、最大振幅幅、サンプリングした振動測定値の平均値μ、標準偏差、歪度(スキューネス)、尖度(クルトシス)、ウェーブレット変換を基に求まる値、フーリエ変換して得たピーク周波数のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の架線状態診断装置。 The vector element includes the maximum value and minimum value in the vibration waveform, the position where the maximum value and the minimum value are expressed, the maximum amplitude width, the average value μ of the sampled vibration measurement values, the standard deviation, the skewness, the cusp. The overhead line state diagnosis apparatus according to any one of claims 1 to 5, including any one of a degree (Cultosis), a value obtained based on wavelet transformation, and a peak frequency obtained by Fourier transformation.
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