一種城軌列車輔助逆變器故障診斷裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于城軌列車安全技術領域，具體涉及一種城軌列車輔助逆變器特征提取 與狀態(tài)辨識方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 城市軌道交通迅猛發(fā)展的同時，其列車運營的安全問題也備受關注。作為一體化 的復雜運行系統(tǒng)，列車的狀態(tài)和性能在運行過程中會不斷的降低，從而逐漸形成安全隱患， 如果沒有及時排除，可能就會引發(fā)事故。在實際運營過程中，列車故障導致的事故時有發(fā) 生。而目前我國軌道交通列車監(jiān)測裝備和技術發(fā)展相對滯后，故障信息的采集和保障技術 在縱向上各成系統(tǒng)、橫向上彼此獨立，缺乏一體化的列車監(jiān)控、故障診斷和預警技術，不能 滿足列車個性化維修方案的支持，而且檢修效率低下，嚴重影響列車運輸能力。
[0003] 在城軌列車運營過程中，輔助逆變器較嚴重的故障將影響其正常運營，需要清客 或者到終點站后需退出運營，已經(jīng)成為阻礙城軌列車正常安全運營的重要影響因素之一。 現(xiàn)有技術中的逆變裝置故障診斷方法大多針對采集的原始數(shù)據(jù)直接進行分析診斷，而實際 上，由于列車在運行過程中時常處于不穩(wěn)定運行，這種不穩(wěn)定運行往往對逆變設備產生干 擾，進而導致設備的診斷結果可能由列車運行不穩(wěn)定造成，而不是由于設備自身故障造成， 因此使得傳感器采集到的逆變設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能直接用來診斷分析，這種干擾大大降低 了現(xiàn)有故障診斷技術的精度。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明基于以上問題，針對現(xiàn)有城軌列車輔助逆變器故障診斷技術的不足，目的 是排除列車運行不穩(wěn)定導致的設備數(shù)據(jù)異常情況，使診斷裝置得到的數(shù)據(jù)能真實反映設備 狀態(tài)，提高診斷精度。發(fā)明提供的城軌列車輔助逆變器故障診斷裝置，為城軌列車正常運營 提供了技術保障，具體采用如下技術方案：
[0005] 城軌列車輔助逆變器故障診斷裝置包括:信號采集器、輔助逆變系統(tǒng)信號預處理 器、故障診斷器、數(shù)據(jù)存儲器、顯示器、無線傳輸裝置，信號采集器用于采集輔助逆變器監(jiān)測 數(shù)據(jù);輔助逆變系統(tǒng)信號預處理器包括前置放大器、抗混疊低通濾波器、采樣/保持電路和 多路模擬開關、程控放大器、A/D轉換器和邏輯控制電路;信號采集器將采集的數(shù)據(jù)傳遞給 前置放大器，經(jīng)前置放大器處理后的數(shù)據(jù)依次經(jīng)過抗混疊低通濾波器、采樣/保持電路和 多路模擬開關、程控放大器、A/D轉換器，A/D轉換器將預處理后的數(shù)據(jù)傳遞到故障診斷器； 邏輯控制電路與前置放大器、抗混疊低通濾波器、采樣/保持電路和多路模擬開關、程控放 大器、A/D轉換器、故障診斷器均電性連接;故障診斷器包括擴展卡爾曼濾波器、檢驗器、運 算器、修正器、故障存儲器、故障結果生成器;故障診斷器接收到經(jīng)預處理的數(shù)據(jù)后，依次進 行如下步驟：（i)擴展卡爾曼濾波器對數(shù)據(jù)進行降噪，然后將降噪后的數(shù)據(jù)發(fā)送給運算器； (ii)運算器對降噪后的數(shù)據(jù)進行計算，計算出其預定時間段內的變化幅值，將變化幅值大 于第一閾值的時間節(jié)點記錄下來，并將所述時間節(jié)點對應的數(shù)據(jù)存儲到故障存儲器中； (iii)運算器統(tǒng)計計算故障存儲器中數(shù)據(jù)的分布，并將相對于分布的中間值的偏差值大于 第二閾值的數(shù)據(jù)提取出來，將提取出的數(shù)據(jù)發(fā)送給故障結果生成器；（iv)故障結果生成器 將接收到的運算器的數(shù)據(jù)首先分解為一系列模態(tài)函數(shù)之和，步驟如下：（1)確定數(shù)據(jù)所有的 局部極值點，然后采取三次樣條線將所有局部極大、極小值點連接起來，形成上包絡線與下 包絡線；（2)上包絡線與下包絡線的均值記為nu(t)，然后由降噪后的信號x(t)與均值nu(t) 求出11 1(〇，111(〇=奴〇-1111(〇;(3)如果1 11(〇不滿足模態(tài)函數(shù)條件，把111(〇作為原始數(shù)據(jù)， 并且重復步驟（1)~（2)，得上下包絡的均值mn(t)，則hWOzhKO-mnU);若hn(t)仍不 滿足模態(tài)函數(shù)條件，則重復循環(huán)k次，直至h lk(t)滿足條件，將x(t)的第一個模態(tài)分量記SC1 (t)，ci(t)=hik(t); (4)將ci(t)從x(t)中分離得到ri(t) :ri(t)=x(t)-ci(t);將ri(t)作為 新的原始數(shù)據(jù)重復以上步驟，得到x(t)的第2個模態(tài)分量c2(t)，重復η次得到r n(t)為一個單 調函數(shù)不能再從中提取模態(tài)分量時結束;則降噪后的信號x(t)最終分解為一系列模態(tài)函數(shù) 之和：
然后對分解的模態(tài)函數(shù)提取能量矩，步驟如下：1)根據(jù)如下公 式算出相應能量矩
，其中m是總采樣點數(shù)，k是采樣點，△ t是采樣周期；2)構造特征向量E2…Em]，對T進行歸一化處理，歸一化后，相應 特征向量Τ'為:T'^Ei/E E2/E…Em/E]，其中，
；:最后將能量矩輸入BP神 經(jīng)網(wǎng)絡，最終得出故障診斷結果。
[0006] 優(yōu)選地，若診斷結果為有故障，故障生成器一方面通過顯示屏實時報警并將診斷 結果傳輸至數(shù)據(jù)存儲器，另一方面將故障信息通過以太網(wǎng)傳至車載顯示終端及地面中心。
[0007] 優(yōu)選地，若診斷結果為沒有故障，而檢驗器卻檢測到逆變器已經(jīng)出現(xiàn)了故障，則修 正器基于故障存儲器中的存儲數(shù)據(jù)修正第一閾值和第二閾值;若診斷結果為沒有故障，且 檢驗器沒有檢測到逆變器出現(xiàn)異常，則修正器不進行第一閾值和第二閾值的修正。
[0008] 優(yōu)選地，無線傳輸裝置包括數(shù)據(jù)庫、調制器以及各無線節(jié)點，無線節(jié)點將診斷結果 數(shù)據(jù)通過調制器發(fā)送給數(shù)據(jù)庫。
[0009] 本發(fā)明具有如下有益的技術效果：
[0010] (1)經(jīng)過預處理器和故障診斷器中的運算器的處理，排除了列車運行導致輔助逆 變設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)波動的干擾，提高了故障診斷精度。
[0011] (2)采用首先將數(shù)據(jù)分解為模態(tài)函數(shù)，再提取能量矩，最后將能量矩導入神經(jīng)網(wǎng)絡 的診斷方法，提高了故障診斷精度。
[0012] (3)當出現(xiàn)診斷結果與實際不符時，立即修正判斷條件直至診斷結果與實際相符， 為診斷流程提供可靠保障。
[0013] (4) -方面通過顯示屏實時報警；另一方面原始數(shù)據(jù)和診斷結果通過車載無線傳 輸平臺定期下傳至地面;方便在地面中心分析層會對下傳至地面的原始數(shù)據(jù)進行更為詳細 的分析。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明裝置的結構組成圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)預處理器結構組成圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明故障診斷系統(tǒng)流程圖。
[0017]圖4是模態(tài)函數(shù)分解流程圖。
[0018] 圖5是神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 城軌列車輔助逆變器故障診斷裝置包括傳感器、輔助逆變系統(tǒng)信號預處理器、故 障診斷器、數(shù)據(jù)存儲器、顯示器、無線傳輸裝置，傳感器用于采集輔助逆變器監(jiān)測數(shù)據(jù)。輔助 逆變器故障診斷裝置通過采集電壓、電流傳感器獲得輔助逆變器監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行 診斷分析，實現(xiàn)故障辨識、故障等級分類，得出診斷結果。具體結構如圖1所示。
[0020] 傳感器安裝數(shù)量為每列車總的傳感器個數(shù)是16個。具體清單如下表：
[0021] 表1設備配置數(shù)量表
[0023]注:列/臺表示每列車所裝設備臺數(shù)。
[0024] 在每個A車低壓柜增加 110V直流控制電源電壓和電流傳感器各一個，采集110V直 流控制電源的電流和電壓數(shù)據(jù)，以便分析110V直流控制電源電壓的傳導特性。
[0025] 在每個A車低壓柜增加 380V三相交流電源電壓和電流傳感器各三個，采集380V三 相交流電源的三相電流和電壓數(shù)據(jù)，以便分析380V三相交流電源的傳導特性。
[0026] 其他硬件主要性能指標如下：
[0027] 表2主要性能參數(shù)
[0028]
[0029]
[0030] (2)電源：110V DC
[0031] (3)機箱:外殼白色，PXI總線的內部固定架和底座
[0032] (4)觸摸屏，主要性能指標如下：
[0033] 表3主要性能參數(shù)
[0034]
[0035] 輔助逆變系統(tǒng)信號預處理部分由前置放大器、抗混疊低通濾波器、采樣/保持電路 和多路模擬開關、程控放大器、A/D轉換器和邏輯控制電路組成，如圖2所示。
[0036] 輔助逆變器信號預處理器主要性能指標如下：
[0037] 表4主要性能參數(shù)
[0038]
[0039]
[0040] 故障診斷器包括擴展卡爾曼濾波器、檢驗器、運算器、修正器、故障存儲器、故障結 果生成器，其診斷分析流程如圖3所示。方法步驟如下：
[0041] (i)擴展卡爾曼濾波器對數(shù)據(jù)進行降噪，然后將降噪后的數(shù)據(jù)發(fā)送給運算器。設備 運行過程中往往受到附近設備振動以及其他外界因素的影響，在實際應用中，降噪器需要 對信號進行降噪處理，去除干擾信息。
[0042] (ii)運算器對降噪后的數(shù)據(jù)進行計算，計算出其預定時間段內的變化幅值，將變 化幅值大于第一閾值的時間節(jié)點記錄下來，并將所述時間節(jié)點對應的數(shù)據(jù)存儲到故障存儲 器中。
[0043] (iii)運算器統(tǒng)計計算故障存儲器中數(shù)據(jù)的分布，并將相對于分布的中間值的偏 差值大于第二閾值的數(shù)據(jù)提取出來，將提取出的數(shù)據(jù)發(fā)送給故障結果生成器。
[0044]通過以上兩個步驟排除了列車在不穩(wěn)定運行的狀態(tài)下對設備的干擾，運算結果保 留了能真實放映設備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。
[0045] (iv)故障結果生成器將接收到的運算器的數(shù)據(jù)首先分解為一系列模態(tài)函數(shù)之和， 模態(tài)分解是一種非平穩(wěn)信號處理方法，并且是基于數(shù)據(jù)本身的自適應分解方法。其將一個 復雜信號分解為若干模態(tài)函數(shù)，基于如下假設:任何復雜信號都由一系列的模態(tài)函數(shù)構成， 每一個模態(tài)函數(shù)，其極值點和過零點個數(shù)必須相等或相差最多不能超過一個，以及上下包 絡線對于時間軸局部對稱。其篩分過程如圖4所示，具體步驟為：
[0046] (1)確定數(shù)據(jù)所有的局部極值點，然后采取三次樣條線將所有局部極大、極小值點 連接起來，形成上包絡線與下包絡線；
[0047] (2)上包絡線與下包絡線的均值記為m(t)，然后由降噪后的信號x(t)與均值m(t) 求出hi(t)，hi(t) = x(t)_mi(t);
[0048] (3)如果hKt)不滿足模態(tài)函數(shù)條件，把hKt)作為原始數(shù)據(jù)，并且重復步驟（1)~ (2)，得上下包絡的均值11111(1:)，則1111(1:)=111(1:)1111(1:);
[0049] 若hn(t)仍不滿足模態(tài)函數(shù)條件，則重復循環(huán)k次，直至hlk(t)滿足條件，將x(t)的 第一個模態(tài)分量記為Ci(t)，ci(t)=hik(t);
[0050] (4)將ci(t)從x(t)中分離得到ri(t) :ri(t) =x(t)_ci(t);
[0051] 將。(〇作為新的原始數(shù)據(jù)重復以上步驟，得到x(t)的第2個模態(tài)分量c2(t)，重復η 次得到rn(t)為一個單調函數(shù)不能再從中提取模態(tài)分量時結束；則降噪后的信號x