一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法
【專利摘要】一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，包括如下步驟：（1）高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)獲取；（2）高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理；（3）高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)模態(tài)區(qū)間化；（4）高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)EMD分解；（5）高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)特征提??；（6）構(gòu)建及訓(xùn)練初始區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；（7）高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷。本發(fā)明提出了通過(guò)模態(tài)區(qū)間方法來(lái)處理轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)中的不確定性行問(wèn)題，并利用區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的分類識(shí)別方法對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架故障進(jìn)行診斷。由于其通過(guò)模態(tài)區(qū)間的方法處理了高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷中的不確定性問(wèn)題，將大大提高故障診斷結(jié)果的可靠性。本發(fā)明方法適用高速列車轉(zhuǎn)向架的故障診斷。
【專利說(shuō)明】-種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及高速列車故障診斷領(lǐng)域，特別設(shè)及高速列車轉(zhuǎn)向架的故障診斷方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)向架在高速列車運(yùn)行中擔(dān)當(dāng)著導(dǎo)向、承載、減振的任務(wù)，同時(shí)也是牽引和制動(dòng)最 終執(zhí)行者，是高速列車關(guān)鍵部件。轉(zhuǎn)向架在高速列車營(yíng)運(yùn)由于中承受著頻繁的隨機(jī)動(dòng)載荷， 可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位出現(xiàn)各種故障，而故障的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致高速列車各部位振 動(dòng)加劇、運(yùn)行品質(zhì)下降，甚至?xí)?dǎo)致脫軌翻車等嚴(yán)重事故。因此開(kāi)展高速列車轉(zhuǎn)向架性能檢 測(cè)和故障診斷研究，對(duì)高速列車安全可靠的運(yùn)行具有重大意義。
[0003] 常用的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法為；通過(guò)傳感器獲取轉(zhuǎn)向架振動(dòng)敏感信號(hào)， 通過(guò)時(shí)頻分析獲取轉(zhuǎn)向架故障特征量，最后應(yīng)用分類識(shí)別模型對(duì)轉(zhuǎn)向架故障進(jìn)行診斷。該 種常規(guī)方法從轉(zhuǎn)向架故障信號(hào)的獲取到特征量的提取及到最后的故障分類，都是基于精確 值的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于高速列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、運(yùn)行狀態(tài)中各種影響因素變化的 不確定性和偶然性，將導(dǎo)致高速轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)測(cè)量結(jié)果同樣具有不確定性和隨機(jī)性，傳 統(tǒng)的診斷模型方法很少對(duì)該些不確定性問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)，該將導(dǎo)致診斷結(jié)果的可靠性降低。
[0004] 模態(tài)區(qū)間理論作為不確定性問(wèn)題有效處理工具之一，Joaquim在《Application of Modal Interval Analysis to the Simulation of the Behavior of Dynamic Systems with化cedain Parameters》中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；它應(yīng)用模態(tài)區(qū)間來(lái)處理工程中由于小 樣本、歷史數(shù)據(jù)不完備、隨機(jī)性、先驗(yàn)知識(shí)匿乏等而形成的不確定性問(wèn)題，將不確定量轉(zhuǎn)換 為模態(tài)區(qū)間，通過(guò)模態(tài)區(qū)間的寬度來(lái)量化不確定性大小?；谀B(tài)區(qū)間的不確定性分析方 法考慮了不確定性問(wèn)題，而且模態(tài)區(qū)間形式的結(jié)果包含信息量更豐富、可信度更高。將模態(tài) 區(qū)間理論用來(lái)解決高速列車故障診斷中設(shè)及的不確定性問(wèn)題，可提高轉(zhuǎn)向架故障診斷結(jié)果 的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷中存在的不確定性問(wèn)題，提供一種 基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案如下：
[0007] 一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，利用模態(tài)區(qū)間理論處理診斷 過(guò)程中存在的不確定性問(wèn)題，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD)提取故障特征信息，由區(qū)間神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)模型分類識(shí)別方法對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架故障進(jìn)行可靠診斷。本發(fā)明方法具體步驟如下： [000引 （1)高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)獲取
[0009] 利用測(cè)量工具獲取高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將獲取的信息存 儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。其中振動(dòng)信號(hào)可W是力、加速度、位移和扭矩等信號(hào)中的任一一類，與振動(dòng) 信號(hào)對(duì)應(yīng)的測(cè)量工具為測(cè)力計(jì)、加速度傳感器、位移傳感器和扭矩傳感器等。
[0010] (2)高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理
[0011] 將采集到的高速列車轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包闊值濾波，消除噪聲干擾，形 成無(wú)噪的高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)Xj.(t)，其中t為信號(hào)采集對(duì)應(yīng)時(shí)刻，X為采集信號(hào)幅值， j為振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)（1)中測(cè)量工具中任一一種。
[0012] (3)高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)模態(tài)區(qū)間化
[0013] 考慮高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)測(cè)量及數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中的不確定性問(wèn)題，依據(jù)模 態(tài)區(qū)間理論及誤差理論，將預(yù)處理后的轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)Xj.(t)轉(zhuǎn)換成模態(tài)區(qū)間形式Xj.(t)， X/.(0:=[與(/)丐(/)]，W增加獲取到的振動(dòng)信號(hào)的可靠性。其中為振動(dòng)信號(hào)下界， 氣.W為振動(dòng)信號(hào)上界。
[0014] 模態(tài)區(qū)間X的數(shù)學(xué)定義為：
[0015] x:=[x,x]g1<R
[0016] 即模態(tài)區(qū)間X通過(guò)一對(duì)實(shí)數(shù)2^，X來(lái)定義，2[為下界，X為上界，kR表示模態(tài)閉區(qū)間 的實(shí)數(shù)集合，式中的X不受互<-T的任何約束，即模態(tài)區(qū)間中上下界大小不受限制，如經(jīng)典 區(qū)間只能為巧，5]，不能為[5,2]，但模態(tài)區(qū)間不受限制，兩個(gè)區(qū)間都是許可的。模態(tài)區(qū)間數(shù) 學(xué)運(yùn)算理論基礎(chǔ)為Kaucher算法。
[0017] (4)高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)EMD分解
[0018] 分別對(duì)下界振動(dòng)信號(hào)和上界振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，得到振動(dòng)信號(hào)下界本征模態(tài) 函數(shù)（IMF)以t)和振動(dòng)信號(hào)下界IMF部）。
[0019] (5)高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)特征提取
[0020] 對(duì)振動(dòng)信號(hào)EMD分解后的上下界IMF進(jìn)行篩選，選擇特征顯著的上下界IMF， 并分別計(jì)算下界IMF的能量矩拉：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征在于，所述方法利用模 態(tài)區(qū)間理論處理診斷過(guò)程中存在的不確定性問(wèn)題，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解提取故障特征信息， 由區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分類識(shí)別方法對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架故障進(jìn)行可靠診斷；所述方法具體包 括如下步驟： (1) 高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)獲??； (2) 高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理； (3) 高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)模態(tài)區(qū)間化； (4) 高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)EMD分解； (5) 高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)特征提??； (6) 構(gòu)建及訓(xùn)練初始區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型； (7) 高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征 在于，所述高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)獲取中，振動(dòng)信號(hào)可以是力、加速度、位移和扭矩信號(hào) 中的任一一類，與振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的測(cè)量工具為測(cè)力計(jì)、加速度傳感器、位移傳感器和扭矩傳 感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征 在于，所述高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理，將采集到的高速列車轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行 小波包閾值濾波，消除噪聲干擾，形成無(wú)噪的高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)\ (t)，其中t為信號(hào) 采集對(duì)應(yīng)時(shí)刻，X為采集信號(hào)幅值，j為振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)測(cè)力計(jì)、加速度傳感器、位移傳感器和 扭矩傳感器中任--種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征 在于，所述高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)模態(tài)區(qū)間化，將預(yù)處理后的轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)\(t)轉(zhuǎn)換 成模態(tài)區(qū)間形式\(t)，'(〇:=[今，以增加獲取到的振動(dòng)信號(hào)的可靠性； 其中&(t)為振動(dòng)信號(hào)下界，為振動(dòng)信號(hào)上界。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征 在于，所述高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)EMD分解，即分別對(duì)下界振動(dòng)信號(hào)和上界振動(dòng)信號(hào)進(jìn) 行EMD分解，得到振動(dòng)信號(hào)下界本征模態(tài)函數(shù)（IMF)￡(t)和振動(dòng)信號(hào)下界IMFR/)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征 在于，高速列車轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)特征提取，對(duì)振動(dòng)信號(hào)EMD分解后的上下界MF進(jìn)行篩選， 選擇特征顯著的上下界MF，
量矩組合成模態(tài)區(qū)間特征向量T，T:= [Z：f]，作為后續(xù)分類模型的輸入。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征 在于，所述構(gòu)建及訓(xùn)練初始區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)特征向量T的一部分作 為訓(xùn)練樣本，采用梯度下降法對(duì)初始區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，直至初始區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模型參數(shù)優(yōu)化為止。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模態(tài)區(qū)間的高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷方法，其特征 在于，所述高速列車轉(zhuǎn)向架故障診斷，將提取到的剩余轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)特征向量T作為測(cè) 試樣本，輸入優(yōu)化后的區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，計(jì)算區(qū)間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出結(jié)果，所得到的結(jié) 果利用模態(tài)區(qū)間大小比較法則進(jìn)行比較，模態(tài)區(qū)間最大值對(duì)應(yīng)編碼所在狀態(tài)即為轉(zhuǎn)向架故 障診斷結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G01M13/00GK104502126SQ201410826118
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月28日
【發(fā)明者】謝鋒云, 曹青松, 周建民, 黃志剛, 謝三毛, 李鵬 申請(qǐng)人:華東交通大學(xué)