軌道交通牽引系統(tǒng)故障預(yù)警與行車安全控制策略研究摘要：文章聚焦于軌道交通牽引系統(tǒng)故障預(yù)警與行車安全控制策略。通過對(duì)牽引系統(tǒng)故障類型與原因的深入剖析，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型驅(qū)動(dòng)等方法構(gòu)建故障預(yù)警模型。在行車安全控制方面，從制動(dòng)控制、速度控制、列車運(yùn)行模式優(yōu)化等多維度提出策略，同時(shí)探討了應(yīng)急處理與救援機(jī)制的完善措施。研究結(jié)果為提升軌道交通系統(tǒng)的安全性與可靠性提供了有力的理論與實(shí)踐支持。關(guān)鍵詞：軌道交通；牽引系統(tǒng)；故障預(yù)警；行車安全；控制策略一、引言當(dāng)前，我國正處于城市化快速推進(jìn)的進(jìn)程中，以地鐵為代表的軌道交通憑借快捷、舒適且無污染等優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代大中型城市的首選交通工具之一，并正逐步成為解決大城市交通擁堵問題的有效手段。軌道交通牽引供電系統(tǒng)作為保障列車行駛的動(dòng)力來源，其可靠性與安全性直接關(guān)系到整條線路的安全及運(yùn)輸效率。但由于牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境多變，故障時(shí)常發(fā)生，這不僅嚴(yán)重影響了軌道交通的正常運(yùn)營秩序，甚至可能引發(fā)安全事故。由此可見，開展軌道交通牽引系統(tǒng)故障預(yù)警與行車安全控制策略的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、常見故障類型與原因分析2.1電氣故障電氣故障是牽引系統(tǒng)中最為常見的故障類型之一，主要包括牽引電機(jī)故障、變流器故障、接觸網(wǎng)（軌）故障等。牽引電機(jī)故障可能由繞組短路、斷路、軸承損壞等原因引起；變流器故障則可能是由于功率器件損壞、控制電路故障、散熱不良等因素導(dǎo)致；接觸網(wǎng)（軌）故障常見的有斷線、絕緣子故障、接觸不良等。這些電氣故障的發(fā)生，往往會(huì)導(dǎo)致列車失去動(dòng)力、運(yùn)行異常甚至停車[1]。2.2機(jī)械故障涉及牽引系統(tǒng)中的機(jī)械部分，比如齒輪箱故障、聯(lián)軸節(jié)故障、車輪故障等等。齒輪箱故障一般是由齒輪過度磨損或疲勞折損、潤滑油不足或潤滑脂失效造成的；聯(lián)軸節(jié)故障一般是由于緊固件松弛或者是橡膠彈性的減退引起的；車輪故障一般指的是車輪踏面磨耗嚴(yán)重，車輪輻板變形，以及車輪裂紋等問題。此類機(jī)械方面的故障會(huì)造成列車行駛過程中震動(dòng)加劇，并且影響其正常安全運(yùn)營。2.3控制系統(tǒng)故障控制系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為控制信號(hào)異常、通信故障、軟件故障等[2]。控制信號(hào)異?？赡苁怯捎趥鞲衅鞴收?、控制器故障等原因?qū)е?；通信故障則可能是由于通信線路損壞、通信協(xié)議不匹配等因素引起；軟件故障可能是由于程序漏洞、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等原因造成。控制系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致牽引系統(tǒng)的控制失調(diào)，嚴(yán)重影響列車的安全運(yùn)行。

三、軌道交通牽引系統(tǒng)故障預(yù)警方法?3.1數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障預(yù)警方法?3.1.1基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法?目前，在軌道交通牽引系統(tǒng)故障預(yù)警方面應(yīng)用較為廣泛的機(jī)器學(xué)習(xí)算法有：支持向量機(jī)（SupportVectorMachine，簡稱SVM）、決策樹（DecisionTree，簡稱為DT）以及隨機(jī)森林（RandomForests，簡稱RF），這些機(jī)器學(xué)習(xí)算法均可以應(yīng)用于軌道交通牽引系統(tǒng)故障預(yù)警研究之中。其中，支持向量機(jī)是一種典型的監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該算法采用核函數(shù)將原始樣本空間映射為高維的空間，并在此基礎(chǔ)上尋找一個(gè)最優(yōu)的分類超平面來完成樣本的分類工作；利用支持向量機(jī)算法可以有效地對(duì)軌道交通牽引系統(tǒng)運(yùn)行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類與判別從而達(dá)到對(duì)牽引系統(tǒng)故障提前預(yù)警的目的[3]。另外一種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法是基于信息增益的決策樹算法，該算法主要根據(jù)數(shù)據(jù)集各個(gè)屬性的信息熵來進(jìn)行屬性的選擇，最終得到一套完整的二叉樹結(jié)構(gòu)并以此為基礎(chǔ)形成對(duì)應(yīng)的規(guī)則庫或決策樹模型，進(jìn)而用來判斷某個(gè)特定實(shí)例是否發(fā)生故障，并發(fā)出故障預(yù)警信號(hào)。?3.1.2基于深度學(xué)習(xí)的方法?由于深度學(xué)習(xí)算法本身具備較強(qiáng)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力和良好的非線性映射特性，在復(fù)雜場景下的泛化性能優(yōu)越，并且無需人為地定義特定特征函數(shù)。因此基于深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建故障檢測(cè)模型也逐漸成為一種有效的研究思路。例如，利用LSTM網(wǎng)絡(luò)對(duì)牽引系統(tǒng)的時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，能夠有效地捕捉數(shù)據(jù)中的時(shí)間序列特征，預(yù)測(cè)故障的發(fā)生趨勢(shì)。通過搭建LSTM網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)變流器的直流母線電壓、輸出電流等時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差超過設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)故障預(yù)警。?3.2模型驅(qū)動(dòng)的故障預(yù)警方法?3.2.1基于物理模型的方法?基于物理模型的故障預(yù)警方法利用牽引系統(tǒng)所具有的物理原理及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的仿真計(jì)算來預(yù)報(bào)故障發(fā)生。例如，建立牽引電機(jī)的等效電路模型與機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型；然后通過采集電機(jī)的相關(guān)電氣量或振動(dòng)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理得到其特征參量值，再將這些特征參量值作為輸入變量送入到已建立好的等效電路模型與機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型中去求解相應(yīng)輸出變量的變化情況，如果某些關(guān)鍵性輸出變量發(fā)生了較大偏離，則說明電機(jī)出現(xiàn)了故障征兆。此法比較準(zhǔn)確可靠但是對(duì)模型的搭建以及參數(shù)設(shè)定有很高的要求并且需深入掌握牽引系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。?3.2.2基于故障樹分析的方法?故障樹分析（FaultTreeAnalysis，F(xiàn)TA），它是一種從結(jié)果開始向上的逆推式分析方法。在軌道交通牽引系統(tǒng)中，以列車失去動(dòng)力這一故障為頂事件，逐步分析導(dǎo)致該故障的各個(gè)子事件，如牽引電機(jī)故障、變流器故障、接觸網(wǎng)（軌）故障等，并確定各子事件之間的邏輯關(guān)系[4]。通過對(duì)故障樹的定性和定量分析，能夠確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)測(cè)故障發(fā)生的概率，為故障預(yù)警提供依據(jù)。?3.3多源信息融合的故障預(yù)警方法?多源信息融合的故障預(yù)警方法：利用牽引系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)傳感器獲取的不同種類的信息（包括電氣類信息、機(jī)械類信息及環(huán)境類信息）作為輸入量，運(yùn)用信息融合的方法對(duì)其進(jìn)行綜合加工與處理后送入故障預(yù)警模型中。常用的幾種信息融合方法主要有數(shù)據(jù)層融合、特征層融合以及決策層融合三種方式。其中，數(shù)據(jù)層融合是指把各傳感器測(cè)量得到的各種類型的原始信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)行融合；特征層融合則是指先把各類傳感器測(cè)得的原始信號(hào)分別進(jìn)行特征化轉(zhuǎn)換并提取其各自的特征參數(shù)之后，再根據(jù)一定的準(zhǔn)則把這些特征參數(shù)加以融合；而決策層融合則是在每個(gè)子系統(tǒng)單獨(dú)建立一個(gè)預(yù)測(cè)或診斷模型的基礎(chǔ)上，對(duì)各自所得出的結(jié)果進(jìn)行融合。四、軌道交通行車安全控制策略?4.1制動(dòng)控制策略?4.1.1常用制動(dòng)控制方法?常見的制動(dòng)方式主要有空氣制動(dòng)和電制動(dòng)兩種形式?？諝庵苿?dòng)就是指利用壓力空氣作為原動(dòng)力來實(shí)施制動(dòng)的一種制動(dòng)方式，它主要是由制動(dòng)裝置產(chǎn)生的制動(dòng)力通過制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到閘瓦上并作用于車輪踏面上從而形成制動(dòng)力；而電制動(dòng)是指把列車運(yùn)動(dòng)過程中所具有的能量回收起來回饋給供電系統(tǒng)或是轉(zhuǎn)換成熱能耗散出去的能量回收型制動(dòng)方式，包括再生制動(dòng)（也稱發(fā)電制動(dòng)）和電阻制動(dòng)。目前，常用的是采用電空聯(lián)合制動(dòng)的方法來進(jìn)行列車的制動(dòng)操作，即依據(jù)列車運(yùn)行情況以及載荷狀態(tài)的不同選擇合適的制動(dòng)模式，并結(jié)合實(shí)際情況合理地分配各模式的制動(dòng)力大小，達(dá)到最佳的制動(dòng)效果及良好的節(jié)電性能。?4.1.2制動(dòng)控制策略的優(yōu)化?為了提高制動(dòng)控制的安全性與可靠性，可以對(duì)制動(dòng)控制策略進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化：如利用模糊控制方法設(shè)計(jì)出一種新型的制動(dòng)控制策略，在這種制動(dòng)控制策略中可以根據(jù)列車當(dāng)前的狀態(tài)（即列車的速度、加速度以及列車的載荷）來確定最佳的電空混合制動(dòng)力分配方案[5]。通過對(duì)列車上安裝的各種傳感器所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模糊推理后得到相應(yīng)的輸出結(jié)果，從而改變電空混合制動(dòng)力的比例關(guān)系。再者就是增加防滑控制功能，防滑控制是針對(duì)軌道車輛的一種特殊控制方式，能有效地避免由于緊急制動(dòng)而引起的車輪打滑現(xiàn)象的發(fā)生。?4.2速度控制策略?4.2.1列車速度控制模式?列車速度控制方式有司機(jī)手動(dòng)控制及自動(dòng)控制兩種。在司機(jī)手動(dòng)控制中，由司機(jī)根據(jù)線路情況以及前方進(jìn)路的狀態(tài)等因素操縱機(jī)車車輛上的牽引與制動(dòng)力大小來調(diào)節(jié)列車速度；而自動(dòng)控制是利用列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）中的列車自動(dòng)防護(hù)，ATC系統(tǒng)包括列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）和列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）三個(gè)子系統(tǒng)。ATP系統(tǒng)負(fù)責(zé)確保列車運(yùn)行的安全，通過車載設(shè)備和地面設(shè)備的信息交互，實(shí)時(shí)計(jì)算列車的安全運(yùn)行速度，并對(duì)列車的實(shí)際速度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)列車速度超過安全速度時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)制動(dòng)裝置使列車減速。4.2.2速度控制策略的改進(jìn)?為提高列車速度控制系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器的控制性能及快速反應(yīng)能力，研究了以基于模型預(yù)測(cè)（MP）速度控制器代替常規(guī)PID型速度控制器的方法；建立了相應(yīng)的MP型速度控制器數(shù)學(xué)模型并分析其基本特性。提出基于離散系統(tǒng)時(shí)域法設(shè)計(jì)列車速度控制器的設(shè)計(jì)方法以及基于MP型速度控制器的速度閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理。針對(duì)傳統(tǒng)速度控制方式存在的問題提出了一種新的具有抗干擾能力強(qiáng)且能有效抑制外部擾動(dòng)影響的新型模糊邏輯速度控制算法。該方法將模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相結(jié)合，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車速度曲線軌跡規(guī)劃和速度指令值生成，使列車能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)速度。4.3列車運(yùn)行模式優(yōu)化?4.3.1不同運(yùn)行模式分析?列車運(yùn)行模式有：正常運(yùn)行模式、降級(jí)運(yùn)行模式以及緊急運(yùn)行模式三種。正常運(yùn)行模式是指列車按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間表及運(yùn)行圖進(jìn)行正常的運(yùn)行，此時(shí)列車上的所有裝置都處于正常的工作狀態(tài)。降級(jí)運(yùn)行模式是指由于某些原因?qū)е铝熊嚨牟糠衷O(shè)備或者系統(tǒng)不能正常工作而仍可繼續(xù)運(yùn)行的一種運(yùn)行方式，比如某一節(jié)車的動(dòng)力出現(xiàn)問題，該列車就只能以較低的速度運(yùn)行到下一個(gè)車站然后換向返回，以此類推直到到達(dá)終點(diǎn)站。緊急運(yùn)行模式是一種非常態(tài)下的運(yùn)行模式，通常發(fā)生在列車發(fā)生突發(fā)事件的情況之下，比如火警、地震等；在這種狀態(tài)下，列車要盡快將旅客撤離并做好一切必要的準(zhǔn)備來應(yīng)對(duì)各種可能發(fā)生的意外事故。?4.3.2運(yùn)行模式優(yōu)化策略?針對(duì)不同的運(yùn)行工況，制定相應(yīng)的運(yùn)行模式優(yōu)化方案；例如，對(duì)于正常運(yùn)行模式下的運(yùn)行，則可以運(yùn)用節(jié)能控制策略，通過獲取軌道線路上的坡道以及限速信息來確定列車的速度限制區(qū)間及加速減速區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)在線路坡段上按照最短的時(shí)間來進(jìn)行能量消耗最小化的運(yùn)行軌跡計(jì)算。而對(duì)于降級(jí)運(yùn)行模式下的運(yùn)行，則可以根據(jù)當(dāng)前發(fā)生的故障類型及其嚴(yán)重程度，結(jié)合實(shí)際線路狀況來安排合理的車次行駛速度或者停車位置，以保證列車能夠在既定的安全條件下平穩(wěn)地完成后續(xù)的行程任務(wù)并且不會(huì)給正常的運(yùn)營帶來較大的影響。在緊急運(yùn)行模式下，建立完善的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，確保列車能夠迅速、有效地采取緊急制動(dòng)和疏散乘客等措施，保障乘客的生命安全。?4.4應(yīng)急處理與救援機(jī)制?4.4.1應(yīng)急預(yù)案制定?建立完備的軌道交通牽引系統(tǒng)故障應(yīng)急預(yù)案體系，對(duì)故障或突發(fā)事件的發(fā)生后各相關(guān)部門及人員的責(zé)任劃分、處置原則、工作程序以及所需各種物資器材配置情況做出明確規(guī)定；根據(jù)不同的故障類型及其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場環(huán)境條件將預(yù)案劃分為若干子預(yù)案，包括：牽引系統(tǒng)電氣故障應(yīng)急預(yù)案、牽引系統(tǒng)機(jī)械故障應(yīng)急預(yù)案、火災(zāi)事故應(yīng)急預(yù)案等，并不斷對(duì)其進(jìn)行修正完善。?4.4.2應(yīng)急救援設(shè)備與技術(shù)?購置各類緊急救援車輛，主要包括軌道救援車、消防搶險(xiǎn)車等；準(zhǔn)備充足有效的應(yīng)急設(shè)施和器具，主要指各類用于救援作業(yè)的安全防護(hù)用品、應(yīng)急照明燈具、通訊聯(lián)絡(luò)裝置、滅火器等；開發(fā)應(yīng)用先進(jìn)可靠的應(yīng)急技術(shù)和手段，如遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)、快速搶修技術(shù)等，提高應(yīng)急救援的效率和質(zhì)量。?結(jié)束語通過對(duì)牽引系統(tǒng)故障類型與原因的詳細(xì)分析，提出了多種故障預(yù)警方法，包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模型驅(qū)動(dòng)以及多源信息融合的方法，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證了故障預(yù)警模型的有效性。在行車安全控制方面，從制動(dòng)控制、速度控制、列車運(yùn)行模式優(yōu)化以及應(yīng)急處理與救援機(jī)制等多個(gè)維度提出了相應(yīng)的策略，旨在提高軌道交通系統(tǒng)的行車安全性和可靠性。未來還需要進(jìn)一步深入研究，不斷完善相關(guān)技術(shù)和策略，以適應(yīng)軌道交通快速發(fā)展的需求，為廣大乘客提供更加安全、可靠、便捷的出行服務(wù)。

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