一种接触网结构波长自动提取方法技术

本发公开了一种接触网结构波长的自动提取方法。针对高速铁路接触网和受电弓之间接触压力在弓网受流质量评估和接触网状态诊断中的应用问题，提出一种自动提取弓网接触压力中接触网结构波长的方法。对弓网接触压力数据进行预处理，调整数据长度，保证数据可靠性；对预处理后数据进行适当端点延拓，采用集合经验模式分解EEMD分解数据并获得一系列固有模式函数IMF；通过希尔伯特变换计算各IMF的瞬时频率，基于接触网结构波长范围自动辨识所有IMF中的接触网结构波长成分，提取并输出弓网接触压力中的接触网结构波长和非接触网结构波长。分析表明，使用本方法可提高弓网接触压力在弓网受流质量评估和接触网状态诊断中的实用性和有效性，为高速铁路弓网系统的运营和维护提供了便利。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种接触网结构波长自动提取方法。具体说就是一种基于集合经验模式分解(EEMD,Ensemble Empirical Mode Decomposition)的接触网结构波长和非结构波长的自动辨识和提取方法。
技术介绍
受电弓和接触网之间的滑动接触是电气化铁路电力机车受流的关键环节，良好的受流质量是高速铁路安全运营和不断提速的前提。弓网接触压力是直接反映弓网滑动接触情况的参数，因此被广泛应用于弓网受流质量的评价。根据涉及电气化铁路的中国标准、欧洲标准以及近期国内外研究成果，目前使用弓网接触压力的受流质量评价指标主要包括了其平均值、标准差、最大值、最小值和离线率等，一些新的指标如限制频带的统计量、功率谱密度和时频分布等也逐渐被重视和开发。在接触网结构中，由于施加在一个锚段关节两端的接触线和承力索张力是有限的，为了使接触线处于合适的空间位置，接触网一般以跨距和吊弦间距为周期呈现出循环的结构变化。因此，在国内外学者进行弓网接触压力的频域分析时，由于接触网的近似循环结构对弓网滑动接触的影响，均能在接触压力中观测到表征跨距和吊弦间距的波长成分。如Kim通过对线路实验中测得的弓网接触压力进行频谱分析，认为其中存在跨距和吊弦间距引起的频率成分[Kim J S.An experimental study of the dynamic characteristics of the catenary-pantograph interface in high speed trains[J].Journal of mechanical science and technology,2007,21(12):2108-2116.]。Wang等通过仿真和实测弓网接触压力的时频分析，观察到了表征跨距和吊弦间距的波长成分[Wang H,Liu Z,Song Y,et al.Detection of Contact Wire Irregularities Using a Quadratic Time-Frequency Representation of the Pantograph-Catenary Contact Force[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2016,65(6):1385-1397.]。Kusumi等在高速线路中测得的弓网接触压力中同样发现了由跨距和吊弦间距激励产生的波长成分[Kusumi S,Fukutani T,Nezu K.Diagnosis of overhead contact line based on contact force[J].Quarterly Report of RTRI,2006,47(1):39-45.]。这些由接触网结构引起的波长成分通常是弓网接触压力信号中的优势频率，占据了大部分的信号能量，容易造成其它波长成分无法观测甚至被完全淹没，而这些波长中往往包含了反映接触网不良状态的重要信息。因此，提取接触压力中的接触网结构波长成分对其受流质量评估具有重要意义。但是，由于不同线路的接触网结构参数并不相同，同一线路不同区段的接触网结构参数通常也有一定区别，它们引起的接触网结构波长也不相同。在提取弓网接触压力中的接触网结构波长成分时，必须考虑结构变化对提取结果准确性造成的影响，即提取方法本身必须自适应于不同结构下的弓网接触压力。近年来，由Huang等专利技术的经验模式分解(EMD，Empirical Mode Decomposition)具备了信号自适应分解的功能，分解结果由信号自身的主要频率决定[Huang N E,Shen Z,Long S R,et al.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J].Proceedings of the Royal Society of London A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences.The Royal Society,1998,454(1971):903-995.]。在此基础上，Wu等提出了进一步提出了EEMD，有效改善了EMD的模态混叠问题，保证了分解后获得固有模式函数(IMF,Intrinsic Mode Function)的物理意义[Wu Z,Huang N E.Ensemble empirical mode decomposition:a noise-assisted data analysis method[J].Advances in adaptive data analysis,2009,1(01):1-41.]。通过计算分解后IMF的瞬时频率，各个IMF对应的频率以及物理意义即可被辨识。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种自动提取弓网接触压力中接触网结构波长的方法。该方法对弓网接触压力信号进行EEMD分解并获得分解后IMF分量对应的瞬时频率，通过IMF的频率范围辨识接触网结构波长，实现接触网结构波长的自动提取。该方法提升了弓网接触压力在弓网受流质量评估和接触网状态诊断中的有效性和实用性。实现本专利技术目的所采用的手段为：一种接触网结构波长自动提取方法，经EEMD分解延拓弓网接触压力信号，采用希尔伯特变换计算分解后信号的瞬时频率，利用接触网结构参数范围辨识分解后信号中的接触网结构波长成分，自动提取电气化铁路受电弓和接触网之间接触压力(以下简称“弓网接触压力”)中的接触网结构波长成分，其具体工作步骤包含：A、弓网接触压力信号预处理a.检验实测或仿真的弓网接触压力数据原始数据，满足为连续数据且其对应的受电弓运行距离不少于所涉及铁道线路四个跨距；对于持续里程超过十个跨距的连续数据，则将数据作分段处理；b.视情预处理：对于实测弓网接触压力数据，根据原始数据的测量方法，采取相应的去噪和补偿预处理措施，以保证测量数据可靠性；对于仿真弓网接触压力数据不作此处理；B、基于集合经验模式分解EEMD,的弓网接触压力数据分解a.分别取待分解弓网接触压力数据两端的相邻数据，数据持续里程近似于半跨距，对待分解数据序列进行端点延拓，构造新的待分解数据；待分解数据两端无可用数据时可不进行端点延拓；b.对新的待分解数据进行EEMD(EEMD,Ensemble Empirical Mode Decomposition)分解，获得一系列固有模式函数IMF(Intrinsic Mode Function)；C、自动辨识和提取接触网结构波长a.获得所有N个IMFdj(t),j＝1,2,...,N的解析形式zj(t)： z j ( t ) = d j ( t ) + i H [ d j (本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种接触网结构波长自动提取方法，经EEMD分解延拓弓网接触压力信号，采用希尔伯特变换计算分解后信号的瞬时频率，利用接触网结构参数范围辨识分解后信号中的接触网结构波长成分，自动提取电气化铁路受电弓和接触网之间接触压力中的接触网结构波长成分，其具体工作步骤包含：A、弓网接触压力信号预处理a.检验实测或仿真的弓网接触压力数据原始数据，满足为连续数据且其对应的受电弓运行距离不少于所涉及铁道线路四个跨距；对于持续里程超过十个跨距的连续数据，则将数据作分段处理；b.视情预处理：对于实测弓网接触压力数据，根据原始数据的测量方法，采取相应的去噪和补偿预处理措施，以保证测量数据可靠性；对于仿真弓网接触压力数据不作此处理；B、基于集合经验模式分解EEMD,的弓网接触压力数据分解a.分别取待分解弓网接触压力数据两端的相邻数据，数据持续里程近似于半跨距，对待分解数据序列进行端点延拓，构造新的待分解数据；待分解数据两端无可用数据时可不进行端点延拓；b.对新的待分解数据进行EEMD分解，获得一系列固有模式函数IMF；C、自动辨识和提取接触网结构波长a.获得所有N个IMF dj(t),j＝1,2,...,N的解析形式zj(t)：zj(t)=dj(t)+iH[dj(t)]=aj(t)eiθj(t)---(1)]]>式中H[dj(t)]表示对IMF dj(t)进行希尔伯特变换，i为虚数单位，且有aj(t)=dj2(t)+H[dj(t)]2θj(t)=arctan(H[dj(t)]dj(t))---(2)]]>计算所有IMF对应的瞬时频率ωj(t)：ωj(t)=dθj(t)dt---(3)]]>b.通过下式布尔变量Bj辨识N个IMF中的接触网波长成分:Bj＝max[ωj(t)]＜ωu∧min[ωj(t)]＞ωl    (4)式中max[ωj(t)]和min[ωj(t)]分别表示取瞬时频率ωj(t)的最大值和最小值，∧表示逻辑与运算，ωu和ωl分别表示判断IMF是否为接触网结构波长的频率上界和下界；对于所有IMF，若其对应的布尔变量Bj为1，则判断其为接触网结构波长成分；若Bj为0，则为非接触网结构波长成分；D、输出接触网结构波长提取结果分别将辨识的所有接触网结构波长成分和所有非接触网结构波长成分相加，获得并输出本方法提取的接触网结构波长和非接触网结构波长至后续处理设备，完成自动提取。...

【技术特征摘要】
1.一种接触网结构波长自动提取方法，经EEMD分解延拓弓网接触压力信号，采用希尔伯特变换计算分解后信号的瞬时频率，利用接触网结构参数范围辨识分解后信号中的接触网结构波长成分，自动提取电气化铁路受电弓和接触网之间接触压力中的接触网结构波长成分，其具体工作步骤包含：A、弓网接触压力信号预处理a.检验实测或仿真的弓网接触压力数据原始数据，满足为连续数据且其对应的受电弓运行距离不少于所涉及铁道线路四个跨距；对于持续里程超过十个跨距的连续数据，则将数据作分段处理；b.视情预处理：对于实测弓网接触压力数据，根据原始数据的测量方法，采取相应的去噪和补偿预处理措施，以保证测量数据可靠性；对于仿真弓网接触压力数据不作此处理；B、基于集合经验模式分解EEMD,的弓网接触压力数据分解a.分别取待分解弓网接触压力数据两端的相邻数据，数据持续里程近似于半跨距，对待分解数据序列进行端点延拓，构造新的待分解数据；待分解数据两端无可用数据时可不进行端点延拓；b.对新的待分解数据进行EEMD分解，获得一系列固有模式函数IMF；C、自动辨识和提取接触网结构波长a.获得所有N个IMF dj(t),j＝1,2,...,N的解析形式zj(t)： z j ( t ) = d j ( t ) + i H [ d j ( t ) ] = a j ( t ) e iθ j ( t ) - - - ( 1 ) ]]>式中H[dj(t)]表示对IMF dj(t)进行希尔伯特变换，i为虚数单位，且有 a j ( t ) = d j 2 ( t ) + H [ d j ( t ) ] 2 θ j ( t ) = arctan ( H ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，汪宏睿，段甫川，韩志伟，张静，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51