（应用数学专业论文）弓网动态检测评价标准体系的建立.pdf

湖北大学硕十学位论文 摘要 随着我国国民经济的不断发展，发展高速铁路和客运专线是我国铁路现代化建设的 必然趋势。我国的铁路电气化迎来了前所未有的快速发展的春天，真正意义上的高速铁 路时代已经到来。与此同时，弓网检测车也随之产生。弓网检测车的一个重要目的就是 对已投入运行的电气化线路检测接触悬挂的工作状态，以便及时发现隐患，消除各种故 障，保证安全运行，以避免弓网故障的发生。大多数故障的发生看似具有一定的偶然性， 其实从其运行前的参数就可以知道故障的隐患范围和可能发生的结果。弓网检测的参数 既相互独立，又存在必然联系。在许多实际工作中，常常遇到检测参数未超标，但仍存 在故障隐患的情况。这就需要综合分析各项检测参数，找到检测参数之间的关系，对评 估弓网运行的安全性和机车的高速安全运行会有很大帮助。 本文主要研究内容是建立弓网动态检测标准的体系，把模糊聚类法运用于弓网检测 数据中，对铁路第六次大提速以来，综合检测车( 动车组c r h 2 0 1 0 ) 在提速区段检测到的 弓网参数数据进行综合分析和研究其参数之间的内在关系，进而拟定出弓网受流性能参 数的阀值，引入弓网质量参数，建立包括局部幅值管理方法和区段管理方法的弓网动态 检测标准体系。 首先，对于局部幅值管理，本文借鉴模糊c 均值聚类方法在国内外及各领域的研究 成果，通过查阅这方面的资料，了解模糊聚类法的基本思想和算法过程，又根据检测数 据的特点，提出了利用智能方法模糊聚类法来分析和挖掘弓网检测数据，寻找出一 种合理的弓网受流性能指标和评价准则，根据聚类结果验证了该方法的合理性、有效性。 其次，本文在进行聚类分析之前，对各项参数的实际检测数据进行了以下工作：数据文 件进行读取、画参数关系图、作数据线性回归、去速度、画数据直方图和提取所需数据， 为数据聚类做准备，本文采用模糊c 均值聚类法对预处理后的样本数据进行聚类分析， 进而算出各项受流参数的阀值，作为该参数新的评价依据。从算法性能和聚类效果上看， 此法具有较好的聚类性能和分类效果，值得在弓网受流性能参数的阀值判定的研发过程 中深入研究。最后以跨为单元区段，分段计算单元区段上硬点、接触压力两项幅值的标 准偏差，作为区间评判的接触网质量指数，建立完整的弓网动态检测评价标准体系。 关键词：弓网检测；受流性能；模糊聚类；聚类分析；模糊c 均值；接触网质量指数 湖北人学硕上学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ee c o n o m y su n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt od e v e l o ph i g h s p e e d r a i l r o a da n dp a s s e n g e r - d e d i c a t e dl i n ef o rt h ec o u n t r y sr a i l w a ym o d e r n i z a t i o n c o n s t r u c t i o n o u rc o u n t r y sr a i l w a ye l e c t r i f i c a t i o nh a sw e l c o m e dt h eu n p r e c e d e n t e df a s t d e v e l o p m e n tt i m e s ，a n dt h eh i g h - s p e e dr a i l r o a dt i m ei sc o m i n gi nt h et r u es e n s e m e a n w h i l e ， p a n t o g r a g h c a t e n a r yi n s p e c t i o nc a r c a m ei n t ob e i n ga l o n gw i t hi t a ni m p o r t a n ta i mo f u s i n g p a n t o g r a g h c a t e n a r yi n s p e c t i o nc a ri s t oe x a m i n et h ec o n t a c t s u s p e n s i o n sw o r k i n g c o n d i t i o n so ft h ee x i s t i n ge l e c t r i f i c a t i o nr a i l r o a d s ow ec a nd i s c o v e rt h eh i d d e nd a n g e ra n d e l i m i n a t ee a c h1 【i n do fb r e a k d o w np r o m p t l y , a n dg u a r a n t e et h et r a i n ss a f eo p e r a t i o nt oa v o i d t h eo c c u r r e n c eo fp a n t o g r a g h - c a t e n a r yi n s p e c t i o nb r e a k d o w n i ts e e m st h a tt h eo c c u r r e n c eo f m o s tb r e a k d o w n sh a sc e r t a i nc o n t i n g e n c y , b u tt h eh i d d e nd a n g e r ss c o p ea n dt h ep o s s i b l e r e s u l t sa c t u a l l yc a nb ef o u n df r o mt h ep a r a m e t e r sb e f o r ei t so p e r m i o n t h ep a r a m e t e ro f p a n t o g r a g h - c a t e n a r yi n s p e c t i o ni sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t ，b u tt h e r ei si n e v i t a b l er e l a t i o n i n m a n yc a s e s ，i th a p p e n st h a te x a m i n a t i o np a r a m e t e r sh a v en o te x c e e d e dt h ea l l o w e ds t a n d a r d ， b u tt h eh i d d e nd a n g e rs t i l lc a nn o tb ed e t e c t e d t h e nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i si sn e c e s s a r yf o r f i n d i n g a l lt h ep a r a m e t e r s r e l a t i o n ，a si ti s i m p o r t a n tf o ra p p r a i s i n g t h es e c u r i t yo f p a n t o g r a g h c a t e n a r yi n s p e c t i o na n dl o c o m o t i v e ss a f eo p e r a t i o n t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri st os e tu pas t a n d a r ds y s t e mo fp a n t o g r a p h c a t e n a r y d y n a m i ci n s p e c t i o n ，a p p l y i n gf u z z yc l u s t e r i n gl a wt oa n a l y z et h ed a t ao fp a n t a n g r a h - c a t e n a r y i n s p e c t i o nd e t e c t e db yc o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n gt r a i n ( m o t o rt r a i ns e tc r h 2 0 10 ) s i n c et h e s i x t hs p e e di n c r e a s e ，t oa n a l y z et h ep a n t a n g r a h c a t e n a r yi n s p e c t i o nd a t ae x a m i n e da n dt o a n a l y z ei tg e n e r a l l ya n ds t u d yt h ei n t r i n s i cr e l a t i o n so fi t sp a r a m e t e r s ，t h e nd r a wu pt h e t h r e s h o l dv a l u eo fc u r r e n tc o l l e c t i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fp a n t a n g r a h c a t e n a r y i nt h e e n d ，w et a k es p a nf o rt h eu n i ts e c t i o na n dc a l c u l a t et h es t a n d a r dd e v i m i o n o ft h eh a r d s p o ta n d c o n t a c tp r e s s u r ei ne a c hu n i ts e c t i o n ，r e g a r d i n ga st h ec a t e n a r yq u a l i t yi n d e xt oj u d g et h e i n t e r z o n ea n ds e t t i n gu ps t a n d a r ds y s t e mo fp a n t o g r a p h c a t e n a r yd y n a m i ci n s p e c t i o n f i r s t ，t h i sa r t i c l ep r o f i t sf r o mf u z z yc m e a n sc l u s t e ra n a l y s i si nv a r i o u sd o m a i n sa th o m e a n da b r o a d t h r o u g hr e f e r r i n gt ot h e s em a t e r i a l s ，t h eb a s i cp h i l o s o p h ya n dt h ea l g o r i t h m p r o c e s so ff u z z yc l u s t e r i n g m e t h o di su n d e r s t o o d t h e n ，a ni n t e l l i g e n tm e t h o d ，f u z z y 湖北大学硕上学位论文 c l u s t e r i n gm e t h o d ，i sp r o p o s e db a s e do nd a t a c h a r a c t e r st o a n a l y z ea n de x c a v a t e t h e i n s p e c t i o nd a t ao fp a n t o g r a g h c a t e n a r y , a n dt h er e a s o n a b l ei n d e xa n da p p r a i s a lc r i t e r i o no f p a n t o g r a p h - c a t e n a r yc u r r e n tc o l l e c t i n gp e r f o r m a n c ei ss o u g h to u tt oc o n f i r mt h er a t i o n a l i t y a n dv a l i d i t yo ft h i sm e t h o d t h e n ，f o rt h ep u r p o s eo fp r e p a r i n gf o rt h ed a t ac l u s t e r , t h e f o l l o w i n gw o r kw a sc a r r i e do u tt oe a c hp a r a m e t e r se x a m i n a t i o nd a t ab e f o r et h ec l u s t e r a n a l y s i s ：r e a dt h ed a t af i l e ，d r a wt h er e l a t i o n a lg r a p ho fp a r a m e t e r s ，a n dm a k et h ed a t al i n e a r r e g r e s s i o n ，e l i m i n a t et h es p e e d ，d r a wh i s t o g r a ma n de x t r a c tt h ed a t an e e d e d a tl a s t ，u s i n gt h e f u z z yc m e a n sc l u s t e r i n ga l g o r i t h mt oa n a l y z et h es a m p l e dd a t aw h i c hh a sb e e np r e t r e a t e d ， t h e nf i g u r i n go u te a c hi t e mo ft h ec u r r e n tc o l l e c t i o np a r a m e t e r s ，w h i c hi st h en e wa p p r a i s a l b a s i so ft h ep a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c ea n dt h ec l u s t e re f f e c t ，t h i s l a wh a sag o o dc l u s t e r i n gp e r f o r m a n c ea n dc l a s s i f i e de f f e c t ，a n di ti sw o r t hd o i n gf u r t h e r r e s e a r c hf o rt h et h r e s h o l dv a l u eo fc u r r e n t c o l l e c t i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o f p a n t a n g r a h c a t e n a r y k e yw o r d s ：p a n t o g r a g h c a t e n a r yi n s p e c t i o n ；c u r r e n tc o l l e c t i n gp e r f o r m a n c e ；f u z z y c l u s t e r i n g ；c l u s t e r i n ga n a l y s i s ；f u z z yc - m e a n s ；c a t e n a r yq u a l i t y i n d e x 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名：驾喻 醐：h 7 年肌7 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的e p , 昂u 本和电子版本；学校有权保存并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允 许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 零镉 指导教师签名： 落抓督 醐：1 耵月7 日 醐锄0 7 刚2 7 日 湖北大学硕士学位论文 1 1 课题的意义 第1 章绪论 随着我国国民经济的不断发展，发展高速铁路和客运专线是我国铁路现代化建设的 必然趋势。自从1 9 9 7 年起我国陆续在京广、京沪、京哈、沪昆、京九、陇海、胶济及 广深等铁路干线进行6 次提速。目前我国电气化铁路已达2 4 万公里，运行速度在2 0 0 k m h 以上区段有5 8 0 0 多公里，其中2 5 0 k m h 区段有1 0 0 0 多公里。预计在2 0 1 0 年前将 要修建武广、石太、京津等9 条客运专线，运营速度将超过3 0 0k m h 。中长期铁路 网规划明确指出，到2 0 2 0 年，我国铁路总里程将达到1 0 万公里，其中电气化5 万公 里，电气化率要达到5 0 。而截至到2 0 0 6 年底，我国铁路营业里程达到7 7 万公里， 位居世界第三。随着青藏铁路的开通，我国大陆所有省份均有铁路通达。全国铁路中， 复线里程2 6 4 万公里，复线率3 4 3 ；电气化里程2 4 4 万公里，电气化铁路比重由上 年的2 6 7 提高到3 1 7 ，增加5 个百分点【2 1 。从以上数据显示出未来的铁路电气化将 成为铁路建设的重点。高速铁路时代已经到来。 随着高速铁路电气化的发展，弓网受流检测系统也就随之产生。弓网受流检测系 统的一个重要目的就是对己经投入运行的电气化线路检测接触悬挂的工作状态，以便及 时发现隐患，消除各种故障，保证安全运行。而每个弓网受流性能参数的检测值都与列 车运行的状态相关。目前我国分析弓网故障隐患时，都是单独考虑某一个参数的值是否 在设计的安全范围内，如果符合则是安全的，如果不符则需要检修相关部件。然而，利 用某一个弓网受流参数来分析和评价整个弓网受流情况是不合理的。而应该综合利用动 检车上大量的弓网受流参数检测数据，分析其各受流参数从而得到相关联信息，总结出 可靠的、适用的弓网受流性能指标和评判准则，建立一套完整的弓网动态检测评价标准 体系。 自2 0 0 7 年4 月1 8 日，我国第六次大提速以来，动检测车对京哈、京沪、京广、沪 昆及陇海等铁路干线进行了检测，并得到了大量的检测数据，如何用这些数据找到接触 网检测参数之间的关系? 如何得到更为合理的弓网受流性能指标和评判准则呢? 如何 建立完整的评价体系? 因此，此课题一方面提出了利用智能方法一模糊聚类法来分析和 挖掘检测数据，寻找出一种合理的弓网受流性能指标和评价准则；另一方面引入接触网 质量指数，建立一套完整的弓网动态检测评价标准体系。 湖北人学硕士学位论文 1 2 弓网检测的意义及国内外发展状况 1 2 1 弓网检测的意义 发展高速铁路和客运专线是我国铁路现代化建设的必然趋势，其牵引方式绝大部分 为电力牵引，电力牵引具有牵引力大、运输成本低、污染小、运量大、速度快、能耗低 和安全可靠等优点等优点。高速铁路电气化时代已经到来。随着我国电气化铁道列车运 行速度的不断提高，接触网设计、施工、运行维护部门非常关心高速情况下的弓网关系。 高速情况下的弓网接触压力、弓网冲击、接触线的高度变化、接触网的弹性及其均匀系 数等是反映弓网运行状况的重要参数【3 】。利用这些参数可以对弓网关系进行综合评判， 反过来也可以指导设计单位对接触悬挂及受电弓的特性进行改进。这就要求接触网检测 设备满足两方面的要求：一是要求检测速度能够满足高速运行，二是能准确地测量高速 情况下的弓网受流性能参数。 受电弓弓头的滑板与接触线接触，相对滑动，从接触网上取下电流，输送给电力机 车，这一过程称之为受流。受电弓与接触网可靠地接触是保证高速受流的重要条件。铁 路电气化进程中，除了要研制高速机车车辆和线路结构外，还必须研究解决受电弓在接 触网下的高速受流问题，研究受电弓的运动学特性和动力学特性，只有这样才能使电力 机车从接触网上可靠地获取电力能源。要保证受电弓与接触网的良好接触和可靠取流， 对接触网的设计、施工和运营必须具有一定的要求。而对接触网进行经常性的一系列检 测可以做到两方面工作：一为工程施工单位和运营维护单位提供接触网的状态数据，供 施工单位工程技术人员及时了解接触网状况，做到心中有数；二为接触网设计人员提供 弓网运行状态参数，以便分析高速受流及对弓网系统进行优化设计【4 】。 受电弓与接触网之间的受流性能直接影响到电气化铁路的行车安全。受电弓和接触 网均处于露天的工作环境，其运行工况复杂多变，只有严格定期地对弓网进行检测和维 护，才能消除弓网存在的安全隐【5 】。一旦出现弓网故障，最低程度上也会刮坏受电弓， 造成机车的停运，严重的将会造成接触网停电或刮断接触网，引起锚段堵塞，甚至扰乱 整条干线的运营计划，严重影响铁路运输的安全、畅通，给国民经济造成巨大的损失。 因此，为保证电气化铁路的安全运行，保证可靠供电，在电气化铁路的施工和日常运营 中，必须加强对电气化铁路接触网的检测和监视，及时发现隐患，采取相应的措施消除 隐患，确保接触网与受电弓处于良好的工作状态，保证安全运营【6 】。目前，国内电气化 2 湖北人学硕上学位论文 铁路主要对接触网的硬点、高差、接触压力和拉出值等参数进行检测，因此建立完整的 弓网动态检测体系，采用智能数据分析方法对弓网受流性能进行分析，及时准确地发现 检测参数的变化规律，对保障弓网安全运行和维护都具有重要的现实意义。 1 2 2 弓网检测的国外发展状况 世界上高速铁路比较发达的国家，例如德国、日本、法国、匈牙利和奥地利等国家 很早以前就开始研制弓网检测装置，用于评估弓网受流性能以及线路质量。 弓网检测技术是随着铁道电气化的不断发展而随之产生的，发展弓网检测技术较早 的是前联邦德国。其后，法国进行了大量的实际线路受流试验；日本在这方面也做了大 量的研究和试验，开发出一系列根据不同的要求而设计的接触网检测车；奥地利在光学 非接触法检测接触网参数的研究中取得了很大的进展。这些检测车根据不同的要求既有 用来为现场运行服务的常规弓网检测，也有用来为研究高速运行时弓网特性所需的参数 检测。其中尤以日本开发的系列接触网检测车最具代表性。 二十世纪九十年代初，日本急行电铁公司拥有了集接触网检测、信号检测和无线电 检测于一身的新型电气检测车，该车可以在1 0 0 k m h 速度下检测接触网的高度、拉出值、 定位器坡度、离线、硬点、支柱号、跨距等参数。与此同时，东京交通局也研制出了弓 网检测车，它装有磨耗、拉出值、硬点、位置等检测装置。 由于国外铁路高速化研究和实践比较早，他们在高速弓网检测技术研究方面，取得 了很大的进展。国外的弓网检测技术的研究一般是根据本国的实际情况，选择适合本国 线路状况的研究重点，如德国的检测车突出检测弓网间的接触压力，法国突出检测接触 悬挂的动态弹性，日本则突出检测弓网离线、接触线磨耗4 1 。 随着列车速度的不断提高，要求检测车也要相应提高速度，以获取与列车最高运行 速度相同的检测数据，并缩短检测时间；运用综合检测列车己成为客运专线检测的发展 趋势，世界三个高速铁路发达国家除德国外都运用综合检测列车作为检测工具【1 5 j 引。 ( 1 ) 日本：时速2 7 5 k m 的e a s t i 高速综合检测列车。 2 0 0 2 年3 月东日本铁路公司的e a s t i 新干线电气弓网综合检测列车投入使用( i 意 为检查、智能、综合) 。该列车采用7 0 0 系电动车组，6 辆编组( 3 号车为弓网检测车，其 余为通信信号、电力检测车) ，运用于新干线以及与新干线直通运行的既有线上，最高 速度分别为2 7 5 k m h 和1 3 0 k m h ，从而实现了新干线与既有线的维修管理一体化。 该检测列车的检测项目由原来的5 9 项扩大到8 8 项，原来一直由人工检测的接触导线重 1 湖北大学硕士学位论文 叠部分、渡线部分都实现了自动检测。列车头部安装了摄像装置，可以随时监视弓网及 周边结构物的情况；其他检测装置包括对向列车检测装置、横向加速度检测器、转向架 检测装置、激光陀螺仪、噪声计、接触导线间隔测定装置、冲击检测器、受电弓高度检 测器、接触导线磨耗检测器等。 ( 2 ) 德国：g e o r a i l - - x p r e s s 综合检测车 该检测车由德国g b mw i e b e 弓网工程机械公司、b e n n l e cs y s t e m t e c h n i k 股份公司 和德国铁路公司共同研制能对线路上的可见和不可见部分进行全数字化测量、采集和 分析，检测速度按1 0 0 k m h 设计。g e o r a i l x p r e s s 综合检测车主要装置包括：( 1 ) 地 质勘察装置，由装有4 根天线的雷达系统构成，最大探测深度达4 m ；( 2 ) 隧道检测装置， 由装有4 根天线的侧壁和顶部检测雷达系统构成；( 3 ) 线路和环境检测装置，由4 维弓网 环境照相机构成；( 4 ) 弓网检测装置，由6 个激光传感器和2 架数码行扫描照相机构成； ( 5 ) 轨枕和无碴弓网检测装置，由4 架探测混凝土裂缝的数码行扫描照相机构成；( 6 ) 轨 头检测装置，由2 架检测轨头状况的高分辨率行扫描照相机构成；( 7 ) 确定绝对位置的卫 星定位同步装置。这些装置同步工作时，定位精度可达0 5 m 。 ( 3 ) 法国：时速3 0 0 k m 的m g v 高速综合检测列车 2 0 0 3 年下半年法国国营铁路公司( s n c f ) 开始改装一列三流制t g v 路网型列车， 计划进行一年的调试，改造成为基础设施高速检测列车( 定名为m g v ) ，到2 0 0 5 年投入 使用，以改善高速线路的维护。m g v 将能够在3 0 0 k m h 速度下对接触网、通信信号、 弓网等进行检测。 ( 4 ) 意大利：阿基米德的高速综合检测列车 意大利铁路采用高新技术，在既有检测列车的基础上，开发出称为阿基米德的高速 综合检测列车。为此，9 0 名工程技术人员参与了r o g e r 2 0 0 0 的研制，投资1 0 7 0 万欧元， 历时2 年，另有8 8 0 万欧元用于机车车辆的制造。阿基米德检测列车由l 节机车、4 节 客车和1 节驱动尾车组成，主要特点是：能够同时测量弓网、乘坐质量、接触网、信号 和通信；运行速度2 0 0 k m h ；双流制的机车能在2 5 k v5 0 h z 和3 k v d c 的电网内工作。 车载5 7 台计算机具有处理3 0 g b p s 数据的能力；由光纤网连接的测量系统包括4 3 个光 传感器、4 7 个加速度计、1 5 台视频摄像机，大量强度、速度、位置、温度传感器以及 航空用惯性测量装置；可同时检测1 1 9 个基本参数和2 0 0 个导出参数。定位系统的精 度在5 c m 范围，5 k m 的光纤传输速度是2 5 0 0 m b i t s 。在获取基础数据后，经分析、计 划、工序安排和实施的过程，建立起以基础设施状况为基础的维修链。这种高速检测列 4 湖北大学硕士学位论文 车具有高的检测频次、测量结果反映实际运营条件、不影响正常列车运营和各种基础条 件集中测量的诸多优点。 1 2 3 弓网检测的国内发展状况 国内最早进行弓网参数检测技术研究的是铁道部铁道科学研究院，他们从二十世纪 六十年代初开始跟踪和学习国外先进的弓网检测技术，至今已有接近五十年的历史。其 后，在二十世纪七十年代后期，成都铁路局和原西安铁路局也参加到研究弓网检测装置 的行列中。二十世纪八十年代我国开始自行研究开发弓网检测车，简单的弓网检测设备 安装在客车车体上，主要进行检测接触线高度和拉出值等参数。 随着电气化铁道的发展及检测技术的不断提高，弓网检测设备也在不停地进步。二 十世纪八十年代西南交通大学开始研究弓网检测技术，并与其他单位合作陆续开发了 j j c 1 型、j j c 2 型、j j c 3 型弓网检测车，并在多年的现场使用中取得了良好的效果。 j j c c 1 型由豪华型软卧车体和检测设备两部分组成，不带动力，和客车联挂编组运行， 一般加挂于客车的尾部。j j c 2 型由车体和检测设备两部分组成，车体为不带动力的弓 网车辆，需要牵引车拖动运行，运行速度不超过1 1 0 k m h 。j j c 3 型是在j j c 2 型的基 础上增加动力演化成的，它是中国国情与中国路情相结合的产物，检测速度能达到 1 1 0 k m h ，对车辆进行改造后可达到1 4 0 k m h 7 1 。 2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路史上进行了第六次全面提速，与此同时，我国也随之 产生了动车组c r h 2 0 1 0 综合检测车，该综合检测车主要任务是对2 0 0 7 年4 月1 8 日提 速干线区段进行检测。和国外检测列车一样，中国综合检测列车也可同时检测弓网、接 触网、通信信号、动力学等基础设施状态。该综合检测车能在运行速度2 5 0 k m h 时，连 续地对诸多技术参数进行全面的检测，更重要的是，它具备与检测系统配套的、高效的、 功能全面的数据处理软件系统。该综合检测系统突破了上述国内检测车的局限性，能满 足电气化铁路新的发展形势下的新要求，具有广阔的应用前景。 我国综合检测列车主要检测参数应包括：弓网、线路视景及全断面尺寸、接触网、信 号、通信及其他相关参数。( 1 ) 弓网检测系统的参数采集，包括：弓网儿何，车体加速度， 轴箱加速度，车辆噪声，扣件、道床检测；( 2 ) 线路视景及全断面检测，包括：轨距，临线 间距，隧道净空，接触网高度及拉出值，其他限界尺寸，全断面高速视景监测记录；( 3 ) 接触网检测，包括：受流检测，接触网动态参数；( 4 ) 信号检测，包括：机车信号传输参数， 列车速度控制信标参数，弓网上的点式应答；( 5 ) 通信检测，包括：车一地通信的无线覆盖， 5 湖北人学硕士学位论文 g s m 和g s m r 的无线覆盖；( 6 ) 其它检测项同的检测，包括：列车测速定位，气象条件， 风速，道口、道岔、桥梁和曲线拉杆等地而标识。 针对综合检测列车接触网安全检测的要求和弓网受流性能试验的特点，铁道科学研 究院机车车辆研究所研制开发了以下接触网检测和弓网受流性能测试设备：接触网受 电弓系统受流性能测试设备；综合检测车接触网检测系统；动车组车载接触网实时检测 装置【1 蛇2 1 。 弓网受流性能测试设备：自2 0 0 6 年6 月至2 0 0 7 年4 月，铁道部组织了对c i 讯1 、 c r h 2 、c r h 5 动车组和大功率机车的型式试验，铁科院机辆所负责受电弓特性和弓网 受流性能试验。2 0 0 6 年6 月首先在胶济线进行了c r h 2 动车组的线路试验，并多次进 行了弓网受流性能试验，针对动车组弓网受流试验中出现的问题，对动车组受电弓和提 速线路接触网提出了科学合理的技术方案，经实施后，使动车组受电弓与提速线路接触 网的弓网适应性满足了第六次铁路提速的技术要求。 综合检测车接触网检测系统：传统的接触网弓网参数的检测通常是采用专用的接触 网检测车定期对铁路接触网弓网系统进行检测。随着铁路提速的进行，列车运行速度的 提高及行车密度的增大，对接触网及受电弓安全运行的要求越来越高，对接触网的检测 和维修要求状态检测和状态维修。时速2 0 0 公里动车组的开行，不可能在电动车组上加 挂接触网检测车。因此，迫切需要能在2 0 0 公里d , 时动车组上实时检测接触网和受电弓 运行状态参数的装置，在动车组运行过程中测试和评价弓网的受流性能，为接触网和受 电弓的性能优化提供实际线路试验数据，为运营部门提供维修依据。 动车组车载接触网实时检测装置：随着铁路第六次提速工作的进行，列车运行速度 的提高及行车密度的增大，对接触网及受电弓安全运行的要求越来越高，对接触网的检 测和维修要求状态检测和状态维修。铁道部决定在动车组上加装接触网检测装置，实时 检测动车组高速运行时接触网参数及受电弓的状态，为运营部门提供维修依据。 其中，弓网受流检测装置安装在c r h 2 1 0 号综合检测车上，随着综合检测车的运 行检测弓网的参数。其检测装置安装在4 号、6 号车的受电弓上，4 号车检测到信号通 过光纤传到6 号车统一处理，其主要功能如下【2 3 】： ( 1 ) 此装置安装动车组上，随着动车组的运行来检测弓网受流参数。 ( 2 ) 在全天候( 昼、夜、风、雨、雪、雾) 的条件下正常工作。 ( 3 ) n 量参数包括：接触线动态高度( 一跨内最高高度、最低高度、高差) ；硬点( 垂 向加速度) ；冲击( 纵向加速度) ；弓网接触力( 一跨内最大压力、最小压力、平均压力) ； 6 湖北人学硕士学位论文 拉出值超限检测、网压状态、离线火花、支柱定位、车速、里程等。 ( 4 ) 主要技术指标见表1 - 1 ： 表1 - 1 检测项目的技术指标表 测量项目 测量范同精度 硬点( 垂向加速度) 1 0 0 + 1 0 0 9+ l g 冲击( 纵向加速度) 一1 0 0 - - + 1 0 0 9 ：t ：l g 接触导线高度 5 0 0 0 - - 7 0 0 0 m m+ 1 0 m m 弓网接触力 0 3 0 0 n 士5 n 拉山值超限检测一5 0 、+ 5 0 0 m m 网压状态网侧电压状态 离线火花火花次数及时间 支柱定位 每个支柱9 9 准确 距离定位0 - 5 0 0 0 k m 5 m 速度测量 0 3 0 0 k m h 受电弓图像监视检测数据与图像叠加 1 3 本文的主要工作 本文是基于与铁道科学研究院研发中心共同开发的项目“弓网受流性能参数阀值的 智能选取”，是该项目的前期研究。以铁道科学研究院机车车辆所研制的接触网受电弓 检测系统在全国第六次提速区段上的实测数据为研究对象，对检测数据进行转换处理、 显示及存储，再利用m a t l a b 软件对处理好的数据行进聚类，总结出弓网受流性能参 数的内在联系，最后寻找出弓网受流性能指标的评判准则。 论文的安排如下： 第一章为绪论，在介绍我国高速铁路和客运专线高速发展的基础上，引出了怎样选 取弓网受流性能指标这一课题，然后又介绍了接触网的检测的意义和国内外发展状况， 最后介绍了本论文的研究方向和内容安排。 第二章是模糊聚类法的研究。主要介绍模糊聚类理论的发展概况和模糊c 均值聚类 算法的实现；并列举模糊c 均值聚类算法的优缺点和改进方法。 第三章是弓网检测参数及参数检测方法的分析和研究，主要介绍了接触网检测参数 的种类及其分类、接触网参数检测方法和评判准则等内容，并分析了接触网检测参数的 特点。 7 湖北大学硕士学位论文 第四章是对实测数据进行预处理和f c m 算法的应用。主要介绍了弓网受流检测参 数数据的预处理的过程( 以检测参数“硬点为例) ，通过对预处理过的参数数据进行 聚类分析，得出聚类中心，最终得到弓网受流性能参数“硬点”的阀值，即以此值为新 的“硬点 评价准则。 第五章是计算压力，高差的标准偏差，进而计算其t q i 值，建立完整的弓网动态检 测评价标准体系。 第五章是对当前工作的总结与展望。 8 湖北大学硕+ 学位论文 第2 章模糊聚类法 2 1 模糊聚类理论的发展概况 “物以类聚，人以群分”，聚类问题是一个古老的问题，人类要认识世界就必须区 别不同的事物并认识事物间的相似性。聚类是把具有相似性的事物区分开并加以分类。 聚类分析就是用数学方法，按一定要求和规律对事物进行分类的方法，它不仅是多元统 计分析的方法之一，而且也是统计模式识别中的非监督模式识别的一个重要分支，聚类 分析也被称为无监督分类，其目的在于挖掘数据集合的内部结构特征而根据特定的相似 性度量将数据集划分成一定数目的子集，使得同一子集内部的样本具有较大的相似性， 而不同子集间的样本具有较小相似性。而且也要求分类准确，分类过程及结果可重复， 同时不依赖于分析者的主观判断。 在数学界，普通的聚类分析很早就有研究。人们对模糊聚类的研究起源于1 9 6 5 年 l a z a d e h 创立的模糊集合论【2 4 1 。首先提出以模糊集为理论处理聚类问题是的是 b e l l m a n 。k a l a b a 和z a d e h 2 5 】。随后，w e e 、f l a k e 和t u m e r , g i t m a n 和l e v i n e 也采用模糊 集研究分类问题【2 睨8 1 。1 9 6 9 年，著名的学者e h r u s p i n i 引入了模糊划分的概念进行模 糊聚类分析【2 9 。3 0 】，第一个系统地表述和研究了模糊聚类。之后，引起了更多学者对模糊 聚类进行了广泛地研究【3 1 】，提出了一些理论和方法。众多的研究学者将模糊聚类的方法 应用于各个领域，如天气预报、气象分析、图象分割、模式识别、生物、医学诊断、化 学分析等等，并取得了满意的效果和可观的效益【3 2 。4 1 。 从上世纪7 0 年代至今，学者们提出了各种各样的模糊聚类算法，z a d e h ，t a m u r a 等人提出了基于相似关系和模糊关系的聚类方法【3 5 3 6 】，引起了许多学者对模糊矩阵及其 传递闭包等问题进行了大量的研究。k i ml e 提出了一种基于模糊关系复合的聚类方法 【3 7 】，对基于模糊关系的聚类算法进行了深入的研究。在国内也有不少学者对模糊聚类进 行了深入的研究，罗承忠、李相镐分别介绍了求传递闭包的简便方法【3 8 - 3 9 1 ，朱剑英教授指 出了利用传递闭包法进行聚类时存在的“失真问题 【4 0 1 ，李洪兴、汪培庄以及何清等学 者围绕这个问题，通过研究模糊相似矩阵方程x 2 = x ，给出了矩阵方程的解法，并证明 了“失真 最小的等价矩阵的存在性，同时提出了一种基于摄动的模糊聚类方法( f u z z y c l u s t e r i n gm e t h o db a s e d o np e r t u r b a t i o n ，f c m b p ) 4 1 - 4 2 1 ，将聚类过程中的“失真 问题减 至最小。 9 湖北大学硕上学位论文 用图论方法研究模糊聚类是一种直观有效的方法，1 9 7 4 年，d u n n 利用图论的方法 对t a m u r a 等人在文献 3 6 】中提出的聚类方法进行了分析研究f 4 3 1 ，1 9 9 3 年，z h e n g g uw u 和r l e a h y 提出最优图论方式的聚类方法】。在国内，1 9 8 0 年吴望名就在文中把f u z z y 图论的基本内容介绍到了国内，提出了最大树聚类法 4 5 4 6 】。沙丹为了寻求在绝对距离意 义下与模糊相似矩阵最近的模糊等价阵，建立了最优模糊等价矩阵与图论中的树的联 系，并得出了最优模糊等价矩阵可以在模糊相似矩阵表示的赋权图的生成树中找到，同 时给出了最优模糊等价矩阵必须满足的条件【4 7 1 。1 9 9 2 年，丁斌提出了动态模糊图最大 树聚类方法【4 8 】。 将硬聚类方法推广到模糊聚类中，学者们作了许多研究工作。1 9 7 3 年d u n n 提出了 模糊c 一均值聚类法( f u z z yc m e a n s , f c m ) t 4 钆5 0 】；19 7 4 年j c b e a d e k 和j c d u n n 提出了模 糊i s o d a t a ( i n t e r a c t i v es e l fo r g a n i z i n gd a t aa n a l y s i st e c h n i q u ea l g o r i t h m ) 聚类算法【5 1 1 ； 1 9 8 5 年t a og u 和b u b u l s s o n 提出松弛型k 最近邻法【5 2 】；同年k i l l e r 等人提出了一种模 糊k 一最近邻法【5 3 1 ；1 9 8 6 年b e z d e k 等人把模糊c 均值聚类算法应用到k 最近邻法中， 提出了一种模糊k 一最近邻法。 学者们还提出了其它一些模糊聚类方法，如1 9 7 8 年b e z d e k 和h a r r i 利用数据集的 凸分解来进行模糊聚类【5 4 1 ，1 9 8 5 年e s o g b h c 提出动力学模糊聚类方法【5 5 1 ，1 9 8 8 年 m a n t a r a sv a l v e r d e 基于难以辨别关系提出了几种模糊聚类方法【5 6 1 。 目前对模糊聚类算法进行的研究主要有以下几个方面：( 1 ) 对模糊c 一均值聚类算法 的收敛性和停止准则的研究：( 2 ) 提高模糊c 一均值聚类算法的收敛速度【5 7 】；( 3 ) 修改 目标函数5 8 - 6 0 ；( 4 ) 修改模糊c 一均值聚类算法中的距离【6 l 】；( 5 ) 混合型数据的聚类；( 6 ) 采用自