(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

鐵路運(yùn)輸向重載和高速方向不斷的發(fā)展，對(duì)鐵路系統(tǒng)的可靠性和安全性要求也不斷提升。鐵路道閘作為鐵路網(wǎng)的咽喉和關(guān)節(jié)，是鐵路網(wǎng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，也是事故頻繁發(fā)生的地方[1]。轉(zhuǎn)轍機(jī)作為道岔中主要的信號(hào)設(shè)備，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)工況的監(jiān)測(cè)十分重要。轉(zhuǎn)轍機(jī)的牽引力能夠準(zhǔn)確地反映道岔轉(zhuǎn)換是否到位[2]。目前國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力的方法主要分兩種：① 通過(guò)銷式應(yīng)變力傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力，并在傳感器內(nèi)部嵌入微控制器、信號(hào)調(diào)理等電路。王安等[3]設(shè)計(jì)了單芯電纜傳輸?shù)亩噢D(zhuǎn)轍機(jī)拉力測(cè)試儀。該方法可同時(shí)測(cè)量多臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力，提高了測(cè)量效率，但傳感器直接與轉(zhuǎn)轍機(jī)相連接，會(huì)影響到轉(zhuǎn)轍機(jī)自身工作的穩(wěn)定性，只能起到臨時(shí)測(cè)試的目的，不能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。② 通過(guò)采集轉(zhuǎn)轍機(jī)的電氣參數(shù)，計(jì)算轉(zhuǎn)轍機(jī)的拉力。何迎春等[4]通過(guò)隔離采集轉(zhuǎn)轍機(jī)電氣參數(shù)，并基于功率不變、動(dòng)能不變的原則換算為轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力。該方法實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力，但需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離采集，不能真實(shí)地反映轉(zhuǎn)轍機(jī)實(shí)際工作下的牽引力。王安等[5-6]通過(guò)采集轉(zhuǎn)轍機(jī)電氣參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力。該方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力，但電纜電阻和環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。

最小二乘法作為一種優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)尋找最小誤差的平方和來(lái)確定數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)。最小二乘法在土壤濕度傳感器誤差補(bǔ)償[7]和連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸定位精度補(bǔ)償[8]等機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通過(guò)不斷地進(jìn)行信號(hào)的正向傳播和反向調(diào)節(jié)，使得輸出信號(hào)的誤差達(dá)到一定的精度要求。劉影等[9]模擬退火算法改進(jìn)四層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后建立分類預(yù)測(cè)模型，提高了算法準(zhǔn)確度。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在測(cè)溫濕度誤差補(bǔ)償[10]、測(cè)距誤差補(bǔ)償[11]、定位[12-13]以及避障[14]等機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在前人研究基礎(chǔ)上，為了填補(bǔ)轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力在線測(cè)試的空白，提供一種非接觸式實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力的方法，利用激光位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿速度，并通過(guò)計(jì)算公式得出轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力?？紤]轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力時(shí)既存在線性誤差，又存在非線性誤差，單一的補(bǔ)償模型滿足不了設(shè)備的精度要求，因此采用先通過(guò)最小二乘法補(bǔ)償再通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)碾p重誤差補(bǔ)償方法提高測(cè)量精度。

1 轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力方法

1.1 方法簡(jiǎn)介

S700K在工作時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)電機(jī)齒輪、小齒輪和大齒輪傳遞后經(jīng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠與動(dòng)作桿鎖閉連接由保持連接器完成，在保持連接器的作用下動(dòng)作桿做直線運(yùn)動(dòng)。將直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)折算為單軸拖動(dòng)系統(tǒng)后，轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力F與動(dòng)作桿速度v成反比，與電機(jī)功率P成正比[6]。三級(jí)齒輪傳動(dòng)可等效為杠桿傳動(dòng)原理。因此，本方法通過(guò)激光位移傳感器水平照射至轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿尾端，通過(guò)數(shù)采卡將采集信號(hào)輸送至上位機(jī)，測(cè)得動(dòng)作桿“位移—時(shí)間”圖像，并在上位機(jī)中換算為動(dòng)作桿速度信息。將電機(jī)額定功率和動(dòng)作桿速度信息帶入測(cè)力公式并通過(guò)誤差補(bǔ)償測(cè)得轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力。系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型圖

1.2 建立轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力模型

S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由電機(jī)、電機(jī)齒輪、中間齒輪、大齒輪、滾珠絲杠、保持連接器和動(dòng)作桿組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由齒輪傳動(dòng)原理可得三級(jí)齒輪組轉(zhuǎn)速與齒輪半徑成反比。大齒輪工作時(shí)與滾珠絲杠轉(zhuǎn)速相同。轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿通過(guò)保持連接器與滾珠絲杠連接，保證其速度與滾珠絲杠線速度相同，故動(dòng)作桿速度等于滾珠絲杠螺距乘以滾珠絲杠轉(zhuǎn)速。再結(jié)合“功率—扭矩”關(guān)系式、“扭矩—扭力”關(guān)系式及齒輪等效杠桿原理得牽引力測(cè)試公式如下：

n1∶n2∶n3=z3∶z2∶z1

(1)

v=n3·d

(2)

(3)

T=F1·r1

(4)

F∶F1=r3∶r1

(5)

式中：n1為電機(jī)齒輪轉(zhuǎn)速；n3為第3級(jí)齒輪轉(zhuǎn)速；z1為電機(jī)齒輪齒數(shù)；z3為大齒輪齒數(shù)；r1為電機(jī)輪半徑 ；r3為大齒輪半徑；v為動(dòng)作桿線速度；d為滾珠絲杠螺距；P為電機(jī)功率；T為電機(jī)齒輪扭矩；F1為電機(jī)齒輪輸出力；F為轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力。

圖2 S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)圖

由式(1)～式(5)可得：

(6)

由于轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)齒輪、中間齒輪和第3級(jí)齒輪的齒輪半徑和齒數(shù)固定，故轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力與動(dòng)作桿件速度的倒數(shù)成線性關(guān)系，即需找到轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿速度的倒數(shù)與轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力合適的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力誤差分析

試驗(yàn)于轉(zhuǎn)轍機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，轉(zhuǎn)轍機(jī)試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力擋位，使拉力在600～7000 N之間調(diào)節(jié)，通過(guò)激光位移傳感器測(cè)得速度和拉力原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力測(cè)量數(shù)據(jù)

由表1可以看出，拉力小時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)的振動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，當(dāng)拉力逐漸增加時(shí)，測(cè)試誤差呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力誤差主要來(lái)源于激光傳感器安裝誤差、傳感器自身誤差和環(huán)境干擾誤差。下面對(duì)誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

① 傳感器自身誤差。由于激光傳感器存一定傾角和表面粗糙度等，在實(shí)際測(cè)量中會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定影響，降低測(cè)量精度。

② 激光傳感器安裝誤差。激光位移傳感器安裝時(shí)需要保證激光水平照射至動(dòng)作桿尾部，如果照射存在偏角，導(dǎo)致速度數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確。在安裝激光位移傳感器時(shí)可能存在安裝時(shí)的機(jī)械誤差，從而影響測(cè)量精度。

③ 環(huán)境干擾誤差。外界測(cè)量環(huán)境如溫度、濕度、以及轉(zhuǎn)轍機(jī)震動(dòng)等因素都會(huì)影響數(shù)據(jù)測(cè)量的精度。

綜上考慮各方面誤差影響，為提高轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力測(cè)量精度，采用軟件算法補(bǔ)償誤差的方法：通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)特征選取合適的算法補(bǔ)償數(shù)據(jù)誤差，以達(dá)到較高的測(cè)量精度。

由于轉(zhuǎn)轍機(jī)本身振動(dòng)和測(cè)試環(huán)境的干擾等因素，使得測(cè)試的誤差較大，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

3 誤差補(bǔ)償方法

通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力，記錄轉(zhuǎn)轍機(jī)在不同拉力情況下動(dòng)作桿速度的倒數(shù)與轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力的關(guān)系，數(shù)據(jù)特征圖如圖3所示。根據(jù)數(shù)據(jù)特征圖可知，動(dòng)作桿速度倒數(shù)與轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力整體呈線性關(guān)系。在2000 N下，由于轉(zhuǎn)轍機(jī)輸出力較小，轉(zhuǎn)轍機(jī)自身的震動(dòng)對(duì)測(cè)量精度影響較大，所以呈現(xiàn)有規(guī)律的散點(diǎn)狀分布。因此采用先通過(guò)最小二乘法初步補(bǔ)償數(shù)據(jù)誤差后再使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精細(xì)補(bǔ)償數(shù)據(jù)誤差的方法。

圖3 數(shù)據(jù)特征圖

3.1 最小二乘法改進(jìn)算法模型建立

最小二乘法作為一種優(yōu)化技術(shù)，是通過(guò)尋找最小誤差的平方和來(lái)確定數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)。模型建立如下：

設(shè)經(jīng)過(guò)m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi)(i=1,2,…,m)的線性擬合數(shù)據(jù)為

y=φ(x)=ax+b

(7)

任一散點(diǎn)(xi,yi)到直線y=φ(x)的最短距離為

(8)

(9)

為求得最佳線性擬合方程，需使ψ(a,b)取最小值即可。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型建立

神經(jīng)元作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本處理單元，一般可表示為一種多輸入、單輸出的非線性模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，而方法中自變量?jī)H為動(dòng)作桿速度，故輸入信號(hào)只有一個(gè)為動(dòng)作桿速度。

其模型常用一階微分方程來(lái)描述：

(10)

神經(jīng)元的輸出函數(shù)采用如下S型函數(shù)：

(11)

圖4 轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力神經(jīng)元結(jié)構(gòu)圖

圖4中：v為輸入信號(hào)速度；w為權(quán)值；μi為神經(jīng)元i中的內(nèi)部狀態(tài)；θi為閾值。

3.2.1 學(xué)習(xí)樣本的處理

為了使預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)更為精確，消除數(shù)據(jù)本身量綱對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響，首先應(yīng)對(duì)輸入和輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使數(shù)據(jù)化成[0,1]內(nèi)的數(shù)值，其歸一化的公式為

(12)

逆變化為

X=Xmin+Y(Xmax-Xmin)

(13)

式中：Y為歸一化后的數(shù)據(jù)；Xmin為輸入數(shù)據(jù)最小值；X為原始數(shù)據(jù)；Xmax為輸入數(shù)據(jù)最大值。

3.2.2 隱層神經(jīng)元數(shù)目的確定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

(14)

式中：m為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；l為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；a為取1～10之間的常數(shù)。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)a取10時(shí)效果最好，隱層神經(jīng)元數(shù)目為11。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)于南京電務(wù)段練功場(chǎng)內(nèi)完成，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力，試驗(yàn)條件如圖5所示。在600～6000 N之間隨機(jī)采集轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿速度信息和真實(shí)的轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力信息在定位和反位運(yùn)動(dòng)中的數(shù)據(jù)，一組作為訓(xùn)練樣本，一組作為驗(yàn)證樣本。數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Matlab軟件，最小二乘法使用polyfit函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)采用正切函數(shù)tansig，訓(xùn)練函數(shù)采用函數(shù)trainlm，權(quán)值閾值學(xué)習(xí)函數(shù)采用函數(shù)learngdm，性能函數(shù)選用函數(shù)mse，訓(xùn)練目標(biāo)誤差設(shè)定為10-3，最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)定為1000次。

所得轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力數(shù)據(jù)如表2所示，其中轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力為轉(zhuǎn)轍機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試臺(tái)牽引力所得轉(zhuǎn)轍機(jī)的實(shí)際拉力，計(jì)算值為測(cè)量后經(jīng)過(guò)雙重誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)轍機(jī)工作牽引力范圍為1000～2000 N，1000 N以下數(shù)據(jù)環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。故參考1000 N以上的測(cè)量數(shù)據(jù)并通過(guò)對(duì)比表1和表2數(shù)據(jù)分析可得，經(jīng)過(guò)最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙重誤差補(bǔ)償后，計(jì)算值與轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力真實(shí)值基本保持一致，測(cè)量數(shù)據(jù)平均誤差為7%。結(jié)果表明該方法滿足轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力測(cè)試要求。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片

表2 轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力補(bǔ)償數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)非接觸測(cè)力計(jì)是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)功率信息或電機(jī)轉(zhuǎn)速信息采集后換算為轉(zhuǎn)轍機(jī)拉力，以上兩種方法反映不了轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿件的速度信息，且測(cè)量誤差偏大。因此針對(duì)以上問(wèn)題提供了一種非接觸式檢測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力的新方法。通過(guò)激光位移傳感器獲得轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿速度信息，運(yùn)用齒輪等效桿桿法建立轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)力數(shù)學(xué)模型，測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)最小二乘和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙重補(bǔ)償?shù)贸鲛D(zhuǎn)轍機(jī)牽引力。實(shí)驗(yàn)證明，該方法平均誤差為6%，可以高效準(zhǔn)確地測(cè)量轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引力。