摘 要：本文針對地鐵電氣系統(tǒng)的電氣閥門的開度控制問題，提出了一種基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的方法。該方法根據(jù)氣動門的電氣閥門開度影響因素，為回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)納入多個(gè)輸入。在迭代訓(xùn)練的過程中，用多次嵌套迭代代替復(fù)雜的運(yùn)算處理，從而提升了預(yù)測效率和預(yù)測精度，也充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)中間層的能力。并在試驗(yàn)中給出了回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的迭代過程，證實(shí)了所提方法能夠精確地自動調(diào)節(jié)、控制地鐵電氣閥門開度。

關(guān)鍵詞：地鐵系統(tǒng)；電氣閥門；自動調(diào)節(jié)；開度控制

中圖分類號：U 231" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地鐵系統(tǒng)是一個(gè)大型綜合性復(fù)雜系統(tǒng)，其控制作業(yè)包括多種控制任務(wù)，可以劃分為多個(gè)控制子系統(tǒng)[1]。除了正常的牽引控制、速度控制以外，還包括氣體回路控制、油回路控制、水回路控制、壓力控制以及流量控制等多種控制任務(wù)[2]。在氣體和液體回路的控制過程中，以電磁閥為代表的電氣閥門控制具有重要作用。例如地鐵中的氣動門利用電磁閥的開度調(diào)節(jié)，控制氣動門的開啟和閉合，包括開啟的幅度和氣動門軸的旋轉(zhuǎn)角度[3]?？梢?，對電氣閥門的控制直接關(guān)系地鐵系統(tǒng)中部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)、安全和穩(wěn)定性。如果電氣閥門的控制出現(xiàn)問題，就可能導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，例如氣動門無法正常打開或有效關(guān)閉，會給地鐵運(yùn)輸埋下較大的安全隱患。為此，對地鐵系統(tǒng)中的電氣閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)、配置有效的自動化控制方法具有十分重要的意義。

1 地鐵系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門控制結(jié)構(gòu)

地鐵系統(tǒng)中包括相當(dāng)數(shù)量的電氣閥門，這些閥門用于不同回路的通斷、開閉，進(jìn)而影響執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動作。電氣閥門能夠根據(jù)壓力、流量和流速等調(diào)整自身的打開角度，同時(shí)控制氣回路、油回路和水回路等的動作。

本文以地鐵系統(tǒng)中的氣動門控制為例，研究電磁閥門的控制過程。一列地鐵上包括多個(gè)上、下乘客的氣動門，它們各有自己的控制回路，電磁閥位于其上。多個(gè)氣動門的多路控制原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每一個(gè)氣動門都有一個(gè)各自的氣動控制回路，每一個(gè)氣動回路又是一個(gè)簡單的二次啟動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，一次網(wǎng)和總氣泵相聯(lián)系，二次網(wǎng)和被控制的氣動門相聯(lián)系。一次網(wǎng)和二次網(wǎng)都有各自的供氣回路和回氣回路。具有關(guān)鍵作用的電磁閥需要配置在每個(gè)回路的一次網(wǎng)上，在電氣控制作用下，電磁閥各身的閥門打開到一定程度進(jìn)行供氣。再通過換氣操作，控制氣動門的打開程度。

從上述電氣控制過程不難發(fā)現(xiàn)，自動調(diào)節(jié)和控制電磁閥門開度，不僅關(guān)系氣動門的啟停和開閉效率，也會影響地鐵系統(tǒng)的整體安全。

2 地鐵系統(tǒng)電氣閥門的控制方法設(shè)計(jì)

2.1 電氣閥門控制的總體方案

在地鐵系統(tǒng)中，對電氣閥門的控制目標(biāo)主要是為了保證精確的控制開度，從而保障氣動門乃至地鐵系統(tǒng)的整體安全。因此要求實(shí)際電氣閥門開度的控制效果和預(yù)期的電氣閥門理想開度盡可能保持一致，二者間的誤差盡可能小。在圖1給出的氣動控制回路中，每一個(gè)控制回路都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，本文將控制算法配置在換氣閥上，利用控制器中的控制算法對換氣閥進(jìn)行控制，達(dá)到預(yù)期的控制效果，該配置點(diǎn)位如圖2所示。

比較圖1和圖2的結(jié)構(gòu)可以看出，圖2為圖1氣動控制回路的局部形態(tài)，是更簡化的版本。換氣閥是一個(gè)電氣閥門，可在控制器的作用下達(dá)到合理的開度，而在控制器中發(fā)揮發(fā)揮重要作用的是運(yùn)行于其上的控制算法，下文將對該控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 電氣閥門控制的方法設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)出更有效的控制算法，本文不采用PID等簡單的控制技術(shù)，而是采用性能更強(qiáng)的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)?；芈暊顟B(tài)網(wǎng)絡(luò)簡稱ESN網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來看，回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分層次的結(jié)構(gòu)，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般形態(tài)是一致的。但是回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以接納較多輸入，對地鐵氣動門電氣閥門開度的多影響因素具有較好的針對性，而其核心特色是中間層，即隱含層包括較多的神經(jīng)元。

中間層的神經(jīng)元不僅數(shù)量繁多，而且位置分布隨機(jī)，不像一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較規(guī)則。恰是這種不規(guī)則，可使回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有更多的靈活性，具有更好的學(xué)習(xí)能力、逼近能力和更高的訓(xùn)練效率。

基于上述分析，本文在地鐵電氣系統(tǒng)氣動門的電氣控制問題中配置8個(gè)輸入和3個(gè)層次，構(gòu)建了整個(gè)回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練模型，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

I1-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第一影響因素；I2-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第二影響因素；I3-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第三影響因素；I4-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第四影響因素；I5-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第五影響因素；I6-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第六影響因素；I7-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第七影響因素；I8-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度第八影響因素；O1-地鐵電氣系統(tǒng)中氣動門的電氣閥門開度大小。

在圖3中的電氣閥門控制過程中，回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)會執(zhí)行其算法，從而進(jìn)行合理控制。從算法的實(shí)質(zhì)來看，回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)對電氣閥門的開度控制是對預(yù)期開度的一種預(yù)測，進(jìn)而取得精準(zhǔn)控制，因此必須建立在大量歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。本文為9個(gè)變量（8個(gè)輸入和1個(gè)輸出的對應(yīng)關(guān)系）配置了大量的歷史數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)均為二維數(shù)據(jù)，即一個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)從形式上構(gòu)成了時(shí)間序列數(shù)據(jù)。至此，可以將整個(gè)回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程用數(shù)學(xué)的形式刻畫出來。

以X（n）表示回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的輸入，該輸入含有m個(gè)維度，是歷史數(shù)據(jù)信息的維度，也預(yù)測數(shù)據(jù)的維度相對應(yīng)。在整個(gè)預(yù)測過程中，Δ表示相鄰2個(gè)數(shù)據(jù)間的距離，至此可以得到預(yù)測數(shù)據(jù)的表達(dá)形式，如公式（1）所示。

x（n）={x（n-Δ），x（n-2Δ），…，x（n-（m-1）Δ）T}

（1）

式中：x（n）為地鐵電氣閥門開度控制預(yù)測過程中的第n個(gè)數(shù)據(jù)；Δ為地鐵電氣閥門開度控制相鄰數(shù)據(jù)間的距離。

進(jìn)一步考慮數(shù)據(jù)的二元屬性，包括時(shí)間維度的信息，再沿著時(shí)間維度考慮數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，從而可以將公式（1）擴(kuò)展為公式（2）。從公式（1）中可以看到，具有時(shí)間變化規(guī)律的數(shù)據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)上具有關(guān)聯(lián)性，可以借此預(yù)測后續(xù)的數(shù)據(jù)。據(jù)此，考慮未發(fā)生的后續(xù)數(shù)據(jù)的可能情況，數(shù)學(xué)描述如公式（2）所示。

x（n+s）=P{x（n+s-Δ），x（n+s-2Δ），…，x（n+s-（m-1）Δ）}T （2）

式中：P為地鐵電氣閥門開度控制過程中的關(guān)聯(lián)函數(shù)；s為地鐵電氣閥門開度控制預(yù)測的時(shí)間起點(diǎn)；x（n）為地鐵電氣閥門開度控制預(yù)測過程中的第n個(gè)數(shù)據(jù)；Δ為地鐵電氣閥門開度控制相鄰數(shù)據(jù)間的距離。

在多個(gè)歷史數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系計(jì)算中，重復(fù)的計(jì)算會消耗大量系統(tǒng)時(shí)間，因此本文采用一種替代處理方法，以提高預(yù)測效率，將其改成嵌套迭代的效果，如公式（3）所示。

（3）

在公式（3）中，地鐵電氣閥門開度控制的預(yù)測過程演變?yōu)槎啻蔚^程的嵌套，內(nèi)括號的是先生成的預(yù)測數(shù)據(jù)，外層括號是后生成的預(yù)測數(shù)據(jù)，每個(gè)預(yù)測數(shù)據(jù)都采用迭代的方法產(chǎn)生。經(jīng)過這樣不斷處理，可以得到最終預(yù)測結(jié)果。根據(jù)公式（3）的表達(dá)，一共進(jìn)行了s次迭代預(yù)測。

如果考慮算法的復(fù)雜性，也可以采用更簡單的直接預(yù)測代替迭代預(yù)測，數(shù)學(xué)描述如公式（4）所示。

x（n+s）=P（x（n）） （4）

與多迭代預(yù)測相比，直接預(yù)測的處理更簡單，但缺省了中間步驟，預(yù)測誤差會比較大。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

本文針對地鐵電氣閥門的開度控制問題，分析了其各種控制因素和影響變量，進(jìn)而分析了氣動門的電氣控制回路模型，結(jié)合2次供氣控制回路的控制點(diǎn)位，在換氣閥的位置給定控制算法，進(jìn)而構(gòu)建回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的控制算法模型。下文將進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)對地鐵系統(tǒng)電氣閥門自動調(diào)節(jié)方法的有效性。

第一組試驗(yàn)的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程和穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)分別為5000個(gè)和10000個(gè)。數(shù)據(jù)越豐富，回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度越快。2組數(shù)據(jù)基本都在180次以后達(dá)到穩(wěn)定。此時(shí)，回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步控制電氣閥門開度。在回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測下，其電氣閥門開度控制結(jié)果和電氣閥門開度的合理結(jié)果隨時(shí)間維度的變化曲線如圖5所示。

由2組曲線的比較情況可以看出，在本文構(gòu)建的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的控制下，電氣閥開度的預(yù)測控制結(jié)果與合理結(jié)果基本吻合。因此，在回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的智能控制下，電氣閥開度持續(xù)保持在合理范圍內(nèi)，可有效控制二次供熱管網(wǎng)內(nèi)的流量，進(jìn)而達(dá)到有效節(jié)能的目的。

4 結(jié)論

地鐵系統(tǒng)是一個(gè)大型綜合性復(fù)雜系統(tǒng)，例如地鐵中的氣動門利用電磁閥的開度調(diào)節(jié)來控制氣動門的開啟和閉合，包括開啟的幅度和氣動門軸的旋轉(zhuǎn)角度。為了精準(zhǔn)控制地鐵氣動門的電氣閥門開度，本文提出一種基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，給出了電氣閥門控制相關(guān)的各種參數(shù)和各種被控量，進(jìn)而在3個(gè)層次的回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行多步預(yù)測，最后進(jìn)行試驗(yàn)測試。測試結(jié)果證實(shí)了本文控制方法的有效性，在本文方法的控制之下，電氣閥門開度的實(shí)際值和預(yù)期值均取得良好效果。

參考文獻(xiàn)

[1]郭世成.地鐵車輛受電弓電磁閥、壓力開關(guān)多次燒損故障和處理分析[J].低碳世界，2018（7）：282-283.

[2]李劍華，張三多.地鐵列車高度閥調(diào)整對車輛質(zhì)量影響分析研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020，56（9）：201-202.

[3]王凱.長沙地鐵1號線列車升弓電磁閥故障分析報(bào)告及整改措施[J].技術(shù)與市場，2017，24（9）：17-19.