CN106202769A - 一种在线检测和仿真建模验证结合的工业***检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在线检测和仿真建模验证结合的工业***检测方法，是针对轨道信号***设备，提供一种可靠性、安全性测试评估方法，适用于轨道交通领域电气化和非电气化区间及多种轨道电路类型的通用区间自动闭塞测试评估，包括物理特性信号分析、物理信号过程建模、在线实时检测与仿真验证、故障实时检测与诊断。本发明***克服了传统仪器只能完成对某个量的独立测量，它可以使各个测量值互相通信。实现信息共享，便于对被测***综合分析、评估，得出准确判断。本发明***可以面对复杂的被测***商不必配备种测试仪器，克服传统不足。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线检测和仿真建模验证结合的工业***检测方法，属于轨道信号技术领域。
背景技术
铁路信号是铁路***使用的信号、联锁、闭塞等设备的总称。轨道电路是铁路***用来自动、连续检测一段线路是否被机车车辆占用，控制信号装置或转辙装置动作的电路，它是保证行车安全的设备，是铁路信号的重要组成部分。轨道移频信号是一种相位连续的移频键控信号(CPFSK)，本质上是以频率参数作为控制信息，使用频率调制的方法，用低频信号调制频率较高的信号，产生一种振幅不变、频率随低频信号幅度的变化而变化的周期信号。
轨道信号***是保障列车在区间的运行安全和提高通过能力的行车指挥***。因此，信号***设备的安全可靠运行对保证运输安全和提高行车效率有着举足轻重的作用。
在我国，由于设计、室内调试的条件局限和现场开通测试的时间限制，目前对信号***设备的可靠性、安全性测试和评估还很不充分。
从研发角度看，多数研发单位仍将产品放在实际运行环境下进行现场测试，需要花费大量入力物力和时间，对轨道交通运输产生影响，现场测试也不可能大量、反复进行，不利于尽早发现设计缺陷。
从生产角度看，生产过程中的测试手段、方法、案例以及测试内容都非常有限，生产厂商很难充分考虑设备运行的实际区间环境，这将不利于产品可靠性、安全性的全面测试和评估，易留下安全隐患。
从维护角度看，信号设备现场维护尚缺乏功能灵活的测试设备，大多凭经验进行维护，容易造成设备维护不良，干扰运输生产。
针对上述问题，本发明提出了在线检测和线下仿真建模验证相结合的轨道移频信号检测方法和***，以替代目前依靠专家和实际线路运行的非完善和可能存在安全隐患的方法，以解决轨道交通领域安全控制和防护***(信号***)相关设备的可靠性及安全性，建立科学、准确的测试评估方法和工具。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在线检测和仿真建模验证结合的工业***检测方法，以便更好地改善使用不足，方便更好地使用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种在线检测和仿真建模验证结合的工业***检测方法，是针对轨道信号***设备，提供一种可靠性、安全性测试评估方法，适用于轨道交通领域电气化和非电气化区间及多种轨道电路类型的通用区间自动闭塞测试评估。
该方法，面向工业***设备面临着RAMS(可靠性、可用性、可维修性、及安全性)全生命周期过程控制问题，基于大数据驱动方式和完整性软度量技术，研制全息数据化数字化建模与运行安全评测平台，为提升工控***和产品的可靠性、有效性、可维修性和安全性，及自动控制领域更趋于“零故障”要求，提高产品质量，保障工控***安全可靠运行。
物理特性信号分析，将被测***设备的行为功能映射到机械、电气、脉冲与辐射等投影平面的模型库中，以物理量的信号过程模式予以形式化表达，物理特性分析主要包含三项内容：
(1)物理性质或特性，不通过化学变化就可以表现出来的性质就是物理性质，属于统计物理学范畴，如:颜色、气味、状态、是否易融化、凝固、升华、挥发，还有如熔点、沸点、硬度、导电性、导热性、延展性等。
--物理变化和物理性质，如，水蒸发是物理变化，水能蒸发是物理性质。如灯泡中的钨丝通电时发光、发热是物理变化，通过这一变化表现出了金属钨具有能够导电、熔点高、不易熔化的物理性质。
--从材料检测方面，质量检测和性能检测两大领域入手。如钢轨易磨损、易疲劳和振动产生噪声。
--传统铁路工人用铁锤敲击钢轨,根据声音判断是否某处存在问题或隐患。“声音可以传递信息，也可以传递能量”。用铁锤敲击铁轨时，螺栓松动改变了物体细微处的结构，根据它们发出声音的音色不同，就可以判断出螺栓有无松动。
--钢轨具有导电特性，钢轨与轨枕间绝缘垫板的老化,容易造成牵引回流异常等情况，使得钢轨电位电位升高，容易引起同轨道相连的信号设备的功能不良或故障。
(2)运动特性，通过明确其运动做功、能量变换的物理量，以振动、位移、噪声、应变、转速、转矩、功率、温度、流量、力、压力等信号数据，反映说明工业过程的具体行为功能。
(3)电气特性，通过明确其电能转换的物理量，以电压、电流、频率、电能、功率、相位、电阻、电容、电感等信号数据，反映说明工业过程的具体行为功能。
(4)逻辑计算特性，通过明确其数据传输处理的物理量，以视频脉冲、信号电流、电磁辐射、流量负荷等信号数据，反映说明工业过程的具体行为功能。
(5)功能特性，如城市轨道交通是属于集多专业、多工种于一身的复杂***，通常由轨道路线、车站、车辆、维护检修基地、供变电、通信信号、指挥控制中心等组成。
城市轨道交通的运输组织、功能实现、安全保证均应遵循有轨道交通的客观规律。
在运输组织上要实行集中调度、统一指挥、按运行图组织行车。
在功能实现方面，各有关于专业如线路、车站、隧道、车辆、供电、通信、信号、机电设备及消防***均应保证状态良好，运行正常。
在安全保证方面，主要依靠行车组织和设各正常运行，来保证必要的行车间隔和正确的行车线路。
轨道交通***中，采用了以电子计算机处理技术为核心的各种自动化设备，从而代替人工的、机械的、电气的行车组织、设备运行和安全保证***。如ATC(列车自动控制)***可以实现列车自动驾驶、自动跟踪、自动调度；SCADA(供电***管理自动化)***可以实现主变电所、牵引变电所、降压变电所设备***的遥控、遥信、遥测和遥调；BAS(环境监控***)和FAS(火灾报警***)可以实现车站环境控制的自动化和消防、报警***的自动化；AFC(自动售检票***)可以实现自动售票、检票、分类等功能。这些***全线各自形成网络，均在OCC(控制中心)设中心计算机，实现统一指挥，分级控制。
物理信号过程建模：物理信号过程建模，对振动、位移、噪声、应变、转速、转矩、功率、温度、流量、力、压力、电压、电流、频率、电能、功率、相位、电阻、电容、电感、视频脉冲、信号电流、电磁辐射、流量负荷等波谱数据，进行LPC或MFCC等变换提取特征向量，以PCA、PLS或SVM算法，演绎主元模式库。
基于数学模型构建功能仿真模型：离线仿真构建功能模型,围绕实物产品的质量检测，展开旨在获取工业对象属性数据、行为事件要素数据的线下驱动测试和仿真建模。
(1)基于数学模型与正确构造的方法，模型检验有两种主要方法，其一是时态模型检验，该方法中规格以时态逻辑形式表述，***模拟为有限状态迁移***。有效的搜索过程用来检验给定的有限状态迁移***是否是规格的一个模型。另一种方法中，功能规格以自动机方式给出，***也模拟为一个自动机，***的自动机模型和规格比较，以确定其行为是否与规格的自动机模型一致。
(2)模型检验与验证，验证仿真建模是否准确，根据所检验规格的特点可分为时态逻辑模型检验器、行为一致检验器和复合检验器。
(3)检验结果导入功能杨本模型库中。
在线实时检测与仿真验证：
在线监测，围绕实物产品的现场运行，对工业过程数据进行实时化的适配采集和压缩存储。
建立过程状态建模，通过离线检测获取工控设备测量数据，建立实际的功能仿真模型；通过实际运行数据与离线功能安全模型相比较，对模型进行验证修订，形成功能检测模型库和检测方案库。
故障实时检测与诊断：
对于***设备在规定条件下不能完成其规定的功能—故障，这种状态往往是由于不正确的技术条件、运算逻辑错误、零部件损坏、环境变化、操作错误等引起的，这种类型存在着测不准的问题--随机性。我们采用黑盒测试或者故障实时检测与诊断方式。
(1)信号检测方法，检测能真正反映设备运行状态的检测参数，采用小波分析、信息融合、机器学习等方法，进行可靠性预计、维修性预计、可用性计算、故障模式影响与危害性分析(FMECA)、初步危险分析(PHA)、故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)等，诊断分析故障特征和因果关系。
(2)风险评估方法，基于德尔菲法的风险矩阵法，对被测***设备进行可靠性、可用性和安全性评价。
该发明的有益效果在于：本发明是轨道信号检测的虚拟仪器(VirtualInstnmmnts)，利用计算机配以特殊设计的仪器硬件和专用软件，由用户根据自己的需求设计的既有普通仪器的基本功能又与传统仪器有着本质区别的新型仪器***。
传统仪器一般由仪器生产厂家将信号的采集与控制、信号的分析处理、结果的输出这三大功能模块全部以硬件(或固化的软件)实现，用户只有操作、使用仪器的确定功能。对于测试参数多且不断变化的面向应应***。
本发明***采用可定义软测量方式，用户可以制定测量模式、测量流程，并集成了数据建模、业务逻辑建模和仿真验证等功能，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、操作、显示和储存等优势。
本发明***克服了传统仪器只能完成对某个量的独立测量，它可以使各个测量值互相通信。实现信息共享，便于对被测***综合分析、评估，得出准确判断。
本发明***可以面对复杂的被测***商不必配备种测试仪器，克服传统仪器的硬件冗余、使用频率低和效率低的问题。
采用在线检测与线下建模仿真相结合，本发明***具有更好的测量精度和抗干扰能力，有效地克服了常规检测方法，过分地依赖专家知识进行诊断模型的构建，对诊断结果的准确性造成不利影响。
本发明***仿真建模技术，使用者很方便地改变、增减测量***的功能与规模，发挥了“软件就是仪器(The software is instrument)”的优势。
附图说明
图1为本发明***中的工业***功能行为检测技术框架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例
本实施例中的在线检测和仿真建模验证结合的工业***检测方法，是针对轨道信号***设备，提供一种可靠性、安全性测试评估方法，适用于轨道交通领域电气化和非电气化区间及多种轨道电路类型的通用区间自动闭塞测试评估。
如图1所示，该方法，面向工业***设备面临着RAMS(可靠性、可用性、可维修性、及安全性)全生命周期过程控制问题，基于大数据驱动方式和完整性软度量技术，研制全息数据化数字化建模与运行安全评测平台，为提升工控***和产品的可靠性、有效性、可维修性和安全性，及自动控制领域更趋于“零故障”要求，提高产品质量，保障工控***安全可靠运行。
物理特性信号分析，将被测***设备的行为功能映射到机械、电气、脉冲与辐射等投影平面的模型库中，以物理量的信号过程模式予以形式化表达，物理特性分析主要包含三项内容：
(1)物理性质或特性，不通过化学变化就可以表现出来的性质就是物理性质，属于统计物理学范畴，如:颜色、气味、状态、是否易融化、凝固、升华、挥发，还有如熔点、沸点、硬度、导电性、导热性、延展性等。
--物理变化和物理性质，如，水蒸发是物理变化，水能蒸发是物理性质。如灯泡中的钨丝通电时发光、发热是物理变化，通过这一变化表现出了金属钨具有能够导电、熔点高、不易熔化的物理性质。
--从材料检测方面，质量检测和性能检测两大领域入手。如钢轨易磨损、易疲劳和振动产生噪声。
--传统铁路工人用铁锤敲击钢轨,根据声音判断是否某处存在问题或隐患。“声音可以传递信息，也可以传递能量”。用铁锤敲击铁轨时，螺栓松动改变了物体细微处的结构，根据它们发出声音的音色不同，就可以判断出螺栓有无松动。
--钢轨具有导电特性，钢轨与轨枕间绝缘垫板的老化,容易造成牵引回流异常等情况，使得钢轨电位电位升高，容易引起同轨道相连的信号设备的功能不良或故障。
(2)运动特性，通过明确其运动做功、能量变换的物理量，以振动、位移、噪声、应变、转速、转矩、功率、温度、流量、力、压力等信号数据，反映说明工业过程的具体行为功能。
(3)电气特性，通过明确其电能转换的物理量，以电压、电流、频率、电能、功率、相位、电阻、电容、电感等信号数据，反映说明工业过程的具体行为功能。
(4)逻辑计算特性，通过明确其数据传输处理的物理量，以视频脉冲、信号电流、电磁辐射、流量负荷等信号数据，反映说明工业过程的具体行为功能。
(5)功能特性，如城市轨道交通是属于集多专业、多工种于一身的复杂***，通常由轨道路线、车站、车辆、维护检修基地、供变电、通信信号、指挥控制中心等组成。
城市轨道交通的运输组织、功能实现、安全保证均应遵循有轨道交通的客观规律。
在运输组织上要实行集中调度、统一指挥、按运行图组织行车。
在功能实现方面，各有关于专业如线路、车站、隧道、车辆、供电、通信、信号、机电设备及消防***均应保证状态良好，运行正常。
在安全保证方面，主要依靠行车组织和设各正常运行，来保证必要的行车间隔和正确的行车线路。
轨道交通***中，采用了以电子计算机处理技术为核心的各种自动化设备，从而代替人工的、机械的、电气的行车组织、设备运行和安全保证***。如ATC(列车自动控制)***可以实现列车自动驾驶、自动跟踪、自动调度；SCADA(供电***管理自动化)***可以实现主变电所、牵引变电所、降压变电所设备***的遥控、遥信、遥测和遥调；BAS(环境监控***)和FAS(火灾报警***)可以实现车站环境控制的自动化和消防、报警***的自动化；AFC(自动售检票***)可以实现自动售票、检票、分类等功能。这些***全线各自形成网络，均在OCC(控制中心)设中心计算机，实现统一指挥，分级控制。
物理信号过程建模：物理信号过程建模，对振动、位移、噪声、应变、转速、转矩、功率、温度、流量、力、压力、电压、电流、频率、电能、功率、相位、电阻、电容、电感、视频脉冲、信号电流、电磁辐射、流量负荷等波谱数据，进行LPC或MFCC等变换提取特征向量，以PCA、PLS或SVM算法，演绎主元模式库。
基于数学模型构建功能仿真模型：离线仿真构建功能模型,围绕实物产品的质量检测，展开旨在获取工业对象属性数据、行为事件要素数据的线下驱动测试和仿真建模。
(1)基于数学模型与正确构造的方法，模型检验有两种主要方法，其一是时态模型检验，该方法中规格以时态逻辑形式表述，***模拟为有限状态迁移***。有效的搜索过程用来检验给定的有限状态迁移***是否是规格的一个模型。另一种方法中，功能规格以自动机方式给出，***也模拟为一个自动机，***的自动机模型和规格比较，以确定其行为是否与规格的自动机模型一致。
(2)模型检验与验证，验证仿真建模是否准确，根据所检验规格的特点可分为时态逻辑模型检验器、行为一致检验器和复合检验器。
(3)检验结果导入功能杨本模型库中。
在线实时检测与仿真验证：
在线监测，围绕实物产品的现场运行，对工业过程数据进行实时化的适配采集和压缩存储。
建立过程状态建模，通过离线检测获取工控设备测量数据，建立实际的功能仿真模型；通过实际运行数据与离线功能安全模型相比较，对模型进行验证修订，形成功能检测模型库和检测方案库。
故障实时检测与诊断：
对于***设备在规定条件下不能完成其规定的功能—故障，这种状态往往是由于不正确的技术条件、运算逻辑错误、零部件损坏、环境变化、操作错误等引起的，这种类型存在着测不准的问题--随机性。我们采用黑盒测试或者故障实时检测与诊断方式。
(1)信号检测方法，检测能真正反映设备运行状态的检测参数，采用小波分析、信息融合、机器学习等方法，进行可靠性预计、维修性预计、可用性计算、故障模式影响与危害性分析(FMECA)、初步危险分析(PHA)、故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)等，诊断分析故障特征和因果关系。
(2)风险评估方法，基于德尔菲法的风险矩阵法，对被测***设备进行可靠性、可用性和安全性评价。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种在线检测和仿真建模验证结合的工业***检测方法，其特征在于：该方法是针对轨道信号***设备，提供一种可靠性、安全性测试评估方法，适用于轨道交通领域电气化和非电气化区间及多种轨道电路类型的通用区间自动闭塞测试评估，具体包括以下方面：
物理特性信号分析，将被测***设备的行为功能映射到机械、电气、脉冲与辐射投影平面的模型库中，以物理量的信号过程模式予以形式化表达；
轨道交通***中，采用了以电子计算机处理技术为核心的各种自动化设备，从而代替人工的、机械的、电气的行车组织、设备运行和安全保证***；
物理信号过程建模：物理信号过程建模，对振动、位移、噪声、应变、转速、转矩、功率、温度、流量、力、压力、电压、电流、频率、电能、功率、相位、电阻、电容、电感、视频脉冲、信号电流、电磁辐射、流量负荷等波谱数据，进行LPC或MFCC等变换提取特征向量，以PCA、PLS或SVM算法，演绎主元模式库；
基于数学模型构建功能仿真模型：离线仿真构建功能模型,围绕实物产品的质量检测，展开旨在获取工业对象属性数据、行为事件要素数据的线下驱动测试和仿真建模；
(1)基于数学模型与正确构造的方法，模型检验有两种主要方法，其一是时态模型检验，该方法中规格以时态逻辑形式表述，***模拟为有限状态迁移***；有效的搜索过程用来检验给定的有限状态迁移***是否是规格的一个模型；另一种方法中，功能规格以自动机方式给出，***也模拟为一个自动机，***的自动机模型和规格比较，以确定其行为是否与规格的自动机模型一致；
(2)模型检验与验证，验证仿真建模是否准确，根据所检验规格的特点可分为时态逻辑模型检验器、行为一致检验器和复合检验器；
(3)检验结果导入功能杨本模型库中；
在线实时检测与仿真验证：
在线监测，围绕实物产品的现场运行，对工业过程数据进行实时化的适配采集和压缩存储；
建立过程状态建模，通过离线检测获取工控设备测量数据，建立实际的功能仿真模型；通过实际运行数据与离线功能安全模型相比较，对模型进行验证修订，形成功能检测模型库和检测方案库；
故障实时检测与诊断：
对于***设备在规定条件下不能完成其规定的功能—故障，这种状态往往是由于不正确的技术条件、运算逻辑错误、零部件损坏、环境变化、操作错误等引起的，这种类型存在着测不准的问题；采用黑盒测试或者故障实时检测与诊断方式：
(1)信号检测方法，检测能真正反映设备运行状态的检测参数，采用小波分析、信息融合、机器学习等方法，进行可靠性预计、维修性预计、可用性计算、故障模式影响与危害性分析(FMECA)、初步危险分析(PHA)、故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)等，诊断分析故障特征和因果关系；
(2)风险评估方法，基于德尔菲法的风险矩阵法，对被测***设备进行可靠性、可用性和安全性评价。
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