基于小波包的高铁故障类型识别-开题报告

1、0 重庆科技学院毕业设计（论文）开题报告题 目 学 院 专业班级 学生姓名 指导教师 年 月 日开题报告填写要求1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作开始后2周内完成，经指导教师签署意见及系主任审查后生效。2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网址上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3.学生查阅资料的参考文献理工类不得少于10篇，其它不少于12篇（不包括辞典、手册）。4.“本课题的目的及意义，国内外研究现状分析”至少2

2、000字，其余内容至少1000字。毕业设计(论文)开题报告1.本课题的目的及意义，国内外研究现状分析本课题的目的及意义：众所周知,自80年代以来,我国铁路运输能力日益显得紧张,已经达到严重不足的地步,从而成了制约我国国民经济发展的“瓶颈”Error! Reference source not found.。我国铁路长期处于“低装备率、高使用率、高强度运输”的紧张状态,随着铁路运量的不断提高,面临着越来越严峻的局面Error! Reference source not found.。我国铁路的运输强度,包括铁路运输密度、机车车辆生产率,已居世界之首位。我国铁路已成为世界上运输最繁忙、运能最紧张的

3、铁路。缓解我国铁路运能紧张，要在最新技术基础上进一步提高机车车辆的产量和质量Error! Reference source not found.。除此之外，旅客、货主对运输的快捷舒适、经济便利、安全正点等方面的质量要求越来越高。随着我国旅客列车运行速度的提高，高速铁路的发展已经成为我国的必然趋势。然而，随着高速铁路的发展，高铁列车的运行速度越来越快，其运行安全受到了越来越广泛的关注。在运行中及时发现和识别故障的类型，进而能够快速的针对故障做出相应的解决措施，处理故障，成为目前保证旅客列车运行安全急需解决的问题。走行部故障是危害列车行驶安全的重要因素，它既要支撑列车的上层部件，又要与轨道和轮轨密

4、切结合。列车的持续高速运行，会导致走行部磨损加快、振动加剧，它的运行状态会直接影响列车的行车安全。走行部长期服役会导致列车的性能越来越差，从而影响了乘客乘坐时的舒适度，长此以往，甚至还会威胁列车在运行时的安全性。因此，对高速列车的走行部进行有效的故障诊断和识别，是实现及时维护，降低使用维护成本，保证列车行车安全的关键3。国内外研究现状:总体来看， 世界高铁发展可以划分为四个阶段。 第一阶段：1964 年1990 年1964 年 10 月，世界上第一条真正意义上的高铁日本东海道新干线正式通车，全长 515.4 公里，运营速度高达 210 公里/小时， 它的建成通车标志着世界高铁新纪元的到来。 第

5、二阶段：1990 至 90 年代中期，法国、德国、意大利、西班牙、比利时、荷兰、瑞典、英国等欧洲大部分国家，大规模修建本国或跨国界高铁，逐步形成了欧洲高铁网络。 第三阶段：从 90 年代中期至今。 在亚洲（韩国、中国台北、中国）、北美洲（美国）、澳洲（澳大利亚）世界范围内掀起了建设高铁的热潮。与发达国家相比, 我国高铁的规划和建设起步较晚, 但是发展非常迅速。 2003 年 10 月 12 日,随着长春开往北京的 T 60 次列车经由沈阳北站驶入秦沈客运专线, 预示着中国建设的第一条高速客运铁路线“秦沈客运专线” 正式开通, 也标志着我国从此迈入了高时代。 不仅如此, 我国还自行设计制造了“中

6、华之星”高速列车, 而其以每小时 2 5 0 公里的试验速度更是迈出了中国高铁建设的重要一步, 奏响了我国高铁建设和运营的凯歌, 揭开了我国高铁发展的序幕。4随着我国高速列车运行速度的提高,在运行中及时发现和防止故障的发生和扩大,并采用相应检修作业,成为目前保证旅客列车运行安全急需解决的问题。高速客运经历了由日本模式到西欧模式的转变。日本是发展高速客运最早的国家,那时由于机车车辆不过关,采用了加大曲线半径,提高线路标准的方法,投资极大,从70年代起,西欧开始发展高速客运,把重点放在机车车辆技术的突破上,开展了大规模的轮轨技术研究,尽可能不改变原有线路,通过不断采用机车车辆新技术逐步提高速度,收

7、到了事半功倍的效果。维修方式也应有较大的转变,应大力研究故障诊断及检测装置,包括车轴轴温的测定,车轴及车轮故障的仓测,机车的故障诊断及检测系统。2我国客车行车安全目前必须解决的重点问题是走行部的安全运行,特别是转向架的稳定性;轮轴系统的工作状态;制动系统的工作状态;车电是否引发火灾等。车辆走行部动力学性能监测诊断子系统针对我国铁路的现状和未来发展的需要,将以最少的传感器获得最大的可解辆信息,以及目前国内外技术发展程度,结合现场的广泛调查,我们提出本系统的设计方案。利用车体、构架上的信号监测轮轴与一系悬挂系统,根据车体的信号监测整个车辆系统的状态。系统开发的总体考虑是通过对铁道车辆动力学系统的加

8、速度输出的监测,同时计算系统的时间历程特征数据并且对车辆系统进行评估。将此特征数据经由列车网络传输到列车管理器上,而后通过特定的系统对车辆的状态以及车辆状态变化过程进行进一步的判断。5此外，为解决铁路机车车辆高噪声背景下信号分析问题,我们将小波分析引入机车车辆走行部故障检测,针对信噪比较低的机车车辆走行部振动信号进行了不同工况、不同故障类型的分析和验证实验。因为小波分析是一种时频分析技术,用于非平稳、时变信号的分析处理。由于其分辨率在时频平面上是变化的,较之短时傅立叶变换有更大的柔性。由于铁路机车车辆走行部结构复杂、工作环境恶劣、干扰源多,目前尚无很好的办法检测其故障。7机车车辆走行部件的无损

9、检测在铁路运输安全中起到关键性的作用,因走行部件故障而导致的行车事故会直接危及行车与旅客生命财产的安全。98年德国ICE列车脱轨翻车造成德国二战以后最大的交通事故,据报道就与车轮轮箍有关,为此,德国铁路下令要求所有的第一代ICE列车轮对立即从营运中撤下进行全面的超声波探伤。由此可看出,走行部件的质量,特别是防患于未然的无损检测对于列车的安全非常重要。无损检测技术在机车车辆走行部件上的具体应用除常用的磁粉探伤、涡流探伤、超声波探伤等以外,国外还发展了在线、在役检测等。检测自动化是无损检测技术发展的必然趋势,现在英国铁路采用自动化的检测装置检测带空心车轴的轮对,法国Valduens公司也引入自动探

10、伤设备就充分说明了这一点。国外机车车辆走行部件探伤的发展充分说明了多种检测技术的组合和新技术的应用,特别是自动化无损检测技术已成为大势所趋。国际标准中对机车车辆走行部件无损检测都有强制性规定,等同等效采用国际标准,并借鉴国外先进的无损检测技术和方法也是我国铁路行业无损检测发展的主要方向8。70年代以来,美国、日本等较早地在火力发电、供电及航空领域推行状态修制度,并取得成效。状态修的实质是将目前的定期、定型和分解型的维修方式,改变为实时、在线式的状态监测,通过对车辆的技术诊断,随时掌握设备出现的故障及运转工况,有效地确立以功能为中心和非分解型的设备维修方式6。目前发达国家开行的高速列车大都有动力

11、学性能的实时监测系统。欧洲和日本在转向架上装有传感器实时记录和监测车辆在高速运行过程中是否出现蛇行以及其它动力学参数的变化情况。其中英国AEA在客车上安装传感器监测车辆的振动状况,法国Bombardi正在研究在构架上安装传感器监测车辆是不是出现蛇行运动。我国铁道车辆新产品的开发,大体经过车型评估、动力学性能计算以优化有关的参数、新车制造、动力学性能试验、投人实际运营等环节。在这一系列过程中,产品开发设计部门对车辆在实际运营过程中转向架的动力学性能变化、各种关键部件的实际使用寿命等定量信息无从了解。而获得上述信息对原有产品的改进、新产品的开发等具有很重要的指导意义9。毕业设计(论文)开题报告2.

12、本课题的任务、重点内容、实现途径 本课题的任务：1. 理解小波包的分解的思想、方法。2. 用小波包分解对不同故障、速度的数据进行分解。3. 计算不同频段的能量从而组成特征向量。4. 根据特征向量，进行不同故障类型识别。5. 对识别结果进行分析，得出结论。重点内容：本课题针对高速列车走行部故障问题，基于小波包分解对故障类型进行提取并且对故障进行分类识别。首先，对各类故障信号进行小波包分解特征提取，通过各频段能量不同，对其中一部分数据进行训练，用训练后的余数据进行识别，实现对故障的识别与分类。通过识别列车正常、空气弹簧失气、抗蛇形减震器全拆、横向减震器全拆四种情况，同时在不同速度进行识别，验证该方

13、法的有效性。实现途径：1、将高速列车的各个故障的信号变换到频域，进行小波包分解，得到不同频段的信息。（1）对于小波分解，在这里以一个三层的分解进行说明，其小波包分析树如图所示。（A表示低频分量，D表示高频分量，末尾的序号表示小波包分解的层数）分解具有如下关系：S=AAA3+DAA3+ADA3+DDA3+AAD3+DAD3+ADD3+DDD3（2）基于小波包机车走行部故障诊断模型构建步骤如下:第 1 步: 时域分析。以原始振动加速度信号为处理对象，对其消除趋势项，然后经过两次积 分，得到位移信号;第 2 步: 频域分析。对时域信号进行快速傅里叶变换，得到频域信号;第 3 步: 小波包分析。对去噪

14、处理后的频域信号进行 3 层小波包分解，得到 8 个频率分量的信号，即 f1 /8，f2 /8，f3 /8，f4 /8，f5 /8，f6 /8，f7 /8和 f。然后求出各个频率分量的能量，即 E1 /8，E2 /8，E3 /8，E4 /8，E5 /8，E6 /8，E7 /8和 E。2、提取能反映各类故障特征的频带能量信息，组成特征向量。（1）对小波分解得到的各个频段分别作傅里叶逆变换，得到每个频段的谐波小波变化的小波系数，根据小波系数重构获得各频段的时域信号。（2）对重构后的各频段，分别计算其能量。（3）将各个频带的信号能量与总能量的比值组成特征向量。3、通过计算和比较信号特征向量与不同故障

15、特征向量的相像系数，实现对故障的识别与分类。相像系数相当于计算函数的投影，其值仅与函数的特性有关。它主要取决于两个信号的走势或者轮廓，是对信号形状的一种有效刻画。相像系数表征的是两个信号的整体差异程度，因此相像系数可以用来区分具有不同形状的信号。总之，先对已知故障进行小波分解，得出每个故障各自的特征向量；然后采取未知故障的信号，同样得到一组特征向量。通过相像系数比较法，对未知故障的特征向量与已知的故障特征向量去进行一一对比，进而来识别未知故障的故障类型。最后，对识别的结果进行分析，得出结论即可。毕业设计(论文)开题报告3.完成本课题所需工作条件（如工具书、计算机、实验、调研等）及解决办法 3.

16、1完成本课题所需的工作条件：（1）工具书 1 韩才元关于我国铁路和机车车辆严重短缺及运输强度过高的问题J内燃机车，1 995，(1):17 2 孙翔我国机车车辆的传统技术急需突破J1内燃机车，1990，(7)：28 32 3 陈特放, 黄采伦, 樊晓平. 基于小波分析的机车走行部故障诊断方法. 2005, 26(4): 89-92. 4 李秀明 杜赟睿. 中国高铁发展分析,2015,(5). 5 陈朝发，刘峰，刘旭如等客车行车安全监测诊断系统研究J铁道机车车辆，2003，12(23)：1215 6 彭惠民车辆的状态修与技术诊断J，铁道车辆，1998，11：4443 7 陈特放,黄采伦,樊晓平。基于小波分析的机车走行部故障诊断方法，2005，,26（4） 8 孙国平，沈志坚编译国外机车车辆走行部件无损检测的现状和发展J国外机车车辆工艺，1998，(6)：15 9 刘峰，黄强，李伟等旅客列车动力学状态实时监测系统的研究J铁道机车车辆，2001，5：1416（2）硬件计算机（3）软件 仿真软件matlab软件3.2完成本课题的解决办法：（1）在图书馆借阅相关书籍资料，通过互联网查找相关的资料（2）利用个人计算机或者利用学校实验室计算机（3）软件可以自行下载（4）认真听取知道老师的指导意见，在老师指点协助下完成毕业设计(论文)开题报告指导教师意见：（对本课题的深度、广度及工作