铁路车载通信设备论文提纲

论文题目：基于PHM技术的高铁车载通信装备健康监测智能分析理论与方法的研究

摘要：伴随着我国“一带一路”战略铺展开来,高铁已成为我国新“四大名片”之一,其知名度和重要性不亚于古老中国的“四大发明”。截止2019年末,中国已投入运营的高速铁路里程数达到3.5万公里,稳居世界首位。道路千万条,安全第一条,安全性是高铁飞速发展的基石。对关键零部件的健康状态监测,尤为重要。PHM（Prognostics and Health Management）技术可以对高铁在途运行设备进行状态感知、健康监控,并对故障的发生做出预测,从而降低安全风险。本文利用故障预测与健康管理的技术手段,以数据无损压缩技术、数据传输加密技术、故障特征提取方法、信号去噪技术、关键参数优化方法和神经网络方法为理论基础,建立基于PHM技术的高铁车载通信装备健康监测智能分析方法,实现了关键零部件的故障定位及预测。该方法虽然实现了故障快速定位和精准预测,但通常需要高性能计算机来支撑数据的计算和分析,所以本文将高铁运行数据进行实时无损压缩并加密后,通过铁路无线通信网络将数据回传至地面分析服务器,以其高性能计算能力快速、准确地进行故障定位和预测,有效地解决了高铁车载设备不具备高性能计算能力而无法实时处理数据的问题。地面分析服务器对数据进行解密和特征分析高效快捷,利用神经网络算法使故障识别和故障预测的精度及效率都得以保障,为保障高速铁路安全运营提供了重要的技术手段。本文提出的方法已在兰州铁路局项目中得到了应用,并在实际应用中不同程度的降低了运维成本和故障不可复现率,体现出PHM技术在故障诊断和故障预测研究方面的意义和价值。本文的主要研究成果如下:（1）针对高速铁路的安全运行问题,结合了故障预测与健康管理技术理论,提出了一种基于动车组PHM体系架构。该架构对高铁车载通信装备进行了PHM技术理论分析、故障诊断技术分析、预测技术分析、应用分析等技术进行论述,并基于故障预测与健康管理技术为理论基础提出了动车组故障预测与健康管理体系框架,对高铁车载通信装备的健康状态监测和故障预测方面提供重要理论指导。（2）高铁车载装备的网络资源有限,无法满足对监测的车载装备运行信息实时传输至地面服务器,为此提出了一种无损压缩技术与加密技术联合算法。该算法利用铁路既有无线网络基础在低带宽下实现实时传输高铁车载通信装备运行数据,以供地面服务器实时分析车载装备的健康状况和故障预测。该算法以行程长度无损压缩算法为基础进行了改进以降低数据的压缩比率,同时融入Logistic混沌理论和RSA加密算法以及Logistic置乱加密算法,减少网络传输时所占用的网络带宽,提高了网络传输的安全性,为进一步分析设备的健康状态和故障诊断及预测提供基础性保障。（3）故障诊断通常需要对故障特征进行提取并分析,去除数据中混杂的噪声。该部分对接收到的车载装备运行信息展开深入研究,针对高铁车载通信装备在运行中因场强信号而导致的故障问题,提出了一种基于PHM技术的高铁车载通信装备的故障诊断方法。该方法以双树复小波包变换为基础进行算法改进,同时结合了自适应噪声的完备经验模态分解来进行故障噪声的降噪与特征提取,然后利用无监督学习中的密度聚类方法进行自适应改进,并将提取出的特征类型进行特征分类,最后将分类结果输入到极限学习机中进行训练。实验验证了提出的故障诊断方法具有较强的特征提取能力、快速识别故障能力以及高精度的识别率,为设备的故障预测提供良好的支撑。（4）深入分析高铁车载通信装备的实际运行工况中,针对高铁车载通信装备故障发生率较高的原因是由于电池失效导致高铁车载通信装备无法正常工作的问题,提出了一种HA-FOSELM电池失效预测方法。该方法为了降低噪声对预测带来的影响,采用变分模态分解方法进行去噪处理,同时使用含有遗忘机制的在线序列极限学习机算法对去噪后的数据进行学习和训练,该算法支持数据的动态增量更新。为了提高算法的识别精度和降低关键参数对该算法的影响,引入了混合灰狼优化算法对HA-FOSELM方法的关键参数进行自适应优化,同时融合注意力机制,从而有效地提高了预测精度。通过实验验证,本文提出的方法在性能、效率、精度等方面都优于传统的神经网络算法,有效地降低了因电池故障导致列车行驶安全的问题。

关键词：故障预测与健康管理;神经网络算法;机器学习;健康状态监测;高速铁路

学科专业：计算机科学与技术

致谢

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 目前存在的问题

1.4 主要研究内容和创新点

1.5 论文组织结构

2 关键技术及相关工作

2.1 引言

2.2 机车综合无线通信设备工作原理

2.3 压缩算法

2.3.1 无损压缩技术

2.3.2 有损压缩技术

2.4 加密算法

2.5 特征提取方法

2.6 PHM技术

2.6.1 PHM系统体系结构

2.6.2 动车组PHM体系结构

2.6.3 动车组PHM技术架构

2.6.4 动车组PHM系统功能和目标

2.6.5 动车组PHM诊断技术

2.6.6 动车组PHM预测技术

2.7 小结

3 基于无损数据压缩及加密联合算法的研究

3.1 问题提出

3.2 相关研究

3.3 SRLE无损压缩算法

3.3.1 SRLE压缩处理

3.3.2 SRLE解压处理

3.4 混合加密算法

3.4.1 Logistic混沌加密算法

3.4.2 RSA加密算法

3.4.3 压缩加密联合算法

3.5 实验与结论

3.5.1 压缩性能分析

3.5.2 安全性能分析

3.5.3 复杂度及效率分析

3.6 小结

4 基于PHM技术的高铁车载通信装备故障诊断

4.1 问题提出

4.2 相关研究

4.3 基于高铁机车综合通信设备中故障诊断的研究

4.3.1 实验数据集

4.3.2 特征提取

4.3.3 无监督聚类

4.3.4 极限学习机故障识别模型

4.4 实验与结论

4.4.1 仿真实验验证

4.4.2 实测数据集实验验证

4.5 小结

5 基于PHM技术的高铁车载通信装备健康状态评估预测

5.1 问题提出

5.2 相关研究

5.3 基于锂电池的剩余使用寿命预测与健康状态监测

5.3.1 实验数据集

5.3.2 健康状况和健康指标

5.3.3 降噪处理

5.3.4 关键参数优化

5.3.5 注意力机制

5.3.6 遗忘机制的在线序列极限学习机

5.4 实验与结论

5.4.1 算法训练过程

5.4.2 在线监测部分

5.4.3 剩余使用寿命预测部分

5.5 小结

6 总结及展望

6.1 研究总结

6.2 未来展望

参考文献