关于K折交叉验证法在铁山港高速电子轨道衡中的应用

关于K折交叉验证法在铁山港高速电子轨道衡中的应用

莫俊,黄厚钦,赵桂湖,胡景仰,苏天士,洪雅婷,甘伟彬

广西沿海铁路股份有限公司钦州车务段

摘要：高速电子轨道衡是指在列车满足0-60km/h运行状态下进行货物称重的设备。设备运行检测时，运行速度不同对传感器AD值的影响也不同，称重算法的不同直接影响称重结果的准确度，因此，深入研究不同速度下AD值转换算法在称重准确度中具有很重要的工程应用价值。本文将K折校验法应用到轨道衡称重的研究中，即能保持列车原有AD值数据特征，又能有效去除干扰项，有利于0-60km/h的高速电子轨道衡采集数据的计算，为提高基于二力合成的轨道衡精准度的计算提供参考。

关键词：K折交叉验证法；称重算法；准确度；二力合成

Abstract：

High speed track scale refers to the equipment for weighing goods when the train is running at 0-60km/h. During equipment operation detection, different running speeds have different effects on the ad value of the sensor, and different weighing algorithms directly affect the calculation of weighing results. Therefore, in-depth research on the ad value conversion algorithm has great engineering application value in weighing accuracy. This paper uses the k-fold verification method in machine learning, which can not only maintain the original ad value data characteristics of the train, but also effectively remove the interference term. It can be used for the calculation of 0-60km/h high-speed electronic track scale, and provide a reference for improving the calculation accuracy of track scale based on two force synthesis.

Keywords:K-fold cross-validation method; Weighing algorithm; Accuracy; Two force synthesis

1. 概述

目前国内轨道衡产品能适应5～35km/h现场运行条件，最大检测重量为100吨，准确等级为1级、0.5级等。随着铁路货物运输的日益发展，多拉快跑、安全高效已经成为必然趋势。当前国内轨道衡在0～5km/h速度运行时，对应测量数据失真，作为车站只能重新进行组织检测，既不利于货运安全保障，也有悖于运输效率的提升。以此，为满足铁路安全运营要求，实现既能保障0～5km/h低速通过精准测量，又能满足35～60km/h高速通过时检测需求，有效轨道衡测量速度范围、提高计量准确度，开展高速电子轨道衡研究具有重要意义。

2. 二力合成称重测量方案

高速电子轨道衡由16只板式传感器、10只剪力传感器、特制专用轨枕、2只轨温传感器、2台数据采集仪、系统软件等组成。板式传感器及剪力传感器信号通过低通滤波电路，经仪表运算放大器，再经过多阶信号滤波器，再经过AD转换电路，系统软件实时采集AD转换结果。

独立的承重台面由2只板式传感器、2只剪力传感器组成。单个承重台面合成力信号为F合成，计算公式如下：

F合成=（W板式传感器1+W板式传感器2）/2+K*（S剪力传感器1+ S剪力传感器2）/2

K:为剪力传感器转换系数

高速轨道衡系统软件实时采集各个传感器信号，通过剪力传感器的状态进行逻辑计轴，分析货车轮重，每个独立承重台面可以独立工作，车轮经过四个承重台面，最后轮重W轮重=（W台面1+ W台面2+ W台面3+W台面4）/4。其中各台面轮重的AD如下图所示：其中，每个台面都有列车4对轮重的AD值，AD值的有效区间用竖线标记，图中标识了3台面，第二个轮对的有效区间。

图一 各台面轮重AD值波形图

列车低速通过或在承重台面上停车时，剪力传感器时常判定检测失效，导致有效AD值无法判准。列车以较高速度过衡时，会产生强烈的干扰信号

。使用K折交叉验证法，可去除无效AD值与干扰数据，使检测有效、且数据更加精准。

3. K折交叉验证法的理论

K折交叉验证属于模型评估验证的一种，其原理是：将数据集分为K个子集，将其中K-1个子集做训练数据集，用于构建模型。将剩下的1个子集数据用于模型测试的一种方法。结果就得到了K个模型与之对应的K个性能评估数据，因此需要进行重复K次的学习与评估，对得到的K个性能评估数据取平均值，从而计算出模型的平均性能。

由于K折交叉验证是对数据集中所有可能的测试数据抽样的组合进行测试，因此能够产生出更为稳定且正确的评估结果。以K= 10为例，下图为K折交叉验证示意图。

图二 当k=10时，K折交叉验证的示意图

4. K折交叉验证法计算

4.1 K值的选取

在数据集比较大时，如果通过增加K值来增加数据集的分割，通常能得到比较好的结果。但K值越大，运算量越大。一般将K值设置在5-10之间。在K折交叉验证法中，还有留一交叉验证的特殊方法。留一法是指测试数据只有一个数据的验证法，一般运用在处理非常小的数据集（如数据集为50-100个）。

铁山港高速电子动态轨道衡在现实运用中有停车现象，当检测到停车一定时长，数据不再继续加入队列，检测速度为0-60km/h,其中传感器采样频率f为500HZ，单个台面的距离S为1.2米，轨道衡总长为4.8米。假设速度为V(km/h),单个台面的有效数据量为datas为：

datas= 3.6*S*f/V

因此，当速度为0-5Km/h 时，有效AD数据集datas个数取值区间为(400,3000),K值取10；及将datas平均分为10个数据集。

当速度达到36-60km/h时，有效AD数据集datas个数取值区间为(36,60)符合留一法条件。因此K值的选取可设置如下表1所示：

表1 速度与K值的选取关系

4.2 有效AD值的选取

通过python编写代码实现K折交叉验证法，确认训练数据与测试数据的大小，分类器选择SVM,防止过拟合，C参数设置为1，核函数使用“rbf”,gamma设置为1/k;

代码如下：

svc = svm.SVC(C=1,kernerl=“rbf”,gamma = 1/k);

scores = cross_validation.cross_val_score(svc, x, y,cv = K);

其中x为上文AD数据集datas，无预测数据y=null,cv为k的取值，Scores为各训练数据的得分，得分越高，数据集数据的回归性能更好。

为保障数据的原有特性，k折验证法去掉得分最低的两个数据集，剩下数据集视为有效AD值。采用留一法时，去除最后20%数据，剩下数据集视为有效AD值。

以0-5公里数据为列，当列车压车到轨道衡检测区域时，速度为0，波形会出现明显的长压带，如下图过车波形所示，两个轴台面产生停车检测现象。

图三 轴台面停车检测波形

4.3 称重算法

采用K折交叉验证法计算第二台面压台面数据, datas分为10个数据集，计算得到scores，得到对应关系：

有效AD数据集为data2-data9的数据集合。单轮的平均AD值：

每个台面均可计算列车每一轴的平均AD值，累加轮平均AD及可以得到列车单台面平均AD值台面，整车平均AD值：

车=（台面1+ 台面2+ 台面3+台面4）/4

整车重量

                         W =  Q* 车                     Q 为标定系数

  同理可根据留一法计算高速称重，偏离回归线的干扰项可有效清除。

4.4 工程应用测试

 按照以下序列进行编组：机车-84t-50t-76t-68t-20t，在测试之前，技术人员用间接砝码对设备进行标定。标定结束之后为：机车-82780-45030-70080-63390-21490，按照以下车速进行比对试验。

表2 测试速度与运行往返次数表

采用上述称重算法，计算结果为：

表3 检验结果

检测结果满足符合国家颁发的JJG234—2012《自动轨道衡检定规程》的规定，误差小于0.5%。

5 总结

  K折交叉验证法在高速电子轨道衡中的使用，能有效去除干扰数据以及偏离回归线数据。当列车低速运行，剪力传感器判车导致有效AD值偏离时，可有效去除偏离值；当列车高速运行，产生强烈干扰时，则可通过留一法，去除干扰数据，保障数据有效性。该方法优于直接使用加权平均法，能够进一步提高检测的准确性，为高速电子轨道衡的检测精准度优化提供有利保障。

参考文献

夏淇  动态电子轨道衡系统分析与实现．科技创新与应用．2021年，卷 5

周祖濂  高速轨道衡检测．衡器．2005年，卷 34

石川聪彦  新型深度学习．北京，中国水利水电出版社，2021

罗正文  钢轨温度力对不断轨自动轨道衡称量结果影响分析与应对措施．铁道技术监督 2021年 卷 49

 

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