地鐵道岔轉(zhuǎn)轍機輔助維修系統(tǒng)的研究開發(fā)

張 滔 曾 成 李宏輝 陳慧彬

轉(zhuǎn)轍機作為道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是通信信號系統(tǒng)的重要設備。然而在地鐵現(xiàn)場應用中，由于缺乏良好的診斷和決策系統(tǒng)，給維護人員判斷處理故障帶來一定困難。本文結(jié)合地鐵道岔S700K轉(zhuǎn)轍機三維仿真及評估系統(tǒng)，在其中的輔助維修系統(tǒng)開發(fā)中，研究了不同維修模式下的故障診斷技術(shù)，并運用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將輔助維修系統(tǒng)中的故障推理與解釋融為一體。

1 輔助維修系統(tǒng)的開發(fā)

地鐵設備在運用過程中，目前主要有2種維修模式：一種為故障修，即在設備出現(xiàn)故障后，檢修人員及時赴現(xiàn)場對設備進行必要的維修；另一種是預防性維修，檢修人員按照檢修規(guī)程，有計劃地開展設備維護。這2種維修模式在處理各自遇到的故障時，所依據(jù)的經(jīng)驗與知識有所不同。在故障修模式中，檢修人員通過查看故障代碼，可以參考設備產(chǎn)生故障代碼的邏輯或提示，加上檢修人員積累的經(jīng)驗，逐步檢查就可發(fā)現(xiàn)故障原因。而在預防性維修模式下，大多數(shù)情況是發(fā)現(xiàn)設備的某些功能狀態(tài)不良，稱之為故障征兆。在轉(zhuǎn)轍機這樣的復雜設備中，故障征兆與故障原因之間沒有明確的對應關(guān)系，一種故障征兆可能是由多種原因引起，而一種原因引起的故障可能會產(chǎn)生多種現(xiàn)象。這樣的故障征兆大多時并不會引起設備功能喪失，但是如果不加以及時的維修保養(yǎng)，在一段時間后則會演變成影響功能的嚴重故障。正是轉(zhuǎn)轍機故障的多樣性、不確定性以及各種故障之間聯(lián)系的復雜性，導致預防性維修的確定性。

為了更有針對性的快速識別故障模式和潛在風險，本文提出2種故障診斷技術(shù)：針對故障修模式，采用基于故障樹的診斷技術(shù)；針對預防性維修中的故障征兆，采用模糊診斷技術(shù)。

圖1 故障處理流程圖 （以故障代碼S10、S11、S16為例）

圖2 S700K故障樹圖1

1．1 故障修模式下的故障樹診斷技術(shù)

通過現(xiàn)場對S700K的故障模式進行研究，同時對轉(zhuǎn)轍機系統(tǒng)的外圍控制電路進行最小維修單元（可更換單元）的劃分，確定現(xiàn)場需要檢查維護的最小元器件以及相對位置，進而確定科學的檢查順序及步驟。故障處理流程如圖1所示。

同時，對S700K轉(zhuǎn)轍機系統(tǒng)進行故障樹分析，收集S700K系統(tǒng)的故障模式。圖2、圖3以道岔報故障代碼S11故障為例，專門針對維修問題進行故障樹展開。從展開的故障樹可以明確每種故障的機理，為故障輔助維修系統(tǒng)的設計提供模型基礎。

通過建立S700K系統(tǒng)故障樹，進而將每種故障模式的處理步驟分解。同時，結(jié)合實際故障出現(xiàn)的概率不同，將概率高的分支置前，將概率低的分支置后，將這樣的故障樹模型導入知識數(shù)據(jù)庫中，就可以使故障輔助系統(tǒng)查找到故障發(fā)生后的正確、快捷地處理途徑。當操作人員輸入故障現(xiàn)象及所報的故障代碼到圖4中的操作界面后，系統(tǒng)將通過查詢故障樹知識模型，優(yōu)先生成高概率事件進行判別，從而形成處理該故障的最快捷診斷決策。

1．2 預防性維修模式下的模糊診斷技術(shù)

圖3 S700K故障樹圖2

預防性維修模式下的故障模糊診斷系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)如圖5所示。檢修人員輸入指定的故障主題，再根據(jù)現(xiàn)場實際情況輸入故障征兆（x1，x2，…xm），通過現(xiàn)場經(jīng)驗及調(diào)試結(jié)果，各個故障征兆將轉(zhuǎn)化為帶隸屬度的模糊向量X＝μx1，μx2，…μxm，而在此故障主題下，對應有y1，y1，…ym故障原因，故障原因為帶隸屬度的模糊向量Y＝μy1，μy2，…μyn。X與Y的模糊關(guān)系為Y＝XoR。

圖4 基于故障樹的故障診斷操作界面

圖5 故障模糊診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

例如以 “轉(zhuǎn)轍機動作異常”為故障主題，故障征兆論域：｛x1工作噪音異常；x2動作桿／表示桿抖動；x3電機摩擦連接器不穩(wěn)定；x4傳動機構(gòu)溫升異常；x5轉(zhuǎn)換動作無力｝。故障原因論域：｛y1絲桿潤滑不當；y2電機配線虛接松動；y3箱體進水受潮；y4仔細檢查電機是否機械受損；y5暗鎖機構(gòu)松動；y6摩擦連接器調(diào)整問題；y7檢查及內(nèi)外有無卡阻｝。

根據(jù)現(xiàn)場檢修專家的經(jīng)驗和統(tǒng)計方法，綜合評定故障征兆與故障原因的密切程度，并經(jīng)過反復調(diào)試，建立故障模糊矩陣，最終總結(jié)出如下轉(zhuǎn)轍機動作故障模糊關(guān)系矩陣R：

最后，通過選取合適的模糊算子 “o”，通過模糊關(guān)系運算，即得到故障原因的帶隸屬度的模糊向量Y，再將超過設定閾值的隸屬度μyj所對應的故障原因yi篩選出來，將故障原因及處理方案通過人機接口顯示給用戶，同時解釋機構(gòu)對每一項檢查操作通過人機接口進行解釋說明。

2 輔助維修系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合

為了實現(xiàn)在虛擬場景中對轉(zhuǎn)轍機進行故障診斷及處理指引，需要對S700K轉(zhuǎn)轍機進行計算機3D建模，本文采用虛擬現(xiàn)實軟件Unity 3D和三維制圖軟件相結(jié)合開發(fā)。先用Solidworks和3DMax軟件制作出轉(zhuǎn)轍機的零件圖和操作動畫，并將其導入到Unity 3D軟件中，使用Java實現(xiàn)三維場景與故障輔助維修系統(tǒng)中的故障解釋機構(gòu)交互，再配合文字描述，更加形象的展現(xiàn)了故障處理流程及診斷結(jié)果，利于檢修人員快速做出判斷。

3 結(jié)束語

在輔助維修系統(tǒng)的設計中，針對S700K道岔轉(zhuǎn)轍機在不同維修模式下的故障處理，分別采用不同的故障診斷技術(shù)，達到故障輔助維修的準確性和高效性。同時運用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)對診斷結(jié)果及故障處理方案進行指引、解釋。目前該系統(tǒng)在廣州地鐵的現(xiàn)場使用也表明這樣更加有利于檢修人員快速判斷和接受故障診斷的結(jié)果。

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