直拍轉轍機表示缺口監測系統的應用

王 春 范開堂

目前，全路列車運行速度不斷提高，運行密度也在逐步加大，對信號設備質量提出了更高的要求。據統計，全路道岔設備故障占信號設備故障的60%左右，而導致道岔故障的主要原因是由缺口變化的發現、調整不及時造成的。為此，對道岔缺口進行實時監測并及時調整尤為重要。

哈大高鐵正式運營后，于2013年7月在各工區安裝了ZQJ－01轉轍機缺口監測報警系統 （Ⅲ型） （以下簡稱系統），成功實現了對缺口的監測，大大減少了道岔設備的現場維修次數，減少了上道作業時間，實現了從上道檢查到室內遠程檢查的跨越。

該系統采用紅外數字攝像頭直拍缺口圖像，由圖像采集處理器直接對原始圖像進行處理和特征參數提取、計算，從而實現對表示桿缺口偏移量或缺口大小的精確監測。系統自動拍攝道岔扳動過程、過車振動視頻，同時，還監測轉轍機振動加速度、溫度、濕度等數據，通過通信線路實時傳送到機械室或信號工區值班室內的終端上。通過直播命令，在室內就能非常直觀地看到轉轍機缺口的實時圖像或視頻。工區還可以隨時查看既往圖像或視頻，為現場維修提供可靠依據。

1 系統組成結構

如圖1所示，系統主要由室內、室外設備和傳輸網絡組成，包括五部分：缺口視頻監測站機、缺口通信主機、網絡轉換器、網絡分機、圖像采集處理器。系統傳輸網絡使用4芯電纜 （兩對信號線），一對用于提供220V交流電，另一對用于數據傳輸。電纜走向：信號機械室至各方向盒之間，要求有4芯電纜 （其中2芯須雙絞）；方向盒與各24盒間使用4芯線；各24盒與轉轍機亦增設4芯線。

圖1 系統組成結構示意圖

1．1 缺口視頻監測站機

安裝于信號機械室的缺口視頻監測站機，通過轉轍機缺口視頻監測軟件，接收并存貯自缺口通信主機上傳的轉轍機缺口圖像、視頻、振動加速度、溫度、濕度等數據；用戶通過缺口視頻監測站機可以查看實時缺口圖像、轉轍機扳動視頻、道岔過車視頻、缺口日圖片、缺口日視頻、扳動后曲線、缺口日曲線、溫度、濕度、振動加速度曲線。監測站機既可以通過以太網絡，實現遠程終端查看，提高管理、運維效率，還可以通過以太網接入信號微機監測系統，通過與監測廠家的專有協議，實現相關缺口數據的上傳，實現并行監測。

1．2 缺口通信主機

缺口通信主機安裝于信號機械室，是提供監測站機與監測點設備間雙向數據通信與供電的通信控制設備。根據站內道岔電纜的數量，分為8路、16路和24路3種型號。

1．3 網絡轉換器

網絡轉換器安裝在方向盒固定樁上或專設的HZ24盒內，與通信主機使用ADSL通信，與網絡分機之間使用載波通信，主要完成通信主機與網絡分機之間的通信協議轉換。網絡轉換器距離通信主機一般不大于5000m，網絡轉換器距離最遠的轉轍機應不大于500m。

1．4 網絡分機

網絡分機安裝于轉轍機內部，根據不同的轉轍機型號設計了不同的安裝結構，它負責接收通信主機傳來的數據，并將圖像采集處理器采集的數據傳送到通信主機，同時，為圖像采集處理器提供直流12V電源。

1．5 圖像采集處理器

圖像采集處理器安裝在轉轍機內缺口上方的合適位置，根據不同的轉轍機型號也設計有不同的安裝結構。它負責采集轉轍機缺口位置圖像、視頻、溫度、濕度、振動加速度數據信息，并將所有數據傳至網絡分機的通信模塊，再由通信模塊上傳到網絡轉換器或室內主機。圖像采集處理器的結構如圖2所示。

圖2 圖像采集處理器結構框圖

2 系統功能

直接拍攝轉轍機缺口圖像，進行圖像分析處理后，系統得到缺口大小數值和定、反位位置信息，根據已經設置好的缺口預報警限值，判斷處理后給出超限預報警信息。除了基本的缺口監測功能以外，系統還具有以下擴展功能：

1．自動采集記錄道岔扳動過程和過車振動視頻，給出最大框動量。

2．監測轉轍機過車振動加速度、溫度、濕度數據，根據需要啟動預報警功能。

3．記錄并存儲缺口數值、振動加速度、溫濕度數據，繪制相關曲線，顯示缺口狀態及其變化過程。

4．通過TCP／IP實現遠程終端聯網查詢。

5．通過TCP／IP將缺口信息接入各廠家信號微機監測系統。

6．通過對缺口大小、溫度數據進行趨勢智能綜合分析，給出分析結論，供相關維護人員參考。

系統性能技術指標：缺口監測精度0．1mm，缺口監測范圍0～10mm，圖像分辨率0．03mm，網絡方式時傳輸距離可達5km＋500m，網絡方式時傳輸速率2Mb／s，視頻網絡30幀／s（480×480），每臺通信主機帶分機總數量≤249臺。

3 系統特點

哈大高鐵應用該系統兩年多以來，綜合維護管理人員對該產品的使用意見，總結該系統的主要特點如下：

1．視頻缺口監測圖像清晰、直觀。系統的直拍缺口 （直接拍攝轉轍機缺口），比現場肉眼觀測更精細。根據缺口圖像，系統自動計算出缺口偏移量大小，精度高。如有報警出現，可以立即查看圖像驗證，準確直觀，有效排除誤報。

2．實時性好。系統通過分路傳輸，有效地緩解了網絡帶寬不足的問題，一般情況下能夠實時看到5min以內的缺口照片。通過軟件直播功能，更是能夠達到現場直播的視頻效果。

3．直觀顯示道岔缺口扳動過程。扳動視頻自動記錄道岔扳動過程，為信號工了解轉轍機缺口的動態質量狀況提供了依據。

4．動態顯示缺口大小。過車視頻能自動采集火車通過時的缺口視頻錄像，清晰分析出動態缺口大小，準確反映了道岔的運行狀態，為工電聯合整治提供了依據。

5．聯網簡便，管理方便。根據管理需要，利用既有通信網使沿線各站實現了車間、電務段遠程監控，及時掌握各站道岔轉轍機缺口的運行狀態，指導工區及時維護。

6．檢修監測功能助力現場維護。系統軟件可實現對指定轉轍機缺口進行檢修狀態下的快速監測，對現場轉轍機缺口整治、檢修提供了很好的輔助手段。

4 哈大高鐵應用情況

該系統2013年7月在哈大高鐵全面應用，共9站446臺轉轍機，其中ZDJ9機型410臺，S700K機型36臺。工區維護人員及相關管理人員每天都對各轉轍機缺口照片進行定時瀏覽、觀看相關視頻信息、缺口曲線。在各車間、電務段都安裝了缺口遠程監測終端，要求工區和車間相關技術人員定時現場和遠程觀察，實現了對道岔缺口的全方位監控。

出現預報警信息后，及時查看、校對和處置，成功解決了缺口可能出現的問題，大大減少了工區人員上道檢查缺口的時間。特別是遇到沒有 “天窗”或惡劣天氣時，系統更能顯示出優勢。據統計，2014年哈大高鐵各站道岔缺口監測瀏覽記錄，現場發揮作用的典型案例上百次，具體案例如下。

應用案例1：重點檢查，開展針對性檢修。“天窗”修前，通過瀏覽缺口變化，全年共發現道岔缺口變化137次，及時納入 “天窗”修檢修計劃進行調整，消除了由于缺口變化所引起的設備故障。

應用案例2：認真分析，實施計劃性調整。日常通過瀏覽道岔缺口曲線動態變化，觀察扳動視頻、過車視頻，發現道岔密貼調整不當引起的缺口變化13起，道岔桿件松動引起的缺口變化2起，溫度引起的道岔缺口變化6起。經過及時調整相關設備，避免了因道岔缺口問題對行車的干擾。

應用案例3：深度瀏覽，發揮時效性作用。雨季、雪天通過瀏覽電動轉轍機內部桿件積水、上霜情況，解決電動轉轍機進水7臺，上霜12臺。成功處置了電動轉轍機進水問題。

應用案例4：缺口報警信息及時處置，成功避免缺口故障。系統報警功能主要在應對突發的設備故障方面起到了關鍵作用。全年發生缺口報警11次，通過人工復核，確認缺口變化8次，原因是由于現場施工等造成道岔缺口異常變化。通過實施緊急處置，避免了因缺口故障影響行車。

5 結束語

ZQJ－01轉轍機缺口光電監測報警系統 （Ⅲ型）通過直拍缺口的方式監測缺口變化，是人工智能在鐵路信號監測領域的創新應用。系統監測直觀、可靠，功能完善。在哈大高鐵成功應用2年多以來，減少了維護人員的上道時間，提高了道岔維護效率，減少了道岔表示故障的發生，為鐵路運輸安全發揮了作用。

［1］ 中華人民共和國鐵道部．鐵運［2008］142號，鐵路信號維護規則技術標準［S］．北京：中國鐵路出版社，2008．

［2］ 中華人民共和國鐵道部．運基信號［2003］49號文．關于公布轉轍機表示缺口監測報警系統技術條件及試驗安排的通知［S］．2003，2．

［3］ 仲峰，吳文頗，吳繼友．ZQJ－01型轉轍機缺口監測報警系統［J］．鐵路通信信號，2004（9）：8．