道岔轉換設備故障診斷與預測系統(tǒng)研究與設計

史 龍，周 榮，王智新，譚樹林

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路道岔轉換設備作為列車運行中重要的鐵路信號設備，成為鐵路運營安全的主要焦點之一，是保障列車安全運行不可缺少的組成部分。然而鐵路道岔轉換設備的健康衰退往往成為導致事故的安全隱患，需要更有計劃和針對性的開展維護維修工作。目前道岔轉換設備的監(jiān)測手段主要依靠信號集中監(jiān)測系統(tǒng)中的轉轍機動作功率、電流數(shù)據(jù)曲線，以及缺口監(jiān)測中的缺口值、缺口圖像、油壓、油位和溫濕度等狀態(tài)參數(shù)。這種方式取決于人工的經(jīng)驗，難以滿足道岔轉換設備復雜的工作環(huán)境需求和故障快速定位并修復的鐵路運營維護需求。

為適應鐵路向智能化發(fā)展的新形勢，實現(xiàn)道岔轉換設備在新時代的轉型升級，需提升道岔轉換設備診斷系統(tǒng)互聯(lián)性，滿足數(shù)據(jù)共享，提高智慧程度，消除數(shù)據(jù)孤島，結合信息感知、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺和專家系統(tǒng)等技術是大勢所趨。面對既有問題和日益增長的運維新需求，如何構建智能化道岔轉換設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，并逐步實現(xiàn)故障預測與健康管理，是實現(xiàn)道岔轉換設備智能運維的發(fā)展趨勢，同時是構建鐵路綜合運維平臺的重要基礎。

2 道岔轉換設備

道岔是機車車輛從一股軌道轉入或越過另一股軌道時必不可少的線路設備，主要包括轉轍機、密貼檢查器、外鎖閉裝置、安裝裝置和工務設備。由于道岔具有數(shù)量多、構造復雜、使用壽命短、限制列車速度、養(yǎng)護維修投入大等特點，致使道岔轉換設備故障率居高不下，其故障率占信號設備故障的50%左右。

道岔轉換設備故障主要包括：外鎖閉及安裝裝置故障、轉轍機故障、工務設備故障，具體分布在外鎖閉卡阻、密貼調(diào)整、鎖鉤、下拉裝置、表示調(diào)整、接點、鎖閉鐵、鎖鉤銷軸、鎖閉檢測器等。

3 道岔轉換設備故障診斷與預測系統(tǒng)

針對上述故障發(fā)生位置，以智能信息感知為基礎，設計傳感器直接或間接獲取對應參量信息，通過無線通信等技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，構建大數(shù)據(jù)云服務器平臺，配置車站故障診斷客戶端，分析故障發(fā)生機理，提取故障信息特征，建立故障模式對應參數(shù)模型，結合專家知識庫、人工智能和機器學習的故障診斷預測算法，設計道岔轉換設備故障診斷與預測系統(tǒng)。

道岔轉換設備故障診斷與預測系統(tǒng)實時監(jiān)測轉轍機、外鎖閉裝置、安裝裝置及道岔環(huán)境的多種狀態(tài)參數(shù)，對道岔轉換設備的典型故障進行長期監(jiān)測及趨勢預測，形成可靠的故障診斷系統(tǒng)，為道岔轉換設備日常維護、及時維修提供依據(jù)和決策參考。系統(tǒng)包括前端感知層，數(shù)據(jù)采集傳輸層，云服務數(shù)據(jù)平臺層和故障診斷層，結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

3.1 感知層

感知層作為前端道岔狀態(tài)信息感知單元，由攝像頭、表示桿位移傳感器、轉換力傳感器、密貼力傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、溫濕度傳感器、油壓傳感器、油位傳感器、振動傳感器等傳感器構成；可直接或間接實現(xiàn)缺口視頻圖像監(jiān)測、轉換力監(jiān)測、密貼狀態(tài)監(jiān)測、全動程表示桿位移監(jiān)測、轉換電流監(jiān)測、局部電壓監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測、油壓油位監(jiān)測、振動狀況監(jiān)測、道床穩(wěn)定性監(jiān)測、鋼軌爬行監(jiān)測和接點阻狀態(tài)監(jiān)測等。全部傳感器由于應用于室外道岔設備附近，工作環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴重，同時傳感器不能影響被測設備運行和正常行車，這就對傳感器的安全性與可靠性提出極高的要求，設計要求如下。

1) 電氣隔離。傳感器與被測設備需進行電氣隔離，確保傳感器故障不會影響被測設備電氣參數(shù)，如電流和電壓等傳感器。

2) 良好絕緣。傳感器與被測金屬設備需進行良好的絕緣設計，確保雷電、電氣化干擾等不會損壞傳感器和采集設備，保證系統(tǒng)工作可靠性，如轉換力、密貼力和表示桿位移等傳感器。

3) 可靠安裝。傳感器根據(jù)安裝位置可分為機內(nèi)傳感器和機外傳感器，轉轍機內(nèi)部傳感器需要根據(jù)轉轍機內(nèi)部結構定制安全可靠的安裝支架，保證傳感器不會由于松動或脫落影響轉轍機正常動作，機外傳感器需要根據(jù)監(jiān)測點的不同情況設計特殊外形或安裝卡具，保證安裝可靠、不影響行車和脫落時導向安全側。

4) 安全防護。置于室外裸露環(huán)境的傳感器需要滿足IP67 防護等級，工業(yè)級溫度范圍，以及防雷電和電磁兼容相關標準要求；

5) 狀態(tài)自檢。所有傳感器需要設計自檢功能，不但可以實時反映自身工作情況，也可檢測自身安裝牢固狀態(tài)，若發(fā)生松動或脫落時可及時上報至系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)采集傳輸層

數(shù)據(jù)采集傳輸層包括道岔采集單元和無線通信單元。采集單元提供模擬量、數(shù)字量采集和多種工業(yè)通信總線接口，與感知層各傳感器進行通信，獲取道岔相應狀態(tài)參數(shù)，通過通信單元與云平臺或?qū)Ｓ媒K端進行雙向通信，設計要求如下。

1) 所有采集接口都需進行隔離設計，保證滿足端口的防雷和電磁兼容防護要求，同時為各個傳感器提供電源。

2) 所有元器件滿足-40 ～80℃工作范圍要求，安裝穩(wěn)定可靠，防護等級達到IP67，考慮整體電磁兼容防護的同時，要兼顧無線通信信號不受干擾。

3) 采集單元需要具備一定的本地處理能力，確保數(shù)據(jù)正確性的同時減輕通信帶寬壓力，如圖像識別、視頻壓縮、時頻計算、自動觸發(fā)、協(xié)議轉換和狀態(tài)自檢等功能，可實現(xiàn)監(jiān)測項點的靈活配置和兼容擴展；

4) 通信單元可兼容多種通信方式，與云平臺通信時根據(jù)數(shù)據(jù)量大小選擇4G 或NB-IoT，與維護人員使用的專用手持終端通信時采用BlueTooth 或RFID，確保通信鏈路最優(yōu)的同時，提升系統(tǒng)可用性。

3.3 數(shù)據(jù)平臺層

數(shù)據(jù)平臺層可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸、數(shù)據(jù)顯示、存儲、統(tǒng)計、分析、遠程通信、通信狀態(tài)監(jiān)測、安全防護和決策預警等功能。

云平臺軟件由3 大部分構成，分別為：C/S 部分，B/S 部分和數(shù)據(jù)庫部分，如圖2 所示。

圖2 云平臺軟件結構圖Fig.2 Cloud platform software structure diagram

各部分功能如下。

C/S 部分：云平臺C/S 部分主要用于和道岔采集單元通信。其一方面將接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，以供B/S 部分在適當?shù)臅r候讀取；另一方面還將用戶命令（操作命令、道岔采集單元參數(shù)配置命令等）發(fā)送給道岔采集單元。

B/S 部分：云平臺的B/S 部分是整個系統(tǒng)的核心，其處理用戶的操作并向用戶展現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

數(shù)據(jù)庫部分：數(shù)據(jù)庫部分主要用于存放數(shù)據(jù)，包括由C/S 部分接收到的從道岔采集單元發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，用戶的控制指令以及操作記錄等。同時，數(shù)據(jù)庫還承擔B/S 部分和C/S 部分之間通信的角色，用戶針對道岔采集單元的控制指令由B/S 部分寫入數(shù)據(jù)庫，然后由C/S 部分讀取并發(fā)送給道岔采集單元。

3.4 專家系統(tǒng)層

專家系統(tǒng)層是道岔轉換設備故障診斷與預測系統(tǒng)的核心大腦，通過云服務器數(shù)據(jù)平臺層獲取道岔實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，結合專家知識庫、人工智能、機器學習等技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、曲線生成、報警預警、故障診斷、趨勢預測、概率分析和維修建議等功能。

專家系統(tǒng)是一種具有大量專門知識與經(jīng)驗的智能計算機系統(tǒng)，通過人類專家的問題求解能力建模，利用人工智能技術中知識表示方法和知識推理來模擬通常由某領域?qū)＜也拍芙鉀Q的復雜問題，即專家系統(tǒng)=知識庫+推理機。專家系統(tǒng)一般由知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取機制、解釋機制、推理機和人機交互界面6 部分組成，如圖3 所示。

圖3 專家系統(tǒng)結構圖Fig.3 Expert system structure diagram

本系統(tǒng)中，依托于業(yè)內(nèi)專家的設計、運營和維護知識與經(jīng)驗，建立知識獲取機制；根據(jù)道岔轉換設備的故障模式、故障原理、故障類型和嚴重等級等條件建立知識庫；根據(jù)設計單位和業(yè)主單位多年應用累積的實際數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫；通過系統(tǒng)上道部署和試驗獲得多維度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡、SVM等算法建立故障模式與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的推理機模型；設計故障診斷與預測結果的決策方式與概率預計，建立解釋機制，通過簡潔、友好的人機界面為用戶提供交互。

4 結束語

本文研究了鐵路道岔轉換設備工作特點、故障模式、故障原因和監(jiān)測要點，根據(jù)道岔轉換設備運行維護遇到的問題和困難，設計基于信息感知、分布式計算、云平臺和專家系統(tǒng)技術的道岔轉換設備故障診斷與預測系統(tǒng)，提出系統(tǒng)中各個層級設備、算法、平臺的開發(fā)設計要求。該系統(tǒng)一方面通過靈活的通信方式和平臺設計，可實現(xiàn)一條線路、一個路局甚至全路所有道岔運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和集中管理，另一方面通過專家知識庫、經(jīng)驗庫、人工智能算法等手段，可實現(xiàn)道岔轉換設備的故障診斷和預測，有效指導現(xiàn)場工作人員進行維護工作，提高故障定位和修復效率，降低故障發(fā)生概率。