鐵路道岔故障診斷及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐維華 李德敏

1(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 201620)2(卡斯柯信號有限公司 上海 200040)

0 引 言

道岔是鐵路上使用的重要信號設(shè)備。在實(shí)際的操作過程中，由于要注意的參數(shù)信息繁多，導(dǎo)致操作人員經(jīng)常出現(xiàn)操作失誤。因此，設(shè)計(jì)一套完善的道岔故障診斷系統(tǒng)，幫助操作人員準(zhǔn)確地判斷道岔設(shè)備的狀態(tài)，并及時(shí)地處理出現(xiàn)的道岔故障，具有非常重要的意義。

隨著鐵路的高速發(fā)展，國內(nèi)外在道岔系統(tǒng)的故障診斷上都取得了長足的進(jìn)步。目前，道岔故障診斷的方法大致上可以分為兩類：

1) 基于模型解析的方法。文獻(xiàn)[1]借助道岔轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過建立多項(xiàng)式函數(shù)模型對道岔故障進(jìn)行診斷。文獻(xiàn)[2]通過比較故障模式和正常模式下靜態(tài)參數(shù)的區(qū)別，識別故障的模式。文獻(xiàn)[3]采用FTA(故障樹分析法)對道岔空轉(zhuǎn)故障建立故障樹，并對其進(jìn)行相關(guān)的分析。文獻(xiàn)[4]采用Fisher準(zhǔn)則函數(shù)和主成分分析的方法，對提取的特征進(jìn)行矢量量化處理。

2) 基于分類方法。測量信號并進(jìn)行相應(yīng)的處理來學(xué)習(xí)故障模式集并識別未知的故障模式。從這些故障樣本實(shí)例中通過經(jīng)典的分類算法得到故障樣本(模式)的分類集，分類集經(jīng)判別算法可以對樣本的未知的故障模式進(jìn)行判別和歸類。經(jīng)典的分類判別算法可以結(jié)合Bayes判別法和設(shè)定判別閾值(用以確定判別未知樣本與已知經(jīng)驗(yàn)樣本的匹配精度)等技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)[5-6]。在文獻(xiàn)[7]中，構(gòu)造了故障狀態(tài)特征集(用8個電氣故障特性的參數(shù)反映)，并建立了三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在文獻(xiàn)[8]中，采集了道岔的電流曲線相關(guān)參數(shù)，并基于FOA-LSSVM建立高鐵提速道岔故障診斷。

本文基于長短期記憶模型(LSTM)，用于從原始電流序列中自動提取特征，并根據(jù)特征利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器(neural network classifier，NNC)，對道岔動作電流曲線進(jìn)行故障識別，從而提高了道岔故障診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

道岔故障診斷系統(tǒng)是方便用戶掌握道岔裝置運(yùn)行狀態(tài)的一套支持系統(tǒng)，其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

道岔故障診斷系統(tǒng)的主要功能如下：

1) 設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)。包括轉(zhuǎn)轍機(jī)各環(huán)節(jié)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集，在運(yùn)行控制中心實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)視，記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成歷史曲線，方便操縱人員觀察參數(shù)變化趨勢，為事故總結(jié)分析提供依據(jù)。

2) 故障診斷子系統(tǒng)。對運(yùn)行數(shù)據(jù)自動進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，采用LSTM模型，從原始電流序列中自動提取特征，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進(jìn)行故障診斷。

3) 故障診斷報(bào)告生成子系統(tǒng)。引導(dǎo)操縱員分析判斷道岔安全狀態(tài)出現(xiàn)異常的具體原因和部位，同時(shí)針對每一個診斷結(jié)果給出相應(yīng)的處置意見和操作步驟。

1.1 設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視子系統(tǒng)

故障診斷系統(tǒng)使用RS485總線連接控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)轍機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。為保障設(shè)備電流序列的正常采集，本文考慮兩個層次的問題：通信鏈路狀況和通話管理。

1) 通信鏈路狀況。在控制系統(tǒng)硬件電路(非本文研究，不作闡述)中，對電源做電氣隔離排除數(shù)據(jù)傳輸信號干擾。除此以外，還需要考慮鏈路發(fā)生異常或者損壞情況，為此，本文的故障診斷系統(tǒng)對串口進(jìn)行通信的雙方設(shè)置兩個標(biāo)志位，分別記錄主站發(fā)送數(shù)據(jù)失敗和主站接收數(shù)據(jù)失敗的情況，并以日志的形式記錄下來。借助日志分析了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)異常狀況。

2) 轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置的通話管理機(jī)制。在轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置通過RS485總線的串口方式復(fù)用DMA(Direct Memory Access)功能與遠(yuǎn)程上位機(jī)通信連接。每個轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置狀態(tài)采集板在發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)之前根據(jù)已定義消息報(bào)文的數(shù)據(jù)協(xié)議，消息報(bào)文的長度是確定的。轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置狀態(tài)采集板在發(fā)送完消息報(bào)文給DMA端口后即中斷通信握手，因此可以通過檢測DMA端口的中斷與否得知道岔裝置狀態(tài)采集板的消息報(bào)文(數(shù)據(jù))是否已發(fā)送。

轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置狀態(tài)采集控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程監(jiān)控訪問轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備對應(yīng)端口實(shí)現(xiàn)通話管理任務(wù)的機(jī)制如圖2所示。通話管理任務(wù)機(jī)制基于狀態(tài)變遷實(shí)現(xiàn)，為下一步Petri 網(wǎng)的正確性驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。

圖2 轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置的通話管理任務(wù)視圖

轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置的通話管理機(jī)制，即狀態(tài)變遷執(zhí)行過程概述如下：

(1) 檢測周期開始道岔處于Port-Idle空閑狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送任務(wù)執(zhí)行時(shí)，如果通信上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，則把鏈路故障記錄保存到日志中。如果任務(wù)狀態(tài)機(jī)由Bind狀態(tài)變?yōu)镃heck狀態(tài)，則需要檢查綁定的通信端口有沒有被占用。

(2) 如果端口被占用了，則跳轉(zhuǎn)到Port-Idle狀態(tài)；如果通信端口沒有被占用，則通話任務(wù)會把轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔裝置一個檢測周期內(nèi)的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送的通信地址、端口號和數(shù)據(jù)的長度告知、跳轉(zhuǎn)Schedule狀態(tài)。

(3) Schedule檢查接收到的當(dāng)前幀，如果發(fā)現(xiàn)幀錯誤了，就會設(shè)置Receive Error異常，并把異常狀況保存到日志中，同時(shí)跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)。

(4) Schedule判斷任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是否已經(jīng)超時(shí)(Timeout)。如果已經(jīng)Timeout，則發(fā)送錯誤并把錯誤保存到日志中，跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)；如果沒有Timeout，則跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)。

(5) Schedule任務(wù)拿到接收的地址、端口號和數(shù)據(jù)(報(bào)文)長度，跳轉(zhuǎn)到Receive狀態(tài)。由Receive任務(wù)把接收到的數(shù)據(jù)返回給主站后跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)。

(6) 在一個掃描周期內(nèi)，通話任務(wù)會始終處于Bind狀態(tài)。一旦得到步驟2通信端口且沒有被占用，跳轉(zhuǎn)到Schedule狀態(tài)。

(7) 如果任務(wù)處于Unbind狀態(tài)，則無論任務(wù)是否成功執(zhí)行，都會釋放占用的端口。

1.2 故障診斷子系統(tǒng)

交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的驅(qū)動模塊和轉(zhuǎn)轍機(jī)室外動作電路的連接如圖3所示，其中模塊直接連接到轉(zhuǎn)轍機(jī)的X1-X5上，而X1-X5的狀態(tài)可以通過測量A、B、C三相電流的大小以及相位與動作時(shí)間，分析出轉(zhuǎn)轍機(jī)動作電路的工作狀態(tài)和各種可能的故障原因。

采用LSTM模型對A、B、C三相電流的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，自動進(jìn)行特征提取，對每種故障類型進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測，從而避免了人工方式提取特征并不能包含原始曲線的所有信息導(dǎo)致很多很重要的信息丟失的缺點(diǎn)，具有提取一些和最終結(jié)果具有很強(qiáng)相關(guān)性的隱含特征的優(yōu)點(diǎn)。為了讓LSTM提取出的特征組合出更復(fù)雜的特征以提高預(yù)測精度，利用softmax分類器設(shè)置最終需要診斷的故障類別個數(shù)，它會將節(jié)點(diǎn)的輸出值通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為概率，從而確定出故障類別[9]。LSTM進(jìn)行特征提取的偽代碼如下：

1. 輸入：X1,X2…,XT/0.04

2. 輸出：提取的特征向量

3. LSTM初始狀態(tài)權(quán)重初始化

5.fk=σ(Wf·[hk-1,Xk]+bf)

6.ik=σ(Wi·[hk-1,Xk]+bi)

9.ok=σ(Wo·[hk-1,Xk]+bo)

10.hk=ok*tanh(Ck)

11. End For

12. 輸出hk即為最終的特征向量

1.3 故障診斷報(bào)告生成子系統(tǒng)

故障診斷報(bào)告生成子系統(tǒng)會將診斷出的故障結(jié)果，先整合成符合模板標(biāo)準(zhǔn)的診斷報(bào)告，然后發(fā)布給電務(wù)監(jiān)督系統(tǒng)，由電務(wù)監(jiān)督系統(tǒng)生成派工單通過人機(jī)交互界面展示給維修工程師(電務(wù)監(jiān)督系統(tǒng)是另一個獨(dú)立系統(tǒng)，與本文無關(guān)不加討論)。回放道岔曲線界面實(shí)現(xiàn)回放時(shí)顯示道岔設(shè)備故障狀態(tài)下的動作曲線，回放顯示功能的概要設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 回放顯示功能概要設(shè)計(jì)圖

2 運(yùn)行實(shí)例

道岔控制中心故障診斷系統(tǒng)記錄并顯示設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，主要字段包括設(shè)備運(yùn)行日期、時(shí)間、設(shè)備號、操作性質(zhì)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)等，同時(shí)支持文本、自動圖形繪制這2種查看的方式，如圖5所示。

圖5 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視

故障診斷系統(tǒng)生成的診斷報(bào)告如圖6所示。可以引導(dǎo)操縱員判斷道岔安全狀態(tài)出現(xiàn)異常的具體原因和部位，同時(shí)針對每一個診斷結(jié)果給出相應(yīng)的處置意見和操作步驟。

名稱【14063】道岔定到反操縱后未動作:1DQJ未吸起(單操)報(bào)警描述當(dāng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖不送DCJ、FCJ給監(jiān)測時(shí),使用該邏輯。如果送了DCJ、FCJ優(yōu)先用DCJ、FCJ碼位邏輯。1)人工單扳道岔(聯(lián)鎖送的單操按鈕);2)道岔和所在區(qū)段均不處于鎖閉的狀態(tài);3)本機(jī)1DQJ不吸起;4)多機(jī)聯(lián)動的道岔,例如同尖/心軌的前機(jī)1DQJ沒有吸起,后機(jī)不再報(bào)警相關(guān)電路維護(hù)建議1)請查看DCJ/FCJ是否動作;2)如DCJ/FCJ未動作,則是聯(lián)鎖系統(tǒng)問題,MMI單操行為未驅(qū)動DCJ/FCJ;3)如DCJ/FCJ動作,則是1DQJ勵磁電路問題,請從KZ至KF依次逐段查找電路中故障點(diǎn)。→更換故障繼電器或配線

圖6 故障診斷報(bào)告

3 結(jié) 語

本文分析了道岔裝置對運(yùn)行支持系統(tǒng)的需求，提出了針對性的設(shè)計(jì)方案。主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下3方面：

1) 對數(shù)據(jù)采集通話管理進(jìn)行了狀態(tài)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)功能模塊化、狀態(tài)化，保障了系統(tǒng)的可用性；

2) 采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法避免了人工方式提取特征并不能包含原始曲線的所有信息導(dǎo)致很多很重要的信息丟失的缺點(diǎn)，具有提取一些和最終結(jié)果具有很強(qiáng)相關(guān)性的隱含特征的優(yōu)點(diǎn)，以便最大程度地提高準(zhǔn)確性；

3) 采用符合操縱員運(yùn)行操縱經(jīng)驗(yàn)的表達(dá)方式，快速、直觀、敏銳地感知裝置出現(xiàn)的異常運(yùn)行狀態(tài)，對報(bào)警進(jìn)行描述并給出相關(guān)電路和維修建議，提高對裝置運(yùn)行狀態(tài)的評判效率，減少誤判斷。