道岔轉換阻力智能監控系統探究

鞏芳

隨著高鐵的建設，車輛提速，對道岔轉換要求越來越高，道岔轉換過程中的運行可靠性，狀態修和維護周期的確定，均需要對道岔轉換阻力進行實時在線監測、分析，在道岔轉換阻力變化超標后能及時報警，使用戶及時發現道岔存在的隱患故障，提早排除，為實現道岔“狀態修”提供科技手段。

軌道交通的發展速度和自動化程度顯示著一個國家的技術水準，隨著經濟的發展，軌道交通的優越性愈發顯著，我國高速鐵路的發展更是日新月異。隨著高鐵的建設，車輛的提速，對道岔轉換要求越來越高。

我國的鐵路建設截至2020年底，鐵路運營里程14.6萬公里，其中高鐵運營里程3.8萬公里，但承載著線路轉換任務的轉轍機、道岔日常工作條件十分惡劣，北方零下幾十度和南方六七十度的露天，24小時不間斷工作，正常工作時存在道岔機械動作摩擦阻卡現象，當外界積塵、缺油等也會造成道岔轉換不到位的情況，這些均以為道岔阻力超標造成，根據《鐵路信號維護規則》（鐵運[2006]127號）技術標準要求，其應道岔轉換阻力，電務部門各級單位都極為重視，本著為增強道岔轉換過程中的運行可靠性，提高維護效率，需要對道岔轉換阻力進行實時在線監測、分析，在道岔轉換阻力變化超標后能及時報警，使用戶及時發現道岔存在的隱患故障，提早排除，保障道岔可靠鎖閉為實現道岔“狀態修”提供科技手段，從而減少維護人員上線次數，提升維護工作效率。

我國現有的道岔采集信息系統為微機監測采集系統，以S700K道岔為例：首先對A、B、C三項電源進行電壓、電流、波形、相位的采集，通過采集裝置傳遞給信號放大器，然后進入處理電路，將采集信息運算后由計算機進行顯示，因設備檢測信息通常是運算后得出的，與實際信息相差5%，對于使用頻繁并且在運輸中承擔著重要任務的設備來說5%的誤差也足以使運輸造成極大影響。所以現場急需一套可以對道岔設備的轉換阻力進行檢測的系統。能夠直接對電動轉轍機轉換過程阻力進行測量，采用曲線形式展示輸出力和扳動電流變化的情況，同時保存動作時間和環境溫度等參數信息，能高效分析道岔工況，針對外鎖閉摩擦副自動加油裝置，實現自動加潤滑油的目的，保障道岔可靠鎖閉，從而減少維護人員上線次數，提升維護工作效率。

主要能完成：（1） 實現道岔直接道岔轉換阻力的實時監測，每次道岔轉換均能測量，并生成道岔轉換阻力曲線；（2） 組成分布式數據網絡，將監測數據上傳至站機，各單位均可根據權限查看相應數據；（3） 依據獲取的道岔轉換阻力曲線數據，通過智能統計分析，根據阻力的變化趨勢，運用人工智能算法及專家規則庫，準確判斷道岔當前工況，并給出早期預警和故障定位，為實現道岔“狀態修”提供科技手段。

（一）系統功能

研制一套能較好地適應道岔轉換阻力監測需求的系統，同時系統能方便地與現場其他監測系統相結合。系統采用安全可靠、先進成熟、易于擴展維護的技術，實現各項功能要求。道岔轉換阻力智能監控裝置通過站機軟件實現系統功能，站機軟件可實現道岔轉換過程阻力曲線展示，轉換過程阻力超限預告警和統計分析等功能。站機軟件通過網絡連接到監控裝置，監控裝置采集轉轍機在道岔轉換過程中輸出力變化的曲線和電機電流變化的曲線，同時保存動作時間和環境溫度等參數信息。此外系統還具有對道岔外鎖閉注入潤滑油功能，根據多種策略進行自動加油，一定程度上降低故障的發生。

系統的可靠性：道岔轉換阻力智能監控裝置采用技術的可靠性是保證系統穩定可靠的關鍵，在系統設計和設備、元器件選型方面，充分考慮各方面的穩定性。本系統各設備的安裝使用不影響既有設備的正常運行。

系統的實用性：以需求做牽引，注重實效，突出重點，既著眼于長遠發展，又強調近期的迫切需求，保證系統的易用性與實效性。

系統的先進性：系統設計綜合運用材料科學、計算技術、信號處理技術、通信技術，科學合理構建系統，使系統具有創新性、先進性。

系統的開放性和可擴展性：系統設計遵循開放性，可接入其他系統或管理平臺，實現集中管理。設計容量完全滿足以后發展對系統擴展的需要。

（二）系統組成

道岔轉換阻力智能監控裝置由主要由轉換力傳感器、阻力采集分機、加油主機和加油裝置等設備組成。站機采用工業控制機，運行站機軟件，通過交換機和通信設備控制阻力監測分機，下發阻力數據采集指令。監測分機內置智能控制器，根據道岔轉換或者過車信號，采集轉轍機在道岔轉換過程中輸出力變化的曲線和電機電流變化的曲線，同時保存動作時間和環境溫度等參數信息，等待站機軟件下發指令獲取。

（三）阻力監測分機

阻力監測分機內置有強大的ARM處理器和載波通訊模塊，主要完成站機控制指令處理，阻力和電流數據采集等功能。面板的指示燈主要用于指示網絡通信狀態和工作狀態。

采集分機主電源由ACDC模塊提供，220V輸入，12V輸出，15W功率。根據應用需求，分出5V，3.3V和3V，5V用于阻力傳感器供電，3.3V用于MCU供電，3V提供給電流采樣電路。采集分機與阻力傳感器通信通過RS232信號實現，在采集分機和阻力傳感器端均帶有RS232接口電路，可實現TTL電平到RS232電平的轉換，采集分機通過RS232下發命令給傳感器，傳感器將數據返回。

電流采樣電路采集端采用5A/5mA的交流互感器，板端采用LM224和外圍電路組成，輸出模擬量，接入MCU AD轉換IO，進行模數轉換，得到電流數值。板級主芯片為LM224，該芯片包含四路運算放大器。

（四）電源

采集分機主電源由ACDC模塊提供，220V輸入，12V輸出，15W功率。根據應用需求，分出5V，3.3V和3V，5V用于阻力傳感器供電，3.3V用于MCU供電，3V提供給電流采樣電路。

（五）站機及軟件

站機軟件上可顯示設備的狀態、油量數據、自動或手動注油記錄、油位趨勢和預告警信息、阻力歷史曲線和阻力日統計曲線。

通過曲線可看到道岔轉換過程中阻力和電流變化的情況，并可將曲線分階段進行展示，分為解鎖前、解鎖、轉換、鎖閉和鎖閉后五個階段，方便扳動過程中阻力數據的分析。站機軟件提供阻力數據日報表統計功能，可查看全站設備或單個設備的某天阻力定反位變化方向的最大值、最小值、平均值、溫度及當天的扳動總次數；支持多機時序對比功能，可對比同一個設備組下多個設備扳動時序的一致性；可以記錄不同用戶對阻力監測相關功能的操作記錄具備阻力超限報警功能；當采集到的阻力曲線數據（扳動、過車）大于設定的閾值時，軟件自動記錄報警信息，可在當前預告警信息欄及歷史預告警記錄中進行查看，并在站場圖中展示出來，預警為橙色，告警為紅色；具備阻力超限報警功能，當采集到的阻力曲線數據（扳動、過車）與設定參考曲線對比偏差超過設定值時，軟件自動記錄報警信息，可在當前預告警信息欄及歷史預告警記錄中進行查看，并在站場圖中展示出來。同時兼具：設備狀態查看、油量數據查看、自動或者手動注油數據記錄查看及油位起勢查看和預警、告警查看功能，可以通過站機軟件下拉菜單實現。

（六）關鍵技術

實現實時連續監測：本系統實現了道岔轉換過程中阻力曲線的實時采集，無需天窗點現場測量和替換螺栓，提高了測量效率，節省了維護人力。可實時觀察扳動過程中的阻力變化趨勢，及時給出預告警信息。

在站機軟件中以天為單位展示當天的道岔轉換情況，根據顏色區分定反位不同方向。如果出現摩擦卡阻的情況，曲線采集時間在列表中標紅處理，加以區分。

鐵路道岔轉換阻力監測系統可對提速道岔轉轍機的轉換力實時監測。通過設置參考曲線， 該系統直觀地反映阻力的變化趨勢，預知道岔動作狀態發生的變化，提前發現道岔的卡阻點或將要產生的故障點，儲存記錄道岔轉換阻力曲線，并通過電務微機監測網絡自動給出預/報警信息，為維修人員提供道岔運用狀態信息，加快道岔設備計劃修向狀態修（預防修）的步伐，提高道岔設備維護的有效性、科學性，提升現場作業效率和安全。

作者單位：南京鐵道職業技術學院