道岔運維質量管理系統架構及功能分析

吳 冕 關 宏

(蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司，215101，蘇州∥第一作者，工程師)

道岔轉轍設備作為道岔控制系統中安裝在室外的執行機構，用以可靠地轉換道岔位置，改變道岔開通方向，鎖閉道岔可動部分，是反映道岔位置的重要的信號基礎設備。

目前，對道岔轉轍設備狀態的監測，主要通過瀏覽MSS(維護監測系統)子系統中的道岔轉轍設備動作電流曲線、功率曲線和電壓曲線等獲取信息，并與參考曲線相對照，以此掌握設備運用狀態。但此方式常取決于維護人員的經驗，難以應對道岔轉轍設備復雜工作環境中的種種狀況，且該方式屬于故障修范疇，只有故障特性真正顯現出來后才會被發現并進行處理，難以形成系統、有效的設備維修和維護計劃。通過道岔運維質量管理系統可對設備進行綜合實時監測，借助該系統中的專家級趨勢分析功能，可實現道岔轉轍設備狀態修。

1 道岔運維質量管理系統架構及功能

道岔運維質量管理系統主要由道岔綜合監測系統、道岔數據管理系統和道岔維修管理系統三大部分組成。其物理架構和功能架構如圖1～2所示。

圖1 道岔運維質量管理系統物理架構Fig.1 Physical architecture of turnout operation and maintenance quality management system

圖2 道岔運維質量管理系統功能模塊Fig.2 Function module of turnout operation and maintenance quality management system

1.1 道岔綜合監測系統架構及功能

道岔綜合監測系統(TIMS)部署于車站信號設備室和軌旁，實時采集道岔控制電路、轉轍機和道岔工況的各種狀態參數。其架構如圖3所示。

圖3 道岔綜合監測系統架構示意圖Fig.3 Schematic diagram of turnout comprehensive monitoring system architecture

1.1.1 道岔控制電路監測

道岔控制電路監測包括繼電狀態監測、DBQ(斷相保護器)狀態監測、表示電路監測、轉換功率監測、道岔位置沖突監測等。

1) 繼電器狀態監測：其原理主要包括以下三方面。

(1) 繼電器勵磁、自閉、接點回路直流電流變化曲線采集：主要通過繼電組合采集模塊控制微電流傳感器實現數據采集。其原理示意圖如圖4所示。

圖4 繼電器回路電路采集原理示意圖

(2) 繼電器動作時長采集：繼電器勵磁、落下動作時長的采集，是通過對繼電器勵磁回路電流及接點回路電流進行監測，并計算出繼電器的轉換時間參數，包括：①繼電器勵磁動作時間(勵磁開始中接點離開下接點到中接點與上接點閉合的時間)；②繼電器落下動作時間(勵磁結束中接點離開上接點到中接點與下接點閉合的時間)。繼電器動作時長的監測主要用于繼電器狀態的評估分析與動作計數。

(3) 繼電器接點狀態監測：通過對繼電器接點回路電流的連續采集，獲取電流的連續變化曲線；通過分析繼電器接點轉換過程中電流曲線的變化，獲取接點表面接觸狀況的變化情況，并實現接點狀態在線報警。

2) 轉換功率監測：是對轉轍機轉換過程的電流、電壓和功率進行監測。由加裝于道岔組合(或電子板卡驅動模式下的道岔控制線)上的功率傳感器，連續采集轉轍機轉換過程的啟動電流、電壓和功率，并上傳至道岔綜合采集機，形成轉轍機電流、電壓和功率曲線。功率的采集方式包含繼電組合電路和電子板卡電路兩種。

(1) 繼電組合道岔控制電路功率采集方式：其原理示意圖如圖5所示。該采集方式通過高阻型功率傳感器完成。電壓從DBQ的11、31、51端子采集，電流采用鉗型互感器在DBQ的21、41、61端子輸出線上采集。

圖5 繼電組合道岔控制電路功率采集原理示意圖

(2) 電子板卡道岔控制電路功率采集方式：其原理示意圖如圖6所示。該采集方式通過高阻型功率傳感器完成。電壓從X1、X2、X3線上采集，電流采用鉗型互感器從X1、X2、X3線上采集。

圖6 電子板卡道岔控制電路功率采集原理示意圖

1.1.2 道岔位置沖突監測

道岔控制電路根據聯鎖電路控制的 DCJ、FCJ 的上接點控制轉轍機的操縱方向和時機。轉轍機的操縱方向決定了道岔的物理位置。為避免配線錯誤導致的道岔表示位置與實際位置的沖突，需核對道岔控制電路的聯鎖操縱方向(道岔表示位置)與轉轍機操縱方向(道岔物理位置)。

道岔位置沖突監測利用繼電組合監測中獲取的 DCJ、FCJ 勵磁電流判斷聯鎖系統的道岔操縱方向；利用 DBJ、FBJ 狀態識別道岔表示位置；利用缺口監測中獲取的轉轍機啟動電流判斷轉轍機的操縱方向，并根據上述條件比對聯鎖道岔操縱方向和轉轍機操縱方向，當二者不一致時，發出道岔位置沖突報警。道岔位置沖突監測邏輯如圖7所示。

圖7 道岔位置沖突監測邏輯圖Fig.7 Logic diagram of turnout position conflict monitoring

1) 道岔轉轍機監測：道岔轉轍機監測包括靜態缺口監測、缺口晃動量監測、箱盒內環境監測、內鎖閉裝置監測和視頻監測等。

缺口監測主要是通過轉轍機內安裝的圖像采集設備進行監測。該設備利用目標鎖定、特征提取和灰度分析等圖像處理技術，通過將現場采集的圖像與存儲的缺口位置進行比對，直觀反映道岔轉轍設備缺口狀態。缺口監測包括三種啟動模式，根據優先級依次為：操縱后缺口≥過車后缺口≥周期采集缺口，高優先級業務將會中斷低優先級業務。以ZDJ9型道岔轉轍設備為例，其缺口監測原理示意圖如圖8所示。

圖8 ZDJ9型轉轍機缺口直拍示意圖Fig.8 Schematic diagram of ZDJ9 type switch machine notch shot

箱盒內環境監測主要包括道岔轉轍設備振動監測和溫濕度監測。通過轉轍機內安裝的振動傳感器和溫濕度傳感器，實時采集設備內的三方向振動加速度和溫濕度情況，并形成相應曲線，進行動態對比分析。

2) 道岔工況監測：主要監測道岔幾何尺寸(密貼/開口/爬行/軌距/基本軌橫移)、道床振動、軌溫、道岔轉換速度和尖軌結構件外觀缺陷等。道岔工況監測設備包括道岔綜合檢查器、道岔采集分機、通信模塊和道岔啟動器，與缺口監測共用通信與供電通道。道岔綜合檢查器安裝于道床中央，為非接觸式測量模式，利用激光測距原理，通過檢測投射到尖軌、基本軌上的激光變化，測量基本軌、尖軌縱、橫兩個方向的相對位移，從而計算道岔的密貼、開口、軌距、基本軌橫移和鋼軌爬行等技術參數。

1.2 道岔數據管理系統構架和功能

道岔數據管理系統(TDMS)由系統數據平臺、系統服務平臺和系統分析平臺三部分組成，負責道岔數據預處理與存儲、SOA數據路由服務、道岔故障診斷與預測分析等。其系統架構如圖9所示。

圖9 道岔數據管理系統架構示意圖

1.2.1 系統數據平臺

系統數據平臺利用統一定義的接口和協議，接收道岔綜合監測系統的各類道岔監測數據，建立道岔綜合監測數據池；利用統一定義的接口和協議，與第三方系統(MSS/CSM(信號集中監測系統)/智慧運維/缺口監測等)進行道岔相關監測數據的交互，實現既有監測資產的合理整合與應用；利用統一定義的接口和協議，將現場維修時使用的各種道岔測試儀器的數據導入數據平臺存儲，實現道岔維修過程數據的綜合管理與應用。

系統數據平臺對來自于不同監測系統的道岔監測數據進行預處理，通過數據清理、數據集成、數據規約和數據變換，獲得標準的、干凈的和連續的道岔狀態數據，支撐系統的數據展示、數據分析和數據統計。其架構如圖10所示。

圖10 系統數據平臺架構Fig.10 System data platform structure

1.2.2 系統服務平臺

系統服務平臺采用SOA(面向服務架構)技術，構建系統的數據路由平臺，將傳統系統軟件的每個功能拆分為單個的獨立服務組件，利用統一定義的接口和協議進行組件間的數據交互，構建一個可以分布式部署的道岔綜合監測服務平臺，支撐系統的數據交互與應用。

SOA架構的接口采用中立的方式進行定義，獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言，使得構建在各種各樣的系統中的服務可以以一種統一和通用的方式進行交互，各種服務組件(功能)可分布式部署，隨意組合使用，使得系統可以從容應對不同功能(服務組件)的部署變化。SOA系統服務平臺架構如圖11所示。

圖11 SOA系統服務平臺架構Fig.11 Architecture of SOA system service platform

1.2.3 系統分析平臺

系統分析平臺主要負責道岔故障成因自動診斷、設備健康狀態預測分析與健康分級。該平臺主要利用各型道岔故障樹軟件，對開關量、狀態等非離散型道岔數據進行分析，自動診斷道岔故障；利用人工智能訓練器、執行器軟件對曲線等離散型道岔道岔故障樣本數據進行訓練學習，進而實時對曲線類離散數據進行分析，自動診斷道岔故障；利用人工智能訓練器軟件，對道岔正常工作參數和曲線進行散布范圍和包絡線分析，進而實現道岔健康度分析與設備健康等級劃分。

系統分析平臺分為數據建模管理、AI(人工智能)訓練器、故障診斷組件和健康評估組件等部分，其架構如圖12所示。

圖12 系統分析平臺架構Fig.12 System analysis platform architecture

1.3 道岔維修管理系統架構及功能

道岔維修管理系統(TMMS)利用互聯網技術，建立基于內網的道岔維修管理運行平臺，實現道岔維修計劃、作業信息、資料查詢、維修數據記錄和道岔履歷等數據展示與查詢。該系統配備安全型無線模塊，建立了軌旁、信號設備室和值班室等工作場景的安全型內網移動通信，可為專用移動終端提供數據傳輸支持能力；結合各種配套開發的工具與模塊，可實時記錄維修工作過程中的維修行為，為道岔的智慧維修管理提供基礎數據保障。

道岔維修管理系統包括桌面端和移動端兩部分，綜合展示道岔各類設備、各個維度的監測數據。通過移動終端、軌旁無線模塊和無線測試儀表等輔助設備，以及桌面/移動維修管理軟件實現維修作業過程的監測數據瀏覽、維修行為監督、作業數據記錄與設備報警查詢。可查詢項目主要包括道岔設備及維修人員定位管理、監測數據移動查詢、設備狀態報告查詢、道岔維修(檢修)流程管理、問題記錄、維修指導查詢、維修質量評估、道岔設備履歷、超限報警、故障報警、健康狀態報警、道岔表示位置與物理位置沖突報警等。

移動終端可以在工作區域通過安全型無線AP(無線接入點)接入軌旁監測網絡，訪問軌旁采集分機和室內監測站機，獲取全部監測信息及分析信息。

道岔維修管理系統架構如圖13所示。

圖13 道岔維修管理系統架構Fig.13 Turnout maintenance and management system architecture

2 道岔運維質量管理系統應用

道岔運維質量管理系統監測所得的道岔動作功率曲線，能夠直接反映轉轍機實際輸出力。道岔運維質量管理系統可以根據道岔功率大小、功率波動的時間點確定轉轍機或道岔工作狀態、故障模式及故障相對部位，給出相應故障點指向及維修建議。

1) 道岔功率曲線異常故障分析：可根據道岔運維質量管理系統采集的道岔轉轍設備各階段功率曲線，分析道岔轉轍設備可能出現的問題及相關維修建議。道岔運維質量管理系統可為設備設置有參考曲線，方便使用時更清晰直觀地觀察道岔功率曲線的穩定性。正常情況下，轉轍機整個動作過程功率曲線較為平滑。非正常情況下，功率曲線會出現“坡起”，結合轉轍機動作過程區段劃分，如“坡起”功率曲線位置處于動作區，即可判斷出此時轉轍機動作需要克服的阻力為轉轍機內阻、道岔兩尖軌轉換阻力。此時，道岔運維質量管理系統給出設備故障的可能原因有：道岔機械部分阻力過大、缺油,轉轍機內部別卡或內阻過大。維護人員可根據系統建議對設備進行相應處置，以保證設備正常工作。

2) 道岔故障處理指導功能：基于歷史故障處理經驗，可對設備故障報警提供維護建議，維護人員可根據系統建議定位故障并處理，有效提升了設備維護效率。如根據道岔功率曲線及工作電流圖發現A、B、C三相電均缺相，轉轍機不動作。對于該故障報警，系統提供的故障原因及維修建議為：交流轉轍機電源斷，建議檢查轉轍機電源；啟動空開跳，建議檢查啟動空開；DBQ故障，建議檢查DBQ的A相輸出電壓是否為零，如為零，則為DBQ故障。

3 結語

道岔運維質量管理系統可提高運維效率和管理效益，同時能夠達到一些目的：

1) 提升精細化維修水平。通過集成化的監視、分析和閉環處理，可逐步實現基于狀態修的維護模式轉變。

2) 能夠實時掌握道岔轉轍設備狀態和及時發現故障隱患，并能通過專家智能診斷和大數據分析實現故障快速診斷定位和提前預警，提升搶險搶修及時性和處置合理性。

3) 通過道岔轉轍設備監測記錄設備在線使用情況，可實現設備全壽命周期管理，降低設備維修成本。