信號設備智能故障診斷和健康管理系統

王天鳴、王劍生、景淵

（1.國家鐵路局裝備技術中心，北京 100070；2.北京鐵路局集團公司北京電務段，北京 100077）

1 鐵路信號設備組成和各系統設備與集中監測通信內容

鐵路信號設備主要由軌道電路、道岔、信號機、調度集中系統CTC、計算機聯鎖CBI、列控中心TCC、電源屏、無線閉塞中心RBC、臨時限速服務器TSRS、信號安全數據網、信號集中監測、道岔缺口監測等組成。

鐵路信號集中監測（簡稱集中監測）實時監測信號設備的主要電氣特性和應用狀態，當電氣特性超限或信號設備不能正常工作時，應及時預警或報警。集中監測的智能分析是一個開放性平臺，具有自動報警和用戶自定義報警設置功能。

集中監測能夠對車站信號設備的電氣特性模擬量參數、開關量參數（按鈕狀態、關鍵繼電器、區間軌道及信號機狀態）進行實時監測、記錄，并存儲數據；通過查看、分析各信號設備曲線，可及時發現設備的電氣特性變化，查找、處理設備隱患，提高信號設備質量；信號設備發生故障時，可記錄故障信息，并結合歷史數據進行綜合故障分析，指導故障處理，實現歷史故障綜合管理與分析；對25Hz 軌道電壓和相位角、ZPW2000 軌道電路發送電壓和接收電壓、智能電源屏電壓、信號機燈絲電流、站聯電壓、半自動閉塞電壓等曲線進行分析，發現異常及時處理，可確保設備工作良好；對道岔表示電壓、動作電流與功率曲線存在的問題進行分析，保證道岔轉轍設備應用質量符合標準；對電纜設備絕緣進行測試，及時整治、更換電氣特性不達標的電纜；利用電源接地功能對電源系統進行人工測試，對絕緣不良的電源及時進行整治[1]。

目前，與集中監測接口的系統有調度集中系統CTC、計算機聯鎖CBI、列控中心TCC、電源屏監測單元、ZPW2000 維護終端、智能燈絲報警、ZPW2000 軌道診斷主機、道岔缺口監測等信號電子系統設備，各系統與集中監測的物理連接見圖1[2]。

圖1 各系統與集中監測的物理連接

各系統設備與集中監測通信內容如下：

調度集中系統：站場表示開關量信息、CTC 自身設備性能信息、報警信息等。

計算機聯鎖系統：站場表示信息、按鈕狀態信息、計算機聯鎖各設備狀態信息、各種報警和預警信息等。

列控中心：TCC 硬件平臺狀態數據、TCC 與聯鎖接口進路信息、區間方向信息、TCC 站間邊界信息、發送給聯鎖的無配線站區間方向口信息、TCC 臨時限速狀態、軌道區段編碼信息、TCC 設備維護報警、區間狀態信息等[3]。

電源屏監測單元：系統輸入模擬量、系統輸出模擬量、系統狀態信息、系統報警信息、電源屏輸入電壓突變曲線、UPS 模擬量、UPS 報警信息、電池模擬量、電池報警等。

ZPW2000 維護終端：客專通信盤狀態、區段設備狀態信息、區段占用狀態信息、區段模擬量信息、客專通信編碼ZPW2000 區段接收TCC 編碼控制命令、采集分機狀態、報警信息等。

智能燈絲報警：具體到燈位的燈絲報警信息。

道岔缺口監測：道岔缺口最新值與圖像、缺口報警、預警及圖像/視頻信息、道岔操縱時、過車時視頻時間列表及視頻信息、油壓曲線和油位信息、采集設備狀態信息等。

ZPW2000 軌道診斷主機：診斷主機報警信息。

2 無線閉塞中心RBC、臨時限速服務器TSRS、信號安全數據網、動環監測介紹

無線閉塞中心RBC 根據CBI、TSRS、相鄰RBC、CTC、車載等設備提供的信息，生成列車行車許可等控制信息，通過無線通信的方式實現車地信息雙向交互，控制列車安全運行。臨時限速服務器TSRS 具備對全線臨時限速命令的設置、取消等功能。信號安全數據網是保證車站、中繼站、線路所間（TCC、CBI）和中心（RBC、TSRS）間安全信息的可靠傳輸。動環監測是用于監測信號機房溫濕度、空調工作狀態等，提升機房運維管理效率。

3 集中監測應實現與RBC、TSRS、信號安全數據網、動環監測等接口，實時傳輸報警信息

集中監測和RBC 接口見圖2。

圖2 集中監測和RBC 接口

RBC 與集中監測通信內容：RBC 設備工作信息、RBC 外部接口狀態、列車信息、臨時限速信息、RBC收到聯鎖發送給RBC 的信息、RBC 設備報警信息等。

集中監測和TSRS 接口見圖3。

圖3 集中監測和TSRS 接口

TSRS 與集中監測通信內容：TSRS 設備工作信息、TSRS 報警信息、臨時限速狀態、重要記錄信息等。

集中監測和信號安全數據網接口見圖4。

圖4 集中監測和信號安全數據網接口

信號安全數據網與集中監測通信內容：實時動態監控網絡和設備的運行狀態。

集中監測和動環監測接口見圖5。

圖5 集中監測和動環監測接口

動環監測與集中監測通信內容：信號機房環境溫度和濕度、空調運行狀態、煙霧、水浸、門禁及玻璃破碎或者碎裂開關量。

4 ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統和LBE300 蓄電池組健康管理與智能維護系統

4.1 ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統

該系統是基于軌道電路理論分析、系統仿真和多年應用經驗總結開發的系統，其核心是故障診斷算法。智能診斷系統通過對室內和室外11 個監測點上采集的電壓、電流的分析和處理，當判斷軌道電路出現電壓、電流異常波動或出現紅光帶時，進行故障診斷，確定故障點（約60%的故障能夠準確指向單點位置，無需二次查找），并向控顯設備輸出故障診斷結果和處理建議。

4.1.1 實時在線故障診斷功能

ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統具備實時故障預警和故障報警功能。當軌道電路區段沒車占用而出現電壓、電流異常波動時，可自動分析、判斷引起電壓、電流異常的區域，并進行故障預警；當軌道電路區段出現異常紅光帶時，可自動分析、確定引起紅光帶的故障區域，進行故障報警。

4.1.2 歷史數據故障診斷回放功能，通過查看歷史數據曲線，可以手動選擇查看任意時間的數據，并進行故障分析和定位，給出故障預警或報警信息。

4.1.3 數據和報警信息回放功能，通過導入歷史數據，對該時段的故障報警信息和內容進行再現和回放調閱。

4.1.4 故障診斷和定位功能，ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統在現場數據采集點不同組合配置：包括室外監測設備、室內模擬網絡電纜側電流、室內模擬網絡設備側電壓不配置的條件下，均可實現故障診斷功能。故障診斷系統可實現11 段的故障預警和故障報警功能，11 段區域包括：

（1）室內發送端方向切換電路區域；（2）發送端模擬網絡；（3）室外發送端電纜通道；（4）室外發送端調諧區、調諧匹配單元；（5）發送端調諧匹配單元鋼軌引接線；（6）主軌線路；（7）接收端調諧匹配單元鋼軌引接線；（8）室外接收端調諧區、調諧匹配單元；（9）室外接收端通道；（10）接收端模擬網絡；（11）室內接收端方向切換電路區域。11 段區域示意圖見圖6。

圖6 11 段區域示意圖

4.2 LBE300 蓄電池組健康管理與智能維護系統

該系統能夠快速檢測出失效蓄電池，對蓄電池性能變化趨勢進行預測，對失效的蓄電池進行修復和均衡，預防過充、欠充等現象，提高蓄電池使用壽命。此外，均衡裝置通過以太網或RS485 通信接口，可將采集到的數據上傳至信號集中監測系統，由信號集中監測系統進行數據儲存顯示，實現了正確預測蓄電池組性能的智能化、網絡化管理。

4.2.1 在線監測功能，系統通過均衡裝置實現對單體電池電壓、內阻、健康度，電池組電壓、電流、剩余容量、健康度、不均衡度、均衡活化狀態、環境溫度等各項數據的采集，顯示超標報警、存儲及后臺通信數據。同時，還可實現在線自動監測每節電池電壓、內阻、健康度等內容，實時監測電池組各項參數。

4.2.2 在線均衡功能，采用自主專利的電量無損轉移技術，將高電壓電池電量轉移到任何一節低電壓電池，從而實現電池電壓均衡。

4.2.3 在線活化功能，在線活化單節電池，確保蓄電池處于良好狀態，能延長2 倍以上蓄電池組的運行壽命。

4.2.4 告警功能，對電池內阻、電壓、溫度、健康度等超限進行實時告警，報警閾值可自由設定，可自動存儲報警信息及單體、整組電池內阻、電壓、充放電電流、健康度、電動勢、環境溫度等數據。

4.2.5 自檢功能，能夠自診斷蓄電池檢測系統故障，提示故障報警信號。

5 電務各車間建立調度指揮分中心

電務各車間建立調度指揮分中心，對RBC 維護終端、TSRS 維護終端、安全數據網維護終端、電務維修機、CTC 維護終端、列控維護終端、ZPW2000 軌道電路維護終端、線路視頻、DMS（列控系統動態監測系統）、道岔缺口監測等予以集中管理，全線管轄所有車站、線路所、中繼站信號集中監測建立信號集中監測維護終端，信號集中監測維護終端、DMS、動環監測應具備語言報警功能，RBC 維護終端、TSRS 維護終端、安全數據網維護終端應逐步實現語音報警功能，能實時語音提示各站報警信息。

車間調度指揮分中心值班人員24h 全程盯控信號集中監測維護終端報警信息，及時查看、分析、記錄彈出的一、二、三級報警信息及其他維護終端報警信息，查看各站微機監測曲線，對管內設備電氣特性進行全面分析，掌握設備的運行質量，發現報警及時查看，判斷故障范圍并通知各站查找原因、處理，核實車間管轄各工區發現的異常信息，對報警和異常信息進行跟蹤，發現問題納入“車間問題庫”實現閉環管理，組織處理各站誤報警，減少誤報警。

天窗結束前1h，利用信號集中監測維護終端查看一次管內道岔、軌道電路、信號機等設備狀態，分析一次彈出的報警信息，發現問題及時通知現場工區。

管內設備發生故障后，及時通知現場工區，并向車間匯報，查看監測設備曲線，維護終端報警信息，判斷室內外具體的故障范圍，指導現場處理，故障恢復后確認設備狀態，盯控設備。

6 結語

綜上所述，將各維護終端和信號集中監測建立接口，實時傳遞報警信息，車間調度指揮分中心24h 全程盯控集中監測維護終端報警，可及時發現道岔失表、道岔缺口不良、道岔缺少液壓油、軌道電路紅光帶、各系統設備通信局部故障、列控設備板卡故障、外電網斷電、ZPW2000 軌道電路室內器材故障、聯鎖備系重啟、TSRS 重啟、信號安全數據網通道中斷、各站空調不良等故障。可遠程登錄各維護終端，判斷故障范圍，指導現場進行處理。對于ZPW2000A 軌道電路紅光帶故障，可通過ZPW-2000A 軌道電路智能診斷系統，智能定位、判斷故障范圍，通過LBE300 蓄電池組健康管理與智能維護系統，可對蓄電池進行監測，保證蓄電池工作良好，實現信號設備智能故障診斷和健康管理，保證鐵路行車安全。