史 龍，周 榮，王智新，譚樹(shù)林

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備作為列車(chē)運(yùn)行中重要的鐵路信號(hào)設(shè)備，成為鐵路運(yùn)營(yíng)安全的主要焦點(diǎn)之一，是保障列車(chē)安全運(yùn)行不可缺少的組成部分。然而鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的健康衰退往往成為導(dǎo)致事故的安全隱患，需要更有計(jì)劃和針對(duì)性的開(kāi)展維護(hù)維修工作。目前道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的監(jiān)測(cè)手段主要依靠信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作功率、電流數(shù)據(jù)曲線，以及缺口監(jiān)測(cè)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(yàn)，難以滿足道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備復(fù)雜的工作環(huán)境需求和故障快速定位并修復(fù)的鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)需求。

為適應(yīng)鐵路向智能化發(fā)展的新形勢(shì)，實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備在新時(shí)代的轉(zhuǎn)型升級(jí)，需提升道岔轉(zhuǎn)換設(shè)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(jié)合信息感知、無(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)和專家系統(tǒng)等技術(shù)是大勢(shì)所趨。面對(duì)既有問(wèn)題和日益增長(zhǎng)的運(yùn)維新需求，如何構(gòu)建智能化道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，并逐步實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)與健康管理，是實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備智能運(yùn)維的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)是構(gòu)建鐵路綜合運(yùn)維平臺(tái)的重要基礎(chǔ)。

2 道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備

道岔是機(jī)車(chē)車(chē)輛從一股軌道轉(zhuǎn)入或越過(guò)另一股軌道時(shí)必不可少的線路設(shè)備，主要包括轉(zhuǎn)轍機(jī)、密貼檢查器、外鎖閉裝置、安裝裝置和工務(wù)設(shè)備。由于道岔具有數(shù)量多、構(gòu)造復(fù)雜、使用壽命短、限制列車(chē)速度、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點(diǎn)，致使道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障率居高不下，其故障率占信號(hào)設(shè)備故障的50%左右。

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障主要包括：外鎖閉及安裝裝置故障、轉(zhuǎn)轍機(jī)故障、工務(wù)設(shè)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(diǎn)、鎖閉鐵、鎖鉤銷(xiāo)軸、鎖閉檢測(cè)器等。

3 道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)上述故障發(fā)生位置，以智能信息感知為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)傳感器直接或間接獲取對(duì)應(yīng)參量信息，通過(guò)無(wú)線通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建大數(shù)據(jù)云服務(wù)器平臺(tái)，配置車(chē)站故障診斷客戶端，分析故障發(fā)生機(jī)理，提取故障信息特征，建立故障模式對(duì)應(yīng)參數(shù)模型，結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷預(yù)測(cè)算法，設(shè)計(jì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)、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(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的典型故障進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及趨勢(shì)預(yù)測(cè)，形成可靠的故障診斷系統(tǒng)，為道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備日常維護(hù)、及時(shí)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(wù)數(shù)據(jù)平臺(tái)層和故障診斷層，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(dòng)傳感器等傳感器構(gòu)成；可直接或間接實(shí)現(xiàn)缺口視頻圖像監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)換力監(jiān)測(cè)、密貼狀態(tài)監(jiān)測(cè)、全動(dòng)程表示桿位移監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)換電流監(jiān)測(cè)、局部電壓監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)、油壓油位監(jiān)測(cè)、振動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)、道床穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、鋼軌爬行監(jiān)測(cè)和接點(diǎn)阻狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。全部傳感器由于應(yīng)用于室外道岔設(shè)備附近，工作環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴(yán)重，同時(shí)傳感器不能影響被測(cè)設(shè)備運(yùn)行和正常行車(chē)，這就對(duì)傳感器的安全性與可靠性提出極高的要求，設(shè)計(jì)要求如下。

1) 電氣隔離。傳感器與被測(cè)設(shè)備需進(jìn)行電氣隔離，確保傳感器故障不會(huì)影響被測(cè)設(shè)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(cè)金屬設(shè)備需進(jìn)行良好的絕緣設(shè)計(jì)，確保雷電、電氣化干擾等不會(huì)損壞傳感器和采集設(shè)備，保證系統(tǒng)工作可靠性，如轉(zhuǎn)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(jī)內(nèi)傳感器和機(jī)外傳感器，轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部傳感器需要根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)定制安全可靠的安裝支架，保證傳感器不會(huì)由于松動(dòng)或脫落影響轉(zhuǎn)轍機(jī)正常動(dòng)作，機(jī)外傳感器需要根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同情況設(shè)計(jì)特殊外形或安裝卡具，保證安裝可靠、不影響行車(chē)和脫落時(shí)導(dǎo)向安全側(cè)。

4) 安全防護(hù)。置于室外裸露環(huán)境的傳感器需要滿足IP67 防護(hù)等級(jí)，工業(yè)級(jí)溫度范圍，以及防雷電和電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；

5) 狀態(tài)自檢。所有傳感器需要設(shè)計(jì)自檢功能，不但可以實(shí)時(shí)反映自身工作情況，也可檢測(cè)自身安裝牢固狀態(tài)，若發(fā)生松動(dòng)或脫落時(shí)可及時(shí)上報(bào)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(wú)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(jìn)行通信，獲取道岔相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)通信單元與云平臺(tái)或?qū)Ｓ媒K端進(jìn)行雙向通信，設(shè)計(jì)要求如下。

1) 所有采集接口都需進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，保證滿足端口的防雷和電磁兼容防護(hù)要求，同時(shí)為各個(gè)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(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，考慮整體電磁兼容防護(hù)的同時(shí)，要兼顧無(wú)線通信信號(hào)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(shí)減輕通信帶寬壓力，如圖像識(shí)別、視頻壓縮、時(shí)頻計(jì)算、自動(dòng)觸發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換和狀態(tài)自檢等功能，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)點(diǎn)的靈活配置和兼容擴(kuò)展；

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

3.3 數(shù)據(jù)平臺(tái)層

數(shù)據(jù)平臺(tái)層可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析、遠(yuǎn)程通信、通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)和決策預(yù)警等功能。

云平臺(tái)軟件由3 大部分構(gòu)成，分別為：C/S 部分，B/S 部分和數(shù)據(jù)庫(kù)部分，如圖2 所示。

圖2 云平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Cloud platform software structure diagram

各部分功能如下。

C/S 部分：云平臺(tái)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(kù)中，以供B/S 部分在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候讀??；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(tái)的B/S 部分是整個(gè)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(kù)部分：數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，用戶的控制指令以及操作記錄等。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)還承擔(dān)B/S 部分和C/S 部分之間通信的角色，用戶針對(duì)道岔采集單元的控制指令由B/S 部分寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(zhuǎn)換設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)的核心大腦，通過(guò)云服務(wù)器數(shù)據(jù)平臺(tái)層獲取道岔實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、曲線生成、報(bào)警預(yù)警、故障診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、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(mén)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)人類專家的問(wèn)題求解能力建模，利用人工智能技術(shù)中知識(shí)表示方法和知識(shí)推理來(lái)模擬通常由某領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的復(fù)雜問(wèn)題，即專家系統(tǒng)=知識(shí)庫(kù)+推理機(jī)。專家系統(tǒng)一般由知識(shí)庫(kù)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取機(jī)制、解釋機(jī)制、推理機(jī)和人機(jī)交互界面6 部分組成，如圖3 所示。

圖3 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Expert system structure diagram

本系統(tǒng)中，依托于業(yè)內(nèi)專家的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，建立知識(shí)獲取機(jī)制；根據(jù)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障模式、故障原理、故障類型和嚴(yán)重等級(jí)等條件建立知識(shí)庫(kù)；根據(jù)設(shè)計(jì)單位和業(yè)主單位多年應(yīng)用累積的實(shí)際數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)系統(tǒng)上道部署和試驗(yàn)獲得多維度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM等算法建立故障模式與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的推理機(jī)模型；設(shè)計(jì)故障診斷與預(yù)測(cè)結(jié)果的決策方式與概率預(yù)計(jì)，建立解釋機(jī)制，通過(guò)簡(jiǎn)潔、友好的人機(jī)界面為用戶提供交互。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備工作特點(diǎn)、故障模式、故障原因和監(jiān)測(cè)要點(diǎn)，根據(jù)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行維護(hù)遇到的問(wèn)題和困難，設(shè)計(jì)基于信息感知、分布式計(jì)算、云平臺(tái)和專家系統(tǒng)技術(shù)的道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)系統(tǒng)，提出系統(tǒng)中各個(gè)層級(jí)設(shè)備、算法、平臺(tái)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)一方面通過(guò)靈活的通信方式和平臺(tái)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)一條線路、一個(gè)路局甚至全路所有道岔運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和集中管理，另一方面通過(guò)專家知識(shí)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)、人工智能算法等手段，可實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障診斷和預(yù)測(cè)，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行維護(hù)工作，提高故障定位和修復(fù)效率，降低故障發(fā)生概率。