吳 冕 關(guān) 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(zhuǎn)轍設(shè)備作為道岔控制系統(tǒng)中安裝在室外的執(zhí)行機構(gòu)，用以可靠地轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)備。

目前，對道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，主要通過瀏覽MSS(維護監(jiān)測系統(tǒng))子系統(tǒng)中的道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)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(shè)備運用狀態(tài)。但此方式常取決于維護人員的經(jīng)驗，難以應對道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備復雜工作環(huán)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(xiàn)出來后才會被發(fā)現(xiàn)并進行處理，難以形成系統(tǒng)、有效的設(shè)備維修和維護計劃。通過道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)可對設(shè)備進行綜合實時監(jiān)測，借助該系統(tǒng)中的專家級趨勢分析功能，可實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備狀態(tài)修。

1 道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能

道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)主要由道岔綜合監(jiān)測系統(tǒng)、道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和道岔維修管理系統(tǒng)三大部分組成。其物理架構(gòu)和功能架構(gòu)如圖1～2所示。

圖1 道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)物理架構(gòu)Fig.1 Physical architecture of turnout operation and maintenance quality management system

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

1.1 道岔綜合監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及功能

道岔綜合監(jiān)測系統(tǒng)(TIMS)部署于車站信號設(shè)備室和軌旁，實時采集道岔控制電路、轉(zhuǎn)轍機和道岔工況的各種狀態(tài)參數(shù)。其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 道岔綜合監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of turnout comprehensive monitoring system architecture

1.1.1 道岔控制電路監(jiān)測

道岔控制電路監(jiān)測包括繼電狀態(tài)監(jiān)測、DBQ(斷相保護器)狀態(tài)監(jiān)測、表示電路監(jiān)測、轉(zhuǎn)換功率監(jiān)測、道岔位置沖突監(jiān)測等。

1) 繼電器狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(jiān)測，并計算出繼電器的轉(zhuǎn)換時間參數(shù)，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(jié)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(jiān)測主要用于繼電器狀態(tài)的評估分析與動作計數(shù)。

(3) 繼電器接點狀態(tài)監(jiān)測：通過對繼電器接點回路電流的連續(xù)采集，獲取電流的連續(xù)變化曲線；通過分析繼電器接點轉(zhuǎn)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(xiàn)接點狀態(tài)在線報警。

2) 轉(zhuǎn)換功率監(jiān)測：是對轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換過程的電流、電壓和功率進行監(jiān)測。由加裝于道岔組合(或電子板卡驅(qū)動模式下的道岔控制線)上的功率傳感器，連續(xù)采集轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jiān)測

道岔控制電路根據(jù)聯(lián)鎖電路控制的 DCJ、FCJ 的上接點控制轉(zhuǎn)轍機的操縱方向和時機。轉(zhuǎn)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(lián)鎖操縱方向(道岔表示位置)與轉(zhuǎn)轍機操縱方向(道岔物理位置)。

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

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

1) 道岔轉(zhuǎn)轍機監(jiān)測：道岔轉(zhuǎn)轍機監(jiān)測包括靜態(tài)缺口監(jiān)測、缺口晃動量監(jiān)測、箱盒內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、內(nèi)鎖閉裝置監(jiān)測和視頻監(jiān)測等。

缺口監(jiān)測主要是通過轉(zhuǎn)轍機內(nèi)安裝的圖像采集設(shè)備進行監(jiān)測。該設(shè)備利用目標鎖定、特征提取和灰度分析等圖像處理技術(shù)，通過將現(xiàn)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(zhuǎn)轍設(shè)備缺口狀態(tài)。缺口監(jiān)測包括三種啟動模式，根據(jù)優(yōu)先級依次為：操縱后缺口≥過車后缺口≥周期采集缺口，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)將會中斷低優(yōu)先級業(yè)務(wù)。以ZDJ9型道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備為例，其缺口監(jiān)測原理示意圖如圖8所示。

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

箱盒內(nèi)環(huán)境監(jiān)測主要包括道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備振動監(jiān)測和溫濕度監(jiān)測。通過轉(zhuǎn)轍機內(nèi)安裝的振動傳感器和溫濕度傳感器，實時采集設(shè)備內(nèi)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(tài)對比分析。

2) 道岔工況監(jiān)測：主要監(jiān)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(zhuǎn)換速度和尖軌結(jié)構(gòu)件外觀缺陷等。道岔工況監(jiān)測設(shè)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(jiān)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(shù)參數(shù)。

1.2 道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)架和功能

道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(TDMS)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺、系統(tǒng)服務(wù)平臺和系統(tǒng)分析平臺三部分組成，負責道岔數(shù)據(jù)預處理與存儲、SOA數(shù)據(jù)路由服務(wù)、道岔故障診斷與預測分析等。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。

圖9 道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺

系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議，接收道岔綜合監(jiān)測系統(tǒng)的各類道岔監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立道岔綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)池；利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議，與第三方系統(tǒng)(MSS/CSM(信號集中監(jiān)測系統(tǒng))/智慧運維/缺口監(jiān)測等)進行道岔相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的交互，實現(xiàn)既有監(jiān)測資產(chǎn)的合理整合與應用；利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議，將現(xiàn)場維修時使用的各種道岔測試儀器的數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)平臺存儲，實現(xiàn)道岔維修過程數(shù)據(jù)的綜合管理與應用。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺對來自于不同監(jiān)測系統(tǒng)的道岔監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理，通過數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)規(guī)約和數(shù)據(jù)變換，獲得標準的、干凈的和連續(xù)的道岔狀態(tài)數(shù)據(jù)，支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。其架構(gòu)如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)Fig.10 System data platform structure

1.2.2 系統(tǒng)服務(wù)平臺

系統(tǒng)服務(wù)平臺采用SOA(面向服務(wù)架構(gòu))技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路由平臺，將傳統(tǒng)系統(tǒng)軟件的每個功能拆分為單個的獨立服務(wù)組件，利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議進行組件間的數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建一個可以分布式部署的道岔綜合監(jiān)測服務(wù)平臺，支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與應用。

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

圖11 SOA系統(tǒng)服務(wù)平臺架構(gòu)Fig.11 Architecture of SOA system service platform

1.2.3 系統(tǒng)分析平臺

系統(tǒng)分析平臺主要負責道岔故障成因自動診斷、設(shè)備健康狀態(tài)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(guān)量、狀態(tài)等非離散型道岔數(shù)據(jù)進行分析，自動診斷道岔故障；利用人工智能訓練器、執(zhí)行器軟件對曲線等離散型道岔道岔故障樣本數(shù)據(jù)進行訓練學習，進而實時對曲線類離散數(shù)據(jù)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(shù)和曲線進行散布范圍和包絡(luò)線分析，進而實現(xiàn)道岔健康度分析與設(shè)備健康等級劃分。

系統(tǒng)分析平臺分為數(shù)據(jù)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(gòu)如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)分析平臺架構(gòu)Fig.12 System analysis platform architecture

1.3 道岔維修管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能

道岔維修管理系統(tǒng)(TMMS)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立基于內(nèi)網(wǎng)的道岔維修管理運行平臺，實現(xiàn)道岔維修計劃、作業(yè)信息、資料查詢、維修數(shù)據(jù)記錄和道岔履歷等數(shù)據(jù)展示與查詢。該系統(tǒng)配備安全型無線模塊，建立了軌旁、信號設(shè)備室和值班室等工作場景的安全型內(nèi)網(wǎng)移動通信，可為專用移動終端提供數(shù)據(jù)傳輸支持能力；結(jié)合各種配套開發(fā)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(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

道岔維修管理系統(tǒng)包括桌面端和移動端兩部分，綜合展示道岔各類設(shè)備、各個維度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過移動終端、軌旁無線模塊和無線測試儀表等輔助設(shè)備，以及桌面/移動維修管理軟件實現(xiàn)維修作業(yè)過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)瀏覽、維修行為監(jiān)督、作業(yè)數(shù)據(jù)記錄與設(shè)備報警查詢?？刹樵冺椖恐饕ǖ啦碓O(shè)備及維修人員定位管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)移動查詢、設(shè)備狀態(tài)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(zhì)量評估、道岔設(shè)備履歷、超限報警、故障報警、健康狀態(tài)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(qū)域通過安全型無線AP(無線接入點)接入軌旁監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，訪問軌旁采集分機和室內(nèi)監(jiān)測站機，獲取全部監(jiān)測信息及分析信息。

道岔維修管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖13所示。

圖13 道岔維修管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.13 Turnout maintenance and management system architecture

2 道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)應用

道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)監(jiān)測所得的道岔動作功率曲線，能夠直接反映轉(zhuǎn)轍機實際輸出力。道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)可以根據(jù)道岔功率大小、功率波動的時間點確定轉(zhuǎn)轍機或道岔工作狀態(tài)、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(jù)道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)采集的道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備各階段功率曲線，分析道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備可能出現(xiàn)的問題及相關(guān)維修建議。道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)可為設(shè)備設(shè)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(wěn)定性。正常情況下，轉(zhuǎn)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(xiàn)“坡起”，結(jié)合轉(zhuǎn)轍機動作過程區(qū)段劃分，如“坡起”功率曲線位置處于動作區(qū)，即可判斷出此時轉(zhuǎn)轍機動作需要克服的阻力為轉(zhuǎn)轍機內(nèi)阻、道岔兩尖軌轉(zhuǎn)換阻力。此時，道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)給出設(shè)備故障的可能原因有：道岔機械部分阻力過大、缺油,轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部別卡或內(nèi)阻過大。維護人員可根據(jù)系統(tǒng)建議對設(shè)備進行相應處置，以保證設(shè)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(jīng)驗，可對設(shè)備故障報警提供維護建議，維護人員可根據(jù)系統(tǒng)建議定位故障并處理，有效提升了設(shè)備維護效率。如根據(jù)道岔功率曲線及工作電流圖發(fā)現(xiàn)A、B、C三相電均缺相，轉(zhuǎn)轍機不動作。對于該故障報警，系統(tǒng)提供的故障原因及維修建議為：交流轉(zhuǎn)轍機電源斷，建議檢查轉(zhuǎn)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(jié)語

道岔運維質(zhì)量管理系統(tǒng)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(jiān)視、分析和閉環(huán)處理，可逐步實現(xiàn)基于狀態(tài)修的維護模式轉(zhuǎn)變。

2) 能夠?qū)崟r掌握道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備狀態(tài)和及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，并能通過專家智能診斷和大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)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(zhuǎn)轍設(shè)備監(jiān)測記錄設(shè)備在線使用情況，可實現(xiàn)設(shè)備全壽命周期管理，降低設(shè)備維修成本。