王圣根，楊向波

目前在鐵路信號集中監(jiān)測（Centralized signal monitoring，CSM）領域中，非邊界軌道紅光帶識別方法已有一些應用研究，如文獻［1］中基于信號集中監(jiān)測的區(qū)間軌道紅光帶原因定位方法和文獻［2］提出的基于故障樹的25 Hz軌道電路紅光帶故障分析法。而文獻［3］將神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊邏輯相結合，構建區(qū)間二型神經(jīng)模糊系統(tǒng)，通過診斷模型實現(xiàn)對軌道電路故障模式的智能識別；文獻［4］在模糊認知圖的基礎上，利用粗糙集進行特征提取，再對軌道電路進行診斷；文獻［5］在分析調諧區(qū)故障對軌道電路讀取器感應電壓幅值包絡影響規(guī)律的基礎上，提出基于列車運行數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡的無絕緣軌道電路調諧區(qū)故障診斷方法。雖然這些方法對非邊界軌道故障有較高的識別率，但對邊界軌道故障的識別率較低。

由于邊界軌道電路區(qū)段的紅光帶判斷較為復雜，且相關研究資料也較少，故而國內部分廠家基于CSM開展了嘗試性的研究。

1）在CSM上只對非邊界區(qū)段的軌道電路紅光帶判斷，邊界軌道紅光帶不再加載邏輯判斷。然而邊界軌道電路區(qū)段發(fā)生故障紅光帶時無法報警，不能及時發(fā)現(xiàn)信號設備的故障，給日常維護帶來很大隱患。

2）在CSM上加載邊界軌道紅光帶的判斷邏輯：延時處理邊界軌道區(qū)段紅光帶，從本區(qū)段亮紅光帶開始計時，待延時時間到，判斷前方軌道電路區(qū)段是否在設定時間內亮紅光帶，若亮起，則判斷為列車的正常占用，否則判斷為故障占用。但若從鄰站過來的列車停在本區(qū)段內，前方軌道電路區(qū)段在設定的時間內無法亮紅光帶，此時軟件邏輯就會判斷本區(qū)段為故障紅光帶，產(chǎn)生誤報警。

3）在邊界軌道區(qū)段處增加軌道相關的電流配線采集，雖在一定程度上能對邊界軌道電路區(qū)段進行識別，但需要變更施工圖紙、增加配線施工量、成本偏高，針對已經(jīng)開通的高速鐵路車站，需要進行二次改造。因為這種方式存在一定的局限因素，至今沒有推廣應用［6］。

鑒于上述問題，本文在既有CSM的基礎上，開發(fā)了站間通信功能模塊和故障樹分析功能，提出一種全新的邊界軌道紅光帶判斷方案，為軌道電路智能診斷研究奠定基礎。

1 信號集中監(jiān)測系統(tǒng)

CSM是保證行車安全、監(jiān)測信號設備狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號設備隱患、提高維護水平和效率的重要行車設備。當前按照運輸和電務部門安排的“天窗”作業(yè)點進行電務維修，“天窗點”外不允許上道，僅可通過CSM去瀏覽和調閱信號設備的關鍵運營數(shù)據(jù)。CSM不但可以結合自身的數(shù)據(jù)資源池綜合分析出信號設備的健康度，還能在關鍵信號設備出現(xiàn)異常時給出報警，及時通知電務人員進行處理，確保列車的運行安全。

目前，車站CSM主要是利用本站自采集和接口發(fā)送的數(shù)據(jù)，分析本站信號設備的運用情況。為實現(xiàn)邊界軌道紅光帶的判斷和故障診斷分析，要通過站間通信獲知鄰站信號設備的狀態(tài)，判斷本站邊界軌道是否為正常過車，若為正常過車，則無需報警，若是因設備故障導致的紅光帶，則需借助故障樹分析邏輯診斷具體原因，并觸發(fā)報警，為電務人員快速處理故障提供技術支持。

2 站間通信

CSM現(xiàn)有功能主要是基于本車站內部邏輯和數(shù)據(jù)分析，包括獲取基礎數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解析、智能診斷和界面呈現(xiàn)，不包含鄰站數(shù)據(jù)信息解析。本研究在CSM現(xiàn)有功能的基礎上開發(fā)了站間通信功能模塊，實現(xiàn)本站和鄰站之間數(shù)據(jù)信息的共享，從而為后續(xù)邏輯分析提供數(shù)據(jù)支持。為確保CSM車站之間的網(wǎng)絡安全［7-8］，在本站和鄰站之間設置網(wǎng)絡隔離設備。

站間通信通過信號集中監(jiān)測系統(tǒng)內部的站間通信軟件處理和相關參數(shù)配置，實現(xiàn)跨站數(shù)據(jù)分析與共享，既可從鄰站獲取邊界軌的數(shù)據(jù)信息到本站，也可以把本站的邊界軌數(shù)據(jù)信息推送到鄰站，為采用智能診斷邏輯分析邊界軌道紅光帶時提供基礎數(shù)據(jù)源［9-10］。

2.1 通信結構

CSM站間通信結構主要包括：主/從站的數(shù)據(jù)集、主/從站邊界軌道數(shù)據(jù)集、主/從站的軟件服務器和軟件參數(shù)控制開關。CSM站間通信結構見圖1。

圖1 CSM站間通信結構

主站數(shù)據(jù)A和從站數(shù)據(jù)B是CSM收集的自采集數(shù)據(jù)和接口數(shù)據(jù)；主站邊界軌道數(shù)據(jù)集和從站邊界軌道數(shù)據(jù)集是從主站數(shù)據(jù)A和從站數(shù)據(jù)B中分離出來的邊界軌道狀態(tài)量（含列控和聯(lián)鎖接口的信息）；主站A和從站B是主站和從站之間建立鏈接關系的軟件執(zhí)行單元，按照控制開關的設置響應主/從站之間的收發(fā)命令，完成站間數(shù)據(jù)信息交互，數(shù)據(jù)內容包括站碼、信號設備類型、發(fā)送標識和接收標識等；主/從站采用服務器和客戶端的連接關系，主站默認為服務器，從站默認為客戶端。

2.2 配置結構

客戶端與服務器端建立鏈接關系后，開始啟動主/從站的站間通信配置文件ZJTX.INI（以STATION-A、STATION-B車站為例），文件結構如下：

假設STATION-A、STATION-B按上下行順序連接，且左邊為下行，右邊為上行，則STATION-A的上行是STATION-B；STATION-A發(fā)送時，若給上行的STATION-B發(fā)送狀態(tài)量分機號為11，則STATION-B接收時，從下行的STATION-A站接收到的狀態(tài)量分機號也必須為11，若為其他分機號，則不予接收。狀態(tài)量分機號確定了數(shù)據(jù)的來源，信號設備類型確定對應的狀態(tài)量。

3 故障樹分析

故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是由上往下的演繹式失效分析法，利用布爾邏輯組合低階事件，分析系統(tǒng)中不期望出現(xiàn)的狀態(tài)，是一種通用的在線監(jiān)測異常信息捕捉技術，尤其是在軌道電路故障分析方面具有結構精簡和故障成因定位準確的獨特優(yōu)點，在當前的軌道交通領域中已得到了廣泛的應用［11-13］。

3.1 邊界軌道紅光帶故障樹

按照逐漸明晰故障成因的原則，搭建一棵故障樹，由頂事件、中間事件和底事件組成，樹根是故障，樹枝是具體的故障成因，遍歷順序為先左后右，左右分支邏輯互斥。分別設置軌道區(qū)段正常/異常的電氣模擬量屬性參數(shù)和信號設備狀態(tài)信息，超出設置的區(qū)間范圍時，程序開始啟動故障分析邏輯，并給出相應的故障報警等異常信息。通過這種分析方法，能快速、準確地定位出邊界軌道紅光帶的原因。若紅光帶為非正常過車引起，則會按故障樹的要求逐級分析故障的具體成因；若紅光帶為正常過車，將結束分析過程。軌道紅光帶故障樹見圖2。

圖2 軌道紅光帶故障樹

如圖2所示，A1為主站的某一邊界軌道區(qū)段亮紅光帶，時刻記為T1，單位s；B1為對列車運行方向的判斷，分為上行和下行；C1和C2均有可能造成A1中軌道區(qū)段亮紅光帶，T2為［T1-5，T1+5］，在T2范圍內，若鄰站邊界軌亮過紅光帶，則本區(qū)段在T1時刻亮紅光帶為正常過車引起，否則，本區(qū)段為故障紅光帶，故障樹開始遍歷分析C2節(jié)點；T3為［T1，T1+9］，若本區(qū)段在T3范圍內一直亮紅光帶，則故障樹開始遍歷H1節(jié)點，若本區(qū)段在T3范圍內亮紅光帶的時間占比超70%，則故障樹開始遍歷H2節(jié)點，程序報警軌道區(qū)段閃紅光帶。

故障樹中T2、T3、T4等時間閾值是依據(jù)列車運行方向和列車速度數(shù)據(jù)估算的經(jīng)驗值，作為分析故障紅光帶的關鍵時間數(shù)據(jù)，故障樹邏輯會在時間閾值區(qū)間內獲取信號設備對應的模擬量和狀態(tài)量，對故障具體原因加以區(qū)分。如：當故障樹遍歷到H1節(jié)點時，T4為［T1+4，T1+9］，對設備采集項進行分析，若本區(qū)段的接收入口主軌電壓在時間T4內的取值區(qū)間為［0，280），接收入口小軌電壓取值區(qū)間為［0，60），則故障分析進入E1發(fā)送通道節(jié)點。繼續(xù)分析下一個層級節(jié)點，若本區(qū)段的功出電壓和功出電流在T4的取值區(qū)間分別為［標準功出電壓×0.8）和［0，30），則故障分析進入F1功出端子節(jié)點，將最終故障原因定位為故障紅光帶：功出端子至設備側開路。

對軌道區(qū)段紅光帶故障樹定性分析，如果故障樹的某幾個底事件的集合同時發(fā)生或單個事件發(fā)生時，將會引發(fā)頂事件的發(fā)生。如表1所示，｛X1｝～｛X8｝是故障樹的葉子節(jié)點，｛X1｝是正常過車產(chǎn)生的紅光帶，｛X2｝～｛X8｝為故障紅光帶。

表1 軌道紅光帶原因分類

3.2 軌道紅光帶故障分析軟件處理流程

軌道電路區(qū)段紅光帶處理是依托CSM的智能診斷功能模塊完成的，軟件處理流程見圖3。

數(shù)據(jù)源Data是CSM收集的自采集數(shù)據(jù)和接口類的數(shù)據(jù)池，其中含有分析邊界軌道區(qū)段紅光帶所需的數(shù)據(jù)；通過軟件的CGetdata類，將數(shù)據(jù)放入隊列內存；在CThteadManager類的驅動下，CVisitor類開始實時訪問CGetdata類，并將獲得的數(shù)據(jù)提供給CLogic智能診斷邏輯分析類；CLogic類根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)做邏輯核對運算，滿足報警條件時，則給出核對結果并放入核對結果存儲類CAlarm中；若不滿足，則認為是正常，無需報警；CAdvise類可以根據(jù)核對分析出來的結果給出一定的維修建議。

4 試驗驗證

在CSM上進行邊界軌道紅光帶的驗證，設置2種情況：正常過車時軌道區(qū)段上有車占用產(chǎn)生的紅光帶；無車經(jīng)過時軌道電路故障產(chǎn)生的區(qū)段故障紅光帶。

Step 1準備2臺工控機設備，用于運行信號集中監(jiān)測系統(tǒng)軟件和存儲相關的配置。

Step 2配置站間通信ZJTX.INI文件、打開站間通信和智能診斷功能的開關，加載要分析的軌道區(qū)段。

Step 3使用仿真工具發(fā)送相關的軌道區(qū)段亮紅光帶的狀態(tài)量及發(fā)送、接收相關的模擬量。

4.1 正常過車

軌道區(qū)段上有車占用，相應區(qū)段亮紅光帶，見圖4。

圖4 軌道區(qū)段正常占車紅光帶

B1G是車站B與車站A連接的邊界軌，列車按A1G→A2G→B1G→B2G的運行方向從A站開往B站。B1G亮紅光帶，此時B站的CSM軟件通過站間通信功能獲取A1G和A2G的軌道區(qū)段曾經(jīng)亮紅光帶，再結合列車運行方向和故障樹分析過程，智能診斷結果為B1G軌道區(qū)段因正常的列車占用而亮紅光帶，無需觸發(fā)報警。同理，D1G亮紅光帶，程序先判斷C1G和C2G軌道區(qū)段亮紅光帶的時序及列車運行方向，結論為正常占車紅光帶。

4.2 邊界軌道故障

軌道區(qū)段上無列車占用，相應區(qū)段亮紅光帶，見圖5。

圖5 邊界軌道故障紅光帶

列車按A1G→A2G→B1G→B2G的運行方向從A站開往B站，B1G亮紅光帶，時刻定義為T，車站B通過站間通信獲知A1G和A2G在［T-5，T+5］時間段內并沒有列車經(jīng)過，再判斷［T，T+9］時間段內B1G的后方區(qū)段沒有亮過紅光帶，確定本區(qū)段為單邊亮紅光帶。結合列車運行方向和故障樹分析過程，進一步分析發(fā)送通道、軌面和衰耗盒等相關的模擬量取值：B1G的接收入口主軌電壓值為210 mV，接收入口小軌電壓為50 mV，故障樹定位到發(fā)送通道故障；B1G的功出電壓值為75 mV，功出電流值為20 mA，可定位到功出端子至設備側開路故障；故智能診斷的結果為B1G因軌道電路功出端子至設備側開路故障產(chǎn)生的故障紅光帶，觸發(fā)報警。

5 結束語

針對目前信號集中監(jiān)測系統(tǒng)無法精準判斷邊界軌道紅光帶的問題，將站間通信功能和故障樹邏輯分析融入到CSM中。首先利用站間通信功能判斷邊界軌紅光帶是否正常過車，若非正常過車，則啟用故障樹分析紅光帶的具體原因，并及時給出報警提醒，防患于未然。目前，邊界軌道紅光帶分析功能已在多條高鐵客專線路進行部署應用。鑒于相關接口子系統(tǒng)發(fā)送給信號集中監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息可能存在時差，在分析過程中會適當拓展后方軌道區(qū)段、本軌道區(qū)段、前方軌道區(qū)段亮紅光帶的時間范圍。

高鐵信號設備的日常維護正在由計劃修向狀態(tài)修轉型，本文提出的軌道紅光帶判斷方法具有結構簡單、易于集成、判斷結果準確度高、實時性強和成本低的特點，解決了電務維修部門和運輸部門工作中的痛點，具有較高的實用價值，為構建電務智能運維系統(tǒng)夯實了基礎。