［關鍵詞］鐵路；信號設備；故障診斷

［中圖分類號］U284.92 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0065–03

1鐵路信號設備分類

鐵路信號是鐵路信號系統(tǒng)或設備的簡稱。鐵路信號設備在了解當前鐵路路況和保障鐵路交通安全方面起著重要作用，是對列車進行指揮調度的信息傳遞的核心。鐵路信號設備通過反饋列車行車狀態(tài)指令信息和運行條件，有助于對運行列車進行全面控制?，F(xiàn)代鐵路信號設備通常由多個系統(tǒng)組成，包括信號機、轉轍機、軌道電路、道岔、信號繼電器及電源屏等，其在鐵路交通運輸領域發(fā)揮著各自的作用。

（1）信號機。信號機作為保證列車安全運行的關鍵設備，通常采用光學原理。通過在設備頂端安裝燈光裝置，依托電流變壓器或電路產生信號警笛，以實現(xiàn)對線路列車進行信號指引的目的。

（2）轉轍機。轉轍機一般位于鐵路的交叉路口道岔處，其作用是通過轉換鐵路的行駛路線，保證岔道轉換的安全性，防止意外事故的發(fā)生。轉轍機能在軌道發(fā)生故障的第一時間接收信號并發(fā)出警報，然后為列車更換安全軌道線路，并將故障軌道信息傳至中央服務器。

（3）軌道電路。軌道電路與軌道運轉聯(lián)系緊密，屬于鐵路交通運輸中的關鍵設備。軌道電路有開路式和閉路式兩種工作模式，其作用都是掌握列車運行的實時信息以供相關人員全盤了解列車的運行狀態(tài)。軌道電路還能夠定位列車在某個時間段的位置，檢測到的信息通過信號機上傳至交通系統(tǒng)服務器，具有優(yōu)秀的反饋能力。

2鐵路信號設備故障

2.1鐵路信號設備故障概述

故障指設備出現(xiàn)的物理缺陷，這種缺陷可能導致設備失效，也可能不會。因此，即使設備存在一定的故障，仍然有可能完成其規(guī)定的功能。鐵路信號系統(tǒng)的結構復雜，設備種類繁多，因此伴隨著故障頻繁、故障種類繁多、故障發(fā)生原因多樣化的情況。特別是在控制電路里，由于外部因素的作用，各種元件在安裝和使用過程中呈現(xiàn)出不同的異常表現(xiàn)。一般來說，元器件發(fā)生變質、制造工藝有缺陷、使用壽命臨期及受外部環(huán)境影響，都有可能導致各種故障。因此，在進行鐵路信號設備故障診斷的過程中，充分了解設備可能的潛在故障類型能夠大幅提高診斷效率。

2.2鐵路信號設備故障分類

（1）材料方面。在鐵路信號設備的生產過程中，生產材料選擇的錯誤、生產工藝的不成熟或生產工序把關的不嚴格，均會導致不符合要求的次品出廠并投入使用，存在潛在隱患，極有可能導致故障的發(fā)生。

（2）保養(yǎng)維修方面。相關人員未按規(guī)定進行例行檢查和定期維護鐵路信號設備，導致設備發(fā)生故障。維修人員的專業(yè)知識不夠扎實、維修操作不正確及違章作業(yè)也可能導致設備發(fā)生故障。

（3）環(huán)境方面。某些鐵路信號設備因其工作性質的需要長期暴露在室外，很大程度上會受到自然環(huán)境的影響。如防雷元件因雷雨天氣毀壞，鐵路軌面因侵蝕生銹等。

3鐵路信號設備故障診斷方法

3.1傳統(tǒng)診斷方法

技術維修人員根據自己的經驗和專業(yè)能力在現(xiàn)場進行檢測，方法包括邏輯推理法、壓縮法及比較法等，且一般情況下會聯(lián)合應用多種方法診斷故障。鐵路信號系統(tǒng)在運行過程中，系統(tǒng)內部的數據信息可能以直接或間接的方式反映系統(tǒng)是否正常運行。如果出現(xiàn)故障，可以通過檢測特定的故障點來了解具體原因，然后由相關人員接手，進一步對設備故障問題進行排查。該診斷方法只適用于簡單的設備和系統(tǒng)，并且依賴于技術人員，對其的工作經驗和專業(yè)技能有較高的要求。但傳統(tǒng)診斷方法可以與當前發(fā)展迅猛的智能診斷方法聯(lián)合使用，提高診斷工作效率和質量。

3.2常用診斷方法

基于數學函數的信號檢測方法在目前的鐵路信號設備故障診斷中有著廣泛應用。其通過相關儀器設備進行特征提取，然后利用數學函數進行分析，根據函數關系找到信號特征之間的差異現(xiàn)象，以此來定位監(jiān)測路段信號設備存在的問題。這種方法相比傳統(tǒng)診斷方法更加規(guī)范和穩(wěn)定，只需要操作人員具備相關設備的操作能力，而對人工經驗和領域知識要求并不嚴苛，因此對操作人員較為友好。但是該方法在具體應用中具有局限性，其可能會因為某一單一的信號故障點以偏概全，無法進行多維的對比和分析，縮減了信號檢測方式的應用面。后續(xù)發(fā)展可以從時間和空間兩個維度進行優(yōu)化。

3.3智能診斷方法

3.3.1模型解析

鐵路信號設備種類繁多，可通過匯總鐵路信號故障特征的文本數據，并結合專業(yè)的鐵路知識，構建一個故障診斷模型，然后利用該模型進行分析和決策。模型的實現(xiàn)首先要確定診斷目標，即某鐵路信號設備，然后根據規(guī)則構建模型，以達到分解與識別系統(tǒng)中運行存在的故障問題。

通常來說，如果某一鐵路信號設備發(fā)生故障，相關系統(tǒng)的輸入與輸出就會出現(xiàn)異常現(xiàn)象，其變化特征可以利用構建的模型進行解析。

故障特征模塊負責搜集與輸入設備故障特性的文字資料。故障類型模塊是由鐵路信號設備的專業(yè)知識和資深人員的實踐經驗所提煉出的設備故障分類信息的知識數據庫，負責對故障進行分類。故障原因模塊會進一步對設備出現(xiàn)故障的位置加以細化，同時給出具體的故障原因。在故障類型模塊中，一個故障的產生不會引發(fā)另一個故障，這些故障相互獨立，互不影響，沒有連鎖效應。故障原因模塊同樣遵守該規(guī)則。建立故障診斷模型后，需要對各個故障屬性進行編號并分類，以得出相互間的邏輯關系。這有助于系統(tǒng)通過對當前運行時的差異點進行判定，提取相關文本數據，分析故障類型并解析故障原因，從而對信號設備發(fā)生的故障進行定位識別，顯著提高動態(tài)監(jiān)測的效果。此外，該方法不僅能夠及時診斷信號設備故障，還可以根據特征文本數據對故障的發(fā)展趨勢進行預測。模型解析法雖然在性能上遠高于傳統(tǒng)診斷法和信號檢測法，但因為其首先要確定診斷目標，因此具有一定的局限性。

3.3.2專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一種融合大量專業(yè)知識和經驗的程序系統(tǒng)，其本質是一個計算機程序。專家系統(tǒng)的結構可以看作是一個存儲領域專家知識的數據庫加上一個能選擇并運用這些知識的具有推理機制的計算機系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)程序相比，專家系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其針對性及個性化特性。傳統(tǒng)程序主要依賴精心設計的算法來高效儲存并處理海量信息。而專家系統(tǒng)則基于專業(yè)的知識體系作為基礎，能在短時間內（如數分鐘至數小時）執(zhí)行復雜的分析、判斷及決定，從而解決涉及特定領域專家的專業(yè)技能且重要程度較高的問題。

專家系統(tǒng)適用于復雜系統(tǒng)的鐵路信號設備故障診斷，其對于領域知識的要求不高且不需要太多的人工干預，相關人員只需根據設定的基本規(guī)則滿足模塊化處理要求即可。專家系統(tǒng)有交互性和解釋性的特點，其在故障診斷中能夠遵循嚴密的邏輯進行推理，并具有知識更新能力。在運行期間，專家系統(tǒng)可以有效銜接信號傳輸中的各個環(huán)節(jié)，不僅可以識別系統(tǒng)運行中的故障，還可以對傳輸信號的各個設備終端載體進行精確檢索，診斷結果準確全面，并且能夠進行實時化和全天候的診斷檢測。

專家系統(tǒng)的技術難點在于知識的獲取、知識的表示及知識推理的效率，此外，專家系統(tǒng)還缺乏自主學習能力。

3.3.3神經網絡

神經網絡通過模擬人腦進行信息處理來實現(xiàn)復雜問題的求解。在鐵路信號設備故障診斷領域中，神經網絡的應用可以實現(xiàn)兩個目標：①利用神經網絡作為分類器來進行故障模式識別；②將神經網絡作為動態(tài)預測模型，用于分析和診斷故障。

相比于專家系統(tǒng)在故障診斷中的表現(xiàn)，神經網絡具有一定的優(yōu)勢：①神經網絡診斷知識的獲取相對容易，而且知識表示在同一個網絡中，通用性強，能夠在一定程度上彌補專家系統(tǒng)的局限性。②神經網絡中的神經元有較強的獨立性，可以提高系統(tǒng)的泛化能力和容錯能力，其采用的推理方式為并行推理，擁有較高的推理效率。③神經網絡有較強的自主學習能力。神經網絡方法雖然優(yōu)點明顯，但其應用成本較高，并且需要相關人員具備專業(yè)知識來搭建神經網絡，包括網絡數據結構和學習方法的選擇，以及模型的搭建等。

3.3.4模糊邏輯

模糊邏輯是以模糊集理論為基礎來進行邏輯推理的計算機控制技術。模糊集理論是一種數學工具，基于經典康托爾集合論，用于處理不確定性和模糊性的問題。模糊邏輯故障診斷的基礎是一個模糊的關系矩陣，其將故障原因和癥狀相結合，通過使用各種算法來模擬人類思考的方式，運用邏輯推理來計算出各種故障的歸屬度，從而揭示各種故障發(fā)生的可能性，進而實現(xiàn)自動化診斷。

模糊模式識別、模糊多屬性決策及模糊系統(tǒng)作為模糊邏輯的重要研究成果，在故障診斷領域已經得到了成功應用，可以在鐵路信號設備故障診斷中發(fā)揮重要作用。模糊模式識別技術能夠根據已有事物的各種特征，對新對象進行識別和歸類，并在實際操作中具有處理特征類別邊界模糊不清淅的能力。模糊多屬性決策是在傳統(tǒng)的多屬性決策研究上發(fā)展而來的，其在進行定量化反映評估的同時，也可以基于模糊集理論對模糊特征進行計算處理，從而得到能夠客觀反映真實不確定的決策結果，故障樹是其的典型應用。模糊系統(tǒng)也被稱為基于模糊規(guī)則的系統(tǒng)，是一種以模糊邏輯為基礎的特殊數學模型。該類系統(tǒng)使用一系列IF-THEN的模糊規(guī)則來進行智能診斷。其中，“IF”即條件部分，用于描述各類的故障特征，結論部分“THEN”是由條件部分推理形成的結果，可以是語言變量或線性輸出。模糊系統(tǒng)維護和更新較為容易，且其知識表達方式易于理解，人機交互友好，是一種有效的鐵路信號設備故障診斷方法。

4結束語

近年來，隨著人工智能等相關技術的飛速發(fā)展，智能故障診斷方法與研究取得了令人矚目的成就，多種高效的自動化技術應用在鐵路信號設備故障診斷中，其相互結合，形成了多方法混合的智能故障診斷趨勢。鑒于在某些特殊環(huán)境下，傳統(tǒng)故障診斷方法依舊行之有效的情況，鐵路信號設備技術人員應根據實際情況不斷進行實踐和研究，針對性地使用并改進鐵路信號設備故障診斷方法，保證鐵路線路的安全運營。