孫曉勇，謝博才，楊 碩

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；3．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

道岔是鐵路運輸?shù)年P鍵環(huán)節(jié)，列車車輛從一方向變?yōu)榱硪环较蜻\行，需要進行道岔轉換，道岔轉換設備是對道岔鐵軌進行轉換、鎖閉及表示的關鍵設備，同時也是鐵路信號系統(tǒng)重要的基礎設備。定期維修和事后維修目前仍是道岔轉換系統(tǒng)維護的主要手段，無法對潛在事件進行快速有效的處理。

缺口監(jiān)測和集中監(jiān)測系統(tǒng)中的電流曲線監(jiān)測為道岔轉換系統(tǒng)的視情維修提供了一定的條件，而監(jiān)測維度少，專家經驗要求高等特點反映了相關既有技術產品在故障診斷與狀態(tài)預測方面發(fā)展的局限性。隨著信息化、數(shù)字化技術的發(fā)展，在鐵路一體化綜合維修大背景下，將信息感知、Iot、機器學習以及預測與健康管理（PHM）技術思維方式融入道岔轉換系統(tǒng)的運維中，以提升其運維效率和質量，既是符合時代潮流的大勢所趨，又是鐵路運輸效率提升的重要手段。

1 PHM技術與道岔轉換系統(tǒng)

道岔結構復雜，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，工況嚴酷，被稱為鐵路3大薄弱環(huán)節(jié)之一。道岔轉換系統(tǒng)在進行鐵路股道轉換時，轉換設備克服鐵軌傳遞的阻力帶動道岔尖軌或心軌扳動，鎖閉裝置將鐵軌鎖定在密貼或斥離的位置，表示機構檢測它們的到位情況，給出位置表示，這樣就實現(xiàn)了道岔的“轉換-鎖閉-表示”過程。

我國幅員遼闊，地形氣候多樣，隨著國內鐵路道岔從普速發(fā)展到提速再到高速，“輪-軌”作用、道岔扳動力、道岔融雪以及轉換設備研發(fā)等道岔轉換相關技術得到了大力發(fā)展。在道岔鋪設、滑床臺摩擦、鋼軌反彈、密貼等道岔相關狀態(tài)，以及輸出力、油壓、液壓油量等道岔轉換設備相關狀態(tài)變化對道岔轉換系統(tǒng)工作的影響方面積累了大量的理論和實踐經驗。而在道岔轉換系統(tǒng)智能運維方面，發(fā)展相對滯后。

PHM技術為系統(tǒng)級產品的智能運維提供了一種思維方式，早期主要應用在航空、軍事領域中。該技術是先進信息技術融合的呈現(xiàn)，利用傳感器采集系統(tǒng)的各種信息，借助各種算法來評估和預測系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在機械設備的監(jiān)測與診斷技術方面，標準ISO-13374闡述的框架結構得到了國際上的認可。以此為基礎，美國某研究小組研究驗證了一種基于狀態(tài)監(jiān)測的開放系統(tǒng)（OSA-CBM），對PHM技術層級進行劃分，如圖1所示。

PHM技術在道岔轉換系統(tǒng)中的應用就是利用各種先進的感知方法與通信技術獲取道岔轉換相關參數(shù)，基于數(shù)據(jù)和模型對道岔轉換系統(tǒng)狀態(tài)進行評價、預測，用于道岔轉換系統(tǒng)維護決策，實現(xiàn)高效、科學、精細化的維護。

道岔轉換設備以“故障導向安全”為設計原則，系統(tǒng)容錯率較高，監(jiān)測需求迫切性遠遠不如航天、軍工領域。其惡劣、嚴酷的工作環(huán)境對設備的安置，傳感、通信的質量和穩(wěn)定性要求較高。用戶需求、感知技術水平以及成本等因素共同影響著PHM技術在道岔轉換領域的發(fā)展。測試手段單一、數(shù)據(jù)使用封閉以及全面監(jiān)測經濟性差等問題對PHM技術在道岔轉換系統(tǒng)中的應用提出了挑戰(zhàn)。

隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，對信號基礎設備的安全可靠性和維護性的要求越來越高，運維部門希望能夠通過設備運行時監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)的微小征兆來預測故障的出現(xiàn)時間和趨勢，評估設備的穩(wěn)定狀態(tài)，確定設備的剩余使用壽命。這為PHM技術在鐵路道岔轉換領域的發(fā)展拓展了空間，促進了缺口監(jiān)測、集中監(jiān)測等相關產品的應用與發(fā)展。2015年，中國鐵路總公司運輸局印發(fā)了《道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范》，將道岔表示缺口、環(huán)境溫濕度監(jiān)測納入了信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，對其功能和技術指標要求進行了規(guī)范。隨著科學技術的發(fā)展，感知技術、物聯(lián)網、人工智能以及大數(shù)據(jù)技術得到了較大的發(fā)展，這為故障診斷與健康預測技術在道岔轉換系統(tǒng)中的應用發(fā)展與技術革新提供了現(xiàn)實條件。

2 道岔轉換智能診斷系統(tǒng)設計

2.1 設計原則

PHM技術在道岔轉換系統(tǒng)中主要應用其狀態(tài)監(jiān)測、故障定位、狀態(tài)評估以及健康預測功能。利用布置于道岔現(xiàn)場和道岔轉換設備上的傳感器進行實時監(jiān)測，對時間、事件以及項點等不同維度數(shù)據(jù)進行處理。道岔轉換智能診斷系統(tǒng)（簡稱診斷系統(tǒng)）設計原則如下：

1）以盡可能少的傳感器滿足道岔轉換智能診斷狀態(tài)采集功能；

2）診斷系統(tǒng)各設備強度裕度充足，無安全風險，安裝布置于道岔轉換系統(tǒng)無干涉，不影響道岔轉換設備正常工作和維護作業(yè)；

3）具備缺口監(jiān)測系統(tǒng)功能，滿足其全部技術要求；

4）簡易部署，不改變道岔結構，道岔鋼軌無需另外鉆孔；

5）易于擴展，靈活適配，可根據(jù)需求進行功能定制與開發(fā)。

2.2 系統(tǒng)架構

本文結合PHM技術特點，進行診斷系統(tǒng)架構設計和軟硬件開發(fā)。如圖2所示，診斷系統(tǒng)主要由硬件層和軟件層組成，各層之間以及診斷系統(tǒng)與外部環(huán)境間通過接口層進行銜接。

圖2 系統(tǒng)架構Fig.2 System architecture

硬件層主要由感知設備、采集設備、數(shù)據(jù)通信設備，機械室內的電源、報警裝置以及人機交互終端等組成。軟件層具備應用功能以及數(shù)據(jù)功能。應用功能指的是系統(tǒng)的監(jiān)測功能、故障定位功能以及健康評估預測功能。數(shù)據(jù)功能則包括道岔數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)管理功能。

接口層主要涉及3個方面，一是與道岔轉換系統(tǒng)接口，包括機械接口和電氣接口，由于道岔系統(tǒng)結構的特殊性，非接觸式的感知技術運用到了特定項點監(jiān)測的感知環(huán)節(jié)；二是硬件層各設備之間的機械連接和電氣接口；三是硬件與軟件之間的數(shù)據(jù)接口。診斷系統(tǒng)搭建過程中，將接口層的設計融入到了系統(tǒng)軟、硬件設計語言中。

2.3 硬件層

硬件層架構如圖3所示。感知設備用于診斷系統(tǒng)前端信息感知，是現(xiàn)代感知技術與道岔轉換系統(tǒng)融合的成果，由布置于道岔轉換系統(tǒng)的各個傳感器構成。傳感器選型與設計以小型化、高精度為原則，對于運動部件相關項點的監(jiān)測采用非接觸式的感知產品。通過特定的工裝設計，有效的解決了以往傳感器與現(xiàn)場設備、設施接口實現(xiàn)困難的問題，同時實現(xiàn)道岔轉換系統(tǒng)力、振動、缺口、溫濕度以及位移等多維項點的綜合監(jiān)測。

圖3 硬件組成示意Fig.3 Hardware composition diagram

分布式采集設備，實現(xiàn)前端傳感數(shù)據(jù)的采集。通信設備用于數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中繼、接口轉換以及數(shù)據(jù)傳輸輔助功能。車站上位機主要指機械室內設備，廣泛上來講應包括人機交互終端、報警設備、電源設備以及必要的機械室內通信設備等。

硬件層接口包括內部接口和外部接口。內部接口是診斷系統(tǒng)各設備之間的機械聯(lián)接接口、供電接口以及通信接口。傳感器與采集設備通過聯(lián)接器進行連接，采集設備與通信設備通過萬可端子進行連接。采集設備供電為AC220 V，由布置于機械室內的專用機柜提供，各有源傳感器通過采集設備供電，統(tǒng)一為DC24 V，傳感器輸出數(shù)字信號或0～20 mA（或0～5 V）模擬信號。采集設備將各項點監(jiān)測數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸至通信設備。數(shù)據(jù)傳輸可通過載波或DSL等有線方式，也可以通過4G和云服務技術進行無線通信，終端上位機預留接口與信號集中監(jiān)測系統(tǒng)通信，滿足鐵路系統(tǒng)綜合一體化運維的需求。診斷系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場具體場景以及用戶需求進行個性化定制和選擇，缺口監(jiān)測可作為獨立系統(tǒng)進行用戶適配。

2.4 軟件層

軟件層實現(xiàn)診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)功能和應用功能。

數(shù)據(jù)功能即數(shù)據(jù)管理功能，包括數(shù)據(jù)管理、模型管理以及用戶管理。數(shù)據(jù)管理從時間上區(qū)分，包括歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。從過程上區(qū)分，包括周期數(shù)據(jù)、過車數(shù)據(jù)、轉換數(shù)據(jù)以及單次數(shù)據(jù)，其中周期數(shù)據(jù)為系統(tǒng)定期采集上傳的數(shù)據(jù)。過車和轉換數(shù)據(jù)分別為道岔區(qū)過車和道岔進行扳動轉換過程時各項點采集到的數(shù)據(jù)。單次數(shù)據(jù)是指用戶手動觸發(fā)時，采集到的各項點數(shù)據(jù)。從類型上區(qū)分，主要包括各項點監(jiān)測的曲線數(shù)據(jù)、缺口圖像視頻數(shù)據(jù)、報警預警和處理狀態(tài)數(shù)據(jù)、道岔相關二次數(shù)據(jù)以及診斷系統(tǒng)自身狀態(tài)記錄等。通過人機交互，用戶能以曲線、圖形、表格等多種報表形式以及圖像和視頻等多種方式進行數(shù)據(jù)查看，報警提示信息通過彈窗和聲光報警的方式進行傳遞。

模型管理指對診斷相關算法的管理，包括基于項點感知數(shù)據(jù)的二次數(shù)據(jù)計算算法、基于機理的故障定位算法以及基于特定場景大數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估和預測算法。用戶管理屬于輔助功能，方便用戶根據(jù)特定需求進行用戶權限區(qū)分，用戶增加和刪減，診斷系統(tǒng)登錄、注銷等功能的實現(xiàn)。

應用功能除包括缺口監(jiān)測系統(tǒng)所要求的基礎功能，即缺口圖像、視頻以及溫濕度等狀態(tài)監(jiān)測功能，開發(fā)者從維度上對項點監(jiān)測功能進行拓展，將力、位移、振動、油壓、油位、電流等轉轍機以及道岔相關項點的監(jiān)測納入監(jiān)測范圍。診斷系統(tǒng)自動對道岔多維項點監(jiān)測的實時和歷史數(shù)據(jù)進行特征提取，并導入相應的算法，從而實現(xiàn)道岔轉換系統(tǒng)的故障定位、狀態(tài)評估以及健康預測，并根據(jù)診斷結果，對現(xiàn)場運維決策提供建議，實現(xiàn)道岔轉換系統(tǒng)的視情維修。

3 安全性設計

3.1 防雷及電磁兼容設計

道岔區(qū)電磁環(huán)境復雜，為提高設備可靠性，對診斷系統(tǒng)進行防雷和電磁屏蔽設計，其原則及措施如下。

1）信號采集均做到電氣隔離，關鍵部分采取可靠性的防雷措施，每路供電和通信電纜在室內外分界處安裝通過CRCC認證的防雷模塊，保證室外雷電不會引入機械室內，同時室內機柜對外的電源和通信電纜均設置通過CRCC認證的防雷模塊。

2）通過干擾源抑制、接口防護、屏蔽線纜以及型式試驗驗證等諸多措施進行診斷系統(tǒng)電磁屏蔽設計，保證設備具備良好的EMC性能，在道岔復雜電磁環(huán)境中實現(xiàn)運行功能的同時，降低對外界的電磁干擾。

3.2 RAM設計

為保證診斷系統(tǒng)的可靠性、可用性以及可維護性，對其關鍵部件進行RAM設計，設計如下：

1）診斷系統(tǒng)與被監(jiān)測設備之間的接口都是單向輸入，接口電路的故障不影響被測設備；

2）診斷系統(tǒng)結構件主要包括室內外各設備及其安裝工裝，在設計開發(fā)過程中，對結構進行強度仿真以及振動環(huán)境試驗，滿足鐵路信號產品室內外安裝振動環(huán)境要求；

3）診斷系統(tǒng)各部分采用模塊化、小型化設計，單點故障不會影響到道岔轉換系統(tǒng)的工作。DC/AC等關鍵模塊選用高可靠性型號，并降額使用，提高診斷系統(tǒng)的可靠性。關鍵接口采用隔離設計，抑制外部沖擊導致的功能損壞，不會對列車和既有信號系統(tǒng)產生影響；

4）硬件設計與軟件設計實現(xiàn)故障自檢測功能，故障發(fā)生后能及時發(fā)現(xiàn)，并且對通信和關鍵設備故障具備報警功能，提高診斷系統(tǒng)可用性；

5）采集單元與傳感器間連接線纜為高強度材質線纜，采用連接器接口方式，易于現(xiàn)場拆裝維護。接插件接觸可靠，易于插拔，結構堅實，不發(fā)生機械變形，具有防插錯措施；

6）診斷系統(tǒng)室內設備的MTTR≤30 min，現(xiàn)場設備（轉轍機內，道旁）的MTTR≤120 min；平均無故障工作時間MTBF≥5×104h；可用度應≥99.99%。

3.3 環(huán)境適應性

診斷系統(tǒng)由機械室內機柜組件以及機械室外道岔區(qū)安裝的傳感、采集和通信設備等組成，根據(jù)室內外設備所處環(huán)境的不同，通過優(yōu)化選型、關鍵環(huán)節(jié)特殊設計、室外防護以及試驗保障等措施，使得系統(tǒng)滿足以下環(huán)境要求：

1）室外設備在環(huán)境溫度-40～+80℃范圍，相對濕度不大于95%（+25℃）、氣壓不低于70.1 kPa（海拔不超過3 000 m）時正常工作；

2）機械室內設備在環(huán)境溫度-20～+70℃范圍，相對濕度不大于85%（+25℃），氣壓不低于70.1 kPa（海拔不超過3 000 m）時正常工作。

4 結束語

結合道岔轉換系統(tǒng)工作特征和PHM技術特點，本文研究了一種道岔轉換智能診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)設計過程中，將現(xiàn)代感知、通信、大數(shù)據(jù)以及機器學習技術進行融合，以道岔項點感知為前提，特定場景數(shù)據(jù)為驅動，從基于閾值、基于模型以及基于學習3個維度對道岔轉換系統(tǒng)進行評價，可實現(xiàn)道岔轉換系統(tǒng)多維項點的狀態(tài)監(jiān)測、典型故障的定位以及工作狀態(tài)評估和健康預測功能，對提升現(xiàn)場人員決策、運維質量，以及運維效率產生促進作用。