朱建軍侯學(xué)輝謝 乾唐敏輝戴良福陳學(xué)成

（1.寧波市軌道寧波思高信通科技有限公司，浙江 寧波 315000；2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

轉(zhuǎn)轍機(jī)是信號聯(lián)鎖系統(tǒng)中的重要行車設(shè)備，執(zhí)行聯(lián)鎖命令，對道岔進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成更換列車行車股道的任務(wù)，隨著客流量的增長，行車密度不斷加大[1]，行車間隔不斷壓縮，轉(zhuǎn)轍機(jī)動作頻次也不斷增高，其運(yùn)行穩(wěn)定性更加重要。同時，轉(zhuǎn)轍機(jī)動作頻次的增高加劇了道岔工況的變化且設(shè)備性能也會下降，轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能實時監(jiān)測其工作參數(shù)，維護(hù)人員通過分析參數(shù)并根據(jù)檢修經(jīng)驗及時開展設(shè)備維護(hù)工作，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的手段主要有集中監(jiān)測系統(tǒng)和缺口監(jiān)測系統(tǒng)，包括采集、識別和分析道岔缺口所表示信息的圖像和視頻，對轉(zhuǎn)轍機(jī)動作電流、電壓和機(jī)內(nèi)溫濕度的監(jiān)測，對動作定、反位的判別[2]。但是，由于在圖像高清識別、高效傳輸、智能預(yù)警以及專家診斷方面存在較大的技術(shù)難點(diǎn)，因此，對分析大數(shù)據(jù)以及隱患發(fā)布智能預(yù)警能力的開發(fā)會受到限制，該文闡述了一種全新的基于大數(shù)據(jù)分析的轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測及智能預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了各項技術(shù)難點(diǎn)，通過采集轉(zhuǎn)轍機(jī)的多種數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行智能分析，以達(dá)到提前故障預(yù)診斷的目標(biāo)，同時，也能在轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)故障后對故障點(diǎn)進(jìn)行推理判斷，彌補(bǔ)了既有轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的不足，具有較高的社會效益，在行業(yè)內(nèi)具有一定的前瞻性和先進(jìn)性。

1 設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

基于大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測及智能預(yù)警系統(tǒng)由4個模塊組成：感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)平臺層及專家系統(tǒng)層。

感知層由道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)的微型攝像頭、電流電壓及溫濕度傳感器和阻力監(jiān)測模塊等感知器件構(gòu)成，可以感知轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸層由圖像采集單元、通信轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測系統(tǒng)軟件以及4G/5G傳輸模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)向轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)備及向云服務(wù)器傳輸轉(zhuǎn)轍機(jī)的各類運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)平臺層由站機(jī)數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)解析存儲模塊、建模分析模塊（AI）、數(shù)據(jù)展示模塊、站機(jī)管理模塊以及權(quán)限管理模塊等構(gòu)成，負(fù)責(zé)對轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理并協(xié)助各用戶終端（廠家數(shù)據(jù)中心，局、段監(jiān)視終端）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時由專家系統(tǒng)對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，并進(jìn)行預(yù)警及提出檢修決策。預(yù)警及檢修決策通過傳輸層定點(diǎn)傳回所需要的現(xiàn)場，實現(xiàn)及時、精準(zhǔn)且高效地對轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障進(jìn)行維護(hù)和檢修的功能。

1.2 感知層的設(shè)計

感知層是轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的手、腳、鼻和眼，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場道岔設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，感知層由各類傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口值采集、尖軌爬行量采集、動作電流采集、道岔密貼量采集、道岔動作轉(zhuǎn)換力采集、軌距數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)轍機(jī)油壓及油位數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換阻力采集、轉(zhuǎn)轍機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集以及道岔過車振動量采集等，所有采集的數(shù)據(jù)經(jīng)采集通信分機(jī)傳送至站機(jī)，站機(jī)通過無線網(wǎng)或者局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)平臺。所有的傳感器均安裝在室外道岔設(shè)備附近，軌行區(qū)道岔設(shè)備工作環(huán)境較為惡劣，高溫、暴雨以及臺風(fēng)等天氣因素會對其產(chǎn)生影響，電磁干擾、振動干擾等因素也會對其產(chǎn)生影響，因此，對傳感器的安裝工藝、安全性及工作可靠性有較高的要求，主要體現(xiàn)在對其的選型與布局、安裝與防護(hù)2個方面。

1.2.1 傳感器的選型與布局

為滿足功能需求，選用的傳感器機(jī)內(nèi)安裝了微型攝像頭、位移傳感器、溫濕度傳感器、電流功率傳感器、振動傳感器以及油壓油位監(jiān)測模塊。機(jī)外安裝了扭力、密貼監(jiān)測模塊和注油裝置。所有傳感器均按工業(yè)級或軍工級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用。

1.2.2 傳感器的安裝與防護(hù)技術(shù)

傳感器的安裝要保證不接觸設(shè)備內(nèi)部本體部件，牢固且滿足抗震要求，還需要滿足電氣及安全防護(hù)要求，主要包括如下4點(diǎn)。

1.2.2.1 電氣隔離

內(nèi)置電源及各類防護(hù)電路（防雷模塊、過壓和短路保護(hù)器等）可以保護(hù)傳感器本身的運(yùn)行安全，采用非接觸式的安裝方式可以確保傳感器一旦出現(xiàn)故障不會對轉(zhuǎn)轍機(jī)的主體功能造成影響。

1.2.2.2 絕緣良好

傳感器內(nèi)部采用浪涌保護(hù)器、扼流圈等技術(shù)，可以防雷電擊穿、防電磁干擾，保證傳感器能在惡劣的工作環(huán)境中穩(wěn)定工作，確保它的可靠性。

1.2.2.3 可靠安裝

微型攝像頭采用一體懸掛式不銹鋼支架以及防松螺帽加螺紋緊固膠進(jìn)行可靠安裝，保證傳感器不會因松動或脫落而影響轉(zhuǎn)轍機(jī)的正常動作。

1.2.2.4 安全防護(hù)

機(jī)外安裝的傳感器要與鐵軌保持安全距離，并采取防護(hù)罩、電氣接地等防護(hù)措施。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸層的設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸層由道岔采集單元和監(jiān)測主機(jī)（站機(jī)）組成，采集單元負(fù)責(zé)與室外各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，提供通信接口，用于獲取傳感器采集的模擬量、數(shù)字量等，并將其轉(zhuǎn)換成設(shè)備狀態(tài)參數(shù)；監(jiān)測主機(jī)負(fù)責(zé)收集感知層數(shù)據(jù)、存儲和處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并與監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺服務(wù)器進(jìn)行雙向通信，上傳設(shè)備狀態(tài)參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸層的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：1）采用電力載波技術(shù)實現(xiàn)采集分機(jī)和通信轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)以及為各傳感器提供電力的功能；采用ADSL或光纖傳輸技術(shù)實現(xiàn)通信轉(zhuǎn)換器與室內(nèi)監(jiān)測主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；通過無線傳輸技術(shù)（4G/5G）或內(nèi)部局域網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)測主機(jī)與數(shù)據(jù)平臺的通信。2）采用高強(qiáng)度鋁合金整體制造技術(shù)、硅橡膠密封及同軸電纜密封接頭等，以確保采集分機(jī)和通信轉(zhuǎn)換器的整體電磁兼容防護(hù)，同時，三防等級分別達(dá)到IP54和IP67級。3）采集單元采用單片機(jī)技術(shù)搭載ARM9和雙核視頻處理引擎的處理器，具備較強(qiáng)的嵌入式軟件、硬件的處理能力，AD采樣頻率高、操作系統(tǒng)實時性強(qiáng)，對圖像視頻、電壓電流、位移以及振動等模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，并能實時上傳數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性[3]。4）監(jiān)測主機(jī)具備多種通信方式，在不具備有線傳輸?shù)那闆r下可采用4G/5G與數(shù)據(jù)平臺通信，在具備有線傳輸?shù)臈l件下可采用內(nèi)部局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)平臺通信，確保與數(shù)據(jù)平臺建立通信連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，提升系統(tǒng)的可用性。

1.4 數(shù)據(jù)平臺層的設(shè)計

數(shù)據(jù)平臺從下到上分為網(wǎng)絡(luò)設(shè)施基礎(chǔ)、系統(tǒng)安全層、應(yīng)用服務(wù)層、分析模型層和應(yīng)用展示層，處于最底層的是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺，它是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)圖

系統(tǒng)安全層是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。由于不同應(yīng)用的安全性和可靠性要求不同，因此，對硬件平臺的要求也不盡相同。一般的應(yīng)用和數(shù)據(jù)只需要對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進(jìn)行備份即可；核心的應(yīng)用及數(shù)據(jù)除了本地備份外，還要進(jìn)行災(zāi)難備份，防止出現(xiàn)因火災(zāi)、地震等小范圍的自然災(zāi)害而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的情況。

應(yīng)用服務(wù)層為上層應(yīng)用提供良好的中間層管理工具，同時有效地對上層的各種應(yīng)用進(jìn)行監(jiān)控和管理，提供Web應(yīng)用管理、安全管理和網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理功能，保證系統(tǒng)能夠在有效的管理和監(jiān)控之下平穩(wěn)地運(yùn)行。中間層包括Web服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及安全認(rèn)證服務(wù)等。分析模型層充分利用統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺所提供的統(tǒng)一用戶、統(tǒng)一布置、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換和統(tǒng)一消息處理服務(wù)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)處理邏輯快速地構(gòu)建各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析模型，并提供方便的部署方式。最上層是應(yīng)用展示層，可關(guān)聯(lián)PC端、大屏端及手持設(shè)備進(jìn)行用戶管理操作，實現(xiàn)實時實地管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)的功能。

整個系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化體系下進(jìn)行分層開發(fā)架構(gòu)，并在規(guī)范的管理體系中對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、存儲、分析與展示。

1.5 專家系統(tǒng)的設(shè)計

專家系統(tǒng)層主要是對數(shù)據(jù)平臺所獲取的道岔狀態(tài)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行綜合研判，當(dāng)數(shù)據(jù)異?；驍?shù)據(jù)趨于異常時給出預(yù)警、報警，及時判斷故障點(diǎn)，給出維修建議，并通過數(shù)據(jù)平臺推送給用戶。

專家系統(tǒng)是以大量故障數(shù)據(jù)、設(shè)備工作原理為基礎(chǔ)，利用專業(yè)化數(shù)學(xué)軟件MATLAB進(jìn)行計算（主要是缺口識別的參數(shù)優(yōu)化、道岔工作時各類模擬量數(shù)據(jù)曲線分析以及識別算法的快速迭代）并建立數(shù)學(xué)模型，通過人工智能AI技術(shù)并結(jié)合人工經(jīng)驗?zāi)茏灾鲗W(xué)習(xí)的智能計算機(jī)系統(tǒng)。專家系統(tǒng)由專家?guī)?、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、自主學(xué)習(xí)及診斷和人機(jī)交互界面4個部分組成，如圖2所示。

圖2 專家系統(tǒng)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)

智能預(yù)警系統(tǒng)主要對應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，負(fù)責(zé)用戶管理、數(shù)據(jù)配置、建立故障分析模型、數(shù)據(jù)展現(xiàn)以及數(shù)據(jù)推送等任務(wù)。同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給專家系統(tǒng)并建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實時比對及分析的功能，根據(jù)分析結(jié)果，對道岔工況、道岔控制電路電氣性能以及轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)械性能等進(jìn)行預(yù)警，及時推送報警信息并提供故障處理參考意見，實現(xiàn)對道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)修。

2.2 數(shù)據(jù)平臺服務(wù)器研發(fā)

數(shù)據(jù)平臺服務(wù)器收集整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立完整的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類、設(shè)備趨勢分析、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)共享等功能。系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)量龐大。一方面，根據(jù)數(shù)據(jù)的生成機(jī)制以及格式對數(shù)據(jù)庫存儲進(jìn)行規(guī)劃。同時，要對預(yù)警狀態(tài)下的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。另一方面，充分運(yùn)用預(yù)警算法、趨勢分析以及維護(hù)管理等方面的技術(shù)建立事故預(yù)警、設(shè)備趨勢分析和設(shè)備生命周期管理所需要的數(shù)據(jù)集，從而提高設(shè)備監(jiān)測維護(hù)的效率，監(jiān)測數(shù)據(jù)集可以在B/S端使用專門的功能界面進(jìn)行配置管理。

平臺服務(wù)器最關(guān)鍵的功能是數(shù)據(jù)共享和發(fā)布，為各個車間及上級信號處理中心提供科學(xué)、完善的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.3 專家診斷系統(tǒng)研發(fā)

專家診斷重點(diǎn)關(guān)注2個方面：1）道岔設(shè)備間電氣信號邏輯故障分析、機(jī)械故障分析，包括電氣參數(shù)與信號邏輯的對比分析以及電氣信號與機(jī)械狀態(tài)的關(guān)聯(lián)分析。2）單個設(shè)備的故障分析，包括電氣、機(jī)械故障分析、狀態(tài)趨勢分析以及全生命周期分析等。

對道岔信號邏輯故障、機(jī)械故障進(jìn)行分析，收集相關(guān)領(lǐng)域的專家知識和處理故障的經(jīng)驗，建立專家?guī)臁?/p>

專家?guī)斓慕⒑鸵?guī)劃：為了提升故障判斷處理效率以及便于專家?guī)斓母戮S護(hù)，采用多種劃分方式對專家?guī)爝M(jìn)行分類，按不同設(shè)備征兆建立不同專家?guī)炷K；按系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)建立不同專家?guī)炷K；按所采用的數(shù)學(xué)模型建立不同的專家?guī)炷K；按專家對領(lǐng)域知識的劃分，設(shè)為不同的知識模塊。由于道岔各設(shè)備之間存在故障上的關(guān)聯(lián)性，而且設(shè)備間具有較強(qiáng)的邏輯性，因此其特性樹狀關(guān)聯(lián)是最直接的表現(xiàn)形式，并將設(shè)備故障處理信息以樹狀結(jié)構(gòu)形式錄入專家?guī)欤ㄟ^簡化故障樹使專家?guī)毂M可能地降低冗余，便于故障推理，提升故障處理效率。

單個設(shè)備的診斷：由于設(shè)備故障會通過缺口值、電氣參數(shù)以及機(jī)械參數(shù)等數(shù)據(jù)反映到監(jiān)測信息中，因此，對單個設(shè)備的診斷分析可以采用現(xiàn)代信號處理方式從監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線中預(yù)測設(shè)備的狀態(tài)趨勢，或從中提取相關(guān)故障電氣或機(jī)械參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷，通過AI技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)相結(jié)合的人工智能故障診斷方法，使邊界模糊性問題按照規(guī)則得到自主學(xué)習(xí)和調(diào)整，并結(jié)合實際事例，通過推理最終得到合理、有效的故障診斷與預(yù)測結(jié)果[4]。

3 社會效益

基于大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測及智能預(yù)警系統(tǒng)具備較好的社會效益，主要體現(xiàn)在以下4個方面。

3.1 安全方面

轉(zhuǎn)轍機(jī)是軌道交通的行車安全設(shè)備，監(jiān)測、監(jiān)控轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行狀況是保證列車安全運(yùn)行的重要條件，系統(tǒng)的應(yīng)用能有效把控轉(zhuǎn)轍機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患并進(jìn)行預(yù)警，提高了轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)行的可靠性，對保障公共安全、促進(jìn)社會的和諧穩(wěn)定發(fā)展具有積極意義。

同時，系統(tǒng)可周期性地對道岔設(shè)備進(jìn)行自動巡檢，大大減少了信號工日常上道巡檢的作業(yè)時間以及在極端惡劣天氣下非必要室外工作的次數(shù)及時間，極大地保障了信號工的人身安全[5]。

3.2 檢修效率方面

系統(tǒng)自動采集記錄道岔靜態(tài)、動態(tài)的各種數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)種類不僅比人工巡檢多而且全面，同時，由于采用服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，還結(jié)合了預(yù)警系統(tǒng)的智能分析功能，因此，可以提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可信性，還能做到智能把控轉(zhuǎn)轍機(jī)故障趨勢，具有較高的工作效益。

3.3 故障處理方面

系統(tǒng)對自動采集的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合專家診斷系統(tǒng)快速判斷設(shè)備故障點(diǎn)及故障處理方法。專業(yè)人員可快速排除故障，恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行，保障列車的運(yùn)行安全，并有效地提高線路的運(yùn)營效率。

3.4 管理方面

系統(tǒng)包括專家診斷子系統(tǒng)，設(shè)置在運(yùn)維中心的服務(wù)器通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)能及時感知運(yùn)行現(xiàn)場道岔的所有信息，系統(tǒng)能及時地對趨勢性和突發(fā)性設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警并給出處理意見。運(yùn)維部門根據(jù)預(yù)警或報警信息并結(jié)合處理意見能快速、安全地完成轉(zhuǎn)轍機(jī)的維護(hù)或故障處理工作，極大地節(jié)省了管理成本，降低了人員消耗。

4 結(jié)語

基于大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測及智能預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，直接或間接地為企業(yè)帶來了良好的社會效益，極大地提高了轉(zhuǎn)換設(shè)備的監(jiān)控與調(diào)節(jié)技術(shù)水平，為鐵路運(yùn)輸、城市軌道交通的行車安全提供了保障，有力于促進(jìn)該行業(yè)技術(shù)水平的提高，從而實現(xiàn)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，是實現(xiàn)智慧城軌的重要部分，具有一定的先進(jìn)性及前瞻性。