摘要 該研究圍繞道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)展開(kāi)，旨在通過(guò)信息化手段提升鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)行安全性與維護(hù)效率。文章首先分析了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)維現(xiàn)狀，然后基于現(xiàn)代傳感技術(shù)和信息技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)異常狀況的識(shí)別和故障預(yù)警。通過(guò)應(yīng)用，驗(yàn)證了所提出技術(shù)的有效性和實(shí)用性。結(jié)果表明：該系統(tǒng)不僅提高了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性，還為鐵路信號(hào)系統(tǒng)的智能化運(yùn)維提供了有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備；故障診斷；趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)；健康評(píng)估

中圖分類號(hào) U216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0001-04

0 引言

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的重要組成部分，其作用是在列車運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)軌道的切換，確保列車能夠按照既定的路線，安全、準(zhǔn)確地到達(dá)目的地。隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求越來(lái)越高，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的工作狀態(tài)直接關(guān)系到列車運(yùn)行的安全與效率，一旦發(fā)生故障，不僅可能導(dǎo)致列車晚點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)還可能引發(fā)列車脫軌等重大安全事故。因此，對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷潛在的故障，對(duì)于保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院吞岣哞F路運(yùn)營(yíng)效率具有重大意義。

傳統(tǒng)的道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備監(jiān)測(cè)多依賴于人工巡檢，這種方法不僅效率低下，而且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的全面掌握。隨著信息技術(shù)和人工智能的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于鐵路信號(hào)系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)不僅能夠擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)收集道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的全面運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且還能通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的精確監(jiān)測(cè)和故障的早期預(yù)警，大幅提升設(shè)備的運(yùn)維效率[1-3]。

在實(shí)際應(yīng)用中，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)需要具備以下幾個(gè)關(guān)鍵功能：首先，系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r(shí)采集道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備室內(nèi)外的工作參數(shù)，如位移、壓力、電流、電壓等模擬量和開(kāi)關(guān)量；其次，系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到室內(nèi)監(jiān)測(cè)主機(jī)；再次，室內(nèi)監(jiān)測(cè)主機(jī)需要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提取出有用的信息；最后，系統(tǒng)應(yīng)具備故障診斷功能，能夠根據(jù)分析結(jié)果判斷道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備是否存在異常，以及故障的性質(zhì)和位置[4-6]。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，課題組開(kāi)展了大量的試驗(yàn)和理論研究工作，主要包括：對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作環(huán)境進(jìn)行深入分析，確定關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)參數(shù)；研究和開(kāi)發(fā)適用于道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置；開(kāi)發(fā)通用的故障診斷平臺(tái)、先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法和故障診斷模型；以及構(gòu)建完整的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷應(yīng)用系統(tǒng)[7-8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備室內(nèi)外工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)、全面化監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在的故障，以降低維護(hù)成本并提高鐵路安全性。系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、處理、分析和診斷等功能，并能在異常情況發(fā)生時(shí)提供快速的響應(yīng)措施，系統(tǒng)的功能架構(gòu)圖如圖1所示：

系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，即感知層—平臺(tái)層—應(yīng)用層，可以有效分離不同層次的功能和責(zé)任，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，同時(shí)，還可以促進(jìn)系統(tǒng)的互操作性和可擴(kuò)展性，以便適應(yīng)鐵路信號(hào)監(jiān)測(cè)需求的變化。

感知層主要負(fù)責(zé)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集等設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的控制電路、缺口、轉(zhuǎn)換阻力、密貼壓力、表示桿位移、油壓、油位、道岔框架尺寸和溫濕度的數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和分析，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理以及特征提取、異常檢測(cè)、故障診斷等方面的算法研發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，并進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與診斷。

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控，基于友好的運(yùn)維操作界面，提供道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、故障診斷、趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)和健康評(píng)估等功能。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 感知層監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

2.1.1 控制電路參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

道岔控制電路的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由電壓、電流傳感器及采集裝置組成，在繼電器組合電路的關(guān)鍵部位（DBJ、FBJ、1DQJ、1DQJF、2DQJ、BHJ、DCJ、FCJ、YCJ等）安裝電流、電壓傳感器，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁、自閉、動(dòng)作和表示回路的電流、電壓變化曲線的采集；在室外轉(zhuǎn)轍機(jī)24盒內(nèi)安裝電壓、電流傳感器，實(shí)現(xiàn)斷線監(jiān)測(cè)。

2.1.2 道岔缺口、表示桿位移、油壓和油位監(jiān)測(cè)功能

該項(xiàng)監(jiān)測(cè)功能通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)轍機(jī)箱盒內(nèi)的缺口傳感器、行程傳感器、壓力傳感器和油位傳感器實(shí)現(xiàn)。其中，缺口傳感器和行程傳感器基于磁柵測(cè)量原理，將磁性標(biāo)尺嵌入在轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿的上平面，通過(guò)安裝在接點(diǎn)組和油泵電機(jī)組之間的采集機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)道岔缺口，表示桿位移的測(cè)量；油壓傳感器安裝在啟動(dòng)缸兩側(cè)工藝孔，采用擴(kuò)散硅芯體制作，內(nèi)部集成電路，實(shí)現(xiàn)油壓的測(cè)量；油位傳感器安裝在油箱蓋板上，基于磁致伸縮原理，通過(guò)浮子感應(yīng)油液面的高低，實(shí)現(xiàn)油位的測(cè)量；基于這些參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)捕捉道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的異常表現(xiàn)，如缺口過(guò)大、位移不足、壓力異?；蛴臀贿^(guò)低等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的潛在故障。

2.1.3 道岔轉(zhuǎn)換阻力監(jiān)測(cè)功能

應(yīng)變傳感器能夠測(cè)量物體在受力時(shí)產(chǎn)生的微小形變，從而間接計(jì)算出作用力的大小。在該系統(tǒng)中，通過(guò)應(yīng)變傳感器可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道岔動(dòng)作桿上的應(yīng)力變化，從而推斷出道岔在轉(zhuǎn)換過(guò)程中遇到的阻力。

監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)置應(yīng)變傳感器，通過(guò)采用“開(kāi)合環(huán)抱式”的安裝固定結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)可以分開(kāi)并圍繞動(dòng)作桿閉合的部分組成，通過(guò)螺栓固定方式緊緊固定在動(dòng)作桿上，可以方便地安裝在現(xiàn)有道岔的動(dòng)作連接桿上，而不需要對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的既有機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換阻力的監(jiān)測(cè)[9-10]。

通過(guò)轉(zhuǎn)換阻力的監(jiān)測(cè)，維護(hù)人員可以實(shí)時(shí)了解道岔在操作過(guò)程中的阻力情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能影響道岔正常運(yùn)行的問(wèn)題，從而采取相應(yīng)的維護(hù)措施，減少故障發(fā)生的概率，確保道岔在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性，提高道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和安全性。

2.1.4 道岔鎖閉壓力監(jiān)測(cè)功能

道岔鎖閉壓力的監(jiān)測(cè)同樣采用應(yīng)變傳感器，內(nèi)置應(yīng)變傳感器的監(jiān)測(cè)裝置的形狀、材質(zhì)與密貼調(diào)整片一致，通過(guò)替換既有的密貼調(diào)整片，實(shí)現(xiàn)道岔鎖閉壓力的精確監(jiān)測(cè)，可以確保道岔在靜態(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性，避免因道岔故障引發(fā)的列車脫軌等嚴(yán)重事故，對(duì)于確保列車安全運(yùn)行具有重要意義。

2.1.5 道岔框架尺寸監(jiān)測(cè)功能

在岔區(qū)部署開(kāi)程/密貼傳感器、爬行傳感器、軌溫傳感器、振動(dòng)傳感器，在岔區(qū)兩側(cè)安裝采集器，在HF?24盒處部署軌旁通信單元，實(shí)現(xiàn)尖軌爬行、開(kāi)程、密貼、軌溫和振動(dòng)的采集與監(jiān)測(cè)。

2.1.6 小結(jié)

綜上，通過(guò)感知層的監(jiān)測(cè)功能，可以有效彌補(bǔ)既有監(jiān)測(cè)手段覆蓋不足的問(wèn)題，提高監(jiān)測(cè)覆蓋率，確保道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備關(guān)鍵部位的全面化監(jiān)測(cè)。這也是提升列車運(yùn)輸效率、推動(dòng)鐵路智能化發(fā)展的重要力量。

2.2 平臺(tái)層功能設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)接入

該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接入功能，為不同類型和規(guī)模的數(shù)據(jù)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的接口，確保了數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接和高效傳輸，實(shí)現(xiàn)了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備室內(nèi)外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入，構(gòu)建了高效、可靠、集中式的數(shù)據(jù)底座。

隨著數(shù)據(jù)的不斷涌入，通過(guò)分布式隊(duì)列的高吞吐能力，系統(tǒng)能夠有效地將海量數(shù)據(jù)進(jìn)行削峰處理。即使在數(shù)據(jù)量激增的情況下，分布式隊(duì)列依然能夠平穩(wěn)地處理數(shù)據(jù)流，確保了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的高效性和實(shí)時(shí)性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供了穩(wěn)定的輸入。

最終，數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，它的高性能存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，有助于實(shí)現(xiàn)更智能、更高效的決策。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，首先是預(yù)處理，這一階段主要包括數(shù)據(jù)的濾波和平滑處理，目的是去除噪聲，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。常用的濾波方法包括低通濾波、高通濾波和帶通濾波等，可以有效地消除特定頻率范圍內(nèi)的干擾信號(hào)。平滑處理則是通過(guò)一定的算法，如移動(dòng)平均或加權(quán)平均等，來(lái)減少數(shù)據(jù)中的隨機(jī)波動(dòng)，使得數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)。

其次是特征工程，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深入理解和統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)造出能夠代表數(shù)據(jù)特性的特征集合，提取出對(duì)數(shù)據(jù)建模有利的信息。

最后是閾值提取，為了確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或界限，用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的不同類別或狀態(tài)，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和目標(biāo)來(lái)確定合適的閾值。

2.2.3 數(shù)據(jù)建模

數(shù)據(jù)建模是故障診斷與分析的核心環(huán)節(jié)，它涉及構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)揭示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的模式和潛在關(guān)系。在復(fù)雜的診斷系統(tǒng)中，通常包括故障診斷模型、趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)模型和健康評(píng)估模型等不同類型，以應(yīng)對(duì)全面監(jiān)控和智能維護(hù)的需求。

故障診斷模型的目的是識(shí)別和診斷道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備出現(xiàn)的異?；蚬收稀Ｍㄟ^(guò)對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)的分析，學(xué)習(xí)區(qū)分正常狀態(tài)和異常狀態(tài)的特征，完成模型算法的構(gòu)建，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，在檢測(cè)到異常行為時(shí)提示故障，從而幫助維護(hù)人員快速響應(yīng)和修復(fù)故障。

趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)模型專注于分析和預(yù)測(cè)設(shè)備的性能隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)和周期性模式，預(yù)測(cè)未來(lái)的性能變化，從而為設(shè)備維護(hù)計(jì)劃和資源分配提供決策支持。

健康評(píng)估模型則用于評(píng)估設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)和剩余壽命。該模型結(jié)合了多種數(shù)據(jù)源，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史維護(hù)記錄和環(huán)境因素等，以綜合評(píng)估設(shè)備的健康狀況，為維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)[11]。

2.3 應(yīng)用層功能設(shè)計(jì)

應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)主題倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)，提供全面狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、趨勢(shì)分析預(yù)測(cè)等智能運(yùn)維的功能。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，應(yīng)用系統(tǒng)能夠?qū)Ω黜?xiàng)指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警。同時(shí)，基于平臺(tái)層的能力，應(yīng)用系統(tǒng)還具備智能分析功能。這些功能的有效結(jié)合，提升了數(shù)據(jù)應(yīng)用的智能化水平。

3 成果應(yīng)用

3.1 部署架構(gòu)

該系統(tǒng)在朔黃鐵路進(jìn)行安裝部署，如圖2所示，在室內(nèi)外部署道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的傳感器和采集器，在室內(nèi)部署站機(jī)（內(nèi)含故障診斷主機(jī)），用于接收室內(nèi)外的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和應(yīng)用。

圖2 系統(tǒng)部署圖

3.2 應(yīng)用效果

系統(tǒng)的故障診斷界面如圖3所示。該圖提供了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備定位密貼力過(guò)小的預(yù)告警信息，以及圍繞該種告警的故障原因、故障部位和其他關(guān)聯(lián)信息，更好地指導(dǎo)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維。

圖3 故障診斷示意圖

圖4為系統(tǒng)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)界面，不僅提供道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)未來(lái)3 d的趨勢(shì)走向，還提供了劣化的概率，為設(shè)備后續(xù)的維修維護(hù)計(jì)劃提供指導(dǎo)依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)采用了最前沿的信息化技術(shù)，為道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)維提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)警和智能分析等功能，極大提升了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行的可靠性與安全性，有效降低了運(yùn)維成本，并優(yōu)化了維護(hù)流程。

系統(tǒng)的應(yīng)用不僅滿足了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的日常運(yùn)維需求，還推動(dòng)了智能運(yùn)維領(lǐng)域的發(fā)展。其高效的數(shù)據(jù)處理能力和智能決策支持，為設(shè)備管理提供了精準(zhǔn)、高效的解決方案，標(biāo)志著鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)維進(jìn)入了一個(gè)全新的智能化時(shí)代，為鐵路運(yùn)輸安全保駕護(hù)航，同時(shí)也為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和智能轉(zhuǎn)型提供了有益的借鑒和示范。

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