鐵路道岔故障診斷及顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

唐維華 李德敏

1(東華大學信息科學與技術(shù)學院 上海 201620)2(卡斯柯信號有限公司 上海 200040)

0 引 言

道岔是鐵路上使用的重要信號設(shè)備。在實際的操作過程中，由于要注意的參數(shù)信息繁多，導(dǎo)致操作人員經(jīng)常出現(xiàn)操作失誤。因此，設(shè)計一套完善的道岔故障診斷系統(tǒng)，幫助操作人員準確地判斷道岔設(shè)備的狀態(tài)，并及時地處理出現(xiàn)的道岔故障，具有非常重要的意義。

隨著鐵路的高速發(fā)展，國內(nèi)外在道岔系統(tǒng)的故障診斷上都取得了長足的進步。目前，道岔故障診斷的方法大致上可以分為兩類：

1) 基于模型解析的方法。文獻[1]借助道岔轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過建立多項式函數(shù)模型對道岔故障進行診斷。文獻[2]通過比較故障模式和正常模式下靜態(tài)參數(shù)的區(qū)別，識別故障的模式。文獻[3]采用FTA(故障樹分析法)對道岔空轉(zhuǎn)故障建立故障樹，并對其進行相關(guān)的分析。文獻[4]采用Fisher準則函數(shù)和主成分分析的方法，對提取的特征進行矢量量化處理。

2) 基于分類方法。測量信號并進行相應(yīng)的處理來學習故障模式集并識別未知的故障模式。從這些故障樣本實例中通過經(jīng)典的分類算法得到故障樣本(模式)的分類集，分類集經(jīng)判別算法可以對樣本的未知的故障模式進行判別和歸類。經(jīng)典的分類判別算法可以結(jié)合Bayes判別法和設(shè)定判別閾值(用以確定判別未知樣本與已知經(jīng)驗樣本的匹配精度)等技術(shù)組合實現(xiàn)[5-6]。在文獻[7]中，構(gòu)造了故障狀態(tài)特征集(用8個電氣故障特性的參數(shù)反映)，并建立了三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在文獻[8]中，采集了道岔的電流曲線相關(guān)參數(shù)，并基于FOA-LSSVM建立高鐵提速道岔故障診斷。

本文基于長短期記憶模型(LSTM)，用于從原始電流序列中自動提取特征，并根據(jù)特征利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器(neural network classifier，NNC)，對道岔動作電流曲線進行故障識別，從而提高了道岔故障診斷系統(tǒng)的準確性。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

道岔故障診斷系統(tǒng)是方便用戶掌握道岔裝置運行狀態(tài)的一套支持系統(tǒng)，其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

道岔故障診斷系統(tǒng)的主要功能如下：

1) 設(shè)備狀態(tài)遠程監(jiān)視子系統(tǒng)。包括轉(zhuǎn)轍機各環(huán)節(jié)的設(shè)備運行狀態(tài)的采集，在運行控制中心實現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機設(shè)備運行狀態(tài)的遠程集中監(jiān)視，記錄實時數(shù)據(jù)，形成歷史曲線，方便操縱人員觀察參數(shù)變化趨勢，為事故總結(jié)分析提供依據(jù)。

2) 故障診斷子系統(tǒng)。對運行數(shù)據(jù)自動進行實時在線分析，采用LSTM模型，從原始電流序列中自動提取特征，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進行故障診斷。

3) 故障診斷報告生成子系統(tǒng)。引導(dǎo)操縱員分析判斷道岔安全狀態(tài)出現(xiàn)異常的具體原因和部位，同時針對每一個診斷結(jié)果給出相應(yīng)的處置意見和操作步驟。

1.1 設(shè)備狀態(tài)遠程監(jiān)視子系統(tǒng)

故障診斷系統(tǒng)使用RS485總線連接控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)轍機，實現(xiàn)設(shè)備之間的通信。為保障設(shè)備電流序列的正常采集，本文考慮兩個層次的問題：通信鏈路狀況和通話管理。

1) 通信鏈路狀況。在控制系統(tǒng)硬件電路(非本文研究，不作闡述)中，對電源做電氣隔離排除數(shù)據(jù)傳輸信號干擾。除此以外，還需要考慮鏈路發(fā)生異常或者損壞情況，為此，本文的故障診斷系統(tǒng)對串口進行通信的雙方設(shè)置兩個標志位，分別記錄主站發(fā)送數(shù)據(jù)失敗和主站接收數(shù)據(jù)失敗的情況，并以日志的形式記錄下來。借助日志分析了解系統(tǒng)的運行狀況，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自檢，及時發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)異常狀況。

2) 轉(zhuǎn)轍機道岔裝置的通話管理機制。在轉(zhuǎn)轍機道岔裝置控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)轍機道岔裝置通過RS485總線的串口方式復(fù)用DMA(Direct Memory Access)功能與遠程上位機通信連接。每個轉(zhuǎn)轍機道岔裝置狀態(tài)采集板在發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)之前根據(jù)已定義消息報文的數(shù)據(jù)協(xié)議，消息報文的長度是確定的。轉(zhuǎn)轍機道岔裝置狀態(tài)采集板在發(fā)送完消息報文給DMA端口后即中斷通信握手，因此可以通過檢測DMA端口的中斷與否得知道岔裝置狀態(tài)采集板的消息報文(數(shù)據(jù))是否已發(fā)送。

轉(zhuǎn)轍機道岔裝置狀態(tài)采集控制系統(tǒng)中，遠程監(jiān)控訪問轉(zhuǎn)轍機設(shè)備對應(yīng)端口實現(xiàn)通話管理任務(wù)的機制如圖2所示。通話管理任務(wù)機制基于狀態(tài)變遷實現(xiàn)，為下一步Petri 網(wǎng)的正確性驗證提供了基礎(chǔ)。

圖2 轉(zhuǎn)轍機道岔裝置的通話管理任務(wù)視圖

轉(zhuǎn)轍機道岔裝置的通話管理機制，即狀態(tài)變遷執(zhí)行過程概述如下：

(1) 檢測周期開始道岔處于Port-Idle空閑狀態(tài)。當發(fā)送任務(wù)執(zhí)行時，如果通信上位機發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，則把鏈路故障記錄保存到日志中。如果任務(wù)狀態(tài)機由Bind狀態(tài)變?yōu)镃heck狀態(tài)，則需要檢查綁定的通信端口有沒有被占用。

(2) 如果端口被占用了，則跳轉(zhuǎn)到Port-Idle狀態(tài)；如果通信端口沒有被占用，則通話任務(wù)會把轉(zhuǎn)轍機道岔裝置一個檢測周期內(nèi)的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送的通信地址、端口號和數(shù)據(jù)的長度告知、跳轉(zhuǎn)Schedule狀態(tài)。

(3) Schedule檢查接收到的當前幀，如果發(fā)現(xiàn)幀錯誤了，就會設(shè)置Receive Error異常，并把異常狀況保存到日志中，同時跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)。

(4) Schedule判斷任務(wù)的執(zhí)行時間是否已經(jīng)超時(Timeout)。如果已經(jīng)Timeout，則發(fā)送錯誤并把錯誤保存到日志中，跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)；如果沒有Timeout，則跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)。

(5) Schedule任務(wù)拿到接收的地址、端口號和數(shù)據(jù)(報文)長度，跳轉(zhuǎn)到Receive狀態(tài)。由Receive任務(wù)把接收到的數(shù)據(jù)返回給主站后跳轉(zhuǎn)到Unbind狀態(tài)。

(6) 在一個掃描周期內(nèi)，通話任務(wù)會始終處于Bind狀態(tài)。一旦得到步驟2通信端口且沒有被占用，跳轉(zhuǎn)到Schedule狀態(tài)。

(7) 如果任務(wù)處于Unbind狀態(tài)，則無論任務(wù)是否成功執(zhí)行，都會釋放占用的端口。

1.2 故障診斷子系統(tǒng)

交流轉(zhuǎn)轍機的驅(qū)動模塊和轉(zhuǎn)轍機室外動作電路的連接如圖3所示，其中模塊直接連接到轉(zhuǎn)轍機的X1-X5上，而X1-X5的狀態(tài)可以通過測量A、B、C三相電流的大小以及相位與動作時間，分析出轉(zhuǎn)轍機動作電路的工作狀態(tài)和各種可能的故障原因。

采用LSTM模型對A、B、C三相電流的所有數(shù)據(jù)進行訓練，自動進行特征提取，對每種故障類型進行精準的預(yù)測，從而避免了人工方式提取特征并不能包含原始曲線的所有信息導(dǎo)致很多很重要的信息丟失的缺點，具有提取一些和最終結(jié)果具有很強相關(guān)性的隱含特征的優(yōu)點。為了讓LSTM提取出的特征組合出更復(fù)雜的特征以提高預(yù)測精度，利用softmax分類器設(shè)置最終需要診斷的故障類別個數(shù)，它會將節(jié)點的輸出值通過計算轉(zhuǎn)換為概率，從而確定出故障類別[9]。LSTM進行特征提取的偽代碼如下：

1. 輸入：X1,X2…,XT/0.04

2. 輸出：提取的特征向量

3. LSTM初始狀態(tài)權(quán)重初始化

5.fk=σ(Wf·[hk-1,Xk]+bf)

6.ik=σ(Wi·[hk-1,Xk]+bi)

9.ok=σ(Wo·[hk-1,Xk]+bo)

10.hk=ok*tanh(Ck)

11. End For

12. 輸出hk即為最終的特征向量

1.3 故障診斷報告生成子系統(tǒng)

故障診斷報告生成子系統(tǒng)會將診斷出的故障結(jié)果，先整合成符合模板標準的診斷報告，然后發(fā)布給電務(wù)監(jiān)督系統(tǒng)，由電務(wù)監(jiān)督系統(tǒng)生成派工單通過人機交互界面展示給維修工程師(電務(wù)監(jiān)督系統(tǒng)是另一個獨立系統(tǒng)，與本文無關(guān)不加討論)?；胤诺啦砬€界面實現(xiàn)回放時顯示道岔設(shè)備故障狀態(tài)下的動作曲線，回放顯示功能的概要設(shè)計如圖4所示。

圖4 回放顯示功能概要設(shè)計圖

2 運行實例

道岔控制中心故障診斷系統(tǒng)記錄并顯示設(shè)備運行數(shù)據(jù)，主要字段包括設(shè)備運行日期、時間、設(shè)備號、操作性質(zhì)、運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)等，同時支持文本、自動圖形繪制這2種查看的方式，如圖5所示。

圖5 設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)視

故障診斷系統(tǒng)生成的診斷報告如圖6所示?？梢砸龑?dǎo)操縱員判斷道岔安全狀態(tài)出現(xiàn)異常的具體原因和部位，同時針對每一個診斷結(jié)果給出相應(yīng)的處置意見和操作步驟。

名稱【14063】道岔定到反操縱后未動作:1DQJ未吸起(單操)報警描述當計算機聯(lián)鎖不送DCJ、FCJ給監(jiān)測時,使用該邏輯。如果送了DCJ、FCJ優(yōu)先用DCJ、FCJ碼位邏輯。1)人工單扳道岔(聯(lián)鎖送的單操按鈕);2)道岔和所在區(qū)段均不處于鎖閉的狀態(tài);3)本機1DQJ不吸起;4)多機聯(lián)動的道岔,例如同尖/心軌的前機1DQJ沒有吸起,后機不再報警相關(guān)電路維護建議1)請查看DCJ/FCJ是否動作;2)如DCJ/FCJ未動作,則是聯(lián)鎖系統(tǒng)問題,MMI單操行為未驅(qū)動DCJ/FCJ;3)如DCJ/FCJ動作,則是1DQJ勵磁電路問題,請從KZ至KF依次逐段查找電路中故障點?！鼡Q故障繼電器或配線

圖6 故障診斷報告

3 結(jié) 語

本文分析了道岔裝置對運行支持系統(tǒng)的需求，提出了針對性的設(shè)計方案。主要特點體現(xiàn)在以下3方面：

1) 對數(shù)據(jù)采集通話管理進行了狀態(tài)設(shè)計，將系統(tǒng)功能模塊化、狀態(tài)化，保障了系統(tǒng)的可用性；

2) 采用機器學習方法避免了人工方式提取特征并不能包含原始曲線的所有信息導(dǎo)致很多很重要的信息丟失的缺點，具有提取一些和最終結(jié)果具有很強相關(guān)性的隱含特征的優(yōu)點，以便最大程度地提高準確性；

3) 采用符合操縱員運行操縱經(jīng)驗的表達方式，快速、直觀、敏銳地感知裝置出現(xiàn)的異常運行狀態(tài)，對報警進行描述并給出相關(guān)電路和維修建議，提高對裝置運行狀態(tài)的評判效率，減少誤判斷。