車站信號聯鎖系統故障診斷系統的研究

摘要：我國鐵路運輸量的不斷增長、列車行駛速度的不斷提升，讓車站信號聯鎖設備在鐵路運輸多個領域得到了廣泛應用，改善了車站信號聯鎖系統不間斷工作所引發的故障問題。文章對車站信號聯鎖系統故障診斷系統的總體結構設計進行了綜合論述，在此基礎上，對車站信號聯鎖系統工作故障進行了重點分析，明確以信息融合為基礎的多種故障診斷系統應用原理。作為車站信號的重要組成部分，車站信號聯鎖系統故障診斷系統的研究有利于降低識別誤差、提高診斷結果的精準性，對信號設備故障診斷決策的制定有著積極的參考意義。

關鍵詞：車站信號聯鎖系統;故障診斷系統;研究分析

車站信號一直是鐵路事業發展的核心技術，鐵路運輸速度的不斷加快，車站信號從傳統的電氣集中聯鎖逐漸發展到現代化計算機聯鎖，整體系統結構為雙機熱備、三取二等多元化的安全保障方式，目前我國的車站信號聯鎖系統已處于世界先進行列。信號系統主要負責對列車的運行方向和運行狀態進行綜合指揮與控制，保障列車的運行效率和運行安全，高新技術在我國鐵路事業的有效應用導致車站信號設備維護力量薄弱，傳統的故障診斷方式與新技術、新設備之間存在矛盾。全新的故障診斷專業系統開始發揮重要作用，實現對故障問題的交互式處理，具備靈活性、便利性的應用優勢。

車站信號聯鎖系統

車站信號聯鎖系統在運行階段會自動采集道岔電路以及信號機的使用狀態，根據實際情況下達科學的列車調度命令，保障列車運行的安全性，通過控制臺進行車站信號設備檢測。信號機遵循信號之間的聯鎖關系完成基礎運算，將設備調整到適當的位置，車站信號聯鎖系統主要分為室內控制和室外控制設備，分別進行軟硬件區域和道岔轉換、信號機等基礎設備的管理。車站聯鎖系統處于多級分布式設計結構由子系統、網絡通信系統和聯鎖子系統等結構共同組成，主要功能是實現自動化信息采集和人機會話，能夠根據實際情況完成聯鎖運算。系統軟件能夠同時完成多任務的共同處理，對外部設備進行綜合管理，并支持軟件調試、站內數據庫、聯鎖運算和站場圖等基礎數據獲取，能夠應對多種站場情況，具有通用性的發展特點。室外控制設備包括信號機、軌道電路等基礎設備，其主要功能是實現道岔的轉換與封鎖，科學下達列車進路和調車進路的指令，信號機能夠根據列車的進入情況顯示對應的信號提示，并向列車發送速度信息。

二、車站信號聯鎖系統故障診斷系統的總體結構設計

車站信號聯鎖系統設備結構具有復雜性特點，在進行故障診斷系統設計的過程中，需要多個子模塊的有效應用，了解當前系統設備的工作狀態，并輸入準確的信息數據，為故障診斷提供人機交互子界面，能夠在確保車站信號聯鎖系統安全運行的基礎上，制定經濟、合理的技術處理措施，避免因故障處理時間過長打亂運輸秩序。

數據導入模塊。從車站信號監測系統獲取設備狀態監測數據和缺口檢查數據等基礎工況狀態信息，為后續的故障診斷系統運行提供基礎數據知識，利用接口軟件完成數據轉換處理，對各項數據信息進行校準與核對。將系統狀態信息導入到故障診斷系統數據庫，車站信號監測系統主要監測數據有：模擬量、開關量等，了解聯鎖設備、信號機、軌道電路等室外設備的接口運行情況，并對繼電器的工作狀態進行實時監測。模擬量數據包括電源屏的電壓、電流輸出數值以及現有的功率、頻率基礎參數，以此為基礎明確道岔轉換階段轉轍機的實際動作和發生動作的具體時間，計算電纜芯線對地絕緣電壓，通過電源屏輸出漏泄電流值。完成對溫度、濕度等環境狀態的模擬量監測，通過視頻采集系統進行監測圖像的采集與處理，實時獲取無人值守車站室內外信號設備的運行狀態，并做好設備環境監測。??? （二）人機界面模塊。故障診斷系統的人機界面主要指的是，設備維護管理人員與故障診斷系統之間進行信息交互的重要通道。在當前故障驅動診斷方法的有效應用下，人機界面的主要功能是自動選擇故障診斷類別，按照室內電路設備診斷和室外信號設備診斷同步進行的基本原則，將最終的診斷結果顯示在控制中心系統，并對各項故障處理信息給予提示。通過圖像分析和故障統計，將設備運行狀態等監測數據導入到故障診斷系統中，幫助系統完成信息交互功能，診斷系統交付給用戶使用，想要取得良好的管理效果，就需要提高人機接口的整體質量。人機接口主要包括系統與用戶接口、系統與專家接口，根據用戶在操作過程中下達的基礎指令和提出的具體問題，給予多項系統分析結果，并將系統結果直接傳送到推理機，數據庫完成系統自動求解，用戶能夠實時掌握專家系統的執行動態。專家與系統接口能夠在系統運行階段接受專家的知識建議，專家了解系統的具體工作性能，人機界面的設計能夠將故障現象、故障診斷結果、故障分析過程和有關知識問答等基礎信息，通過系統進行人機交互。系統列出功能菜單，根據用戶操作執行相應的診斷功能，顯示下級菜單讓用戶進行第二次選擇，或者由設計人員通過語言命令快速訪問數據庫，建立人機接口。

（三）知識獲取模塊。知識獲取是對專業知識和經驗知識的獲取，具有數據分析和自動加工的基礎功能，能夠通過信息融合為系統提供診斷規則，知識獲取過程可以通過人工處理或某一方法間接獲取。故障診斷系統自動知識獲取階段所采用的方法有：分層模型獲取法、電路模型原理邏輯分析法、故障邏輯獲取法、網絡故障機理知識獲取法、維護人員故障處理經驗獲取法以及案例信息參考法等等。診斷知識的獲取是故障診斷系統知識庫建設的基礎數據獲取方式，在故障診斷系統開發的過程中具有重要作用，想要不斷完善系統知識庫的信息內容，就需要采用多種獲取方式，在發生故障的第一時間運用眾多知識信息完成診斷推理。選擇合適的知識獲取方式能夠簡化推理機制，根據信號系統運行階段存在的故障現象，了解故障產生的根本原因，通過歷史故障樹據分析，結合以往的故障診斷經驗，保證故障診斷系統診斷結果的準確性。

（四）推理機的設計。在車站信號聯鎖系統故障診斷的過程中，需要按照一定的原則從當前的數據信息中分析故障問題產生與存在的整個過程，以眾多知識信息為基礎的診斷推理，需要推理機軟件應用來實現。推理機是車站信號聯鎖系統故障診斷系統的核心結構，主要任務是根據輸入到系統的信息和數據，參考知識庫內的具體知識內容，按照一定的推理邏輯完成故障分析，更好的滿足用戶在故障診斷系統使用過程中提出的特定需求。劃分故障類型，判斷故障形成的具體原因，并通過解釋機構進行跟蹤記錄，由故障診斷系統制定出相應的處理方案，通過人機接口輸出，動態數據庫的建立能夠存放用戶根據故障現象所提供的初始事實，將記錄的推理信息作為解釋用戶咨詢問題的重要依據。

三、車站信號聯鎖系統故障診斷系統的具體應用

（一）聯鎖系統的故障分析。一般情況下，車站信號聯鎖系統處于不間斷的持續工作下，尤其是處于室外工作環境下的技術設備，會受到各種因素的影響，產生故障的幾率更高。車站信號聯鎖系統的故障問題主要分為室內控制區域和室外設備故障，為了精準的判斷故障發生的具體原因和故障所處的準確位置，需要明確車站信號聯鎖系統的整體結構和實際工作原理，按照其功能作用和應用層次進行綜合分析。想要得到更加準確的故障診斷結果，需要建立車站信號聯鎖系統分析模型，查找故障發生的主要原因，車站信號聯鎖系統故障診斷系統由多個子程序組成，能夠以基礎理論為參考，對故障現象進行分析判斷，并做好系統運行階段故障維修記錄。通過模型分析了解車站信號聯鎖系統的故障機理，建立車站聯鎖系統模塊結構，結合各類故障事故發生的主要特點，通過故障樹分析法得到精準的故障樹據。

（二）知識表示模型的建立。故障診斷系統在車站信號聯鎖系統故障分析的過程中，需要根據各類問題選擇有關知識進行分析，知識內容有經驗知識、因果知識和第一定律知識。經驗知識是工程師和專家經過長時間的工作積累所形成的知識內容，屬于淺知識，因果知識和第一定律知識需要參考具體故障分析案例以及龐大數據量的堆積與處理，得到的知識信息屬于深知識。知識獲取的過程是診斷途徑建立的過程，在進行知識表示模型建立的過程中，首先需要了解經驗知識的主要特點，提出的假設與最終的結論之間缺乏因果關系。在經驗知識獲取階段，如果涉及到基礎理論經驗知識將轉變為理論知識，因果知識的形成是建立在經驗知識的基礎上，能夠完整的了解診斷對象的主要結構。以潛在理論知識為依據，假設條件和最終診斷結果之間存在因果關系，只有將理論知識與經驗知識進行有效結合，才能夠更好的解決故障問題。在知識表示模型建設的過程中，要做到深層知識和淺層知識的合理運用，選擇合適的表達方法，通過推理機將知識信息整合到一起建立專家系統，針對特定的故障問題進行綜合診斷。診斷過程中各類知識的控制作用將處于持續變化的狀態下，不同知識內容之間的交替使用，能夠快速找出問題的解決思路，建立協調機制進行知識轉化，完整的記錄故障分析過程。將有價值的模塊記錄數據傳輸到知識庫，加強用戶與系統之間的信息交互，監控模塊能夠自動跟蹤記錄推理的全過程，在推理歸納中總結新知識，豐富知識庫的主要內容。

（三）圖例分析系統的運用。圖例分析指的是出示系統失效與底事件之間的邏輯圖，能夠真實的反映出車站信號聯鎖系統發生故障的主要原因以及故障產生的因果關系，圖例分析系統將故障圖示與專家系統進行有效結合，實現對車站信號聯鎖系統的初步診斷。在進行復雜系統診斷的過程中，簡單的描述無法對故障現象、故障類別進行精準劃分，為了實現故障定位，需要在故障診斷過程中增加故障征兆、故障檢測診斷建議和后續維修策略等眾多信息。結合故障樹專家系統的有效應用，制定出科學合理的車站信號聯鎖系統故障診斷方式，保證故障診斷知識內容的規范性，能夠快速完成故障推理，有效解決當前車站信號聯鎖系統故障診斷系統在知識獲取與問題推理中存在的各類問題。故障樹分析技術能夠利用故障診斷系統的深層知識內容，通過參數自診斷方式，結合知識庫中的故障事實和知識規則制定出綜合診斷推理機制，分析圖示邏輯結構和故障模式之間存在的邏輯關系。

（四）故障診斷與專家系統求解。車站信號聯鎖系統發生故障的第一時間，維修人員需要啟動車站信號聯鎖系統故障診斷系統獲取幫助，系統啟動后能夠根據工作人員所提交的故障現象，選擇合理的故障診斷功能。由維修人員進行現場操作，根據設備的故障狀況進行故障類別劃分，按照專家系統給予的診斷提示，逐步完成故障信息輸入，專家系統在短時間內完成信息整理與分析，根據故障情況從知識庫中篩選相關診斷規則。排序方式為故障原因概率和訪問頻率，輸出在故障診斷系統分析后得出的多項故障產生原因參考，現場維修人員按照診斷結果，核實當前設備的運行狀態，當發現專家系統所指出的故障現象時，選擇相對應的維修功能，采用科學的維修方法進行故障排除。當診斷結果與現場設備的運行狀態不符時，重新進行故障原因選擇，由此可見專家系統故障診斷前，需要對具體故故障現象以及設備的運行狀況進行充分了解，從知識庫中提取相關知識內容，逐一進行檢查與排除。分析故障產生的具體原因，并給予相關故障解決方法，當所有可能的故障原因均被排除后，尚未解決故障問題則給予提示“本專家系統內尚未錄入此類故障”。專家系統的應用優勢在于能夠客觀地完成數據庫中相似故障案例的排查，避免人為故障排查所消耗的時間，但車站信號聯鎖系統故障情況存在多樣性、復雜性的特點，專家系統無法容納一切故障類型。仍然存在無法解決的故障難題，要求用戶與專家系統建立聯系，在專家的統一指導下進行故障排除，并將故障類型補充到知識庫，為后續類似故障的排查提供數據參考，想要充分發揮出故障診斷專家系統的應用優勢，就需要加強系統與用戶之間的有效通信。

四、車站信號聯鎖系統故障診斷系統的展望

隨著我國鐵路體制改革的不斷深入，鐵路信號技術得到了飛速發展，車站信號聯鎖系統故障診斷系統具有廣闊的應用前景，系統功能逐漸完善、診斷性能逐步提高。為了確保診斷結果的準確性，需要進一步發展車站信號聯鎖系統的監測功能，增加監測點隨時掌握設備的運行狀態，為后續的故障診斷提供詳細的數據信息。近年來，設備狀態監測正逐漸向狀態預測發生改變，通過龐大的數據資源合理預測設備故障下的狀態變化趨勢，現場維護人員能夠提前采取防護措施，為后續的設備維修創造有利條件，全面提高故障診斷系統的智能化推理能力和知識獲取學習能力。不斷提高故障診斷水平，將知識規則和故障案例進行混合應用，運用人工神經網絡技術進行信號模擬訓練，增加數據源的匹配度，及時排查故障產生的具體原因。根據車站信號聯鎖系統設備和監測系統的基本結構制定模塊化設計方案，及時獲取設備狀態監測數據，突破傳統知識獲取的困境，總結車站信號聯鎖系統研發經驗，參考電務段故障維護的歷史記錄，制定出混合推理機制，提高故障診斷精度。除以上故障診斷方式外，在參考粗糙集理論的基礎上，分析粗糙集現有的條件屬性、決策屬性，判斷故障發生的原因與故障位置，并結合實例采取科學的解決方案，在車站信號設備故障診斷中發揮出粗糙集的分析優勢。

總結：由于鐵路信號設備控制系統具有一定的復雜性，引發故障的原因多種多樣，傳統的依靠工作人員經驗和業務水平進行的現場診斷，已經不適合當前車站信號故障處理需求。經常出現鐵路信號故障處理時間過長導致列車晚點，影響車站信號系統的正常運行，被迫采用人工接發列車的形式，引發一系列安全隱患，全新的故障診斷專家系統能夠有效解決各類計算機程序問題，通過知識庫進行診斷結論推理，達到預期的故障分析結果。目前車站信號聯鎖系統故障診斷系統的研究與發展受到了人們的廣泛關注，并取得了長足進步，能夠為車站信號聯鎖系統故障診斷提供科學途徑。

參考文獻：

[1] 王海濤. 高鐵信號系統故障的分析與處理[J]. 商品與質量，2019（34）：289.

[2] 鄭藝. 淺析機車三隊三取二鐵路信號計算機聯鎖系統故障與維護[J]. 建筑工程技術與設計，2018（9）：2317-2318.

[3] 王月太，吳文艾，高賢輝. 基于動態故障樹的車站計算機聯鎖系統冗余結構可靠性研究[J]. 自動化與儀器儀表，2021（4）：31-34.

[4] 費文博. 分路不良造成機車信號掉碼故障與電路改進分析[J]. 高鐵速遞，2021（4）：79.

[5] 蔣慶祥. 淺談鐵路信號聯鎖設備的故障診斷[J]. 百科論壇電子雜志，2020（17）：519.

[6] 王曉輝. 利用故障樹方法進行計算機聯鎖故障分析[J]. 數碼世界，2019（8）：32-33.

作者簡介：

蔣敏建 男（1987.08-）漢族? 廣西桂林人??? 學歷： 大學本科

柳州鐵道職業技術學院 實驗師??? 研究方向：鐵道通信信號

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目 智能聯鎖設備維護實訓系統的研究，編號2020KY44024