集控電動脫軌器系統遠程故障診斷功能研究

趙小軍，徐永孝，郝家耀，張永釗，陳冉，孫磊磊

（1.國能鐵路裝備有限公司準格爾車輛維修分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄭州智輛電子科技有限公司，河南 鄭州 450001）

1 問題的提出

隨著鐵路貨物列車高速重載戰略的實施和萬噸組合列車的大量開行，對鐵路貨運檢修工作的要求也越來越高。作為列檢作業場進行列車技術檢查作業時，設置的安全防護設備電動脫軌器上、下脫控制必須安全可靠。當脫軌器設備出現故障后，設備維修人員只能根據運用車間人員口頭反饋的故障情況憑經驗判斷導致故障的原因，攜帶配件到現場進行分析、檢查、處置。運用車間人員反饋的信息存在用詞不專業、狀態不全面問題，加上設備維修人員技術水平參差不齊，容易導致故障判斷不準確，所帶配件與故障部件不對應，需要返回更換對應的配件，設備故障無法及時排除，影響鐵路的運輸效率。2021 年12 月，國鐵集團印發了《國鐵集團鐵路營業線施工管理辦法》，該管理辦法對維修和施工天窗的管理做了精細調整，設備維修天窗時間變短、申請天窗周期延長。在當前情況下，脫軌器出現故障后如何通過技術手段實現對故障原因準確判斷，幫助維修人員快速高效處置故障顯得尤為迫切。

2 系統組成

集控電動脫軌器系統由值班室監控裝置、控制柜、通訊柜、脫軌器裝置、軌邊視頻監控裝置、咽喉區視頻監視裝置等設備組成（圖1）。

圖1 集控電動脫軌器系統組成

3 故障統計分析

從集控電動脫軌器系統組成來對其出現的故障進行分類，大致分為機械部件、電氣控制、網絡通訊、視頻監視、系統線纜、計算機及主控軟件共6 類。

3.1 機械部件故障

機械部件包括脫軌器裝置、安裝裝置、電動轉轍機、表示器等，其故障表現主要有脫軌器卡滯或卡死、脫軌器上下緩慢甚至無法到位、轉轍機達子反彈等。

3.2 電氣控制故障

電氣控制部件包括CPU 板、I/O 板、交流接觸器、固態繼電器、信號控制器、紅白燈板等。其故障表現主要有通訊中斷、脫軌器狀態檢測失效或異常、脫軌器不動作或動作不到位、要電申請無反應、信號燈無故熄滅等。

3.3 網絡通訊故障

網絡通訊部件包括光纖交換機、串口服務器及供電開關電源等。其故障表現主要有通訊異常、通訊中斷、視頻信號消失等。

3.4 視頻監視故障

視頻監視部件主要包括視頻服務器、攝像機、模式切換器及供電開關電源等。其故障表現主要有某股道或一端視頻信號消失、攝像機白天黑夜模式切換失效、云臺控制無效等。

3.5 系統線纜故障

脫軌器系統線纜主要包括動力電纜、通訊光纜、信號電纜、互控電纜等。其故障表現主要有通訊中斷、互控開關檢測無效、脫軌器狀態檢測信號異常等。

3.6 計算機及主控軟件故障

計算機及主控軟件故障表現主要有計算機藍屏或黑屏、主控程序反應遲鈍或卡死、主控程序閃退等。電動脫軌器系統出現故障后，導致故障的原因往往是多方面的，設備維修技術人員接到故障反饋后，經過簡單分析便攜帶萬用表、網絡測試儀、兆歐表等專用儀器和相關配件到現場進行排查處理，對于穩定（故障一直存在）的故障，這種方法還可以應對，對于那種一會兒出現又能自動恢復的故障，不能很快確定故障原因解決問題，往往需要多次到現場排查處理才能最終排除故障。因此，需要對現有的電動脫軌器系統進行升級以實現在出現故障后能夠在遠端（值班室）查看設備故障信息做出綜合分析判斷，做到在分析處理故障時胸有成竹。

4 遠程故障診斷技術方案

設備維修部門往往要負責多個列檢作業場的設備日常維護和檢修工作，當某個列檢作業場電動脫軌器系統出現故障后，能夠在動態值班室就能夠對現場情況充分了解是十分必要，不然就要驅車到現場排查，故障處置時間自然滯后，因此，首先需要實現遠程掌握電動脫軌器的狀態。為了實現遠程掌握電動脫軌器系統狀態，需要搭建一套鐵路貨車列檢作業場電動脫軌器遠程故障診斷應用服務平臺，應用服務平臺設計思路從以下三方面進行設計。即從平臺功能模塊、整體架構及網絡拓撲，詳見圖2 ～4。

圖2 服務平臺功能模塊

圖3 服務平臺總體架構圖

圖4 網絡拓撲結構圖

應用服務平臺具備用戶管理、設備運行狀態、設備故障提示、設備故障臨界分析、設備故障信息查詢、作業場信息管理、參數設置、通訊狀態查詢、日志查詢及打印等功能，實現動態檢修車間可以快速看到設備故障發生時的監控視頻和當時的設備運行電參量信息。

應用服務平臺總體架構從低到高依次為基礎層、傳輸層、監控層、支持層和應用層。

（1）基礎層。包括列檢作業場用于采集運行參數的各類信息設備包括光纖交換機、串口服務器、CAN轉換器、計算機服務器。設備運行控制的電動脫軌器、控制柜、通訊柜等設備，實現脫軌器控制、檢測、運行，所有電參量的采集、運算分析、報警，電參量的記錄分析及診斷。值班室與現場通信柜各增加一臺光纖交換機，兩臺交換機間使用光纖通訊，通信柜中的光纖交換機根據現場使用攝像機數量確定，采用4 塊一光八電端口的KYLAND(KIEN1005A-1S8T-SC40-HV) 交換機。更換現場模擬攝像機為高清網絡攝像機（iDS-2ZCN2507N(B)，分辨率為1920×1080，白天為彩色晚上為紅外黑白色攝像），網絡攝像機與現場通信柜中光纖交換機使用鎧裝網線連接。現場，控制柜增加電參量采集模塊。各采集模塊采集的數據經串口服務器直接上傳到值班室主控機計算機，再由主控計算機經指定傳輸工具MQ 上傳到服務平臺進行集中保存，建立支持層的數據基礎。由于監控視頻傳輸需要占用比較高的帶寬，在網絡允許的情況下，可將完整的視頻上傳到服務平臺。

（2）傳輸層。傳輸層是整個系統架構中的關鍵層次之一，提供建立、維護和取消傳輸連接的功能，負責數據的可靠傳輸，主要包括局域網控制傳輸、CAN總線傳輸、視頻傳輸等，需要增設光纖、超五類鎧裝網線及鎧裝屏蔽雙絞線等線材。

（3）監控層。監控層主要包含值班室主控計算機及程序、視頻監視計算機及程序，是整個控制系統的核心。值班室主控程序控制現場電動脫軌器上、下脫。視頻主機實時監控并記錄電動脫軌器動作過程，可以讓動態檢修值班員遠程直觀地看到脫軌器運行過程狀態。當脫軌器出現故障后，監控層將視頻經服務平臺推送至動態檢修車間，向動態檢修人員提供過程中脫軌器的圖像信息，增加動態檢修人員了解故障現象的直觀信息，提高分析問題的準確性。

（4）支持層。支持層建立在服務器計算機中，主要包含數據庫服務、網絡連接的橋梁及提供數據訪問的服務，是各作業場采集的各種信息數據的數據池，為所有應用層提供數據支持。

（5）應用層。應用層是直接面對各車間的窗口，是故障診斷提示信息的第一窗口，應用層位于最頂層，直接為用戶提供服務。用戶權限等級分為三級：第一級為管理員級，平臺所有功能可用。第二級為檢修級，平臺設備狀態、通訊狀態、查詢、統計、分析、推送功能可用。第三級為分公司普通級，平臺查詢、統計功能可用。

通過搭建系統服務平臺實現了遠程對脫軌器狀態的實時掌握。為了實現故障診斷，需要在既有電動脫軌器系統的基礎上對脫軌器供電、主控制回路以及各個股道控制回路的電壓電流等電參量進行采集和分析。在電動脫軌器供電回路、主控制回路及各股道控制回路分別設置相應的高精度電壓、電流傳感器，傳感器輸出信號經過模數轉換器轉換，由高性能微處理器精確計算出對應的各個電參量，電參量信息經現場光纖網絡傳輸至電動脫軌器系統主控計算機。

根據對電動脫軌器的I/0 模塊、電壓、電流實時采集的電氣參數信息，在系統上、下脫動作過程中，根據I/0 模塊狀態及電氣參數，自動預判隱形故障。系統出現故障時，自動分析故障原因，提供故障處理指導意見。

5 運用效果

具備遠程故障診斷電動脫軌器系統，經過在國能鐵路裝備有限公司準格爾車輛維修分公司點岱溝列檢作業場半年多的應用，有效提高了設備檢修工作的效率，設備故障處置時間比原來縮短50%以上，設備無故障時間增加了25%，無形中提高了電動脫軌器的安全性、可靠性，減少了因為脫軌器故障對鐵路貨運秩序的影響，提升企業經濟效益，具備一定的推廣價值。