軌道交通道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘要 該研究圍繞道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)展開，旨在通過信息化手段提升鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運行安全性與維護效率。文章首先分析了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運維現(xiàn)狀，然后基于現(xiàn)代傳感技術(shù)和信息技術(shù)，構(gòu)建了一個實時在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運行狀態(tài)，并通過先進的數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)異常狀況的識別和故障預警。通過應(yīng)用，驗證了所提出技術(shù)的有效性和實用性。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，還為鐵路信號系統(tǒng)的智能化運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；趨勢分析預測；健康評估

中圖分類號 U216 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0001-04

0 引言

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備是鐵路信號系統(tǒng)中的重要組成部分，其作用是在列車運行過程中實現(xiàn)軌道的切換，確保列車能夠按照既定的路線，安全、準確地到達目的地。隨著鐵路運輸業(yè)的高速發(fā)展，對鐵路信號系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的要求越來越高，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的工作狀態(tài)直接關(guān)系到列車運行的安全與效率，一旦發(fā)生故障，不僅可能導致列車晚點，嚴重時還可能引發(fā)列車脫軌等重大安全事故。因此，對道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并診斷潛在的故障，對于保障鐵路運輸?shù)陌踩院吞岣哞F路運營效率具有重大意義。

傳統(tǒng)的道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備監(jiān)測多依賴于人工巡檢，這種方法不僅效率低下，而且難以實現(xiàn)對設(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)測與故障診斷系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于鐵路信號系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)不僅能夠擴大監(jiān)測范圍，實現(xiàn)實時收集道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的全面運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且還能通過先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的精確監(jiān)測和故障的早期預警，大幅提升設(shè)備的運維效率[1-3]。

在實際應(yīng)用中，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)需要具備以下幾個關(guān)鍵功能：首先，系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r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)及時發(fā)送到室內(nèi)監(jiān)測主機；再次，室內(nèi)監(jiān)測主機需要有強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行分析處理，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]。

為了實現(xiàn)上述功能，課題組開展了大量的試驗和理論研究工作，主要包括：對道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和工作環(huán)境進行深入分析，確定關(guān)鍵的監(jiān)測參數(shù)；研究和開發(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；開發(fā)通用的故障診斷平臺、先進的數(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)測與故障診斷應(yīng)用系統(tǒng)[7-8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的主要目標是實現(xiàn)對道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備室內(nèi)外工作狀態(tài)的實時、全面化監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并預警潛在的故障，以降低維護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)采用標準的物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)進行構(gòu)建，即感知層—平臺層—應(yīng)用層，可以有效分離不同層次的功能和責任，降低系統(tǒng)復雜度，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性，同時，還可以促進系統(tǒng)的互操作性和可擴展性，以便適應(yīng)鐵路信號監(jiān)測需求的變化。

感知層主要負責道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和數(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)的可靠性和實時性。

平臺層主要負責數(shù)據(jù)的處理和分析，包括數(shù)據(jù)預處理以及特征提取、異常檢測、故障診斷等方面的算法研發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對感知層采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，提取設(shè)備運行狀態(tài)信息，并進行故障預測與診斷。

應(yīng)用層主要負責遠程監(jiān)控，基于友好的運維操作界面，提供道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的實時監(jiān)測、預警、故障診斷、趨勢分析預測和健康評估等功能。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 感知層監(jiān)測設(shè)計

2.1.1 控制電路參數(shù)監(jiān)測設(shè)計

道岔控制電路的監(jiān)測設(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，實現(xiàn)勵磁、自閉、動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24盒內(nèi)安裝電壓、電流傳感器，實現(xiàn)斷線監(jiān)測。

2.1.2 道岔缺口、表示桿位移、油壓和油位監(jiān)測功能

該項監(jiān)測功能通過安裝在轉(zhuǎn)轍機箱盒內(nèi)的缺口傳感器、行程傳感器、壓力傳感器和油位傳感器實現(xiàn)。其中，缺口傳感器和行程傳感器基于磁柵測量原理，將磁性標尺嵌入在轉(zhuǎn)轍機表示桿的上平面，通過安裝在接點組和油泵電機組之間的采集機進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)道岔缺口，表示桿位移的測量；油壓傳感器安裝在啟動缸兩側(cè)工藝孔，采用擴散硅芯體制作，內(nèi)部集成電路，實現(xiàn)油壓的測量；油位傳感器安裝在油箱蓋板上，基于磁致伸縮原理，通過浮子感應(yīng)油液面的高低，實現(xiàn)油位的測量；基于這些參數(shù)的在線監(jiān)測，可以實時捕捉道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的異常表現(xiàn)，如缺口過大、位移不足、壓力異常或油位過低等，及時發(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)測功能

應(yīng)變傳感器能夠測量物體在受力時產(chǎn)生的微小形變，從而間接計算出作用力的大小。在該系統(tǒng)中，通過應(yīng)變傳感器可以用來實時監(jiān)測道岔動作桿上的應(yīng)力變化，從而推斷出道岔在轉(zhuǎn)換過程中遇到的阻力。

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

通過轉(zhuǎn)換阻力的監(jiān)測，維護人員可以實時了解道岔在操作過程中的阻力情況，及時發(fā)現(xiàn)可能影響道岔正常運行的問題，從而采取相應(yīng)的維護措施，減少故障發(fā)生的概率，確保道岔在轉(zhuǎn)換過程中的穩(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)測功能

道岔鎖閉壓力的監(jiān)測同樣采用應(yīng)變傳感器，內(nèi)置應(yīng)變傳感器的監(jiān)測裝置的形狀、材質(zhì)與密貼調(diào)整片一致，通過替換既有的密貼調(diào)整片，實現(xiàn)道岔鎖閉壓力的精確監(jiān)測，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)的列車脫軌等嚴重事故，對于確保列車安全運行具有重要意義。

2.1.5 道岔框架尺寸監(jiān)測功能

在岔區(qū)部署開程/密貼傳感器、爬行傳感器、軌溫傳感器、振動傳感器，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，實現(xiàn)尖軌爬行、開程、密貼、軌溫和振動的采集與監(jiān)測。

2.1.6 小結(jié)

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

2.2 平臺層功能設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)接入

該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)接入功能，為不同類型和規(guī)模的數(shù)據(jù)提供了標準化的接口，確保了數(shù)據(jù)的無縫對接和高效傳輸，實現(xiàn)了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備室內(nèi)外監(jiān)測數(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，通過分布式隊列的高吞吐能力，系統(tǒng)能夠有效地將海量數(shù)據(jù)進行削峰處理。即使在數(shù)據(jù)量激增的情況下，分布式隊列依然能夠平穩(wěn)地處理數(shù)據(jù)流，確保了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的高效性和實時性，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)將存儲至實時數(shù)據(jù)倉庫，它的高性能存儲系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)數(shù)據(jù)查詢請求，為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析提供了強大的數(shù)據(jù)支撐，有助于實現(xiàn)更智能、更高效的決策。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理的過程中，首先是預處理，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。平滑處理則是通過一定的算法，如移動平均或加權(quán)平均等，來減少數(shù)據(jù)中的隨機波動，使得數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)。

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

最后是閾值提取，為了確定一個標準或界限，用于區(qū)分數(shù)據(jù)的不同類別或狀態(tài)，根據(jù)具體的應(yīng)用場景和目標來確定合適的閾值。

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)學模型來揭示監(jiān)測數(shù)據(jù)中的模式和潛在關(guān)系。在復雜的診斷系統(tǒng)中，通常包括故障診斷模型、趨勢分析預測模型和健康評估模型等不同類型，以應(yīng)對全面監(jiān)控和智能維護的需求。

故障診斷模型的目的是識別和診斷道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備出現(xiàn)的異常或故障。通過對歷史故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)的分析，學習區(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，通過實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀況，在檢測到異常行為時提示故障，從而幫助維護人員快速響應(yīng)和修復故障。

趨勢分析預測模型專注于分析和預測設(shè)備的性能隨時間的變化趨勢。通過分析歷史數(shù)據(jù)中的趨勢和周期性模式，預測未來的性能變化，從而為設(shè)備維護計劃和資源分配提供決策支持。

健康評估模型則用于評估設(shè)備的當前狀態(tài)和剩余壽命。該模型結(jié)合了多種數(shù)據(jù)源，包括實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史維護記錄和環(huán)境因素等，以綜合評估設(shè)備的健康狀況，為維護決策提供科學依據(jù)[11]。

2.3 應(yīng)用層功能設(shè)計

應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)主題倉庫的數(shù)據(jù)，提供全面狀態(tài)監(jiān)測、預警、趨勢分析預測等智能運維的功能。通過實時數(shù)據(jù)采集和處理，應(yīng)用系統(tǒng)能夠?qū)Ω黜椫笜诉M行持續(xù)監(jiān)測，并在發(fā)現(xiàn)異常情況時及時發(fā)出預警。同時，基于平臺層的能力，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（內(nèi)含故障診斷主機），用于接收室內(nèi)外的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理、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)備定位密貼力過小的預告警信息，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，更好地指導設(shè)備的現(xiàn)場運維。

圖3 故障診斷示意圖

圖4為系統(tǒng)的趨勢預測界面，不僅提供道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備關(guān)鍵指標未來3 d的趨勢走向，還提供了劣化的概率，為設(shè)備后續(xù)的維修維護計劃提供指導依據(jù)。

4 結(jié)束語

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)備的運維提供了強有力的技術(shù)支持。通過實時數(shù)據(jù)采集、故障預警和智能分析等功能，極大提升了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備運行的可靠性與安全性，有效降低了運維成本，并優(yōu)化了維護流程。

系統(tǒng)的應(yīng)用不僅滿足了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的日常運維需求，還推動了智能運維領(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、高效的解決方案，標志著鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運維進入了一個全新的智能化時代，為鐵路運輸安全保駕護航，同時也為相關(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。

參考文獻

[1]王勇龍，鐘桂東，陳姝，等.鐵路信號設(shè)備故障預測與健康管理系統(tǒng)研究[J].鐵道通信信號，2022（1）：16-20.

[2]陳利東.道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備安全參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].鐵道通信信號，2023（8）：23-29.

[3]王東妍，馬穎偉，李宇初，等.城際鐵路道岔設(shè)備智能運維關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2023（7）：67-75.

[4]呂軍.基于大數(shù)據(jù)分析的道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障診斷系統(tǒng)[J].鐵道通信信號，2022（12）：32-37.

[5]孫曉勇，謝博才，楊碩.基于PHM技術(shù)的道岔轉(zhuǎn)換智能診斷系統(tǒng)研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2021（10）：1-5.

[6]齊小民，賀玉芹，劉曉明.道岔健康狀態(tài)評估管理系統(tǒng)的研究應(yīng)用[J].鐵道通信信號，2020（8）：21-24.

[7]劉朝暉.數(shù)倉平臺在重載鐵路監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].智慧軌道交通，2023（2）：65-71.

[8]常浩，李鋒，藺偉，等.重載鐵路電務(wù)設(shè)備智能運維技術(shù)研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2023（11）：30-38.

[9]呂陽.鐵路道岔轉(zhuǎn)換阻力監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學，2023.

[10]王智超.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的轉(zhuǎn)轍機健康管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].太原：中北大學，2022.

[11]Jun L， Jingmang X， Tao L， et al. Effect of lateral misalignment defects of rail joints on dynamic derailment behaviour in railway turnouts[J].Vehicle System Dynamics， 2023（5）：1295-1316.