張 滔 曾 成 李宏輝 陳慧彬

轉(zhuǎn)轍機(jī)作為道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是通信信號系統(tǒng)的重要設(shè)備。然而在地鐵現(xiàn)場應(yīng)用中，由于缺乏良好的診斷和決策系統(tǒng)，給維護(hù)人員判斷處理故障帶來一定困難。本文結(jié)合地鐵道岔S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)三維仿真及評估系統(tǒng)，在其中的輔助維修系統(tǒng)開發(fā)中，研究了不同維修模式下的故障診斷技術(shù)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將輔助維修系統(tǒng)中的故障推理與解釋融為一體。

1 輔助維修系統(tǒng)的開發(fā)

地鐵設(shè)備在運(yùn)用過程中，目前主要有2種維修模式：一種為故障修，即在設(shè)備出現(xiàn)故障后，檢修人員及時(shí)赴現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行必要的維修；另一種是預(yù)防性維修，檢修人員按照檢修規(guī)程，有計(jì)劃地開展設(shè)備維護(hù)。這2種維修模式在處理各自遇到的故障時(shí)，所依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)與知識有所不同。在故障修模式中，檢修人員通過查看故障代碼，可以參考設(shè)備產(chǎn)生故障代碼的邏輯或提示，加上檢修人員積累的經(jīng)驗(yàn)，逐步檢查就可發(fā)現(xiàn)故障原因。而在預(yù)防性維修模式下，大多數(shù)情況是發(fā)現(xiàn)設(shè)備的某些功能狀態(tài)不良，稱之為故障征兆。在轉(zhuǎn)轍機(jī)這樣的復(fù)雜設(shè)備中，故障征兆與故障原因之間沒有明確的對應(yīng)關(guān)系，一種故障征兆可能是由多種原因引起，而一種原因引起的故障可能會(huì)產(chǎn)生多種現(xiàn)象。這樣的故障征兆大多時(shí)并不會(huì)引起設(shè)備功能喪失，但是如果不加以及時(shí)的維修保養(yǎng)，在一段時(shí)間后則會(huì)演變成影響功能的嚴(yán)重故障。正是轉(zhuǎn)轍機(jī)故障的多樣性、不確定性以及各種故障之間聯(lián)系的復(fù)雜性，導(dǎo)致預(yù)防性維修的確定性。

為了更有針對性的快速識別故障模式和潛在風(fēng)險(xiǎn)，本文提出2種故障診斷技術(shù)：針對故障修模式，采用基于故障樹的診斷技術(shù)；針對預(yù)防性維修中的故障征兆，采用模糊診斷技術(shù)。

圖1 故障處理流程圖 （以故障代碼S10、S11、S16為例）

圖2 S700K故障樹圖1

1．1 故障修模式下的故障樹診斷技術(shù)

通過現(xiàn)場對S700K的故障模式進(jìn)行研究，同時(shí)對轉(zhuǎn)轍機(jī)系統(tǒng)的外圍控制電路進(jìn)行最小維修單元（可更換單元）的劃分，確定現(xiàn)場需要檢查維護(hù)的最小元器件以及相對位置，進(jìn)而確定科學(xué)的檢查順序及步驟。故障處理流程如圖1所示。

同時(shí)，對S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行故障樹分析，收集S700K系統(tǒng)的故障模式。圖2、圖3以道岔報(bào)故障代碼S11故障為例，專門針對維修問題進(jìn)行故障樹展開。從展開的故障樹可以明確每種故障的機(jī)理，為故障輔助維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供模型基礎(chǔ)。

通過建立S700K系統(tǒng)故障樹，進(jìn)而將每種故障模式的處理步驟分解。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際故障出現(xiàn)的概率不同，將概率高的分支置前，將概率低的分支置后，將這樣的故障樹模型導(dǎo)入知識數(shù)據(jù)庫中，就可以使故障輔助系統(tǒng)查找到故障發(fā)生后的正確、快捷地處理途徑。當(dāng)操作人員輸入故障現(xiàn)象及所報(bào)的故障代碼到圖4中的操作界面后，系統(tǒng)將通過查詢故障樹知識模型，優(yōu)先生成高概率事件進(jìn)行判別，從而形成處理該故障的最快捷診斷決策。

1．2 預(yù)防性維修模式下的模糊診斷技術(shù)

圖3 S700K故障樹圖2

預(yù)防性維修模式下的故障模糊診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。檢修人員輸入指定的故障主題，再根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況輸入故障征兆（x1，x2，…xm），通過現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)及調(diào)試結(jié)果，各個(gè)故障征兆將轉(zhuǎn)化為帶隸屬度的模糊向量X＝μx1，μx2，…μxm，而在此故障主題下，對應(yīng)有y1，y1，…ym故障原因，故障原因?yàn)閹щ`屬度的模糊向量Y＝μy1，μy2，…μyn。X與Y的模糊關(guān)系為Y＝XoR。

圖4 基于故障樹的故障診斷操作界面

圖5 故障模糊診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

例如以 “轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作異?！睘楣收现黝}，故障征兆論域：｛x1工作噪音異常；x2動(dòng)作桿／表示桿抖動(dòng)；x3電機(jī)摩擦連接器不穩(wěn)定；x4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)溫升異常；x5轉(zhuǎn)換動(dòng)作無力｝。故障原因論域：｛y1絲桿潤滑不當(dāng)；y2電機(jī)配線虛接松動(dòng)；y3箱體進(jìn)水受潮；y4仔細(xì)檢查電機(jī)是否機(jī)械受損；y5暗鎖機(jī)構(gòu)松動(dòng)；y6摩擦連接器調(diào)整問題；y7檢查及內(nèi)外有無卡阻｝。

根據(jù)現(xiàn)場檢修專家的經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)方法，綜合評定故障征兆與故障原因的密切程度，并經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，建立故障模糊矩陣，最終總結(jié)出如下轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作故障模糊關(guān)系矩陣R：

最后，通過選取合適的模糊算子 “o”，通過模糊關(guān)系運(yùn)算，即得到故障原因的帶隸屬度的模糊向量Y，再將超過設(shè)定閾值的隸屬度μyj所對應(yīng)的故障原因yi篩選出來，將故障原因及處理方案通過人機(jī)接口顯示給用戶，同時(shí)解釋機(jī)構(gòu)對每一項(xiàng)檢查操作通過人機(jī)接口進(jìn)行解釋說明。

2 輔助維修系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合

為了實(shí)現(xiàn)在虛擬場景中對轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行故障診斷及處理指引，需要對S700K轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)3D建模，本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Unity 3D和三維制圖軟件相結(jié)合開發(fā)。先用Solidworks和3DMax軟件制作出轉(zhuǎn)轍機(jī)的零件圖和操作動(dòng)畫，并將其導(dǎo)入到Unity 3D軟件中，使用Java實(shí)現(xiàn)三維場景與故障輔助維修系統(tǒng)中的故障解釋機(jī)構(gòu)交互，再配合文字描述，更加形象的展現(xiàn)了故障處理流程及診斷結(jié)果，利于檢修人員快速做出判斷。

3 結(jié)束語

在輔助維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，針對S700K道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)在不同維修模式下的故障處理，分別采用不同的故障診斷技術(shù)，達(dá)到故障輔助維修的準(zhǔn)確性和高效性。同時(shí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對診斷結(jié)果及故障處理方案進(jìn)行指引、解釋。目前該系統(tǒng)在廣州地鐵的現(xiàn)場使用也表明這樣更加有利于檢修人員快速判斷和接受故障診斷的結(jié)果。

［1］ 張翔．電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)管理軟件的開發(fā)［J］．鐵道通信信號，2006（7）：30．

［2］ 汪倩，周振威，陸裕東，史錚宇，孟凡江．轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)［J］．都市快軌交通，2015，28（1）：58－61．

［3］ 李江玲．鐵路信號微機(jī)聯(lián)鎖仿真系統(tǒng)［D］．天津：天津大學(xué)，2005．

［4］ 宋志．道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備數(shù)字化仿真平臺研究［J］．高速鐵路，2011，7：16－20．

［5］ 劉勇，胡柏青．基于故障樹的導(dǎo)航裝備故障診斷專家系統(tǒng)研究［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14（1）：41－44．

［6］ 饒泓，扶名福，金宇華．模糊故障診斷隸屬函數(shù)的選擇分析比較［J］．南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（理科版），2006，30（4）：383