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智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng)方案探討

2018-04-12 02:48:20中國鐵路上海局集團有限公司徐州電務(wù)段
上海鐵道增刊 2018年1期
關(guān)鍵詞:電務(wù)鐵路信號道岔

孟 琳 魏 濤 中國鐵路上海局集團有限公司徐州電務(wù)段

近年來,我國高速鐵路建設(shè)取得了迅猛發(fā)展,截至2016年底,全國鐵路營業(yè)里程達(dá)12.4萬km,其中高速鐵路2.2萬km以上。我國已成為世界高速鐵路運營速度最高,運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。伴隨著高速鐵路及現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,我國鐵路信號技術(shù)也正在經(jīng)歷著重大變革。設(shè)備功能由單一分散運行向系統(tǒng)綜合化發(fā)展,并已成為保障列車運行安全、實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度指揮的控制和監(jiān)督綜合自動化系統(tǒng)。

盡管我國高速鐵路信號系統(tǒng)功能強大并逐步完備,技術(shù)裝備達(dá)到世界先進(jìn)水平,圍繞各種信號設(shè)備也開發(fā)了許多監(jiān)測及記錄裝置,但是,鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)目前只具備信號設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的采集功能及報警,尚未具備狀態(tài)數(shù)據(jù)的智能分析能力,因此只能采用每天瀏覽記錄數(shù)據(jù)的人工分析辦法,檢查信號設(shè)備狀態(tài)是否正常,比較依賴于值班人員的業(yè)務(wù)能力和工作態(tài)度,對關(guān)聯(lián)性故障,設(shè)備性能劣化趨勢,則不能及時發(fā)揮預(yù)警作用。

由此,當(dāng)前車站信號設(shè)備的安全控制能力和質(zhì)量控制能力還十分薄弱,而通過提升值班人員綜合能力解決上述問題的方法又難以盡快實現(xiàn),傳統(tǒng)的維修維護(hù)模式與高鐵電務(wù)精準(zhǔn)化維護(hù)需要的矛盾愈發(fā)突出。綜上所述,隨著高速鐵路大規(guī)模開通運營,信號設(shè)備維護(hù)工作難度加大,只有通過提高電務(wù)管理信息化建設(shè),引入智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng),對信號設(shè)備運用狀態(tài)進(jìn)行全面、實時和科學(xué)的檢測與監(jiān)測,才能提高維修維護(hù)綜合智能化水平,保障列車安全運行。

1 信號集中監(jiān)測系統(tǒng)(CSM)概述

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)是保證行車安全、加強信號設(shè)備結(jié)合部管理、監(jiān)測信號設(shè)備狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)信號設(shè)備隱患、分析信號設(shè)備故障原因、輔助故障處理、指導(dǎo)現(xiàn)場維修、反映設(shè)備運用質(zhì)量、提高電務(wù)部門維護(hù)水平和維護(hù)效率的重要行車設(shè)備。

目前國內(nèi)鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)是以站、段為基礎(chǔ),實行鐵路總公司、鐵路局、電務(wù)段三級體系結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)體系框架下,依托系統(tǒng)配置的層次結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)劃分為鐵道部(總公司)子系統(tǒng)、鐵路局子系統(tǒng)、電務(wù)段子系統(tǒng)以及車站子系統(tǒng)四層。其中每一層組成各自的局域網(wǎng),各車站之間通過專用廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)形連接,然后以抽頭的方式與電務(wù)段維護(hù)中心的連接。整個系統(tǒng)以電務(wù)段維護(hù)中心為集中控制的中心,各個車站構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的基層信息基礎(chǔ)。CSM系統(tǒng)由車站基層子系統(tǒng)、電務(wù)段監(jiān)測中心子系統(tǒng)、鐵路局監(jiān)測子系統(tǒng)、鐵道部監(jiān)測子系統(tǒng)、以及各子系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)五個部分組成(見圖1)。

圖1 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)各層示意圖

車站主機是車站信號微機監(jiān)測系統(tǒng)的核心,它負(fù)責(zé)微機監(jiān)測系統(tǒng)所需開關(guān)量、模擬量、報警信息、環(huán)境數(shù)據(jù)的收集、分類、邏輯分析處理、報警輸出、數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總和存儲回放等功能。 并提供了人性化的人機交互界面,以圖形、列表及曲線等方式給電務(wù)維護(hù)人員提供最有價值的維修狀態(tài)信息,同時接收用戶數(shù)據(jù)以及指令的輸入,實現(xiàn)實時、交互式的瀏覽和查詢。另外,車站主機作為基層采集和執(zhí)行單元,和電務(wù)段監(jiān)控中心及各級監(jiān)測終端系統(tǒng)進(jìn)行通信,通信方式采用TCP/IP協(xié)議。站機將車站實時的數(shù)據(jù)和報警傳送到上層,并接受上級(車間、電務(wù)段、電務(wù)處)的控制命令,然后驅(qū)動外圍控制單元實現(xiàn)環(huán)境等設(shè)備的控制功能。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)通過CAN總線實時采集轉(zhuǎn)撤機、信號機、軌道電路、信號電纜、電源屏等信號設(shè)備的電氣參數(shù)模擬量信息和部分開關(guān)量信息,并以通信接口方式與ZPW2000軌道電路及CBI、TCC等設(shè)備的維修機連接,獲取其部分監(jiān)測信息.CSM 具有檢測、報警、信息儲存、狀態(tài)再現(xiàn)等功能,便于分析人員對現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、診斷,指導(dǎo)現(xiàn)場的維修工作。

2 鐵路信號系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析

近年來,鐵道部(中國鐵路總公司)為提高鐵路一線車站信號設(shè)備的安全和質(zhì)量控制能力,非常重視推廣信號設(shè)備的鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng),并已經(jīng)在全路5000個以上的車站安裝了該系統(tǒng)。我國圍繞信號系統(tǒng)監(jiān)測與維護(hù)開展了許多工作,信號集中監(jiān)測等各維修管理終端逐步投入使用,在設(shè)備運行監(jiān)測、維護(hù)上起到了很大的作用,但仍存在一些問題:

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析能力不足,設(shè)備隱患主要依靠人工判斷。高速鐵路的運營特點是維護(hù)人員不能進(jìn)入線路進(jìn)行日常檢查,因此如何實現(xiàn)設(shè)備電氣特性的測試和預(yù)警,保證設(shè)備穩(wěn)定、安全地運行就成為擺在維護(hù)人員面前的一個大問題。信號集中監(jiān)測系統(tǒng)是我國鐵路信號監(jiān)測的核心設(shè)備,主要監(jiān)測了聯(lián)鎖系統(tǒng)相關(guān)的轉(zhuǎn)撤機、信號機、軌道電路、信號電纜、電源屏等設(shè)備的電氣參數(shù)和部分開關(guān)量信息,并通過ZPW2000軌道電路及TCC等設(shè)備的維修機連接,獲取其監(jiān)測信息,現(xiàn)場維護(hù)時主要依靠設(shè)定的“上下限值”進(jìn)行預(yù)警分析,對于道岔動作曲線以及移頻電路等階段周期緩慢變化量不能及時分析預(yù)警,巡視工作主要依靠人工經(jīng)驗和責(zé)任意識。

(2)各種監(jiān)測系統(tǒng)間缺少互聯(lián)互通,監(jiān)測數(shù)據(jù)總體上缺少關(guān)聯(lián)性。譬如列控系統(tǒng)故障后,究竟是車載設(shè)備故障、地面設(shè)備故障、車站設(shè)備故障還是RBC故障等仍然主要靠人工判斷故障位置、故障設(shè)備,不能實現(xiàn)自動診斷。既有監(jiān)測系統(tǒng)與RBC維護(hù)終端、動態(tài)監(jiān)測設(shè)備(DMS)等缺少互聯(lián)互通,監(jiān)測數(shù)據(jù)總體上也缺少關(guān)聯(lián)性、綜合性,不能實現(xiàn)設(shè)備間對比分析、關(guān)聯(lián)分析及綜合智能分析。

(3)不能實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的智能分析與預(yù)測,影響從“故障修”向“狀態(tài)修”過渡。目前我國鐵路信號各種監(jiān)測設(shè)備盡管存儲和記錄了大量歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),但缺乏對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)挖掘與利用的智能分析軟件,軌道電路、道岔轉(zhuǎn)轍機等設(shè)備運用狀態(tài)得不到準(zhǔn)確分析、預(yù)測及預(yù)警,使現(xiàn)場設(shè)備從“故障修”向“狀態(tài)修”過渡難以實現(xiàn)。

(4)通信信號分離,信號設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)無法互通,通信信號結(jié)合部分故障不能得到有效分析。目前GSM-R已成為了列車控制與調(diào)度指揮系統(tǒng)的重要組成部分,承載了CTCS-3級列控系統(tǒng)的車-地信息傳輸業(yè)務(wù)。目前在高鐵運營過程中,通信超時、脫網(wǎng)等事件時有發(fā)生,影響了列控系統(tǒng)的正常工作。由于我國通信網(wǎng)管及信號設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有共享,難以對故障原因(傳輸設(shè)備問題、無線電干擾、信號車載設(shè)備問題、信號地面設(shè)備問題等)進(jìn)行準(zhǔn)確分析和快速定位。

3 智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng)構(gòu)想

為了提高鐵路信號監(jiān)測、綜合智能分析和輔助決策能力,應(yīng)當(dāng)研究開發(fā)智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng)。通過對檢測、監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行功能完善、技術(shù)集成,形成具有綜合處理功能的檢測與監(jiān)測平臺。 該系統(tǒng)的核心是信號監(jiān)測數(shù)據(jù)智能綜合分析,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、關(guān)聯(lián)分析,實現(xiàn)信號設(shè)備的故障報警和故障定位,為電務(wù)調(diào)度指揮中心提供輔助決策信息(見圖2)。

此外,該系統(tǒng)結(jié)合電務(wù)生產(chǎn)現(xiàn)場維護(hù)信息和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)行特征挖掘和智能分析,利用“大數(shù)據(jù)分析”,實現(xiàn)對信號設(shè)備運用狀態(tài)的趨勢預(yù)測和狀態(tài)預(yù)報警。系統(tǒng)中建立維修維護(hù)專家系統(tǒng),對道岔、軌道電路等基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行報警分析、狀態(tài)預(yù)警,并根據(jù)故障和異常原因分析結(jié)果,指導(dǎo)現(xiàn)場人員維修維護(hù)。同時,維護(hù)人員的處理結(jié)果可以輸入到系統(tǒng)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)補充整理,不斷完善故障模型條目,達(dá)到參照系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)和自完善功能。

圖2 智能電務(wù)信號監(jiān)測綜合分析系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng)的具體說明如下:

(1)采集各種監(jiān)測數(shù)據(jù),便于集中綜合分析。以現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ),采用各種傳輸方式及聯(lián)網(wǎng)方式,把各種信號設(shè)備和相關(guān)通信設(shè)備的監(jiān)測信息采集歸納,現(xiàn)場維護(hù)人員對各采集設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和校核,保證采集設(shè)備的良好狀態(tài)和數(shù)據(jù)精度。

(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集存儲,實現(xiàn)綜合智能分析。仍以現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲分析為基礎(chǔ),加強對數(shù)據(jù)的分類存儲管理,對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析,生成日報表、周報表、月報表及年報表,便于周期性變化對比論證。

(3)引入智能診斷分析,系統(tǒng)專家現(xiàn)場多力合一。在構(gòu)建數(shù)據(jù)處理平臺基礎(chǔ)上,融合各種監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場維修人員測試、檢查數(shù)據(jù)及設(shè)備日常故障數(shù)據(jù),總結(jié)、分類維修經(jīng)驗、標(biāo)準(zhǔn)模型和領(lǐng)域知識,不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)分析模型,建立智能分析與故障診斷知識庫,積極開發(fā)比對分析、關(guān)聯(lián)分析及智能分析算法,實現(xiàn)綜合智能分析,提高準(zhǔn)確率。

(4)融合通信網(wǎng)管監(jiān)測信息,實現(xiàn)通信信號監(jiān)測一體化。許多列控系統(tǒng)故障需要依靠信號監(jiān)測系統(tǒng)及通信網(wǎng)管系統(tǒng)信息共享、綜合分析,才能實現(xiàn)高效診斷與處理。因此,應(yīng)當(dāng)融合通信網(wǎng)管相關(guān)監(jiān)測信息,包括GSM-R的監(jiān)測信息等,實現(xiàn)地面設(shè)備監(jiān)測與車載設(shè)備監(jiān)測、通信系統(tǒng)監(jiān)測與信號系統(tǒng)監(jiān)測一體化。

(5)充分利用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),強化電務(wù)設(shè)備狀態(tài)預(yù)測分析處置。充分利用各種監(jiān)測系統(tǒng)存儲的歷史數(shù)據(jù)及電務(wù)段收集的設(shè)備檢修及履歷數(shù)據(jù),運用可靠性技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),與生產(chǎn)廠家一起開發(fā)設(shè)備可靠性分析模型,掌握設(shè)備狀態(tài)的可靠性特性,實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的智能分析與預(yù)測,借助智能分析系統(tǒng)終端和短信、APP終端,對問題實現(xiàn)閉環(huán)處理,為實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備“狀態(tài)修”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

4 智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 實現(xiàn)對站場聯(lián)鎖邏輯關(guān)系的實時分析

捕獲瞬態(tài)故障,提供故障報警,顯示故障設(shè)備所處的位置,并檢測信號關(guān)閉延遲時間,分析監(jiān)測方法解鎖過程。主要包括:①進(jìn)路選排一致性分析與報警;②進(jìn)路排列過程分析。主要包括區(qū)段空閑檢查、道岔位置與轉(zhuǎn)換檢查、信號狀態(tài)監(jiān)督;③進(jìn)路實時監(jiān)督與分析。主要包括道岔表示監(jiān)督、區(qū)段鎖閉監(jiān)督;④進(jìn)路過車分析。主要包括道岔位置監(jiān)督、區(qū)段分路不良分析,進(jìn)路解鎖分析;⑤區(qū)間狀態(tài)與接、發(fā)車進(jìn)路關(guān)聯(lián)性分析。

4.2 道岔電路實時分析

主要有:①道岔表示實時監(jiān)督。在沒有道岔操作信息時,道岔無表示報警;提速道岔報警到分表示繼電器;道岔表示電壓異常波動報警;道岔表示電壓時、日、月、年曲線分析。②道岔轉(zhuǎn)換實時監(jiān)督。道岔轉(zhuǎn)換過程分析;道岔轉(zhuǎn)換阻力分析。

4.3 軌道電路實時分析

軌道電路實時分析如下:①區(qū)段故障分析??臻e區(qū)段紅光帶分析;不平衡牽引電流導(dǎo)致空閑區(qū)段閃紅光帶故障捕捉;因軌道電路分路不良導(dǎo)致區(qū)段占車丟失監(jiān)督。②區(qū)段質(zhì)量分析。軌道電路分路不良區(qū)段分析;軌道電路區(qū)段設(shè)備質(zhì)量異常分析(如連接線、可調(diào)電阻接觸不良;絕緣質(zhì)量、器材質(zhì)量異常);區(qū)段間絕緣絕緣破損預(yù)警分析;區(qū)段電壓時、日、月、年曲線分析。

4.4 區(qū)間閉塞分區(qū)分析

區(qū)間閉塞分區(qū)分析如下:①根據(jù)車列位置,分析區(qū)間狀態(tài),提供故障報警;根據(jù)閉塞分區(qū)電壓變化對區(qū)間過車過程及信號狀態(tài)變化進(jìn)行分析;根據(jù)車列位置,分析區(qū)間電壓變化與設(shè)備質(zhì)量變化,如電容質(zhì)變;④ 閉塞分區(qū)電壓時、日、月、年曲線分析。

4.5 故障報警及處理

當(dāng)鐵路信號集中監(jiān)測智能分析系統(tǒng)確定信號設(shè)備存在故障后,系統(tǒng)會自動彈出窗口,并提示故障;查詢故障記錄,查看故障情況,或者選擇能顯示故障位置的圖紙,方便現(xiàn)場排除故障和事后故障分析。同時,該系統(tǒng)會生成故障分析報告,并指導(dǎo)專人維護(hù);系統(tǒng)自動記錄故障發(fā)生和存在的異常狀況,并提供24h內(nèi)設(shè)備變化分析報告,這樣不但能減少維護(hù)人員的工作強度,而且可以提高故障分析的質(zhì)量。故障診斷功能是在故障發(fā)生后,由專家系統(tǒng)依據(jù)知識庫,通過多種方法進(jìn)行綜合分析,自動給出故障原因判斷,幫助信號維護(hù)人員迅速判斷故障范圍和故障性質(zhì),壓縮故障處理時間。

4.6 輸出維修分析報告

鐵路信號集中監(jiān)測智能分析系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)信號設(shè)備存在異常后,會進(jìn)行連續(xù)跟蹤和分析,然后提出24h分析報告和維護(hù)指南,以此指導(dǎo)現(xiàn)場維修人員進(jìn)行有針對性的維修,從而提高維修效率和效益。

5 關(guān)鍵技術(shù)與難點

5.1 自學(xué)習(xí)功能

專家系統(tǒng)的知識并不是完全充分的,知識庫里的知識是建立在信號專業(yè)知識、現(xiàn)場技術(shù)人員和信號專家的經(jīng)驗基礎(chǔ)上的,解決問題的能力具有局限性。在建立基于微機監(jiān)測的鐵路信號設(shè)備故障智能分析系統(tǒng)時,很多情況下均是人們把預(yù)測的各種問題及現(xiàn)象歸納總結(jié),用知識庫可識別的知識表示方式表達(dá)出來,當(dāng)故障發(fā)生時用它與實際情況進(jìn)行比較,這種方法具有一定的局限性。自學(xué)習(xí)功能的加入,可以實現(xiàn)當(dāng)信號設(shè)備發(fā)生故障時系統(tǒng)提供不出解決方案或方案有錯,可以通過技術(shù)人員解決后予以校正,分析判斷邏輯上的問題,解決后更新優(yōu)化知識庫。

5.2 建設(shè)數(shù)據(jù)處理平臺,實現(xiàn)綜合智能分析

在構(gòu)建數(shù)據(jù)處理平臺基礎(chǔ)上,融合各種監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場維修人員測試、檢查數(shù)據(jù)及設(shè)備日常故障數(shù)據(jù),總結(jié)、分類維修經(jīng)驗、標(biāo)準(zhǔn)模型和領(lǐng)域知識,建立智能分析與故障診斷知識庫,積極開發(fā)比對分析、關(guān)聯(lián)分析及綜合分析軟件,實現(xiàn)綜合智能分析。

5.3 統(tǒng)一接口協(xié)議及數(shù)據(jù)規(guī)范

在分步實施過程中,要著手認(rèn)真建立統(tǒng)一的接口協(xié)議及數(shù)據(jù)規(guī)范,方便實現(xiàn)各種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享,同時對數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議、傳輸方式逐步統(tǒng)一。

5.4 合理分工,注意設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)安全

對于直接影響行車的設(shè)備要分配較高安全等級,附屬監(jiān)測部分應(yīng)盡量考慮與控制設(shè)備隔離,明確劃分安全責(zé)任。另外,監(jiān)測及維護(hù)管理網(wǎng)絡(luò)要盡可能與信號控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物理隔離,避免由于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)影響控制網(wǎng)絡(luò)的工作.密切關(guān)注網(wǎng)絡(luò)安全。在構(gòu)建智能化電務(wù)監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)后,電務(wù)監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性可能會加強,因此,需要密切關(guān)注監(jiān)測及維護(hù)管理網(wǎng)絡(luò)安全,嚴(yán)格安全防護(hù)措施,杜絕黑客和病毒的侵入。

6 結(jié)束語

智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng)主要依托鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件平臺及信息資源,對采集到的各種開關(guān)量、模擬量和報警數(shù)據(jù)進(jìn)行概括、分類和智能分析,并應(yīng)用不斷優(yōu)化的算法和累積的案例“大數(shù)據(jù)”分析,參照電務(wù)設(shè)備“專家知識庫”,為現(xiàn)場維護(hù)人員提供及時有效的診斷信息和解決問題的大方向,簡化維修過程或直接定位故障發(fā)生地點,以方便現(xiàn)場應(yīng)急處置人員快速找出故障點,大大減少故障延時。智能電務(wù)信號監(jiān)測分析系統(tǒng)是在鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的更深層應(yīng)用,二者有機配合,實時監(jiān)測及分析診斷鐵路信號設(shè)備的各種狀態(tài)及信息,提前發(fā)現(xiàn)事故隱患,可以有力的保證鐵路信號設(shè)備安全穩(wěn)定。同時,對于智能化電務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與研究,針對系統(tǒng)設(shè)計、智能分析算法、案例匯總等技術(shù)還需要進(jìn)一步深入研究。

[1]鐵道部運輸局.運基信號[2010]709號.鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[2]鐵道部運輸局.運基信號[2011]377號.鐵路信號集中監(jiān)測安全要求[S].

[3]廣州鐵路(集團)公司.廣鐵電發(fā)[2014]36號.鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)智能分析與故障診斷功能技術(shù)規(guī)范[S].

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[5]劉克強.高速客運專線道岔監(jiān)測系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].中國鐵路,2009(4):38-41.

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