孫曉勇，謝博才，楊 碩

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；3．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

道岔是鐵路運輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，列車車輛從一方向變?yōu)榱硪环较蜻\行，需要進行道岔轉(zhuǎn)換，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備是對道岔鐵軌進行轉(zhuǎn)換、鎖閉及表示的關(guān)鍵設(shè)備，同時也是鐵路信號系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)設(shè)備。定期維修和事后維修目前仍是道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)維護的主要手段，無法對潛在事件進行快速有效的處理。

缺口監(jiān)測和集中監(jiān)測系統(tǒng)中的電流曲線監(jiān)測為道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的視情維修提供了一定的條件，而監(jiān)測維度少，專家經(jīng)驗要求高等特點反映了相關(guān)既有技術(shù)產(chǎn)品在故障診斷與狀態(tài)預測方面發(fā)展的局限性。隨著信息化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，在鐵路一體化綜合維修大背景下，將信息感知、Iot、機器學習以及預測與健康管理（PHM）技術(shù)思維方式融入道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的運維中，以提升其運維效率和質(zhì)量，既是符合時代潮流的大勢所趨，又是鐵路運輸效率提升的重要手段。

1 PHM技術(shù)與道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

道岔結(jié)構(gòu)復雜，現(xiàn)場環(huán)境惡劣，工況嚴酷，被稱為鐵路3大薄弱環(huán)節(jié)之一。道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在進行鐵路股道轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換設(shè)備克服鐵軌傳遞的阻力帶動道岔尖軌或心軌扳動，鎖閉裝置將鐵軌鎖定在密貼或斥離的位置，表示機構(gòu)檢測它們的到位情況，給出位置表示，這樣就實現(xiàn)了道岔的“轉(zhuǎn)換-鎖閉-表示”過程。

我國幅員遼闊，地形氣候多樣，隨著國內(nèi)鐵路道岔從普速發(fā)展到提速再到高速，“輪-軌”作用、道岔扳動力、道岔融雪以及轉(zhuǎn)換設(shè)備研發(fā)等道岔轉(zhuǎn)換相關(guān)技術(shù)得到了大力發(fā)展。在道岔鋪設(shè)、滑床臺摩擦、鋼軌反彈、密貼等道岔相關(guān)狀態(tài)，以及輸出力、油壓、液壓油量等道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備相關(guān)狀態(tài)變化對道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作的影響方面積累了大量的理論和實踐經(jīng)驗。而在道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)智能運維方面，發(fā)展相對滯后。

PHM技術(shù)為系統(tǒng)級產(chǎn)品的智能運維提供了一種思維方式，早期主要應用在航空、軍事領(lǐng)域中。該技術(shù)是先進信息技術(shù)融合的呈現(xiàn)，利用傳感器采集系統(tǒng)的各種信息，借助各種算法來評估和預測系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在機械設(shè)備的監(jiān)測與診斷技術(shù)方面，標準ISO-13374闡述的框架結(jié)構(gòu)得到了國際上的認可。以此為基礎(chǔ)，美國某研究小組研究驗證了一種基于狀態(tài)監(jiān)測的開放系統(tǒng)（OSA-CBM），對PHM技術(shù)層級進行劃分，如圖1所示。

PHM技術(shù)在道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應用就是利用各種先進的感知方法與通信技術(shù)獲取道岔轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)，基于數(shù)據(jù)和模型對道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)狀態(tài)進行評價、預測，用于道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)維護決策，實現(xiàn)高效、科學、精細化的維護。

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備以“故障導向安全”為設(shè)計原則，系統(tǒng)容錯率較高，監(jiān)測需求迫切性遠遠不如航天、軍工領(lǐng)域。其惡劣、嚴酷的工作環(huán)境對設(shè)備的安置，傳感、通信的質(zhì)量和穩(wěn)定性要求較高。用戶需求、感知技術(shù)水平以及成本等因素共同影響著PHM技術(shù)在道岔轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的發(fā)展。測試手段單一、數(shù)據(jù)使用封閉以及全面監(jiān)測經(jīng)濟性差等問題對PHM技術(shù)在道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應用提出了挑戰(zhàn)。

隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，對信號基礎(chǔ)設(shè)備的安全可靠性和維護性的要求越來越高，運維部門希望能夠通過設(shè)備運行時監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)的微小征兆來預測故障的出現(xiàn)時間和趨勢，評估設(shè)備的穩(wěn)定狀態(tài)，確定設(shè)備的剩余使用壽命。這為PHM技術(shù)在鐵路道岔轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的發(fā)展拓展了空間，促進了缺口監(jiān)測、集中監(jiān)測等相關(guān)產(chǎn)品的應用與發(fā)展。2015年，中國鐵路總公司運輸局印發(fā)了《道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，將道岔表示缺口、環(huán)境溫濕度監(jiān)測納入了信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，對其功能和技術(shù)指標要求進行了規(guī)范。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及大數(shù)據(jù)技術(shù)得到了較大的發(fā)展，這為故障診斷與健康預測技術(shù)在道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應用發(fā)展與技術(shù)革新提供了現(xiàn)實條件。

2 道岔轉(zhuǎn)換智能診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

PHM技術(shù)在道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中主要應用其狀態(tài)監(jiān)測、故障定位、狀態(tài)評估以及健康預測功能。利用布置于道岔現(xiàn)場和道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備上的傳感器進行實時監(jiān)測，對時間、事件以及項點等不同維度數(shù)據(jù)進行處理。道岔轉(zhuǎn)換智能診斷系統(tǒng)（簡稱診斷系統(tǒng)）設(shè)計原則如下：

1）以盡可能少的傳感器滿足道岔轉(zhuǎn)換智能診斷狀態(tài)采集功能；

2）診斷系統(tǒng)各設(shè)備強度裕度充足，無安全風險，安裝布置于道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無干涉，不影響道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備正常工作和維護作業(yè)；

3）具備缺口監(jiān)測系統(tǒng)功能，滿足其全部技術(shù)要求；

4）簡易部署，不改變道岔結(jié)構(gòu)，道岔鋼軌無需另外鉆孔；

5）易于擴展，靈活適配，可根據(jù)需求進行功能定制與開發(fā)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文結(jié)合PHM技術(shù)特點，進行診斷系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和軟硬件開發(fā)。如圖2所示，診斷系統(tǒng)主要由硬件層和軟件層組成，各層之間以及診斷系統(tǒng)與外部環(huán)境間通過接口層進行銜接。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

硬件層主要由感知設(shè)備、采集設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備，機械室內(nèi)的電源、報警裝置以及人機交互終端等組成。軟件層具備應用功能以及數(shù)據(jù)功能。應用功能指的是系統(tǒng)的監(jiān)測功能、故障定位功能以及健康評估預測功能。數(shù)據(jù)功能則包括道岔數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)管理功能。

接口層主要涉及3個方面，一是與道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)接口，包括機械接口和電氣接口，由于道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，非接觸式的感知技術(shù)運用到了特定項點監(jiān)測的感知環(huán)節(jié)；二是硬件層各設(shè)備之間的機械連接和電氣接口；三是硬件與軟件之間的數(shù)據(jù)接口。診斷系統(tǒng)搭建過程中，將接口層的設(shè)計融入到了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計語言中。

2.3 硬件層

硬件層架構(gòu)如圖3所示。感知設(shè)備用于診斷系統(tǒng)前端信息感知，是現(xiàn)代感知技術(shù)與道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)融合的成果，由布置于道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的各個傳感器構(gòu)成。傳感器選型與設(shè)計以小型化、高精度為原則，對于運動部件相關(guān)項點的監(jiān)測采用非接觸式的感知產(chǎn)品。通過特定的工裝設(shè)計，有效的解決了以往傳感器與現(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施接口實現(xiàn)困難的問題，同時實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)力、振動、缺口、溫濕度以及位移等多維項點的綜合監(jiān)測。

圖3 硬件組成示意Fig.3 Hardware composition diagram

分布式采集設(shè)備，實現(xiàn)前端傳感數(shù)據(jù)的采集。通信設(shè)備用于數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中繼、接口轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸輔助功能。車站上位機主要指機械室內(nèi)設(shè)備，廣泛上來講應包括人機交互終端、報警設(shè)備、電源設(shè)備以及必要的機械室內(nèi)通信設(shè)備等。

硬件層接口包括內(nèi)部接口和外部接口。內(nèi)部接口是診斷系統(tǒng)各設(shè)備之間的機械聯(lián)接接口、供電接口以及通信接口。傳感器與采集設(shè)備通過聯(lián)接器進行連接，采集設(shè)備與通信設(shè)備通過萬可端子進行連接。采集設(shè)備供電為AC220 V，由布置于機械室內(nèi)的專用機柜提供，各有源傳感器通過采集設(shè)備供電，統(tǒng)一為DC24 V，傳感器輸出數(shù)字信號或0～20 mA（或0～5 V）模擬信號。采集設(shè)備將各項點監(jiān)測數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸至通信設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸可通過載波或DSL等有線方式，也可以通過4G和云服務(wù)技術(shù)進行無線通信，終端上位機預留接口與信號集中監(jiān)測系統(tǒng)通信，滿足鐵路系統(tǒng)綜合一體化運維的需求。診斷系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場具體場景以及用戶需求進行個性化定制和選擇，缺口監(jiān)測可作為獨立系統(tǒng)進行用戶適配。

2.4 軟件層

軟件層實現(xiàn)診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)功能和應用功能。

數(shù)據(jù)功能即數(shù)據(jù)管理功能，包括數(shù)據(jù)管理、模型管理以及用戶管理。數(shù)據(jù)管理從時間上區(qū)分，包括歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。從過程上區(qū)分，包括周期數(shù)據(jù)、過車數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以及單次數(shù)據(jù)，其中周期數(shù)據(jù)為系統(tǒng)定期采集上傳的數(shù)據(jù)。過車和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別為道岔區(qū)過車和道岔進行扳動轉(zhuǎn)換過程時各項點采集到的數(shù)據(jù)。單次數(shù)據(jù)是指用戶手動觸發(fā)時，采集到的各項點數(shù)據(jù)。從類型上區(qū)分，主要包括各項點監(jiān)測的曲線數(shù)據(jù)、缺口圖像視頻數(shù)據(jù)、報警預警和處理狀態(tài)數(shù)據(jù)、道岔相關(guān)二次數(shù)據(jù)以及診斷系統(tǒng)自身狀態(tài)記錄等。通過人機交互，用戶能以曲線、圖形、表格等多種報表形式以及圖像和視頻等多種方式進行數(shù)據(jù)查看，報警提示信息通過彈窗和聲光報警的方式進行傳遞。

模型管理指對診斷相關(guān)算法的管理，包括基于項點感知數(shù)據(jù)的二次數(shù)據(jù)計算算法、基于機理的故障定位算法以及基于特定場景大數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估和預測算法。用戶管理屬于輔助功能，方便用戶根據(jù)特定需求進行用戶權(quán)限區(qū)分，用戶增加和刪減，診斷系統(tǒng)登錄、注銷等功能的實現(xiàn)。

應用功能除包括缺口監(jiān)測系統(tǒng)所要求的基礎(chǔ)功能，即缺口圖像、視頻以及溫濕度等狀態(tài)監(jiān)測功能，開發(fā)者從維度上對項點監(jiān)測功能進行拓展，將力、位移、振動、油壓、油位、電流等轉(zhuǎn)轍機以及道岔相關(guān)項點的監(jiān)測納入監(jiān)測范圍。診斷系統(tǒng)自動對道岔多維項點監(jiān)測的實時和歷史數(shù)據(jù)進行特征提取，并導入相應的算法，從而實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的故障定位、狀態(tài)評估以及健康預測，并根據(jù)診斷結(jié)果，對現(xiàn)場運維決策提供建議，實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的視情維修。

3 安全性設(shè)計

3.1 防雷及電磁兼容設(shè)計

道岔區(qū)電磁環(huán)境復雜，為提高設(shè)備可靠性，對診斷系統(tǒng)進行防雷和電磁屏蔽設(shè)計，其原則及措施如下。

1）信號采集均做到電氣隔離，關(guān)鍵部分采取可靠性的防雷措施，每路供電和通信電纜在室內(nèi)外分界處安裝通過CRCC認證的防雷模塊，保證室外雷電不會引入機械室內(nèi)，同時室內(nèi)機柜對外的電源和通信電纜均設(shè)置通過CRCC認證的防雷模塊。

2）通過干擾源抑制、接口防護、屏蔽線纜以及型式試驗驗證等諸多措施進行診斷系統(tǒng)電磁屏蔽設(shè)計，保證設(shè)備具備良好的EMC性能，在道岔復雜電磁環(huán)境中實現(xiàn)運行功能的同時，降低對外界的電磁干擾。

3.2 RAM設(shè)計

為保證診斷系統(tǒng)的可靠性、可用性以及可維護性，對其關(guān)鍵部件進行RAM設(shè)計，設(shè)計如下：

1）診斷系統(tǒng)與被監(jiān)測設(shè)備之間的接口都是單向輸入，接口電路的故障不影響被測設(shè)備；

2）診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件主要包括室內(nèi)外各設(shè)備及其安裝工裝，在設(shè)計開發(fā)過程中，對結(jié)構(gòu)進行強度仿真以及振動環(huán)境試驗，滿足鐵路信號產(chǎn)品室內(nèi)外安裝振動環(huán)境要求；

3）診斷系統(tǒng)各部分采用模塊化、小型化設(shè)計，單點故障不會影響到道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作。DC/AC等關(guān)鍵模塊選用高可靠性型號，并降額使用，提高診斷系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵接口采用隔離設(shè)計，抑制外部沖擊導致的功能損壞，不會對列車和既有信號系統(tǒng)產(chǎn)生影響；

4）硬件設(shè)計與軟件設(shè)計實現(xiàn)故障自檢測功能，故障發(fā)生后能及時發(fā)現(xiàn)，并且對通信和關(guān)鍵設(shè)備故障具備報警功能，提高診斷系統(tǒng)可用性；

5）采集單元與傳感器間連接線纜為高強度材質(zhì)線纜，采用連接器接口方式，易于現(xiàn)場拆裝維護。接插件接觸可靠，易于插拔，結(jié)構(gòu)堅實，不發(fā)生機械變形，具有防插錯措施；

6）診斷系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備的MTTR≤30 min，現(xiàn)場設(shè)備（轉(zhuǎn)轍機內(nèi)，道旁）的MTTR≤120 min；平均無故障工作時間MTBF≥5×104h；可用度應≥99.99%。

3.3 環(huán)境適應性

診斷系統(tǒng)由機械室內(nèi)機柜組件以及機械室外道岔區(qū)安裝的傳感、采集和通信設(shè)備等組成，根據(jù)室內(nèi)外設(shè)備所處環(huán)境的不同，通過優(yōu)化選型、關(guān)鍵環(huán)節(jié)特殊設(shè)計、室外防護以及試驗保障等措施，使得系統(tǒng)滿足以下環(huán)境要求：

1）室外設(shè)備在環(huán)境溫度-40～+80℃范圍，相對濕度不大于95%（+25℃）、氣壓不低于70.1 kPa（海拔不超過3 000 m）時正常工作；

2）機械室內(nèi)設(shè)備在環(huán)境溫度-20～+70℃范圍，相對濕度不大于85%（+25℃），氣壓不低于70.1 kPa（海拔不超過3 000 m）時正常工作。

4 結(jié)束語

結(jié)合道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作特征和PHM技術(shù)特點，本文研究了一種道岔轉(zhuǎn)換智能診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計過程中，將現(xiàn)代感知、通信、大數(shù)據(jù)以及機器學習技術(shù)進行融合，以道岔項點感知為前提，特定場景數(shù)據(jù)為驅(qū)動，從基于閾值、基于模型以及基于學習3個維度對道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行評價，可實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)多維項點的狀態(tài)監(jiān)測、典型故障的定位以及工作狀態(tài)評估和健康預測功能，對提升現(xiàn)場人員決策、運維質(zhì)量，以及運維效率產(chǎn)生促進作用。