姚勝良，楊 碩，李 繼，馬婧雯

（1．中國鐵路太原局集團有限公司，太原 030000；2．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；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）

1 概述

重載鐵路在國內(nèi)“西煤東運”、“北煤南運”的戰(zhàn)略規(guī)劃中占有重要位置。重載運輸具有牽引質(zhì)量大、列車軸重大以及區(qū)段運量大的特點，是鐵路運能、運效提升的有效手段，同時也是世界鐵路貨運的發(fā)展趨勢。近幾年，國際重載協(xié)會探索鐵路未來發(fā)展趨勢，提出基于IoT物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘研究的重載4.0技術(shù)發(fā)展愿景，以實現(xiàn)貨運鐵路運維管理的智能化，促進運維效率和經(jīng)濟效益的提升。

道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是重載鐵路重要組成環(huán)節(jié)，同時也是養(yǎng)護任務(wù)艱巨的環(huán)節(jié)。定期巡檢是目前道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備主要的維護手段，單純?nèi)藶榈呐挪楣收现芷陂L、效率低，不利于鐵路運輸大動脈作用的提升。集中監(jiān)測系統(tǒng)通過電流或功率曲線進行特征提取，判斷故障信息，一定程度上提升了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運維效率。但是，這種方式仍然以人工經(jīng)驗為主要手段，難以滿足復(fù)雜、多變環(huán)境下工作的道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障快速定位并恢復(fù)的現(xiàn)場運維需求。

為適應(yīng)新形勢下鐵路運維智能化發(fā)展方向，實現(xiàn)重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運維方式的轉(zhuǎn)型升級，面對既有問題和鐵路提效的需求，開展基于狀態(tài)感知、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等先進技術(shù)的診斷技術(shù)研究，構(gòu)建道岔轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)預(yù)測和智能診斷是實現(xiàn)重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)向智能運維、一體化綜合維修發(fā)展的基礎(chǔ)。

2 典型故障

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、工況嚴(yán)苛、養(yǎng)護任務(wù)艱巨。作為執(zhí)行機構(gòu)，轉(zhuǎn)換設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的變化往往成為道岔工電結(jié)合薄弱環(huán)節(jié)故障的表現(xiàn)形式。據(jù)資料顯示，油路故障與機械故障是重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障的兩種主要類型。

油路故障是電液轉(zhuǎn)轍機特有的故障類型，主要有以下幾種。

1）油箱缺油引起的電機啟動道岔不動作；

2）卡阻或漏油引起的道岔動作不到位；

3）油路氣泡造成的油缸反彈；

4）溫度引起液壓油粘度變化、跑油以及滴油等現(xiàn)象導(dǎo)致的油壓不足，轉(zhuǎn)轍機動作效率降低或無法轉(zhuǎn)換到位。

機械故障主要包括轉(zhuǎn)換設(shè)備空轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)換后無表示。在實際運用過程中油液泄漏、道岔密貼太緊或者夾異物等引起的電機空轉(zhuǎn)故障，往往以道岔不解鎖、道岔卡阻以及道岔不鎖閉等形式表現(xiàn)，轉(zhuǎn)換完成后無表示常與轉(zhuǎn)轍機機內(nèi)卡缺口相關(guān)。

3 診斷功能

綜上，重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)典型故障涉及油路系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)形式包括道岔轉(zhuǎn)換參數(shù)異常、機構(gòu)動作異常以及健康狀態(tài)退化等。智能診斷技術(shù)的研究應(yīng)以解決現(xiàn)場實際問題為出發(fā)點，以轉(zhuǎn)換系統(tǒng)機理為基礎(chǔ)，以特定場景現(xiàn)場數(shù)據(jù)為驅(qū)動，以實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、典型故障定位以及健康狀態(tài)預(yù)測為主要目的。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)具備一定的數(shù)據(jù)功能，并與集中監(jiān)測系統(tǒng)接口，為實現(xiàn)鐵路一體化綜合維修奠定基礎(chǔ)。

智能診斷技術(shù)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。構(gòu)建道岔轉(zhuǎn)換狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合多維特征進行綜合診斷，實現(xiàn)故障精確定位，用于重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精準(zhǔn)維修。基于大數(shù)據(jù)積累及分析，進行道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)健康分析，以指導(dǎo)系統(tǒng)預(yù)防性狀態(tài)修。

圖1 智能診斷功能Fig.1 Intelligent diagnosis function

狀態(tài)監(jiān)測是對道岔轉(zhuǎn)換工況和列車過車工況下道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)參數(shù)的實時監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測對象的不同可分為轉(zhuǎn)轍機監(jiān)測和道岔監(jiān)測，監(jiān)測項點如下。

1）轉(zhuǎn)轍機監(jiān)測項點：轉(zhuǎn)轍機缺口圖像、轉(zhuǎn)轍機缺口視頻、轉(zhuǎn)轍機動作電流、轉(zhuǎn)轍機機內(nèi)溫濕度、轉(zhuǎn)轍機油壓、油位和振動加速度等。

2）道岔監(jiān)測項點：道岔相關(guān)參量、道岔阻力等。

道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)典型故障定位與健康狀態(tài)分析以數(shù)據(jù)為驅(qū)動。通過對多維特征的綜合分析，對道岔夾異物、不解鎖、不鎖閉以及卡缺口等典型故障進行精確定位。通過智能算法的應(yīng)用，對列車過車過程和道岔轉(zhuǎn)換過程中道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)動、靜態(tài)關(guān)鍵參數(shù)特征提取，分析、評估道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的健康狀態(tài)，以指導(dǎo)現(xiàn)場維護、維修人員進行預(yù)防性狀態(tài)維修。

同時，為促進一體化綜合維修管理模式的發(fā)展，道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)智能診斷技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，應(yīng)預(yù)留集中監(jiān)測系統(tǒng)接口，同時具備一定的用戶管理和數(shù)據(jù)管理功能，可通過人機交互進行檢查的項點至少包括：可通過傳感器數(shù)據(jù)查看道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實時狀態(tài)信息；可查看傳感器采集的歷史數(shù)據(jù)曲線；可查看歷史數(shù)據(jù)的日/月報表；可查看道岔轉(zhuǎn)轍機缺口歷史圖片和歷史視頻；可查看實時報警信息和歷史報警信息；可進行系統(tǒng)自檢，查看診斷系統(tǒng)自身狀態(tài)，包括監(jiān)測設(shè)備主機、分機、采集設(shè)備的工作狀態(tài)。

4 診斷系統(tǒng)

根據(jù)診斷功能需求，搭建重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換監(jiān)測平臺，通過信息感知、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)建道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。識別道岔轉(zhuǎn)換典型故障模式，提取故障特征參數(shù)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，建立推理預(yù)測模型，形成集狀態(tài)監(jiān)測、故障定位以及健康狀態(tài)分析于一體的重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)智能診斷系統(tǒng)，為實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精準(zhǔn)維修、預(yù)防性狀態(tài)修以及一體化綜合維修奠定基礎(chǔ)。

按照階段的不同，可將系統(tǒng)分為傳感層、數(shù)據(jù)層以及診斷層3個層級，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成示意Fig.2 System composition diagram

1）傳感層

傳感層是將接觸或非接觸、有源或無源傳感技術(shù)工程化應(yīng)用于道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的過程。該層以較少的傳感單元實現(xiàn)較全面的感知，滿足診斷功能的需求為原則，通過傳感器設(shè)計選型和特定的接口設(shè)計，獲取道岔轉(zhuǎn)換相關(guān)直接參數(shù)。根據(jù)重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)典型故障特點，傳感器監(jiān)測項點應(yīng)涵蓋道岔阻力、轉(zhuǎn)轍機內(nèi)溫濕度傳感器、轉(zhuǎn)轍機缺口圖像視頻、振動、動作電流，轉(zhuǎn)轍機油壓以及油位等項點。傳感層與數(shù)據(jù)層或道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)各接口應(yīng)安裝牢固、機械強度可靠、信號接口傳輸穩(wěn)定，在道岔現(xiàn)場使用中，不會破壞、松脫，與既有設(shè)備無結(jié)構(gòu)干涉。

2）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由采集通信模塊以及數(shù)據(jù)庫組成，實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中繼、數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)存儲等功能。采集通信模塊可支持模擬信號、數(shù)字信號采集，兼容PLC、以太網(wǎng)、xDSL等多類型通信接口，可實現(xiàn)有線、無線數(shù)據(jù)傳輸，以適應(yīng)不同道岔場景需求。數(shù)據(jù)庫為用戶輸入操作指令、查看道岔狀態(tài)信息提供人機交互，同時具備數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)狀態(tài)記錄等功能。數(shù)據(jù)層各設(shè)備、元器件設(shè)計應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對溫濕度耐受性、防護等級、電磁防護以及振動等性能的要求。

3）診斷層

診斷層是道岔轉(zhuǎn)換智能診斷技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。故障定位功能具備一定的實時性，基于道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本身機理建立理論模型，提取道岔轉(zhuǎn)換實時數(shù)據(jù)特征，進行判斷分析，對系統(tǒng)存在的故障進行報警提示。健康狀態(tài)預(yù)測建立在大數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，將專家知識與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、快速形狀上下文等智能算法結(jié)合，建立并訓(xùn)練多維度預(yù)測模型，實現(xiàn)對道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一定周期內(nèi)的健康狀態(tài)評估，對下一周期的系統(tǒng)健康發(fā)展趨勢進行預(yù)測，按健康狀態(tài)退化嚴(yán)重程度給出相應(yīng)的預(yù)警、報警信息。

5 結(jié)束語

本文對重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)典型故障進行總結(jié)，分析了重載鐵路道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作狀態(tài)智能診斷技術(shù)功能，并對技術(shù)實現(xiàn)手段進行了規(guī)劃。診斷技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用，為現(xiàn)場維護人員提供道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測、典型故障定位以及健康衰退預(yù)測的交互手段和平臺，對促進現(xiàn)場人員的精準(zhǔn)維修以及狀態(tài)修，提高道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)維護效率和鐵路運能、運效具有深遠(yuǎn)意義。