内蒙古集通铁路（集团）有限公司大板综合维修段大板电务车间 内蒙古赤峰市 025250
摘要：道岔作为铁路信号设备的重要一环，不仅负责线路的转换还保障轨道线路的运营安全。随着我国铁路线路的增长和行车密度的增加，道岔设备故障频率日趋频繁，因此研究道岔故障诊断方法、提高诊断自动化水平具有重要现实意义。
关键词：道岔转换设备故障诊断与预测系统研究与设计
前言：道岔连接不同轨道并通常安装在两股或者多股轨道之间。道岔通过其尖轨、护轨和翼轨等复杂的机械部件来改变列车的通行方向，但由此也使得车轮和轨道间的载荷在车辆通过时急剧变化，加速各种故障和通行问题的产生，同时也制约着列车的通过速度。由于受到自身复杂机械结构和执行机构的制约，道岔各部分的机械强度一般低于线路上的设备，因此机械结构容易发生疲劳变化，引发道岔不密贴即尖轨和基本轨之间间隙过大的情况，从而导致发生挤岔甚至脱轨事故。
一、道岔结构组成
道岔是列车从当前行驶轨道转向另一行驶轨道的线路连接设备，利用单组或者多组道岔可以连接两条或者多条线路，并对列车的运行线路进行引导。道岔作为最为主要的铁路信号控制对象，是线路中最为关键、重要的设备。从功能出发，道岔可以分为三个部分：道岔室外机械装置、控制电路以及执行机构。在道岔设备的实际使用过程中，控制电路安装在铁路信号控制室中，铁路信号工人在接收到改变线路的命令后，在控制室控制执行机构动作室外机械部分，道岔在完成线路转换后向控制室返回一个道岔锁闭信号，信号工人接收到锁闭信号后即认为道岔完成线路转换工作。道岔转换异常阻力的故障原因可能为：滑床板的不平顺，滑床板破损或表面粗糙；未按照标准程序进行安装道岔，使得其内部部件几何尺寸发生改变；道岔尖轨爬行使得转辙机的表示杆位置随尖轨爬行而变化，导致转辙机的转换力被分解，使得转换推力增加。如果电流曲线的转换部分仅仅表现为幅度较小且连续的锯齿状，且转换时间有着较明显的延长，则表明该道岔的转换阻力一直维持在一个较高的水平，此时，应该对道岔滑床板等活动部分进行注油。
二、道岔转换设备故障诊断与预测系统研究与设计
1.感知层。感知层作为前端道岔状态信息感知单元，由摄像头、表示杆位移传感器、转换力传感器、密贴力传感器、电流传感器、电压传感器、温湿度传感器、油压传感器、油位传感器、振动传感器等传感器构成；可直接或间接实现缺口视频图像监测、转换力监测、密贴状态监测、全动程表示杆位移监测、转换电流监测、局部电压监测、温湿度监测、油压油位监测、振动状况监测、道床稳定性监测、钢轨爬行监测和接点阻状态监测等。全部传感器由于应用于室外道岔设备附近，工作环境恶劣，电磁干扰严重，同时传感器不能影响被测设备运行和正常行车，这就对传感器的安全与可靠提出极高的要求，设计要求如下。1）电气隔离。传感器与被测设备需进行电气隔离，确保传感器故障不会影响被测设备电气参数，如电流和电压等传感器。2）良好绝缘。传感器与被测金属设备需进行良好的绝缘设计，确保雷电、电气化干扰等不会损坏传感器和采集设备，保证系统工作可靠性，如转换力、密贴力和表示杆位移等传感器。3）可靠安装。传感器根据安装位置可分为机内传感器和机外传感器，转辙机内部传感器需要根据转辙机内部结构定制安全可靠的安装支架，保证传感器不会由于松动或脱落影响转辙机正常动作，机外传感器需要根据监测点的不同情况设计特殊外形或安装卡具，保证安装可靠、不影响行车和脱落时导向安全侧。4）安全防护。置于室外裸露环境的传感器需要满足IP67防护等级，工业级温度范围，以及防雷电和电磁兼容相关标准要求；5）状态自检。
所有传感器需要设计自检功能，不但可以实时反映自身工作情况，也可检测自身安装牢固状态，若发生松动或脱落时可及时上报至系统。
2.数据采集传输层。数据采集传输层包括道岔采集单元和无线通信单元。采集单元提供模拟量、数字量采集和多种工业通信总线接口，与感知层各传感器进行通信，获取道岔相应状态参数，通过通信单元与云平台或专用终端进行双向通信，设计要求如下。1）所有采集接口都需进行隔离设计，保证满足端口的防雷和电磁兼容防护要求，同时为各个传感器提供电源。2）所有元器件满足-40～80℃工作范围要求，安装稳定可靠，防护等级达到，考虑整体电磁兼容防护的同时，要兼顾无线通信信号不受干扰。3）采集单元需要具备一定的本地处理能力，确保数据正确性的同时减轻通信带宽压力，如图像识别、视频压缩、时频计算、自动触发、协议转换和态自检等功能，可实现监测项点的灵活配置和兼容扩展；4）通信单元可兼容多种通信方式，与云平台通信时根据数据量大小选择与维护人员使用的专用手持终端通信时采用BlueTooth或REID，确保通信链路最优的同时，提升系统可用性。
3．数据平台层。数据平台层可实现数据实时传输、数据显示、存储、统计、分析、远程通信、通信状态监测、安全防护和决策预警等功能。各部分功能如下。C／S部分：云平台C／s部分主要用于和道岔采集单元通信。其一方面将接收到的数据存人数据库中，以供B／S部分在适当的时候读取；另一方面还将用户命令（操作命令、道岔采集单元参数配置命令等）发送给道岔采集单元。B／S部分：云平台的B／S部分是整个系统的核心，其处理用户的操作并向用户展现系统的数据和状态。数据库部分：数据库部分主要用于存放数据，包括由C／s部分接收到的从道岔采集单元发送过来的数据，用户的控制指令以及操作记录等。同时，数据库还承担B／s部分和C／s部分之间通信的角色，用户针对道岔采集单元的控制指令由B／S部分写入数据库，然后由C／S部分读取并发送给道岔采集单元。
4.专家系统层。专家系统层是道岔转换设备故障诊断与预测系统的核心大脑，通过云服务器数据平台层获取道岔实时状态数据，结合专家知识库、人工智能、机器学习等技术实现数据分析、曲线生成、报警预警、故障诊断、趋势预测、概率分析和维修建议等功能。专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能计算机系统，通过人类专家的问题求解能力建模，利用人工智能技术中知识表示方法和知识推理来模拟通常由某领域专家才能解决的复杂问题，即专家系统=知识库+推理机。专家系统一般由知识库、综合数据库、知识获取机制、解释机制、推理机和人机交互界面6部分组成本系统中，依托于业内专家的设计、运营和维护知识与经验，建立知识获取机制；根据道岔转换设备的故障模式、故障原理、故障类型和严重等级等条件建立知识库；根据设计单位和业主单位多年应用累积的实际数据建立数据库；通过系统上道部署和试验获得多维度的监测数据，采用神经网络、SVM等算法建立故障模式与监测数据之间的推理机模型；设计故障诊断与预测结果的决策方式与概率预计，建立解释机制，通过简洁、友好的人机界面为用户提供交互。
结束语
本文研究了该系统一方面通过灵活的通信方式和平台设计，可实现一条线路、一个路局甚至全路所有道岔运行数据的实时监测和集中管理，另一方面通过专家知识库、经验库、人工智能算法等手段，可实现道岔转换设备的故障诊断和预测，有效指导现场工作人员进行维护工作，提高故障定位和修复效率，降低故障发生概率。
参考文献：
[1]敖志刚．人工智能及专家系统[M】．北京：机械工业出版社，2019．
[2]鲍军鹏，张选评．人工智能导论[M】．北京：机械工业出版社，2019．