道岔转换设备故障诊断与预测系统研究与设计

道岔转换设备故障诊断与预测系统研究与设计
摘要：道岔转换设备作为故障率较高的关键铁路信号设备，在铁路运营维护工
作中需要投入大量人力和物力。

基于信息感知、无线通信、物联网、云平台和专
家系统等新型技术，提出一种道岔转换设备故障诊断与预测系统设计，可在线监
测道岔转换设备的运行状态，对故障进行实时诊断和精确定位，为实现故障预测
与健康管理提供支撑。

关键词：道岔转换设备；故障诊断；故障预测；专家系统
1前言
我国铁路运输繁忙，道岔转换频繁，而且道岔是线路的咽喉部位，其机械强
度又远不如正线区段，机械状态容易发生变化。

道岔又是电务和工务部门检修工
作的一个交界口，是一个薄弱环节。

如果道岔不密贴，将直接影响列车行车安全，道岔转辙机的表示杆缺口超限将影响到信号设备的使用，而道岔转换力和密贴力
的检测，可保证道岔和信号的正常开放。

另外，由于道岔处于露天状态，很容易
出现堵塞杂物、生锈等意外情况，而造成道岔的误动作，引发列车异轨等行车事故。

随着铁路的提速，列车以较大的行车密度在准高速线上行驶，这就要求道岔
和转辙机的数量比较多，-小车站要有几十台，大车站要有几百台，仅仅依靠传统的定期预防性试验及其计划检修工作，是很难保证道岔和转辙机正常工作的。

列
车在道岔部分的行驶是铁路运行速度最大的瓶颈之一，严重影响铁路运行的顺畅、安全、可靠和速度的提升，因此对道岔系统的监测显得尤为重要。

但是，微机监
测的数据变化不能实时的预防事故，这些故障和异常现象，不能及时捕捉，就不
能及时消除设备隐患。

2道岔转换设备
道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设备，
主要包括转辙机、密贴检查器、外锁闭装置、安装装置和工务设备。

由于道岔具
有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、养护维修投入大等特点，致
使道岔转换设备故障率居高不下，其故障率占信号设备故障的50%左右。

道岔转
换设备故障主要包括：外锁闭及安装装置故障、转辙机故障、工务设备故障，具
体分布在外锁闭卡阻、密贴调整、锁钩、下拉装置、表示调整、接点、锁闭铁、
锁钩销轴、锁闭检测器等。

3道岔转换设备故障诊断与预测系统
针对上述故障发生位置，以智能信息感知为基础，设计传感器直接或间接获
取对应参量信息，通过无线通信等技术实现数据传输，构建大数据云服务器平台，配置车站故障诊断客户端，分析故障发生机理，提取故障信息特征，建立故障模
式对应参数模型，结合专家知识库、人工智能和机器学习的故障诊断预测算法，
设计道岔转换设备故障诊断与预测系统。

道岔转换设备故障诊断与预测系统实时
监测转辙机、外锁闭装置、安装装置及道岔环境的多种状态参数，对道岔转换设
备的典型故障进行长期监测及趋势预测，形成可靠的故障诊断系统，为道岔转换
设备日常维护、及时维修提供依据和决策参考。

系统包括前端感知层，数据采集
传输层，云服务数据平台层和故障诊断层。

3.1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
就对传感器的安全性与可靠性提出极高的要求，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。

3.2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IP67，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
状态自检等功能，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4G或NB-IoT，与维护人员使
用的专用手持终端通信时采用BlueTooth或RFID，确保通信链路最优的同时，提
升系统可用性。

3.3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入数据库中，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结束语
本文研究了铁路道岔转换设备工作特点、故障模式、故障原因和监测要点，
根据道岔转换设备运行维护遇到的问题和困难，设计基于信息感知、分布式计算、云平台和专家系统技术的道岔转换设备故障诊断与预测系统，提出系统中各个层
级设备、算法、平台的开发设计要求。

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，2010.
[2]鲍军鹏，张选评.人工智能导论[M].北京：机械工业出版社，2010.
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