簡(jiǎn)談客專ZPW-2000A軌道電路故障診斷技術(shù)的發(fā)展

李冠楠燕 翔（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100073）

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簡(jiǎn)談客專ZPW-2000A軌道電路故障診斷技術(shù)的發(fā)展

李冠楠1，2燕 翔1，2
（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100073）

如何及時(shí)掌握客專軌道電路的運(yùn)行質(zhì)量，對(duì)故障情況做出及時(shí)診斷并預(yù)警，避免設(shè)備故障影響行車，是目前電務(wù)維護(hù)的重點(diǎn)工作之一，并受到了相關(guān)廠家及研究機(jī)構(gòu)的重視。對(duì)目前已有的客專軌道電路故障診斷技術(shù)進(jìn)行介紹，分析當(dāng)前軌道電路故障診斷工作中存在的問題，并對(duì)未來故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行探討。

軌道電路；故障診斷；智能分析

1　概述

客專ZPW-2000A軌道電路是高速鐵路列控系統(tǒng)中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)施，主要用于列車占用檢查、地車通訊、斷軌檢查。及時(shí)掌握軌道電路設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，是保障行車安全，提高行車效率的重要工作。

客專ZPW-2000A軌道電路分為室內(nèi)設(shè)備與室外設(shè)備。室內(nèi)設(shè)備包括發(fā)送器、接收器、衰耗冗余控制器、防雷模擬網(wǎng)絡(luò)盤、軌道電路通信接口單元等。室外設(shè)備主要包括調(diào)諧匹配單元、空心線圈、機(jī)械絕緣節(jié)空心線圈、站內(nèi)匹配單元、補(bǔ)償電容、扼流變壓器、適配器等。

根據(jù)軌道電路結(jié)構(gòu)，客專ZPW-2000A軌道電路分為站內(nèi)與區(qū)間兩種基本結(jié)構(gòu)。二者的室內(nèi)設(shè)備一致，室外根據(jù)采用電氣絕緣節(jié)或是機(jī)械絕緣節(jié)配置有所不同。通常，區(qū)間采用電氣絕緣節(jié)，車站咽喉區(qū)及股道采用機(jī)械絕緣節(jié)，全線區(qū)間和站內(nèi)的軌道電路載頻統(tǒng)一排列。由于機(jī)械絕緣節(jié)對(duì)軌道電路各區(qū)段進(jìn)行了物理隔離，而電氣絕緣節(jié)-電氣絕緣節(jié)的區(qū)間軌道電路屬于無絕緣結(jié)構(gòu)，二者在硬件結(jié)構(gòu)及電氣特性方面均有一定差異。本文主要以區(qū)間軌道電路作為分析對(duì)象，并對(duì)相應(yīng)的故障診斷技術(shù)進(jìn)行探討。

客專ZPW-2000A軌道電路在高鐵線路的應(yīng)用極為廣泛，且使用環(huán)境復(fù)雜。其利用鋼軌作為導(dǎo)線傳輸信號(hào)，且多數(shù)部件分布在鐵路線周圍，易受外界溫度、濕度等環(huán)境因素或人為干擾，常有故障發(fā)生，成為影響列控系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。

目前，我國(guó)針對(duì)客專ZPW-2000A軌道電路尚未形成制式推廣的軌道電路故障診斷系統(tǒng)，亟需對(duì)這一問題進(jìn)行系統(tǒng)性探索，填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白，進(jìn)一步提高行車安全性和行車效率。本文對(duì)客專ZPW-2000A軌道電路故障診斷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)軌道電路故障診斷技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

2　軌道電路故障診斷技術(shù)

客專ZPW-2000A軌道電路除發(fā)送器、接收器和通信接口單元外，其他元件大多可以等效看作是電阻、電容、電感及變壓器等模擬電子元件構(gòu)成［1］。對(duì)軌道電路進(jìn)行故障診斷主要有兩類方法：一類以電路模型為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用邏輯，分析軌道電路的電氣特性，從而推測(cè)故障特征；另一類方法以軌道電路運(yùn)行過程中產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)分析的方法對(duì)故障特征進(jìn)行提取，從而達(dá)到故障診斷的目的。

2.1基于電路模型的診斷經(jīng)驗(yàn)

在長(zhǎng)期的軌道電路使用過程中，一線的工作人員積累了大量的故障診斷經(jīng)驗(yàn)［2，3］，對(duì)于常見的故障類型基本已能做到快速定位。

通過模擬電纜網(wǎng)絡(luò)上的測(cè)試塞孔可以對(duì)故障性質(zhì)進(jìn)行快速判斷，首先區(qū)分是室內(nèi)設(shè)備故障還是室外設(shè)備故障［3］。當(dāng)電纜側(cè)的測(cè)量值比平時(shí)的正常電壓高許多時(shí)，一般診斷為室外故障，且為開路故障；當(dāng)電纜側(cè)的測(cè)量值比平時(shí)正常電壓低，或很低，而設(shè)備側(cè)的電壓測(cè)量值存在并低于正常狀態(tài)，則判斷為室外的短路故障；對(duì)于設(shè)備側(cè)和電纜側(cè)均無電壓或電壓值很小的情況，則判斷為室內(nèi)設(shè)備故障。

部分室內(nèi)設(shè)備，如發(fā)送器、接收器，可根據(jù)指示燈狀態(tài)對(duì)該模塊的工作質(zhì)量進(jìn)行判斷，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)故障原因進(jìn)行分析。而且發(fā)送器和接收器模塊作為具有邏輯運(yùn)算功能的計(jì)算子模塊，設(shè)備工作狀態(tài)異常時(shí)，軌道電路維護(hù)機(jī)也會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，幫助工作人員進(jìn)行判斷。

對(duì)于衰耗器與模擬電纜網(wǎng)絡(luò)，則可通過模塊表面的指示燈及測(cè)試塞孔對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而對(duì)電氣特性失效的故障元件進(jìn)行替換。

室外設(shè)備故障的診斷則較為復(fù)雜，室外設(shè)備包含大量的補(bǔ)償電容、空心線圈及調(diào)諧匹配單元，易受環(huán)境因素的干擾。確認(rèn)是室外設(shè)備發(fā)生故障之后，通常采用逐級(jí)測(cè)量或者甩線測(cè)試的方法對(duì)具體的故障位置進(jìn)行定位。對(duì)于軌道電路室外設(shè)備故障診斷困難的問題，武漢鐵路局開發(fā)了1套ZPW-2000A移頻軌道電路室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)室外軌旁設(shè)備的電壓電流值進(jìn)行監(jiān)測(cè)［4］，采集軌面電壓、調(diào)諧匹配單元逐根鋼包銅線的電流值等，為軌道電路的故障診斷提供更多的輸入信息。

這些診斷方法大都依賴于軌道電路設(shè)備的等效電路模型，通過電路分析的方法，對(duì)各元件的工作狀態(tài)做出判斷。當(dāng)單個(gè)元件發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，可通過電路分析推導(dǎo)出相應(yīng)的信號(hào)變化特征，而多個(gè)元件出現(xiàn)問題時(shí)，或是故障模式較為罕見時(shí)，故障特征較為復(fù)雜，則難以依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)確的快速診斷。而且上述方法多應(yīng)用于故障出現(xiàn)后，工作人員根據(jù)診斷經(jīng)驗(yàn)從事相應(yīng)的故障模塊定位及維修工作。由于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的局限性以及依賴性，尚未形成1套可供學(xué)習(xí)推廣的理論知識(shí)體系。

2.2基于數(shù)據(jù)的智能分析

為了擺脫診斷過程中對(duì)人的依賴以及人為標(biāo)準(zhǔn)差異造成的影響，相關(guān)研究人員從軌道電路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入手，對(duì)基于數(shù)據(jù)的自動(dòng)診斷算法展開研究，而各類機(jī)器學(xué)習(xí)算法也在這一領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

清華大學(xué)和北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司聯(lián)合進(jìn)行研究，開發(fā)了1套基于模糊推理的故障診斷系統(tǒng)［5］。該系統(tǒng)利用Simulink構(gòu)建軌道電路模型，從而對(duì)軌道電路可能存在的多種模擬電路硬故障進(jìn)行仿真，提取故障特征，并利用模糊推理的方法對(duì)故障模式進(jìn)行判斷。

針對(duì)單一診斷方法進(jìn)行故障診斷的精度偏低問題，有研究者將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評(píng)判相結(jié)合，提出了一種基于信息融合的故障診斷方法［6］。該方法首先分別采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評(píng)判對(duì)故障診斷問題進(jìn)行分析，然后利用D-S證據(jù)理論對(duì)二者的診斷結(jié)果進(jìn)行決策級(jí)的融合，發(fā)揮BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊綜合評(píng)判各自的優(yōu)勢(shì)，使得診斷結(jié)果較單一，方法更為可靠。

由于軌道電路系統(tǒng)包含多個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故障模式較多，所以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解時(shí)，會(huì)面臨輸入及輸入變量眾多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)龐大，實(shí)用性交叉的問題。對(duì)此，有學(xué)者提出了一種BP-LMPSO-GA混合算法，將復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分解為多個(gè)規(guī)模較小的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)［7］。單個(gè)小規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別針對(duì)軌道電路不同部位的故障進(jìn)行診斷，通過對(duì)不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷結(jié)果進(jìn)行綜合，進(jìn)而得出最終的診斷結(jié)論。

此外，還有研究人員采用混合量化的方法，構(gòu)建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)軌道電路故障進(jìn)行診斷［8］。該方法采用多輸入-多輸出結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)軌道電路故障問題進(jìn)行建模，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型的方法，發(fā)揮模糊理論處理不精確信息的能力，從而對(duì)軌道電路的運(yùn)行質(zhì)量做出可靠判斷。

在各種類型的軌道電路故障情況中，補(bǔ)償電容故障是一類較為常見的故障情況［9］。對(duì)此，有大量工作對(duì)補(bǔ)償電容的故障診斷問題展開了研究。補(bǔ)償電容用于補(bǔ)償鋼軌的感性阻抗，以保證信號(hào)在較長(zhǎng)距離內(nèi)進(jìn)行有效傳輸。當(dāng)補(bǔ)償電容出現(xiàn)故障時(shí)，軌出電壓可能出現(xiàn)下降或波動(dòng)的現(xiàn)象。

針對(duì)這一問題，北京交通大學(xué)的研究人員提出了一系列基于機(jī)車信號(hào)記錄信息的補(bǔ)償電容故障診斷方法［10-15］?；谲壝骐娏髋c機(jī)車信號(hào)感應(yīng)電壓之間的線性映射關(guān)系，這類方法著重分析補(bǔ)償電容故障對(duì)機(jī)車信號(hào)感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)曲線產(chǎn)生的影響規(guī)律，從而通過對(duì)實(shí)測(cè)包絡(luò)曲線與仿真曲線之間的差異進(jìn)行分析，達(dá)到補(bǔ)償電容故障模式診斷的目的。為了提升診斷精度，還可利用B樣條離散二進(jìn)小波變換對(duì)幅度包絡(luò)進(jìn)行降噪處理［10］，并通過變換域分析，提取更為有效的補(bǔ)償電容的故障特征［11］。由于這類方法需要利用分路狀態(tài)進(jìn)行診斷，所以需要借助動(dòng)態(tài)巡檢車的捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，仍難以做到對(duì)軌面狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

針對(duì)室外信號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)量困難的問題，已有研究人員考慮利用室內(nèi)信號(hào)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)室外補(bǔ)償電容的工作狀態(tài)加以診斷［9］。然而，這種方法目前只能對(duì)單個(gè)補(bǔ)償電容的斷路故障進(jìn)行診斷。

目前，各類機(jī)器學(xué)習(xí)的方法在軌道電路故障診斷中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于模糊推理、基于證據(jù)理論的診斷方法。這些方法從數(shù)據(jù)本身入手，提取相應(yīng)的故障模式特征，制定故障模式的識(shí)別規(guī)則。

其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的參數(shù)可通過學(xué)習(xí)過程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，因此對(duì)樣本的擬合程度較好，適合處理大量樣本的情況。相應(yīng)引入的問題是，學(xué)習(xí)得到的知識(shí)可能并不具有明確的物理含義，而且可能出現(xiàn)過擬合的情況，學(xué)習(xí)過程中的可控性較差。模糊規(guī)則的分析過程中則引入了人為指導(dǎo)，并試圖通過模糊的方式增加算法的魯棒性，以解決確定性判斷中存在的抗干擾性較差問題。

目前，軌道電路的智能診斷技術(shù)仍處于初步的理論研究階段。由于各軌道電路區(qū)段的實(shí)際情況差異較大，不同區(qū)段的數(shù)據(jù)特性及相應(yīng)的特征向量存在著較大差異，因此上述方法難以在不同區(qū)段進(jìn)行推廣，尚未形成工程化應(yīng)用。而且由于使用條件復(fù)雜，軌道電路參數(shù)多變，易受環(huán)境影響。如軌道電路的道床電阻，在雨天和晴天的天氣情況下，參數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大差異，傳輸特性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致用于模式判斷的故障特征也需做出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件的變化?？傮w來說，現(xiàn)有的智能診斷技術(shù)，能夠進(jìn)行處理的故障類型有限，而且診斷結(jié)果的魯棒性仍需提高。

3　故障診斷技術(shù)發(fā)展建議

目前，我國(guó)客專軌道電路的工作狀態(tài)分析與故障診斷，大多依靠人工操作來完成，自動(dòng)化的智能診斷方法多處于理論研究階段，尚未在現(xiàn)場(chǎng)得到有效的應(yīng)用與推廣。一旦軌道電路設(shè)備出現(xiàn)故障，仍需通過大量的人工測(cè)量進(jìn)行定位，電務(wù)及設(shè)備廠商的工作人員面臨繁重的工作負(fù)擔(dān)，人員經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，更是容易對(duì)行車效率產(chǎn)生影響。

另一方面，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)軌道電路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了較為詳實(shí)的記錄，然而數(shù)據(jù)的分析工作仍需要人工完成，如定期的軌道電路曲線查看以及故障后基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的原因分析等。這樣的人工查看與分析工作大多針對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行，軌道電路設(shè)備發(fā)生故障前的細(xì)微變化趨勢(shì)則容易被忽視掉，而且設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)的大量有效信息并未得到有效利用。此外，由于沿線情況復(fù)雜，各區(qū)段的軌道電路輸出特性均會(huì)存在一定差異。信號(hào)傳輸過程中，中間各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更是缺乏統(tǒng)一判斷標(biāo)準(zhǔn)，量化分析較為困難。

對(duì)于上述矛盾，可以引入信息化技術(shù)發(fā)展的最新成果，將現(xiàn)有診斷經(jīng)驗(yàn)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行結(jié)合，并且從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)入手，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷。

此外，還可將自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，首先根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給出初步診斷，并提示工作人員到相應(yīng)的室外或室內(nèi)位置進(jìn)行查看或數(shù)值測(cè)量操作，避免在不相關(guān)區(qū)域進(jìn)行耗時(shí)的測(cè)量工作，進(jìn)而通過人工測(cè)量的反饋，做出更為細(xì)致的診斷分析，縮短故障定位時(shí)間。

4　總結(jié)

近年來，隨著客專ZPW-2000A軌道電路在全國(guó)范圍內(nèi)的廣泛使用，如何及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握軌道電路的工作質(zhì)量，保障行車安全與效率，得到了鐵路電務(wù)領(lǐng)域的廣泛重視，并涌現(xiàn)出大量的研究工作針對(duì)這一問題進(jìn)行探討。如何進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，將智能診斷技術(shù)與現(xiàn)有的診斷經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建高效、可靠的軌道電路故障診斷系統(tǒng)，做到及時(shí)、精確的故障診斷，探索軌道電路故障的事前預(yù)警方法，是未來技術(shù)發(fā)展的主要方向。

［1］劉琰瓊.ZPW-2000A軌道電路智能故障診斷算法應(yīng)用研究［J］.鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2014，11（1）：29-32.

［2］王玉蘭.ZPW-2000A型軌道電路故障分析及處理［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2014（13）：94-95.

［3］郝云濤，石文強(qiáng).ZPW-2000A型無絕緣移頻軌道電路室內(nèi)設(shè)備故障處理［J］.鐵道通信信號(hào)，2013，49（12）：21-23.

［4］蔡紅標(biāo)，張雄.ZPW-2000移頻軌道電路室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)［J］.鐵道通信信號(hào)，2013，49（6）：16-19.

［5］陳衛(wèi)征，徐曉濱，董煒，等.一種模糊區(qū)間優(yōu)化三角均分的模糊規(guī)則生成方法及其在軌道電路故障診斷中的應(yīng)用［C］//中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì).第23屆過程控制會(huì)議論文集，2012：1-8.

［6］李娜，董海鷹.基于D-S證據(jù)理論信息融合的軌道電路故障診斷方法研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，9（6）：107-112.

［7］楊世武，魏學(xué)業(yè)，范博，等.基于數(shù)據(jù)的軌道電路故障診斷的混合算法［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，36（2）：40-46.

［8］ J.Chen，C.Roberts，P.Weston.Fault detection and diagnosis for railway track circuits using neuro-fuzzy systems［J］.Control Engineering Practice，2008（16）：585-596.

［9］ W.Dong.Fault Diagnosis for Compensating Capacitors of Jointless Track Circuit Based on Dynamic Time Warping［J］.Mathematical Problems in Engineering，2014（2）：1-13.

［10］趙林海，冉義奎，穆建成，等.基于遺傳算法的無絕緣軌道電路故障綜合診斷方法［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31（3）：107-114.

［11］趙林海，蔡伯根，邱寬民，等.基于HHT、DBWT的無絕緣軌道電路補(bǔ)償電容故障診斷［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2011，33（3）：49-54.

［12］趙林海，穆建成.基于AOK-TFR的軌道電路故障診斷方法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，46（1）：84-91.

［13］趙林海，許俊杰，劉偉寧，等.基于Levenberg-Marquardt算法和廣義S-變換的無絕緣軌道電路補(bǔ)償電容的故障檢測(cè)［J］.控制理論與應(yīng)用，2010，27（12）：1612-1617.

［14］孫上鵬，趙會(huì)兵.基于相空間重構(gòu)的無絕緣軌道電路補(bǔ)償電容故障檢測(cè)方法［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（10）：79-84.

［15］趙林海，畢延帥，劉偉寧，等.基于分層免疫機(jī)制的無絕緣軌道電路補(bǔ)償電容故障診斷系統(tǒng)［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2013，35（10）：73-81.

How to have a good grasp of the operating quality of ZPW-2000A， make the fault diagnosis decision or warning in time， and decrease the traffi c delay caused by ZPW-2000A， is one of key tasks of signaling maintenance， and has been given high regard by the related research institutes and industry companies. This paper introduces the state of the art in fault diagnosis technologies for ZPW-2000A track circuits， analyzes the problems in implementing fault diagnosis， and discusses the development trend of ZPW-2000A fault diagnosis technology.

track circuit； fault diagnosis； intelligent analysis

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.024

2014-07-23）

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目（2014X008-C）