道岔轉(zhuǎn)換阻力智能監(jiān)控系統(tǒng)探究

鞏芳

隨著高鐵的建設(shè)，車輛提速，對道岔轉(zhuǎn)換要求越來越高，道岔轉(zhuǎn)換過程中的運(yùn)行可靠性，狀態(tài)修和維護(hù)周期的確定，均需要對道岔轉(zhuǎn)換阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、分析，在道岔轉(zhuǎn)換阻力變化超標(biāo)后能及時(shí)報(bào)警，使用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)道岔存在的隱患故障，提早排除，為實(shí)現(xiàn)道岔“狀態(tài)修”提供科技手段。

軌道交通的發(fā)展速度和自動化程度顯示著一個(gè)國家的技術(shù)水準(zhǔn)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，軌道交通的優(yōu)越性愈發(fā)顯著，我國高速鐵路的發(fā)展更是日新月異。隨著高鐵的建設(shè)，車輛的提速，對道岔轉(zhuǎn)換要求越來越高。

我國的鐵路建設(shè)截至2020年底，鐵路運(yùn)營里程14.6萬公里，其中高鐵運(yùn)營里程3.8萬公里，但承載著線路轉(zhuǎn)換任務(wù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)、道岔日常工作條件十分惡劣，北方零下幾十度和南方六七十度的露天，24小時(shí)不間斷工作，正常工作時(shí)存在道岔機(jī)械動作摩擦阻卡現(xiàn)象，當(dāng)外界積塵、缺油等也會造成道岔轉(zhuǎn)換不到位的情況，這些均以為道岔阻力超標(biāo)造成，根據(jù)《鐵路信號維護(hù)規(guī)則》（鐵運(yùn)[2006]127號）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其應(yīng)道岔轉(zhuǎn)換阻力，電務(wù)部門各級單位都極為重視，本著為增強(qiáng)道岔轉(zhuǎn)換過程中的運(yùn)行可靠性，提高維護(hù)效率，需要對道岔轉(zhuǎn)換阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、分析，在道岔轉(zhuǎn)換阻力變化超標(biāo)后能及時(shí)報(bào)警，使用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)道岔存在的隱患故障，提早排除，保障道岔可靠鎖閉為實(shí)現(xiàn)道岔“狀態(tài)修”提供科技手段，從而減少維護(hù)人員上線次數(shù)，提升維護(hù)工作效率。

我國現(xiàn)有的道岔采集信息系統(tǒng)為微機(jī)監(jiān)測采集系統(tǒng)，以S700K道岔為例：首先對A、B、C三項(xiàng)電源進(jìn)行電壓、電流、波形、相位的采集，通過采集裝置傳遞給信號放大器，然后進(jìn)入處理電路，將采集信息運(yùn)算后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，因設(shè)備檢測信息通常是運(yùn)算后得出的，與實(shí)際信息相差5%，對于使用頻繁并且在運(yùn)輸中承擔(dān)著重要任務(wù)的設(shè)備來說5%的誤差也足以使運(yùn)輸造成極大影響。所以現(xiàn)場急需一套可以對道岔設(shè)備的轉(zhuǎn)換阻力進(jìn)行檢測的系統(tǒng)。能夠直接對電動轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程阻力進(jìn)行測量，采用曲線形式展示輸出力和扳動電流變化的情況，同時(shí)保存動作時(shí)間和環(huán)境溫度等參數(shù)信息，能高效分析道岔工況，針對外鎖閉摩擦副自動加油裝置，實(shí)現(xiàn)自動加潤滑油的目的，保障道岔可靠鎖閉，從而減少維護(hù)人員上線次數(shù)，提升維護(hù)工作效率。

主要能完成：（1） 實(shí)現(xiàn)道岔直接道岔轉(zhuǎn)換阻力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，每次道岔轉(zhuǎn)換均能測量，并生成道岔轉(zhuǎn)換阻力曲線；（2） 組成分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至站機(jī)，各單位均可根據(jù)權(quán)限查看相應(yīng)數(shù)據(jù)；（3） 依據(jù)獲取的道岔轉(zhuǎn)換阻力曲線數(shù)據(jù)，通過智能統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)阻力的變化趨勢，運(yùn)用人工智能算法及專家規(guī)則庫，準(zhǔn)確判斷道岔當(dāng)前工況，并給出早期預(yù)警和故障定位，為實(shí)現(xiàn)道岔“狀態(tài)修”提供科技手段。

（一）系統(tǒng)功能

研制一套能較好地適應(yīng)道岔轉(zhuǎn)換阻力監(jiān)測需求的系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)能方便地與現(xiàn)場其他監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合。系統(tǒng)采用安全可靠、先進(jìn)成熟、易于擴(kuò)展維護(hù)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能要求。道岔轉(zhuǎn)換阻力智能監(jiān)控裝置通過站機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，站機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換過程阻力曲線展示，轉(zhuǎn)換過程阻力超限預(yù)告警和統(tǒng)計(jì)分析等功能。站機(jī)軟件通過網(wǎng)絡(luò)連接到監(jiān)控裝置，監(jiān)控裝置采集轉(zhuǎn)轍機(jī)在道岔轉(zhuǎn)換過程中輸出力變化的曲線和電機(jī)電流變化的曲線，同時(shí)保存動作時(shí)間和環(huán)境溫度等參數(shù)信息。此外系統(tǒng)還具有對道岔外鎖閉注入潤滑油功能，根據(jù)多種策略進(jìn)行自動加油，一定程度上降低故障的發(fā)生。

系統(tǒng)的可靠性：道岔轉(zhuǎn)換阻力智能監(jiān)控裝置采用技術(shù)的可靠性是保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備、元器件選型方面，充分考慮各方面的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)各設(shè)備的安裝使用不影響既有設(shè)備的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)的實(shí)用性：以需求做牽引，注重實(shí)效，突出重點(diǎn)，既著眼于長遠(yuǎn)發(fā)展，又強(qiáng)調(diào)近期的迫切需求，保證系統(tǒng)的易用性與實(shí)效性。

系統(tǒng)的先進(jìn)性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用材料科學(xué)、計(jì)算技術(shù)、信號處理技術(shù)、通信技術(shù)，科學(xué)合理構(gòu)建系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有創(chuàng)新性、先進(jìn)性。

系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循開放性，可接入其他系統(tǒng)或管理平臺，實(shí)現(xiàn)集中管理。設(shè)計(jì)容量完全滿足以后發(fā)展對系統(tǒng)擴(kuò)展的需要。

（二）系統(tǒng)組成

道岔轉(zhuǎn)換阻力智能監(jiān)控裝置由主要由轉(zhuǎn)換力傳感器、阻力采集分機(jī)、加油主機(jī)和加油裝置等設(shè)備組成。站機(jī)采用工業(yè)控制機(jī)，運(yùn)行站機(jī)軟件，通過交換機(jī)和通信設(shè)備控制阻力監(jiān)測分機(jī)，下發(fā)阻力數(shù)據(jù)采集指令。監(jiān)測分機(jī)內(nèi)置智能控制器，根據(jù)道岔轉(zhuǎn)換或者過車信號，采集轉(zhuǎn)轍機(jī)在道岔轉(zhuǎn)換過程中輸出力變化的曲線和電機(jī)電流變化的曲線，同時(shí)保存動作時(shí)間和環(huán)境溫度等參數(shù)信息，等待站機(jī)軟件下發(fā)指令獲取。

（三）阻力監(jiān)測分機(jī)

阻力監(jiān)測分機(jī)內(nèi)置有強(qiáng)大的ARM處理器和載波通訊模塊，主要完成站機(jī)控制指令處理，阻力和電流數(shù)據(jù)采集等功能。面板的指示燈主要用于指示網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和工作狀態(tài)。

采集分機(jī)主電源由ACDC模塊提供，220V輸入，12V輸出，15W功率。根據(jù)應(yīng)用需求，分出5V，3.3V和3V，5V用于阻力傳感器供電，3.3V用于MCU供電，3V提供給電流采樣電路。采集分機(jī)與阻力傳感器通信通過RS232信號實(shí)現(xiàn)，在采集分機(jī)和阻力傳感器端均帶有RS232接口電路，可實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換，采集分機(jī)通過RS232下發(fā)命令給傳感器，傳感器將數(shù)據(jù)返回。

電流采樣電路采集端采用5A/5mA的交流互感器，板端采用LM224和外圍電路組成，輸出模擬量，接入MCU AD轉(zhuǎn)換IO，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到電流數(shù)值。板級主芯片為LM224，該芯片包含四路運(yùn)算放大器。

（四）電源

采集分機(jī)主電源由ACDC模塊提供，220V輸入，12V輸出，15W功率。根據(jù)應(yīng)用需求，分出5V，3.3V和3V，5V用于阻力傳感器供電，3.3V用于MCU供電，3V提供給電流采樣電路。

（五）站機(jī)及軟件

站機(jī)軟件上可顯示設(shè)備的狀態(tài)、油量數(shù)據(jù)、自動或手動注油記錄、油位趨勢和預(yù)告警信息、阻力歷史曲線和阻力日統(tǒng)計(jì)曲線。

通過曲線可看到道岔轉(zhuǎn)換過程中阻力和電流變化的情況，并可將曲線分階段進(jìn)行展示，分為解鎖前、解鎖、轉(zhuǎn)換、鎖閉和鎖閉后五個(gè)階段，方便扳動過程中阻力數(shù)據(jù)的分析。站機(jī)軟件提供阻力數(shù)據(jù)日報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能，可查看全站設(shè)備或單個(gè)設(shè)備的某天阻力定反位變化方向的最大值、最小值、平均值、溫度及當(dāng)天的扳動總次數(shù)；支持多機(jī)時(shí)序?qū)Ρ裙δ埽蓪Ρ韧粋€(gè)設(shè)備組下多個(gè)設(shè)備扳動時(shí)序的一致性；可以記錄不同用戶對阻力監(jiān)測相關(guān)功能的操作記錄具備阻力超限報(bào)警功能；當(dāng)采集到的阻力曲線數(shù)據(jù)（扳動、過車）大于設(shè)定的閾值時(shí)，軟件自動記錄報(bào)警信息，可在當(dāng)前預(yù)告警信息欄及歷史預(yù)告警記錄中進(jìn)行查看，并在站場圖中展示出來，預(yù)警為橙色，告警為紅色；具備阻力超限報(bào)警功能，當(dāng)采集到的阻力曲線數(shù)據(jù)（扳動、過車）與設(shè)定參考曲線對比偏差超過設(shè)定值時(shí)，軟件自動記錄報(bào)警信息，可在當(dāng)前預(yù)告警信息欄及歷史預(yù)告警記錄中進(jìn)行查看，并在站場圖中展示出來。同時(shí)兼具：設(shè)備狀態(tài)查看、油量數(shù)據(jù)查看、自動或者手動注油數(shù)據(jù)記錄查看及油位起勢查看和預(yù)警、告警查看功能，可以通過站機(jī)軟件下拉菜單實(shí)現(xiàn)。

（六）關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了道岔轉(zhuǎn)換過程中阻力曲線的實(shí)時(shí)采集，無需天窗點(diǎn)現(xiàn)場測量和替換螺栓，提高了測量效率，節(jié)省了維護(hù)人力?？蓪?shí)時(shí)觀察扳動過程中的阻力變化趨勢，及時(shí)給出預(yù)告警信息。

在站機(jī)軟件中以天為單位展示當(dāng)天的道岔轉(zhuǎn)換情況，根據(jù)顏色區(qū)分定反位不同方向。如果出現(xiàn)摩擦卡阻的情況，曲線采集時(shí)間在列表中標(biāo)紅處理，加以區(qū)分。

鐵路道岔轉(zhuǎn)換阻力監(jiān)測系統(tǒng)可對提速道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的轉(zhuǎn)換力實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過設(shè)置參考曲線， 該系統(tǒng)直觀地反映阻力的變化趨勢，預(yù)知道岔動作狀態(tài)發(fā)生的變化，提前發(fā)現(xiàn)道岔的卡阻點(diǎn)或?qū)⒁a(chǎn)生的故障點(diǎn)，儲存記錄道岔轉(zhuǎn)換阻力曲線，并通過電務(wù)微機(jī)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)自動給出預(yù)/報(bào)警信息，為維修人員提供道岔運(yùn)用狀態(tài)信息，加快道岔設(shè)備計(jì)劃修向狀態(tài)修（預(yù)防修）的步伐，提高道岔設(shè)備維護(hù)的有效性、科學(xué)性，提升現(xiàn)場作業(yè)效率和安全。

作者單位：南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院