道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能分析

吳 冕 關(guān) 宏

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)一分公司，215101，蘇州∥第一作者，工程師)

道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備作為道岔控制系統(tǒng)中安裝在室外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用以可靠地轉(zhuǎn)換道岔位置，改變道岔開通方向，鎖閉道岔可動(dòng)部分，是反映道岔位置的重要的信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備。

目前，對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，主要通過瀏覽MSS(維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng))子系統(tǒng)中的道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備動(dòng)作電流曲線、功率曲線和電壓曲線等獲取信息，并與參考曲線相對(duì)照，以此掌握設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)。但此方式常取決于維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)，難以應(yīng)對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備復(fù)雜工作環(huán)境中的種種狀況，且該方式屬于故障修范疇，只有故障特性真正顯現(xiàn)出來后才會(huì)被發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，難以形成系統(tǒng)、有效的設(shè)備維修和維護(hù)計(jì)劃。通過道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，借助該系統(tǒng)中的專家級(jí)趨勢(shì)分析功能，可實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備狀態(tài)修。

1 道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能

道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)主要由道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和道岔維修管理系統(tǒng)三大部分組成。其物理架構(gòu)和功能架構(gòu)如圖1～2所示。

圖1 道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)物理架構(gòu)Fig.1 Physical architecture of turnout operation and maintenance quality management system

圖2 道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)功能模塊Fig.2 Function module of turnout operation and maintenance quality management system

1.1 道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及功能

道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TIMS)部署于車站信號(hào)設(shè)備室和軌旁，實(shí)時(shí)采集道岔控制電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)和道岔工況的各種狀態(tài)參數(shù)。其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of turnout comprehensive monitoring system architecture

1.1.1 道岔控制電路監(jiān)測(cè)

道岔控制電路監(jiān)測(cè)包括繼電狀態(tài)監(jiān)測(cè)、DBQ(斷相保護(hù)器)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、表示電路監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)換功率監(jiān)測(cè)、道岔位置沖突監(jiān)測(cè)等。

1) 繼電器狀態(tài)監(jiān)測(cè)：其原理主要包括以下三方面。

(1) 繼電器勵(lì)磁、自閉、接點(diǎn)回路直流電流變化曲線采集：主要通過繼電組合采集模塊控制微電流傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。其原理示意圖如圖4所示。

圖4 繼電器回路電路采集原理示意圖

(2) 繼電器動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)采集：繼電器勵(lì)磁、落下動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)的采集，是通過對(duì)繼電器勵(lì)磁回路電流及接點(diǎn)回路電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算出繼電器的轉(zhuǎn)換時(shí)間參數(shù)，包括：①繼電器勵(lì)磁動(dòng)作時(shí)間(勵(lì)磁開始中接點(diǎn)離開下接點(diǎn)到中接點(diǎn)與上接點(diǎn)閉合的時(shí)間)；②繼電器落下動(dòng)作時(shí)間(勵(lì)磁結(jié)束中接點(diǎn)離開上接點(diǎn)到中接點(diǎn)與下接點(diǎn)閉合的時(shí)間)。繼電器動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)主要用于繼電器狀態(tài)的評(píng)估分析與動(dòng)作計(jì)數(shù)。

(3) 繼電器接點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過對(duì)繼電器接點(diǎn)回路電流的連續(xù)采集，獲取電流的連續(xù)變化曲線；通過分析繼電器接點(diǎn)轉(zhuǎn)換過程中電流曲線的變化，獲取接點(diǎn)表面接觸狀況的變化情況，并實(shí)現(xiàn)接點(diǎn)狀態(tài)在線報(bào)警。

2) 轉(zhuǎn)換功率監(jiān)測(cè)：是對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程的電流、電壓和功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由加裝于道岔組合(或電子板卡驅(qū)動(dòng)模式下的道岔控制線)上的功率傳感器，連續(xù)采集轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程的啟動(dòng)電流、電壓和功率，并上傳至道岔綜合采集機(jī)，形成轉(zhuǎn)轍機(jī)電流、電壓和功率曲線。功率的采集方式包含繼電組合電路和電子板卡電路兩種。

(1) 繼電組合道岔控制電路功率采集方式：其原理示意圖如圖5所示。該采集方式通過高阻型功率傳感器完成。電壓從DBQ的11、31、51端子采集，電流采用鉗型互感器在DBQ的21、41、61端子輸出線上采集。

圖5 繼電組合道岔控制電路功率采集原理示意圖

(2) 電子板卡道岔控制電路功率采集方式：其原理示意圖如圖6所示。該采集方式通過高阻型功率傳感器完成。電壓從X1、X2、X3線上采集，電流采用鉗型互感器從X1、X2、X3線上采集。

圖6 電子板卡道岔控制電路功率采集原理示意圖

1.1.2 道岔位置沖突監(jiān)測(cè)

道岔控制電路根據(jù)聯(lián)鎖電路控制的 DCJ、FCJ 的上接點(diǎn)控制轉(zhuǎn)轍機(jī)的操縱方向和時(shí)機(jī)。轉(zhuǎn)轍機(jī)的操縱方向決定了道岔的物理位置。為避免配線錯(cuò)誤導(dǎo)致的道岔表示位置與實(shí)際位置的沖突，需核對(duì)道岔控制電路的聯(lián)鎖操縱方向(道岔表示位置)與轉(zhuǎn)轍機(jī)操縱方向(道岔物理位置)。

道岔位置沖突監(jiān)測(cè)利用繼電組合監(jiān)測(cè)中獲取的 DCJ、FCJ 勵(lì)磁電流判斷聯(lián)鎖系統(tǒng)的道岔操縱方向；利用 DBJ、FBJ 狀態(tài)識(shí)別道岔表示位置；利用缺口監(jiān)測(cè)中獲取的轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)電流判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)的操縱方向，并根據(jù)上述條件比對(duì)聯(lián)鎖道岔操縱方向和轉(zhuǎn)轍機(jī)操縱方向，當(dāng)二者不一致時(shí)，發(fā)出道岔位置沖突報(bào)警。道岔位置沖突監(jiān)測(cè)邏輯如圖7所示。

圖7 道岔位置沖突監(jiān)測(cè)邏輯圖Fig.7 Logic diagram of turnout position conflict monitoring

1) 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測(cè)：道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測(cè)包括靜態(tài)缺口監(jiān)測(cè)、缺口晃動(dòng)量監(jiān)測(cè)、箱盒內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、內(nèi)鎖閉裝置監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)等。

缺口監(jiān)測(cè)主要是通過轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)安裝的圖像采集設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該設(shè)備利用目標(biāo)鎖定、特征提取和灰度分析等圖像處理技術(shù)，通過將現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像與存儲(chǔ)的缺口位置進(jìn)行比對(duì)，直觀反映道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備缺口狀態(tài)。缺口監(jiān)測(cè)包括三種啟動(dòng)模式，根據(jù)優(yōu)先級(jí)依次為：操縱后缺口≥過車后缺口≥周期采集缺口，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)將會(huì)中斷低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)。以ZDJ9型道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備為例，其缺口監(jiān)測(cè)原理示意圖如圖8所示。

圖8 ZDJ9型轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口直拍示意圖Fig.8 Schematic diagram of ZDJ9 type switch machine notch shot

箱盒內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)主要包括道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)和溫濕度監(jiān)測(cè)。通過轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)安裝的振動(dòng)傳感器和溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)采集設(shè)備內(nèi)的三方向振動(dòng)加速度和溫濕度情況，并形成相應(yīng)曲線，進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比分析。

2) 道岔工況監(jiān)測(cè)：主要監(jiān)測(cè)道岔幾何尺寸(密貼/開口/爬行/軌距/基本軌橫移)、道床振動(dòng)、軌溫、道岔轉(zhuǎn)換速度和尖軌結(jié)構(gòu)件外觀缺陷等。道岔工況監(jiān)測(cè)設(shè)備包括道岔綜合檢查器、道岔采集分機(jī)、通信模塊和道岔啟動(dòng)器，與缺口監(jiān)測(cè)共用通信與供電通道。道岔綜合檢查器安裝于道床中央，為非接觸式測(cè)量模式，利用激光測(cè)距原理，通過檢測(cè)投射到尖軌、基本軌上的激光變化，測(cè)量基本軌、尖軌縱、橫兩個(gè)方向的相對(duì)位移，從而計(jì)算道岔的密貼、開口、軌距、基本軌橫移和鋼軌爬行等技術(shù)參數(shù)。

1.2 道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)架和功能

道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(TDMS)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)、系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)和系統(tǒng)分析平臺(tái)三部分組成，負(fù)責(zé)道岔數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲(chǔ)、SOA數(shù)據(jù)路由服務(wù)、道岔故障診斷與預(yù)測(cè)分析等。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。

圖9 道岔數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議，接收道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各類道岔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立道岔綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)池；利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議，與第三方系統(tǒng)(MSS/CSM(信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng))/智慧運(yùn)維/缺口監(jiān)測(cè)等)進(jìn)行道岔相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)既有監(jiān)測(cè)資產(chǎn)的合理整合與應(yīng)用；利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議，將現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)使用的各種道岔測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)平臺(tái)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)道岔維修過程數(shù)據(jù)的綜合管理與應(yīng)用。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)來自于不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的道岔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)規(guī)約和數(shù)據(jù)變換，獲得標(biāo)準(zhǔn)的、干凈的和連續(xù)的道岔狀態(tài)數(shù)據(jù)，支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。其架構(gòu)如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)Fig.10 System data platform structure

1.2.2 系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)

系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)采用SOA(面向服務(wù)架構(gòu))技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路由平臺(tái)，將傳統(tǒng)系統(tǒng)軟件的每個(gè)功能拆分為單個(gè)的獨(dú)立服務(wù)組件，利用統(tǒng)一定義的接口和協(xié)議進(jìn)行組件間的數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建一個(gè)可以分布式部署的道岔綜合監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)，支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與應(yīng)用。

SOA架構(gòu)的接口采用中立的方式進(jìn)行定義，獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，使得構(gòu)建在各種各樣的系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互，各種服務(wù)組件(功能)可分布式部署，隨意組合使用，使得系統(tǒng)可以從容應(yīng)對(duì)不同功能(服務(wù)組件)的部署變化。SOA系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)如圖11所示。

圖11 SOA系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)Fig.11 Architecture of SOA system service platform

1.2.3 系統(tǒng)分析平臺(tái)

系統(tǒng)分析平臺(tái)主要負(fù)責(zé)道岔故障成因自動(dòng)診斷、設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測(cè)分析與健康分級(jí)。該平臺(tái)主要利用各型道岔故障樹軟件，對(duì)開關(guān)量、狀態(tài)等非離散型道岔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)診斷道岔故障；利用人工智能訓(xùn)練器、執(zhí)行器軟件對(duì)曲線等離散型道岔道岔故障樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)時(shí)對(duì)曲線類離散數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)診斷道岔故障；利用人工智能訓(xùn)練器軟件，對(duì)道岔正常工作參數(shù)和曲線進(jìn)行散布范圍和包絡(luò)線分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)道岔健康度分析與設(shè)備健康等級(jí)劃分。

系統(tǒng)分析平臺(tái)分為數(shù)據(jù)建模管理、AI(人工智能)訓(xùn)練器、故障診斷組件和健康評(píng)估組件等部分，其架構(gòu)如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)分析平臺(tái)架構(gòu)Fig.12 System analysis platform architecture

1.3 道岔維修管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能

道岔維修管理系統(tǒng)(TMMS)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立基于內(nèi)網(wǎng)的道岔維修管理運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)道岔維修計(jì)劃、作業(yè)信息、資料查詢、維修數(shù)據(jù)記錄和道岔履歷等數(shù)據(jù)展示與查詢。該系統(tǒng)配備安全型無線模塊，建立了軌旁、信號(hào)設(shè)備室和值班室等工作場(chǎng)景的安全型內(nèi)網(wǎng)移動(dòng)通信，可為專用移動(dòng)終端提供數(shù)據(jù)傳輸支持能力；結(jié)合各種配套開發(fā)的工具與模塊，可實(shí)時(shí)記錄維修工作過程中的維修行為，為道岔的智慧維修管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

道岔維修管理系統(tǒng)包括桌面端和移動(dòng)端兩部分，綜合展示道岔各類設(shè)備、各個(gè)維度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過移動(dòng)終端、軌旁無線模塊和無線測(cè)試儀表等輔助設(shè)備，以及桌面/移動(dòng)維修管理軟件實(shí)現(xiàn)維修作業(yè)過程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)瀏覽、維修行為監(jiān)督、作業(yè)數(shù)據(jù)記錄與設(shè)備報(bào)警查詢?？刹樵冺?xiàng)目主要包括道岔設(shè)備及維修人員定位管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)移動(dòng)查詢、設(shè)備狀態(tài)報(bào)告查詢、道岔維修(檢修)流程管理、問題記錄、維修指導(dǎo)查詢、維修質(zhì)量評(píng)估、道岔設(shè)備履歷、超限報(bào)警、故障報(bào)警、健康狀態(tài)報(bào)警、道岔表示位置與物理位置沖突報(bào)警等。

移動(dòng)終端可以在工作區(qū)域通過安全型無線AP(無線接入點(diǎn))接入軌旁監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，訪問軌旁采集分機(jī)和室內(nèi)監(jiān)測(cè)站機(jī)，獲取全部監(jiān)測(cè)信息及分析信息。

道岔維修管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖13所示。

圖13 道岔維修管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.13 Turnout maintenance and management system architecture

2 道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)應(yīng)用

道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所得的道岔動(dòng)作功率曲線，能夠直接反映轉(zhuǎn)轍機(jī)實(shí)際輸出力。道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)可以根據(jù)道岔功率大小、功率波動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)確定轉(zhuǎn)轍機(jī)或道岔工作狀態(tài)、故障模式及故障相對(duì)部位，給出相應(yīng)故障點(diǎn)指向及維修建議。

1) 道岔功率曲線異常故障分析：可根據(jù)道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)采集的道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備各階段功率曲線，分析道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備可能出現(xiàn)的問題及相關(guān)維修建議。道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)可為設(shè)備設(shè)置有參考曲線，方便使用時(shí)更清晰直觀地觀察道岔功率曲線的穩(wěn)定性。正常情況下，轉(zhuǎn)轍機(jī)整個(gè)動(dòng)作過程功率曲線較為平滑。非正常情況下，功率曲線會(huì)出現(xiàn)“坡起”，結(jié)合轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過程區(qū)段劃分，如“坡起”功率曲線位置處于動(dòng)作區(qū)，即可判斷出此時(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作需要克服的阻力為轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)阻、道岔兩尖軌轉(zhuǎn)換阻力。此時(shí)，道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)給出設(shè)備故障的可能原因有：道岔機(jī)械部分阻力過大、缺油,轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部別卡或內(nèi)阻過大。維護(hù)人員可根據(jù)系統(tǒng)建議對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)處置，以保證設(shè)備正常工作。

2) 道岔故障處理指導(dǎo)功能：基于歷史故障處理經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)設(shè)備故障報(bào)警提供維護(hù)建議，維護(hù)人員可根據(jù)系統(tǒng)建議定位故障并處理，有效提升了設(shè)備維護(hù)效率。如根據(jù)道岔功率曲線及工作電流圖發(fā)現(xiàn)A、B、C三相電均缺相，轉(zhuǎn)轍機(jī)不動(dòng)作。對(duì)于該故障報(bào)警，系統(tǒng)提供的故障原因及維修建議為：交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電源斷，建議檢查轉(zhuǎn)轍機(jī)電源；啟動(dòng)空開跳，建議檢查啟動(dòng)空開；DBQ故障，建議檢查DBQ的A相輸出電壓是否為零，如為零，則為DBQ故障。

3 結(jié)語(yǔ)

道岔運(yùn)維質(zhì)量管理系統(tǒng)可提高運(yùn)維效率和管理效益，同時(shí)能夠達(dá)到一些目的：

1) 提升精細(xì)化維修水平。通過集成化的監(jiān)視、分析和閉環(huán)處理，可逐步實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)修的維護(hù)模式轉(zhuǎn)變。

2) 能夠?qū)崟r(shí)掌握道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備狀態(tài)和及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，并能通過專家智能診斷和大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)故障快速診斷定位和提前預(yù)警，提升搶險(xiǎn)搶修及時(shí)性和處置合理性。

3) 通過道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備監(jiān)測(cè)記錄設(shè)備在線使用情況，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期管理，降低設(shè)備維修成本。