集控電動脫軌器系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷功能研究

趙小軍，徐永孝，郝家耀，張永釗，陳冉，孫磊磊

（1.國能鐵路裝備有限公司準(zhǔn)格爾車輛維修分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄭州智輛電子科技有限公司，河南 鄭州 450001）

1 問題的提出

隨著鐵路貨物列車高速重載戰(zhàn)略的實(shí)施和萬噸組合列車的大量開行，對鐵路貨運(yùn)檢修工作的要求也越來越高。作為列檢作業(yè)場進(jìn)行列車技術(shù)檢查作業(yè)時，設(shè)置的安全防護(hù)設(shè)備電動脫軌器上、下脫控制必須安全可靠。當(dāng)脫軌器設(shè)備出現(xiàn)故障后，設(shè)備維修人員只能根據(jù)運(yùn)用車間人員口頭反饋的故障情況憑經(jīng)驗(yàn)判斷導(dǎo)致故障的原因，攜帶配件到現(xiàn)場進(jìn)行分析、檢查、處置。運(yùn)用車間人員反饋的信息存在用詞不專業(yè)、狀態(tài)不全面問題，加上設(shè)備維修人員技術(shù)水平參差不齊，容易導(dǎo)致故障判斷不準(zhǔn)確，所帶配件與故障部件不對應(yīng)，需要返回更換對應(yīng)的配件，設(shè)備故障無法及時排除，影響鐵路的運(yùn)輸效率。2021 年12 月，國鐵集團(tuán)印發(fā)了《國鐵集團(tuán)鐵路營業(yè)線施工管理辦法》，該管理辦法對維修和施工天窗的管理做了精細(xì)調(diào)整，設(shè)備維修天窗時間變短、申請?zhí)齑爸芷谘娱L。在當(dāng)前情況下，脫軌器出現(xiàn)故障后如何通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對故障原因準(zhǔn)確判斷，幫助維修人員快速高效處置故障顯得尤為迫切。

2 系統(tǒng)組成

集控電動脫軌器系統(tǒng)由值班室監(jiān)控裝置、控制柜、通訊柜、脫軌器裝置、軌邊視頻監(jiān)控裝置、咽喉區(qū)視頻監(jiān)視裝置等設(shè)備組成（圖1）。

圖1 集控電動脫軌器系統(tǒng)組成

3 故障統(tǒng)計(jì)分析

從集控電動脫軌器系統(tǒng)組成來對其出現(xiàn)的故障進(jìn)行分類，大致分為機(jī)械部件、電氣控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、視頻監(jiān)視、系統(tǒng)線纜、計(jì)算機(jī)及主控軟件共6 類。

3.1 機(jī)械部件故障

機(jī)械部件包括脫軌器裝置、安裝裝置、電動轉(zhuǎn)轍機(jī)、表示器等，其故障表現(xiàn)主要有脫軌器卡滯或卡死、脫軌器上下緩慢甚至無法到位、轉(zhuǎn)轍機(jī)達(dá)子反彈等。

3.2 電氣控制故障

電氣控制部件包括CPU 板、I/O 板、交流接觸器、固態(tài)繼電器、信號控制器、紅白燈板等。其故障表現(xiàn)主要有通訊中斷、脫軌器狀態(tài)檢測失效或異常、脫軌器不動作或動作不到位、要電申請無反應(yīng)、信號燈無故熄滅等。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通訊故障

網(wǎng)絡(luò)通訊部件包括光纖交換機(jī)、串口服務(wù)器及供電開關(guān)電源等。其故障表現(xiàn)主要有通訊異常、通訊中斷、視頻信號消失等。

3.4 視頻監(jiān)視故障

視頻監(jiān)視部件主要包括視頻服務(wù)器、攝像機(jī)、模式切換器及供電開關(guān)電源等。其故障表現(xiàn)主要有某股道或一端視頻信號消失、攝像機(jī)白天黑夜模式切換失效、云臺控制無效等。

3.5 系統(tǒng)線纜故障

脫軌器系統(tǒng)線纜主要包括動力電纜、通訊光纜、信號電纜、互控電纜等。其故障表現(xiàn)主要有通訊中斷、互控開關(guān)檢測無效、脫軌器狀態(tài)檢測信號異常等。

3.6 計(jì)算機(jī)及主控軟件故障

計(jì)算機(jī)及主控軟件故障表現(xiàn)主要有計(jì)算機(jī)藍(lán)屏或黑屏、主控程序反應(yīng)遲鈍或卡死、主控程序閃退等。電動脫軌器系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，導(dǎo)致故障的原因往往是多方面的，設(shè)備維修技術(shù)人員接到故障反饋后，經(jīng)過簡單分析便攜帶萬用表、網(wǎng)絡(luò)測試儀、兆歐表等專用儀器和相關(guān)配件到現(xiàn)場進(jìn)行排查處理，對于穩(wěn)定（故障一直存在）的故障，這種方法還可以應(yīng)對，對于那種一會兒出現(xiàn)又能自動恢復(fù)的故障，不能很快確定故障原因解決問題，往往需要多次到現(xiàn)場排查處理才能最終排除故障。因此，需要對現(xiàn)有的電動脫軌器系統(tǒng)進(jìn)行升級以實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)故障后能夠在遠(yuǎn)端（值班室）查看設(shè)備故障信息做出綜合分析判斷，做到在分析處理故障時胸有成竹。

4 遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)方案

設(shè)備維修部門往往要負(fù)責(zé)多個列檢作業(yè)場的設(shè)備日常維護(hù)和檢修工作，當(dāng)某個列檢作業(yè)場電動脫軌器系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，能夠在動態(tài)值班室就能夠?qū)ΜF(xiàn)場情況充分了解是十分必要，不然就要驅(qū)車到現(xiàn)場排查，故障處置時間自然滯后，因此，首先需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程掌握電動脫軌器的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程掌握電動脫軌器系統(tǒng)狀態(tài)，需要搭建一套鐵路貨車列檢作業(yè)場電動脫軌器遠(yuǎn)程故障診斷應(yīng)用服務(wù)平臺，應(yīng)用服務(wù)平臺設(shè)計(jì)思路從以下三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。即從平臺功能模塊、整體架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，詳見圖2 ～4。

圖2 服務(wù)平臺功能模塊

圖3 服務(wù)平臺總體架構(gòu)圖

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用服務(wù)平臺具備用戶管理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備故障提示、設(shè)備故障臨界分析、設(shè)備故障信息查詢、作業(yè)場信息管理、參數(shù)設(shè)置、通訊狀態(tài)查詢、日志查詢及打印等功能，實(shí)現(xiàn)動態(tài)檢修車間可以快速看到設(shè)備故障發(fā)生時的監(jiān)控視頻和當(dāng)時的設(shè)備運(yùn)行電參量信息。

應(yīng)用服務(wù)平臺總體架構(gòu)從低到高依次為基礎(chǔ)層、傳輸層、監(jiān)控層、支持層和應(yīng)用層。

（1）基礎(chǔ)層。包括列檢作業(yè)場用于采集運(yùn)行參數(shù)的各類信息設(shè)備包括光纖交換機(jī)、串口服務(wù)器、CAN轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)服務(wù)器。設(shè)備運(yùn)行控制的電動脫軌器、控制柜、通訊柜等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)脫軌器控制、檢測、運(yùn)行，所有電參量的采集、運(yùn)算分析、報警，電參量的記錄分析及診斷。值班室與現(xiàn)場通信柜各增加一臺光纖交換機(jī)，兩臺交換機(jī)間使用光纖通訊，通信柜中的光纖交換機(jī)根據(jù)現(xiàn)場使用攝像機(jī)數(shù)量確定，采用4 塊一光八電端口的KYLAND(KIEN1005A-1S8T-SC40-HV) 交換機(jī)。更換現(xiàn)場模擬攝像機(jī)為高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（iDS-2ZCN2507N(B)，分辨率為1920×1080，白天為彩色晚上為紅外黑白色攝像），網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與現(xiàn)場通信柜中光纖交換機(jī)使用鎧裝網(wǎng)線連接?，F(xiàn)場，控制柜增加電參量采集模塊。各采集模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)串口服務(wù)器直接上傳到值班室主控機(jī)計(jì)算機(jī)，再由主控計(jì)算機(jī)經(jīng)指定傳輸工具M(jìn)Q 上傳到服務(wù)平臺進(jìn)行集中保存，建立支持層的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于監(jiān)控視頻傳輸需要占用比較高的帶寬，在網(wǎng)絡(luò)允許的情況下，可將完整的視頻上傳到服務(wù)平臺。

（2）傳輸層。傳輸層是整個系統(tǒng)架構(gòu)中的關(guān)鍵層次之一，提供建立、維護(hù)和取消傳輸連接的功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，主要包括局域網(wǎng)控制傳輸、CAN總線傳輸、視頻傳輸?shù)龋枰鲈O(shè)光纖、超五類鎧裝網(wǎng)線及鎧裝屏蔽雙絞線等線材。

（3）監(jiān)控層。監(jiān)控層主要包含值班室主控計(jì)算機(jī)及程序、視頻監(jiān)視計(jì)算機(jī)及程序，是整個控制系統(tǒng)的核心。值班室主控程序控制現(xiàn)場電動脫軌器上、下脫。視頻主機(jī)實(shí)時監(jiān)控并記錄電動脫軌器動作過程，可以讓動態(tài)檢修值班員遠(yuǎn)程直觀地看到脫軌器運(yùn)行過程狀態(tài)。當(dāng)脫軌器出現(xiàn)故障后，監(jiān)控層將視頻經(jīng)服務(wù)平臺推送至動態(tài)檢修車間，向動態(tài)檢修人員提供過程中脫軌器的圖像信息，增加動態(tài)檢修人員了解故障現(xiàn)象的直觀信息，提高分析問題的準(zhǔn)確性。

（4）支持層。支持層建立在服務(wù)器計(jì)算機(jī)中，主要包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁及提供數(shù)據(jù)訪問的服務(wù)，是各作業(yè)場采集的各種信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)池，為所有應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持。

（5）應(yīng)用層。應(yīng)用層是直接面對各車間的窗口，是故障診斷提示信息的第一窗口，應(yīng)用層位于最頂層，直接為用戶提供服務(wù)。用戶權(quán)限等級分為三級：第一級為管理員級，平臺所有功能可用。第二級為檢修級，平臺設(shè)備狀態(tài)、通訊狀態(tài)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、推送功能可用。第三級為分公司普通級，平臺查詢、統(tǒng)計(jì)功能可用。

通過搭建系統(tǒng)服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對脫軌器狀態(tài)的實(shí)時掌握。為了實(shí)現(xiàn)故障診斷，需要在既有電動脫軌器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對脫軌器供電、主控制回路以及各個股道控制回路的電壓電流等電參量進(jìn)行采集和分析。在電動脫軌器供電回路、主控制回路及各股道控制回路分別設(shè)置相應(yīng)的高精度電壓、電流傳感器，傳感器輸出信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，由高性能微處理器精確計(jì)算出對應(yīng)的各個電參量，電參量信息經(jīng)現(xiàn)場光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至電動脫軌器系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)。

根據(jù)對電動脫軌器的I/0 模塊、電壓、電流實(shí)時采集的電氣參數(shù)信息，在系統(tǒng)上、下脫動作過程中，根據(jù)I/0 模塊狀態(tài)及電氣參數(shù)，自動預(yù)判隱形故障。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，自動分析故障原因，提供故障處理指導(dǎo)意見。

5 運(yùn)用效果

具備遠(yuǎn)程故障診斷電動脫軌器系統(tǒng)，經(jīng)過在國能鐵路裝備有限公司準(zhǔn)格爾車輛維修分公司點(diǎn)岱溝列檢作業(yè)場半年多的應(yīng)用，有效提高了設(shè)備檢修工作的效率，設(shè)備故障處置時間比原來縮短50%以上，設(shè)備無故障時間增加了25%，無形中提高了電動脫軌器的安全性、可靠性，減少了因?yàn)槊撥壠鞴收蠈﹁F路貨運(yùn)秩序的影響，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，具備一定的推廣價值。