鐵路信號設(shè)備故障診斷方法

［關(guān)鍵詞］鐵路；信號設(shè)備；故障診斷

［中圖分類號］U284.92 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0065–03

1鐵路信號設(shè)備分類

鐵路信號是鐵路信號系統(tǒng)或設(shè)備的簡稱。鐵路信號設(shè)備在了解當(dāng)前鐵路路況和保障鐵路交通安全方面起著重要作用，是對列車進行指揮調(diào)度的信息傳遞的核心。鐵路信號設(shè)備通過反饋列車行車狀態(tài)指令信息和運行條件，有助于對運行列車進行全面控制。現(xiàn)代鐵路信號設(shè)備通常由多個系統(tǒng)組成，包括信號機、轉(zhuǎn)轍機、軌道電路、道岔、信號繼電器及電源屏等，其在鐵路交通運輸領(lǐng)域發(fā)揮著各自的作用。

（1）信號機。信號機作為保證列車安全運行的關(guān)鍵設(shè)備，通常采用光學(xué)原理。通過在設(shè)備頂端安裝燈光裝置，依托電流變壓器或電路產(chǎn)生信號警笛，以實現(xiàn)對線路列車進行信號指引的目的。

（2）轉(zhuǎn)轍機。轉(zhuǎn)轍機一般位于鐵路的交叉路口道岔處，其作用是通過轉(zhuǎn)換鐵路的行駛路線，保證岔道轉(zhuǎn)換的安全性，防止意外事故的發(fā)生。轉(zhuǎn)轍機能在軌道發(fā)生故障的第一時間接收信號并發(fā)出警報，然后為列車更換安全軌道線路，并將故障軌道信息傳至中央服務(wù)器。

（3）軌道電路。軌道電路與軌道運轉(zhuǎn)聯(lián)系緊密，屬于鐵路交通運輸中的關(guān)鍵設(shè)備。軌道電路有開路式和閉路式兩種工作模式，其作用都是掌握列車運行的實時信息以供相關(guān)人員全盤了解列車的運行狀態(tài)。軌道電路還能夠定位列車在某個時間段的位置，檢測到的信息通過信號機上傳至交通系統(tǒng)服務(wù)器，具有優(yōu)秀的反饋能力。

2鐵路信號設(shè)備故障

2.1鐵路信號設(shè)備故障概述

故障指設(shè)備出現(xiàn)的物理缺陷，這種缺陷可能導(dǎo)致設(shè)備失效，也可能不會。因此，即使設(shè)備存在一定的故障，仍然有可能完成其規(guī)定的功能。鐵路信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，因此伴隨著故障頻繁、故障種類繁多、故障發(fā)生原因多樣化的情況。特別是在控制電路里，由于外部因素的作用，各種元件在安裝和使用過程中呈現(xiàn)出不同的異常表現(xiàn)。一般來說，元器件發(fā)生變質(zhì)、制造工藝有缺陷、使用壽命臨期及受外部環(huán)境影響，都有可能導(dǎo)致各種故障。因此，在進行鐵路信號設(shè)備故障診斷的過程中，充分了解設(shè)備可能的潛在故障類型能夠大幅提高診斷效率。

2.2鐵路信號設(shè)備故障分類

（1）材料方面。在鐵路信號設(shè)備的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)材料選擇的錯誤、生產(chǎn)工藝的不成熟或生產(chǎn)工序把關(guān)的不嚴格，均會導(dǎo)致不符合要求的次品出廠并投入使用，存在潛在隱患，極有可能導(dǎo)致故障的發(fā)生。

（2）保養(yǎng)維修方面。相關(guān)人員未按規(guī)定進行例行檢查和定期維護鐵路信號設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。維修人員的專業(yè)知識不夠扎實、維修操作不正確及違章作業(yè)也可能導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。

（3）環(huán)境方面。某些鐵路信號設(shè)備因其工作性質(zhì)的需要長期暴露在室外，很大程度上會受到自然環(huán)境的影響。如防雷元件因雷雨天氣毀壞，鐵路軌面因侵蝕生銹等。

3鐵路信號設(shè)備故障診斷方法

3.1傳統(tǒng)診斷方法

技術(shù)維修人員根據(jù)自己的經(jīng)驗和專業(yè)能力在現(xiàn)場進行檢測，方法包括邏輯推理法、壓縮法及比較法等，且一般情況下會聯(lián)合應(yīng)用多種方法診斷故障。鐵路信號系統(tǒng)在運行過程中，系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息可能以直接或間接的方式反映系統(tǒng)是否正常運行。如果出現(xiàn)故障，可以通過檢測特定的故障點來了解具體原因，然后由相關(guān)人員接手，進一步對設(shè)備故障問題進行排查。該診斷方法只適用于簡單的設(shè)備和系統(tǒng)，并且依賴于技術(shù)人員，對其的工作經(jīng)驗和專業(yè)技能有較高的要求。但傳統(tǒng)診斷方法可以與當(dāng)前發(fā)展迅猛的智能診斷方法聯(lián)合使用，提高診斷工作效率和質(zhì)量。

3.2常用診斷方法

基于數(shù)學(xué)函數(shù)的信號檢測方法在目前的鐵路信號設(shè)備故障診斷中有著廣泛應(yīng)用。其通過相關(guān)儀器設(shè)備進行特征提取，然后利用數(shù)學(xué)函數(shù)進行分析，根據(jù)函數(shù)關(guān)系找到信號特征之間的差異現(xiàn)象，以此來定位監(jiān)測路段信號設(shè)備存在的問題。這種方法相比傳統(tǒng)診斷方法更加規(guī)范和穩(wěn)定，只需要操作人員具備相關(guān)設(shè)備的操作能力，而對人工經(jīng)驗和領(lǐng)域知識要求并不嚴苛，因此對操作人員較為友好。但是該方法在具體應(yīng)用中具有局限性，其可能會因為某一單一的信號故障點以偏概全，無法進行多維的對比和分析，縮減了信號檢測方式的應(yīng)用面。后續(xù)發(fā)展可以從時間和空間兩個維度進行優(yōu)化。

3.3智能診斷方法

3.3.1模型解析

鐵路信號設(shè)備種類繁多，可通過匯總鐵路信號故障特征的文本數(shù)據(jù)，并結(jié)合專業(yè)的鐵路知識，構(gòu)建一個故障診斷模型，然后利用該模型進行分析和決策。模型的實現(xiàn)首先要確定診斷目標(biāo)，即某鐵路信號設(shè)備，然后根據(jù)規(guī)則構(gòu)建模型，以達到分解與識別系統(tǒng)中運行存在的故障問題。

通常來說，如果某一鐵路信號設(shè)備發(fā)生故障，相關(guān)系統(tǒng)的輸入與輸出就會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，其變化特征可以利用構(gòu)建的模型進行解析。

故障特征模塊負責(zé)搜集與輸入設(shè)備故障特性的文字資料。故障類型模塊是由鐵路信號設(shè)備的專業(yè)知識和資深人員的實踐經(jīng)驗所提煉出的設(shè)備故障分類信息的知識數(shù)據(jù)庫，負責(zé)對故障進行分類。故障原因模塊會進一步對設(shè)備出現(xiàn)故障的位置加以細化，同時給出具體的故障原因。在故障類型模塊中，一個故障的產(chǎn)生不會引發(fā)另一個故障，這些故障相互獨立，互不影響，沒有連鎖效應(yīng)。故障原因模塊同樣遵守該規(guī)則。建立故障診斷模型后，需要對各個故障屬性進行編號并分類，以得出相互間的邏輯關(guān)系。這有助于系統(tǒng)通過對當(dāng)前運行時的差異點進行判定，提取相關(guān)文本數(shù)據(jù)，分析故障類型并解析故障原因，從而對信號設(shè)備發(fā)生的故障進行定位識別，顯著提高動態(tài)監(jiān)測的效果。此外，該方法不僅能夠及時診斷信號設(shè)備故障，還可以根據(jù)特征文本數(shù)據(jù)對故障的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。模型解析法雖然在性能上遠高于傳統(tǒng)診斷法和信號檢測法，但因為其首先要確定診斷目標(biāo)，因此具有一定的局限性。

3.3.2專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一種融合大量專業(yè)知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，其本質(zhì)是一個計算機程序。專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看作是一個存儲領(lǐng)域?qū)＜抑R的數(shù)據(jù)庫加上一個能選擇并運用這些知識的具有推理機制的計算機系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)程序相比，專家系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其針對性及個性化特性。傳統(tǒng)程序主要依賴精心設(shè)計的算法來高效儲存并處理海量信息。而專家系統(tǒng)則基于專業(yè)的知識體系作為基礎(chǔ)，能在短時間內(nèi)（如數(shù)分鐘至數(shù)小時）執(zhí)行復(fù)雜的分析、判斷及決定，從而解決涉及特定領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)技能且重要程度較高的問題。

專家系統(tǒng)適用于復(fù)雜系統(tǒng)的鐵路信號設(shè)備故障診斷，其對于領(lǐng)域知識的要求不高且不需要太多的人工干預(yù)，相關(guān)人員只需根據(jù)設(shè)定的基本規(guī)則滿足模塊化處理要求即可。專家系統(tǒng)有交互性和解釋性的特點，其在故障診斷中能夠遵循嚴密的邏輯進行推理，并具有知識更新能力。在運行期間，專家系統(tǒng)可以有效銜接信號傳輸中的各個環(huán)節(jié)，不僅可以識別系統(tǒng)運行中的故障，還可以對傳輸信號的各個設(shè)備終端載體進行精確檢索，診斷結(jié)果準(zhǔn)確全面，并且能夠進行實時化和全天候的診斷檢測。

專家系統(tǒng)的技術(shù)難點在于知識的獲取、知識的表示及知識推理的效率，此外，專家系統(tǒng)還缺乏自主學(xué)習(xí)能力。

3.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模擬人腦進行信息處理來實現(xiàn)復(fù)雜問題的求解。在鐵路信號設(shè)備故障診斷領(lǐng)域中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以實現(xiàn)兩個目標(biāo)：①利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類器來進行故障模式識別；②將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為動態(tài)預(yù)測模型，用于分析和診斷故障。

相比于專家系統(tǒng)在故障診斷中的表現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢：①神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷知識的獲取相對容易，而且知識表示在同一個網(wǎng)絡(luò)中，通用性強，能夠在一定程度上彌補專家系統(tǒng)的局限性。②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元有較強的獨立性，可以提高系統(tǒng)的泛化能力和容錯能力，其采用的推理方式為并行推理，擁有較高的推理效率。③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有較強的自主學(xué)習(xí)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法雖然優(yōu)點明顯，但其應(yīng)用成本較高，并且需要相關(guān)人員具備專業(yè)知識來搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)方法的選擇，以及模型的搭建等。

3.3.4模糊邏輯

模糊邏輯是以模糊集理論為基礎(chǔ)來進行邏輯推理的計算機控制技術(shù)。模糊集理論是一種數(shù)學(xué)工具，基于經(jīng)典康托爾集合論，用于處理不確定性和模糊性的問題。模糊邏輯故障診斷的基礎(chǔ)是一個模糊的關(guān)系矩陣，其將故障原因和癥狀相結(jié)合，通過使用各種算法來模擬人類思考的方式，運用邏輯推理來計算出各種故障的歸屬度，從而揭示各種故障發(fā)生的可能性，進而實現(xiàn)自動化診斷。

模糊模式識別、模糊多屬性決策及模糊系統(tǒng)作為模糊邏輯的重要研究成果，在故障診斷領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，可以在鐵路信號設(shè)備故障診斷中發(fā)揮重要作用。模糊模式識別技術(shù)能夠根據(jù)已有事物的各種特征，對新對象進行識別和歸類，并在實際操作中具有處理特征類別邊界模糊不清淅的能力。模糊多屬性決策是在傳統(tǒng)的多屬性決策研究上發(fā)展而來的，其在進行定量化反映評估的同時，也可以基于模糊集理論對模糊特征進行計算處理，從而得到能夠客觀反映真實不確定的決策結(jié)果，故障樹是其的典型應(yīng)用。模糊系統(tǒng)也被稱為基于模糊規(guī)則的系統(tǒng)，是一種以模糊邏輯為基礎(chǔ)的特殊數(shù)學(xué)模型。該類系統(tǒng)使用一系列IF-THEN的模糊規(guī)則來進行智能診斷。其中，“IF”即條件部分，用于描述各類的故障特征，結(jié)論部分“THEN”是由條件部分推理形成的結(jié)果，可以是語言變量或線性輸出。模糊系統(tǒng)維護和更新較為容易，且其知識表達方式易于理解，人機交互友好，是一種有效的鐵路信號設(shè)備故障診斷方法。

4結(jié)束語

近年來，隨著人工智能等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能故障診斷方法與研究取得了令人矚目的成就，多種高效的自動化技術(shù)應(yīng)用在鐵路信號設(shè)備故障診斷中，其相互結(jié)合，形成了多方法混合的智能故障診斷趨勢。鑒于在某些特殊環(huán)境下，傳統(tǒng)故障診斷方法依舊行之有效的情況，鐵路信號設(shè)備技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實際情況不斷進行實踐和研究，針對性地使用并改進鐵路信號設(shè)備故障診斷方法，保證鐵路線路的安全運營。