軌道電路在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究與應用

摘要 隨著鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展，軌道電路的安全性和可靠性對于保障列車運行安全至關(guān)重要。文章設(shè)計了一套軌道電路在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，從系統(tǒng)底層硬件監(jiān)測到上層軟件系統(tǒng)架構(gòu)，通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障診斷、故障預測和健康管理，致力于提升鐵路運輸?shù)陌踩院涂煽啃?。同時，詳細介紹了數(shù)據(jù)采集、傳輸、展示，故障診斷算法、故障預測算法和健康管理策略等內(nèi)容，有效地提升軌道電路的智能化運維水平，為鐵路運輸?shù)陌踩\營提供有力的技術(shù)支持和安全保障。

關(guān)鍵詞 鐵路運輸；軌道電路；故障診斷；故障預測；健康管理；智能運維；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號 U284.2 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2025）05-0001-03

0 引言

隨著鐵路運輸?shù)难该桶l(fā)展，軌道電路的安全、穩(wěn)定和可靠性對于鐵路安全至關(guān)重要。然而，復雜環(huán)境和設(shè)備老化等因素易引發(fā)故障，影響鐵路運行。我國鐵路部門高度重視軌道電路的在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，現(xiàn)有系統(tǒng)雖然能監(jiān)測室內(nèi)參數(shù)，但是室外箱盒電參數(shù)的實時監(jiān)測尚顯不足，導致監(jiān)測不全面、故障判斷困難等。面對鐵路運輸效率提升帶來的安全管理和服務(wù)質(zhì)量的挑戰(zhàn)，開發(fā)高效的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)變得尤為迫切。該系統(tǒng)利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)，實時監(jiān)測軌道電路的關(guān)鍵參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集和算法模型，實現(xiàn)故障預警、定位、預測和健康評估，提升設(shè)備維護效率，預防事故，確保鐵路運輸安全[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)運用了物聯(lián)網(wǎng)的五層架構(gòu)模型，如圖1所示，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、邊緣層、平臺層和應用層。這種分層架構(gòu)方法能夠簡化系統(tǒng)的復雜性，增強其穩(wěn)定性和易維護的特點，有助于提高系統(tǒng)的互通性和伸縮性，以更好地滿足各種應用場景的定制需求[2]。

（1）感知層。感知層負責軌道電路箱盒的電參數(shù)、振動和環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層。感知層作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，主要由高精度和高性能的電壓電流傳感器、振動傳感器和溫濕度傳感器等組成。感知層的多類型傳感器采集數(shù)據(jù)的實時性和準確性，為后續(xù)的故障診斷、預測性維護，以及性能優(yōu)化等關(guān)鍵功能提供了堅實可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負責數(shù)據(jù)解析與傳輸，在系統(tǒng)架構(gòu)中具有承上啟下的作用，主要由軌旁通信單元設(shè)備實現(xiàn)，能夠兼容RS485、RS422、ZigBee等絕大多數(shù)的傳輸協(xié)議，并基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通道，如局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)資源等，運用標準的通信協(xié)議和高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，確保感知層獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、可靠地傳輸至邊緣層。

（3）邊緣層。邊緣層負責連接和采集與軌道電路相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并高效地傳輸至平臺層。同時，它還負責對這些數(shù)據(jù)進行預處理，包括數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)平滑，以確保其準確性和可靠性，進而為平臺層提供堅實的數(shù)據(jù)處理和分析基礎(chǔ)。通過這一系列功能，邊緣層為整個系統(tǒng)提供了準確、可靠的數(shù)據(jù)支持，確保系統(tǒng)的高效運行和決策的準確性。

（4）平臺層。平臺層負責數(shù)據(jù)的深度處理與精準分析，主要由物聯(lián)網(wǎng)平臺和數(shù)據(jù)倉庫組成，通過整合豐富的數(shù)據(jù)資源和先進的技術(shù)組件，如機器學習、深度學習及知識圖譜等，基于對原始數(shù)據(jù)的分析，構(gòu)建決策與故障診斷模型、趨勢預測模型、健康評估模型，以及關(guān)聯(lián)分析模型等。這些模型的運用，不僅實現(xiàn)了軌道電路的智能化運維，更推動了運維模式向更高效和更智能的方向轉(zhuǎn)變，為提升整體運維水平奠定了堅實基礎(chǔ)[3]。

（5）應用層。應用層負責遠程在線監(jiān)測和控制，通過提供友好、直觀且易操作的管理界面，將平臺層提供的數(shù)據(jù)與分析結(jié)果進行可視化展示，實現(xiàn)了實時監(jiān)測、故障告警、故障診斷、關(guān)聯(lián)分析、趨勢預測和健康評估等功能，使得用戶能夠全面監(jiān)測軌道電路的運行狀態(tài)。應用層不僅提高了監(jiān)控的可操作性，還增強了系統(tǒng)的易用性和用戶體驗，為軌道電路的智能化管理提供了有力支持。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

該文旨在通過監(jiān)測軌道電路箱盒的電參數(shù)（如變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電流電壓、引接線電流電壓等）和環(huán)境狀態(tài)（如溫濕度、振動等），利用數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜和智能分析技術(shù)，整合感知信息，構(gòu)建一個綜合的管理體系。該體系包含故障診斷、趨勢預測、健康評估和關(guān)聯(lián)分析等多種模型，旨在打造一個智能化的軌道電路運維系統(tǒng)，以促進軌道電路維護從傳統(tǒng)的計劃維修和故障維修，向基于狀態(tài)和預測的維護方式轉(zhuǎn)變。

2.1 感知層

（1）箱盒電參數(shù)。在變壓器箱內(nèi)安裝部署電流互感器，采用非接觸方式將互感器安裝在軌道變和扼流變一次、二次側(cè)線纜，以及引接線線纜處。實現(xiàn)軌道電路一次側(cè)電流電壓、變壓器二次側(cè)電流電壓、長內(nèi)引接線電流、長外引接線電流、短內(nèi)引接線電流和短外引接線電流的采集。

（2）溫濕度。在變壓器箱盒內(nèi)部安裝部署溫濕度傳感器，將傳感器探頭靠近箱盒底部，以更加精確地采集箱盒內(nèi)部的溫度和濕度信息。

（3）振動。通過變壓器箱盒內(nèi)部的采集器板載，實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的采集，按照空間坐標軸分為x軸、y軸和z軸三個方向的數(shù)據(jù)。

（4）傳輸。采集器采集完數(shù)據(jù)后，通過PLC將數(shù)據(jù)傳輸至軌旁通信單元。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

在軌道電路變壓器箱盒外部安裝軌旁通信單元，箱盒內(nèi)采集器通過CAN協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳至軌旁通信單元。軌旁通信單元負責數(shù)據(jù)的協(xié)議解析和上報，采用有線方式將數(shù)據(jù)上報至室內(nèi)監(jiān)測主機。

2.3 邊緣層

室內(nèi)設(shè)置一臺監(jiān)測主機，用來接收和匯總車站軌道電路箱盒的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以監(jiān)測主機內(nèi)置的數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)平滑算法程序，對接收到的異常干擾數(shù)據(jù)進行預處理，并基于HTTP-TCP協(xié)議將高質(zhì)量的數(shù)據(jù)上傳至平臺層，為后續(xù)智能分析和故障告警提供基礎(chǔ)保障。

2.4 平臺層

平臺層由兩個關(guān)鍵部分組成：物聯(lián)網(wǎng)平臺和數(shù)據(jù)倉庫平臺。物聯(lián)網(wǎng)平臺專注于設(shè)備管理、接入和數(shù)據(jù)上報，而數(shù)據(jù)倉庫平臺則負責數(shù)據(jù)分析、存儲、模型構(gòu)建、知識庫建立、故障告警和智能分析等任務(wù)。

（1）故障告警。數(shù)據(jù)倉庫平臺利用數(shù)據(jù)流處理技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和分析，當檢測到數(shù)據(jù)超出預設(shè)閾值時，系統(tǒng)將立即通過websocket協(xié)議觸發(fā)告警并通知應用層，確保故障發(fā)生時的即時響應和數(shù)據(jù)處理的實時性[4]。

（2）趨勢預測。趨勢預測通過應用機器學習和深度學習技術(shù)，對時間序列數(shù)據(jù)進行詳盡建模，以識別自回歸模式和分類概率，從而預測設(shè)備未來的劣化趨勢和超限故障風險。這一過程不僅為預防性維護和故障預警提供關(guān)鍵支持，還能夠確保預測結(jié)果的存儲和在應用層的直觀展示[5-6]。

（3）健康評估。通過綜合考量軌道電路箱盒的告警次數(shù)、使用年限和過車次數(shù)等因素，并應用FMECA技術(shù)，對軌道電路的健康狀態(tài)進行量化評估，為決策提供有力支持。這種方法有助于精確制訂維護計劃，以提高設(shè)備可靠性和延長使用壽命，確保列車運營的持續(xù)穩(wěn)定[7-8]。

（4）關(guān)聯(lián)分析。關(guān)聯(lián)分析是一種深入探索設(shè)備多種采集參數(shù)之間相互作用的技術(shù)。通過計算這些參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，能夠準確地挖掘各參數(shù)之間存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。該功能可以更加精確地定位設(shè)備性能下降或故障發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為故障排查和維修工作提供有力的

指導[9]。

2.5 應用層

（1）實時監(jiān)測。展示軌道電路變壓器箱盒電參數(shù)、溫濕度和振動的實時采集數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)超過閾值后，系統(tǒng)會將該數(shù)據(jù)標注為紅色[10]。

（2）故障診斷。系統(tǒng)接收告警消息后，通過彈窗方式進行展示，伴有聲音報警。告警初步提示信息包括軌道電路箱盒設(shè)備名稱、告警名稱、告警內(nèi)容、告警時間、告警等級等信息，通過點擊詳情后，可查看發(fā)生異常時間段的數(shù)據(jù)曲線、故障診斷部位，以及維修處理建議等詳細信息。

（3）關(guān)聯(lián)分析?？梢圆榭匆泳€電流的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)曲線和分析結(jié)果。系統(tǒng)會通過曲線關(guān)聯(lián)程度分析出關(guān)聯(lián)結(jié)果，一旦關(guān)聯(lián)關(guān)系出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)將給出異常提示，幫助運維人員提前發(fā)現(xiàn)異常情況，并快速做出反應，即時解決問題。

（4）趨勢預測。系統(tǒng)提供趨勢預測界面，展示軌道電路箱盒電參數(shù)未來三天趨勢預測的曲線變化。當預測到未來三天會超限時，將在系統(tǒng)界面進行重點提示，為維修計劃提供參考依據(jù)，防止故障發(fā)生，保證列車運行的安全性。

（5）健康評估。系統(tǒng)提供健康評估展示界面，展示軌道電路的健康狀態(tài)，以及影響健康的各項指標的信息，對于非健康狀態(tài)的軌道電路將提示信息和建議，為維修提供參考依據(jù)。

3 成果應用

3.1 部署架構(gòu)

系統(tǒng)部署架構(gòu)分為兩個部分，信號設(shè)備室和室外，所有設(shè)備均通過電源屏實現(xiàn)供電。信號設(shè)備室主要包括監(jiān)測主機、平臺軟件、應用軟件；室外設(shè)備主要包括電流互感器、電壓互感器、溫濕度傳感器、振動傳感器、采集模塊、軌旁通信單元等[11]。

3.2 工程實施

系統(tǒng)部署包括室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備，室外設(shè)備負責數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)回傳至室內(nèi)監(jiān)測主機。

（1）室內(nèi)監(jiān)測主機安裝。在信號設(shè)備室安裝監(jiān)測主機，監(jiān)測主機的尺寸大小為600 mm×800 mm×2 350 mm。

與既有機柜并排安裝。機柜內(nèi)部集成有監(jiān)控終端。

（2）室外采集設(shè)備安裝。變壓器箱盒參數(shù)監(jiān)測，將互感線圈設(shè)置在變壓器一二次側(cè)線纜和引接線線纜處。

3.3 應用系統(tǒng)

3.3.1 實時監(jiān)測

實時監(jiān)測界面展示了軌道電路箱盒實時采集的電參數(shù)數(shù)據(jù)，紅色標注的數(shù)據(jù)為超過閾值線的數(shù)據(jù)，箱盒電參數(shù)數(shù)據(jù)通過非接觸式的互感線圈進行實時采集，安裝方式簡單，對既有設(shè)備無侵入，不影響既有設(shè)備的正常運行；互感線圈電流的采集誤差為±10 mA，電壓的采集誤差在±0.2 V，滿足實際需求。

3.3.2 故障告警

故障告警界面展示了告警詳細信息、數(shù)據(jù)曲線，以及故障部位的示意圖。通過展示信息可以快速定位故障位置及原因，并通過系統(tǒng)提供的維修建議和歷史故障等信息，可以快速明確解決問題的方式，極大地提高了故障定位和解決的效率，有效提高了運維質(zhì)量。

3.3.3 趨勢預測

趨勢預測界面展示了長引接線平衡電流未來三天的預測曲線，并給出了預測提醒信息，一旦預測到未來三天數(shù)據(jù)會出現(xiàn)超限情況，界面將給出相關(guān)提示，運維人員以該提示為依據(jù)，將該軌道電路箱盒列入下一個天窗的維修計劃中，在故障發(fā)生前將其解決，提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

3.3.4 關(guān)聯(lián)分析

關(guān)聯(lián)分析界面展示了長內(nèi)引接線和長外引接線電流的實時關(guān)聯(lián)曲線，通過關(guān)聯(lián)曲線界面可以查看關(guān)聯(lián)變化，以幫助運維人員進行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)異常關(guān)系變化，并協(xié)助確定異常變化環(huán)節(jié)。

3.3.5 健康評估

健康評估詳情界面顯示了當前軌道電路狀態(tài)為“需維修”，并提供一級和二級告警次數(shù)等關(guān)鍵評估指標的統(tǒng)計信息。界面還根據(jù)這些影響指標，提供了維修建議。運維人員可依據(jù)這些健康評估和建議信息，考慮下一個天窗期的維修計劃，將重點檢查軌道電路及相關(guān)變壓器箱盒的運行狀況，以消除潛在隱患，確保軌道電路的穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

軌道電路在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測、故障預警、趨勢預測、故障診斷和健康評估等功能。通過對軌道電路進行實時監(jiān)測和故障診斷，系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，減少故障停頓時間，提高列車運行安全和效率。系統(tǒng)能夠評估設(shè)備的運行狀態(tài)和性能，為維護和更新設(shè)備提供決策支持，實現(xiàn)資源的合理分配和有效利用，進一步提升軌道交通系統(tǒng)的智能化和自動化水平，為軌道交通行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

參考文獻

[1]王勇龍，鐘桂東，陳姝，等.鐵路信號設(shè)備故障預測與健康管理系統(tǒng)研究[J].鐵道通信信號， 2022（1）：16-20.

[2]范明明，劉鑫.物聯(lián)網(wǎng)在智能鐵路維護中的應用研究[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用， 2023（10）：84-87.

[3]彭菲桐，徐凱，吳仕勛，等.基于智能優(yōu)化深度網(wǎng)絡(luò)的軌道電路故障診斷研究[J].電子測量與儀器學報， 2024（2）：219-230.

[4]劉瑞丹，董昱.基于ReliefF-Adaboost的無絕緣軌道電路故障診斷模型[J].蘭州交通大學學報， 2023（3）：61-67+78.

[5]李夏洋.軌道電路智能運維技術(shù)[J].鐵路通信信號工程技術(shù)， 2023（S1）：84-86+110.

[6]韓笑.97型25 Hz相敏軌道電路故障診斷流程分析與系統(tǒng)設(shè)計[J].科學技術(shù)創(chuàng)新， 2023（2）：87-90.

[7]Shiwu Yang， Clive Roberts， Lei Chen. Development and Performance Analysis of a Novel Impedance Bond for Railway Track Circuits[J]. IET Electrical Systems in Transportation， 2013（2）： 50-55.

[8]Li B， Wu S， Wang Z， et al. Railway Track Circuit Signal State Check Using Object Detection[J]. Journal of Physics：Conference Series， 2020（4）：042018.

[9]張菊，王若昆.基于FMECA和FTA的軌道電路系統(tǒng)安全性分析[J].高速鐵路技術(shù)， 2016（6）：23-29.

[10]秦歡歡.軌道電路分析和綜合應用[J].信息系統(tǒng)工程， 2019（4）：40.

[11]徐奕.微機監(jiān)測系統(tǒng)在軌道電路故障分析中的應用[J].電子測試， 2017（15）：86-87.