铁路道岔故障诊断及显示系统的设计与实现

唐维华 李德敏

1(东华大学信息科学与技术学院 上海 201620)2(卡斯柯信号有限公司 上海 200040)

0 引 言

道岔是铁路上使用的重要信号设备。在实际的操作过程中，由于要注意的参数信息繁多，导致操作人员经常出现操作失误。因此，设计一套完善的道岔故障诊断系统，帮助操作人员准确地判断道岔设备的状态，并及时地处理出现的道岔故障，具有非常重要的意义。

随着铁路的高速发展，国内外在道岔系统的故障诊断上都取得了长足的进步。目前，道岔故障诊断的方法大致上可以分为两类：

1) 基于模型解析的方法。文献[1]借助道岔转速等参数，通过建立多项式函数模型对道岔故障进行诊断。文献[2]通过比较故障模式和正常模式下静态参数的区别，识别故障的模式。文献[3]采用FTA(故障树分析法)对道岔空转故障建立故障树，并对其进行相关的分析。文献[4]采用Fisher准则函数和主成分分析的方法，对提取的特征进行矢量量化处理。

2) 基于分类方法。测量信号并进行相应的处理来学习故障模式集并识别未知的故障模式。从这些故障样本实例中通过经典的分类算法得到故障样本(模式)的分类集，分类集经判别算法可以对样本的未知的故障模式进行判别和归类。经典的分类判别算法可以结合Bayes判别法和设定判别阈值(用以确定判别未知样本与已知经验样本的匹配精度)等技术组合实现[5-6]。在文献[7]中，构造了故障状态特征集(用8个电气故障特性的参数反映)，并建立了三层BP神经网络。在文献[8]中，采集了道岔的电流曲线相关参数，并基于FOA-LSSVM建立高铁提速道岔故障诊断。

本文基于长短期记忆模型(LSTM)，用于从原始电流序列中自动提取特征，并根据特征利用神经网络分类器(neural network classifier，NNC)，对道岔动作电流曲线进行故障识别，从而提高了道岔故障诊断系统的准确性。

1 总体架构设计

道岔故障诊断系统是方便用户掌握道岔装置运行状态的一套支持系统，其系统框架结构如图1所示。

图1 故障诊断系统框架结构

道岔故障诊断系统的主要功能如下：

1) 设备状态远程监视子系统。包括转辙机各环节的设备运行状态的采集，在运行控制中心实现对转辙机设备运行状态的远程集中监视，记录实时数据，形成历史曲线，方便操纵人员观察参数变化趋势，为事故总结分析提供依据。

2) 故障诊断子系统。对运行数据自动进行实时在线分析，采用LSTM模型，从原始电流序列中自动提取特征，并结合神经网络分类器进行故障诊断。

3) 故障诊断报告生成子系统。引导操纵员分析判断道岔安全状态出现异常的具体原因和部位，同时针对每一个诊断结果给出相应的处置意见和操作步骤。

1.1 设备状态远程监视子系统

故障诊断系统使用RS485总线连接控制系统和转辙机，实现设备之间的通信。为保障设备电流序列的正常采集，本文考虑两个层次的问题：通信链路状况和通话管理。

1) 通信链路状况。在控制系统硬件电路(非本文研究，不作阐述)中，对电源做电气隔离排除数据传输信号干扰。除此以外，还需要考虑链路发生异常或者损坏情况，为此，本文的故障诊断系统对串口进行通信的双方设置两个标志位，分别记录主站发送数据失败和主站接收数据失败的情况，并以日志的形式记录下来。借助日志分析了解系统的运行状况，从而实现系统的自检，及时发现并处理系统异常状况。

2) 转辙机道岔装置的通话管理机制。在转辙机道岔装置控制系统中，转辙机道岔装置通过RS485总线的串口方式复用DMA(Direct Memory Access)功能与远程上位机通信连接。每个转辙机道岔装置状态采集板在发送状态数据之前根据已定义消息报文的数据协议，消息报文的长度是确定的。转辙机道岔装置状态采集板在发送完消息报文给DMA端口后即中断通信握手，因此可以通过检测DMA端口的中断与否得知道岔装置状态采集板的消息报文(数据)是否已发送。

转辙机道岔装置状态采集控制系统中，远程监控访问转辙机设备对应端口实现通话管理任务的机制如图2所示。通话管理任务机制基于状态变迁实现，为下一步Petri 网的正确性验证提供了基础。

图2 转辙机道岔装置的通话管理任务视图

转辙机道岔装置的通话管理机制，即状态变迁执行过程概述如下：

(1) 检测周期开始道岔处于Port-Idle空闲状态。当发送任务执行时，如果通信上位机发送数据失败，则把链路故障记录保存到日志中。如果任务状态机由Bind状态变为Check状态，则需要检查绑定的通信端口有没有被占用。

(2) 如果端口被占用了，则跳转到Port-Idle状态；如果通信端口没有被占用，则通话任务会把转辙机道岔装置一个检测周期内的状态数据发送的通信地址、端口号和数据的长度告知、跳转Schedule状态。

(3) Schedule检查接收到的当前帧，如果发现帧错误了，就会设置Receive Error异常，并把异常状况保存到日志中，同时跳转到Unbind状态。

(4) Schedule判断任务的执行时间是否已经超时(Timeout)。如果已经Timeout，则发送错误并把错误保存到日志中，跳转到Unbind状态；如果没有Timeout，则跳转到Unbind状态。

(5) Schedule任务拿到接收的地址、端口号和数据(报文)长度，跳转到Receive状态。由Receive任务把接收到的数据返回给主站后跳转到Unbind状态。

(6) 在一个扫描周期内，通话任务会始终处于Bind状态。一旦得到步骤2通信端口且没有被占用，跳转到Schedule状态。

(7) 如果任务处于Unbind状态，则无论任务是否成功执行，都会释放占用的端口。

1.2 故障诊断子系统

交流转辙机的驱动模块和转辙机室外动作电路的连接如图3所示，其中模块直接连接到转辙机的X1-X5上，而X1-X5的状态可以通过测量A、B、C三相电流的大小以及相位与动作时间，分析出转辙机动作电路的工作状态和各种可能的故障原因。

采用LSTM模型对A、B、C三相电流的所有数据进行训练，自动进行特征提取，对每种故障类型进行精准的预测，从而避免了人工方式提取特征并不能包含原始曲线的所有信息导致很多很重要的信息丢失的缺点，具有提取一些和最终结果具有很强相关性的隐含特征的优点。为了让LSTM提取出的特征组合出更复杂的特征以提高预测精度，利用softmax分类器设置最终需要诊断的故障类别个数，它会将节点的输出值通过计算转换为概率，从而确定出故障类别[9]。LSTM进行特征提取的伪代码如下：

1. 输入：X1,X2…,XT/0.04

2. 输出：提取的特征向量

3. LSTM初始状态权重初始化

5.fk=σ(Wf·[hk-1,Xk]+bf)

6.ik=σ(Wi·[hk-1,Xk]+bi)

9.ok=σ(Wo·[hk-1,Xk]+bo)

10.hk=ok*tanh(Ck)

11. End For

12. 输出hk即为最终的特征向量

1.3 故障诊断报告生成子系统

故障诊断报告生成子系统会将诊断出的故障结果，先整合成符合模板标准的诊断报告，然后发布给电务监督系统，由电务监督系统生成派工单通过人机交互界面展示给维修工程师(电务监督系统是另一个独立系统，与本文无关不加讨论)。回放道岔曲线界面实现回放时显示道岔设备故障状态下的动作曲线，回放显示功能的概要设计如图4所示。

图4 回放显示功能概要设计图

2 运行实例

道岔控制中心故障诊断系统记录并显示设备运行数据，主要字段包括设备运行日期、时间、设备号、操作性质、运行数据和运行状态等，同时支持文本、自动图形绘制这2种查看的方式，如图5所示。

图5 设备状态实时监视

故障诊断系统生成的诊断报告如图6所示。可以引导操纵员判断道岔安全状态出现异常的具体原因和部位，同时针对每一个诊断结果给出相应的处置意见和操作步骤。

名称【14063】道岔定到反操纵后未动作:1DQJ未吸起(单操)报警描述当计算机联锁不送DCJ、FCJ给监测时,使用该逻辑。如果送了DCJ、FCJ优先用DCJ、FCJ码位逻辑。1)人工单扳道岔(联锁送的单操按钮);2)道岔和所在区段均不处于锁闭的状态;3)本机1DQJ不吸起;4)多机联动的道岔,例如同尖/心轨的前机1DQJ没有吸起,后机不再报警相关电路维护建议1)请查看DCJ/FCJ是否动作;2)如DCJ/FCJ未动作,则是联锁系统问题,MMI单操行为未驱动DCJ/FCJ;3)如DCJ/FCJ动作,则是1DQJ励磁电路问题,请从KZ至KF依次逐段查找电路中故障点。→更换故障继电器或配线

图6 故障诊断报告

3 结 语

本文分析了道岔装置对运行支持系统的需求，提出了针对性的设计方案。主要特点体现在以下3方面：

1) 对数据采集通话管理进行了状态设计，将系统功能模块化、状态化，保障了系统的可用性；

2) 采用机器学习方法避免了人工方式提取特征并不能包含原始曲线的所有信息导致很多很重要的信息丢失的缺点，具有提取一些和最终结果具有很强相关性的隐含特征的优点，以便最大程度地提高准确性；

3) 采用符合操纵员运行操纵经验的表达方式，快速、直观、敏锐地感知装置出现的异常运行状态，对报警进行描述并给出相关电路和维修建议，提高对装置运行状态的评判效率，减少误判断。