赛教融合背景下轨道交通道岔控制电路故障排除模拟系统研究

赛教融合背景下轨道交通道岔控制电路故障排除模拟系统研究

孙良恒 廖惠瑛 刘改红

成都工贸职业技术学院，四川 成都 611731

摘要：随着国家职业教育的改革，以赛促教、赛教融合越来越受到重视。轨道交通通信信号技术专业人才面向高铁、大铁、城轨、轻轨等行业通信、信号方向岗位，道岔属于核心技能。研究轨道交通道岔控制电路故障排除模拟系统，以各项学生信号技能大赛为参照点，在提升学生竞赛成绩的基础上，以此系统为基础进一步实现日常教学中对道岔控制电路的讲解、故障演示、故障考核并开发实训项目，提升整体教学质量和竞赛成绩，从而实现赛教结合，互相促进的效果。

1、背景与现状分析

（1）背景介绍

在"普通教育有高考,职业教育有大赛"的号召下,职业技能竞赛作为展示职业教育改革发展的重要手段,对推动职业教育教学改革的进程起着不可替代的作用。在日常教学过程中，有机融入竞赛教育方法，是提升教育质量、促进职业岗位和教学有机结合、升职业教育影响力的有效方法^[1]。

道岔控制电路是轨道交通信号系统维修方向的学生职业技能大赛所关注重点和不可避免的问题。研究轨道交通道岔控制电路故障排除模拟系统，主要用于培养学生准确、熟练的进行道岔控制电路故障查找与处理，道岔设备维护及突发事件的应急处理的专项职业能力，以及学生分析、解决问题的严谨态度、耐心细致，精益求精的职业素养^[2]。在实际竞赛训练过程中，符合竞赛实际环境的系统故障维护可用设备较少，导致学生训练次数不够、比赛设备陌生等问题，特别是在其他竞争院校有相应设备或模拟系统的情况下，将严重影响学生的竞技水平发挥。

针对以上问题，以道岔控制电路为切入点，利用将控制电路录入故障排查模拟系统，并参考赛场实际使用软件，开发出一套方便学生训练、实用性强的道岔控制电路故障排查模拟系统。该系统最大化的模拟赛场上故障检修时使用的场景，加强学生训练程度，提升知识和技能掌握情况，从而提高学生竞赛水平。

（2）现状分析

①赛教结合对职业教育发展研究现状分析

职业技能竞赛在多方面促进了职业教育的发展,将技能竞赛与实践教学整合是提高职业教育教学质量的有效途径。我国职业技能竞赛已走过十多年,竞赛项目在逐步精细化过程中,持续推动了教学模式转变和相关专业建设。目前各职业院校在发展过程中，都将竞赛作为重点内容，如何利用好竞赛这个优势，有机的将其与平常教学相结合，也是各大院校正在思考和克服的困难。国内对赛教结合的研究重点在借鉴竞赛助力课程改革、人才培养模式研究、教学模式创新、学生创新能力培养等各个方面，从而提升教学质量。实践证明，赛教融合人才培养模式符合我国当前经济发展中对专业技术技能型人才的需求，更有利于从高职学生特点出发充分调动其学习的积极性。

②道岔控制电路故障排查模拟系统现状分析

目前对道岔控制电路故障研究分为系统检修和人工检修两部分，系统检修主要用于道岔控制系统中，帮助系统实现一定程度的修复。但是，再完美的道岔控制检修系统也存在不能解决的问题，故人工检修也是必不可少的。道岔控制电路故障排查模拟系统适用于人工检修，主要功能是帮助操作者熟悉道岔电路，锻炼其对故障的处理能力^[3]。类似道岔控制电路故障排查模拟系统的系统或软件目前主要存在于道岔设备制造商中，购买其硬件设备的职业院校会有其对应软件设备，但对大部分参赛院校而言，没有此系统，我院在现有条件下开发此系统已成为迫切的事。

2、道岔结构及故障介绍

道岔及其控制设备转辙机结构图如1所示，其动作原理分为以下几步：

图1 转辙机及道岔实物图

第一步：1DQJ（1DQJF）励磁。由1DQJ检查联锁条件，当转换道岔的要求均满足时，1DQJ励磁吸起。因1DQJ接点不够用，增加了复示继电器1DQJF，在1DQJ吸起后1DQJF也励磁吸起。

第二步：2DQJ转极。2DQJ为极性保持继电器，在1DQJ及1DQJF励磁吸起后，即接通2DQJ动作电路，使其转极。2DQJ状态可控制三相交流电源向电机送电的相序，用于控制室外转辙机电机旋转方向。

第三步：室外道岔转换。2DQJ转极后，将室内380V交流电源经断相保护器（DBQ）后送至室外构通启动电路。2DQJ定位吸起时，A、B、C三相分别通过X1、X2、X5向交流电机U、V、W三相送电，使三相交流电机道岔正转；2DQJ反位打落时，A、B、C三相分别通过X1、X4、X3向交流电机U、W、V三相送电，使三相交流电机道岔反转^[4]。通过电机带动道岔解锁、转换到位、锁闭。

第四步：道岔转换完毕。道岔转换到位后，自动开闭器接点转换切断了道岔启动电路，此时BHJ落下，使1DQJ进入缓放状态。《维规》中规定：24V条件下，JWJXC-H125/80型继电器在失磁时缓放时间不小于0.5s^[5]。1DQJ落下后，监测系统停止对道岔动作电流的记录。

需要说明的是，在第三步室外道岔转换过程中，每一牵引点道岔启动电路中均设置了一个道岔保护继电器（BHJ），DBQ检查流过的三相电流值正常且平衡后，输出直流24V电压使BHJ吸起，因此BHJ状态直接反映出道岔启动电路状态：BHJ吸起说明道岔启动电路正常，道岔正在转换中；BHJ落下说明三相控制电路断相，电机停转^[6]。在道岔正常转换过程中，BHJ吸起为1DQJ提供了自闭电路，使1DQJ、1DQJF保持在吸起状态，不间断的向室外送电。若启动电路因故障造成三相电流断电或缺相时，BHJ落下切断1DQJ自闭电路，停止向室外电机送电，起到保护电机的作用。道岔转换启动电路如下图2所示：

图2 道岔启动电路图

通过上述分析道岔动作原理，下面以启动电路出现故障和接点卡阻故障弧线故障为例，介绍道岔故障现象及原因。

（1）启动电路故障及产生原因

故障现象:查看转辙机监测的电流曲线，发现尖一转辙机动作两次，第一次动作电流曲线正常，第二次动作电流曲线记录的时间只有3s左右。尖二转辙机只记录到一次动作电流曲线但是在曲线中存在两个尖峰^[7]。

原因分析:以从反位扳动到定位为例说明，尖二转辙机由反位往定位动作，动作到位后，缺口正常，尖二转辙机组合中BHJ处于落下状态，1DQJ 处于缓放状态,1DQJF处于励磁状态，定位表示还未沟通。随后若再次下达由定位往反位动作的命令，主组合中的FCJ驱动,尖二转辙机组合中2DQJ将按图红色标记线路所示转极,此时1DQJ的励磁电路无法沟通并且1DQJ缓放结束, 1DQJ落下，因此启动电路无法沟通，道岔无法往反位转换^[8]。与尖二转辙机同时刻的尖一转辙机，由于尖一转辙机组合中的1DQJ已缓放结束，1DQJF处于失磁落下状态，此时收到由定位往反位动作的命令后，1DQJ再次励磁吸起，随后1DQJF再次励磁吸起，2DQJ完成转极沟通尖一转辙机的启动电路。但是由于尖二转辙机的启动电路未沟通，尖二转辙机组合中的BHJ没有励磁吸起，此时切断保护电路开始工作，切断尖一转辙机组合中1DQJ的自闭电路使1DQJ落下，从而切断尖一转辙机的启动电路。由于切断保护电路中电容的特性，尖一转辙机的动作将持续3秒左右，随后被切断，这就是为什么在尖一转辙机的动作电流曲线中，会出现一段3秒左右的动作曲线^[9]。尖二转辙机电流曲线中的第二次尖峰是由于，尖二组合中的2DQJ转极后，1DQJ缓放结束导致的。转辙机组合继电器动作电路如图2所示，蓝线为1DQJ的励磁电路，绿线为1DQF的励磁电路，红线为2DQJ的转极电路。

(2)接点卡阻故障

故障现象:转辙机失表示，查看转辙机监测曲线13s后被切断，通过对比分析多次该类故障监测的功率曲线，发现转辙机故障时的功率曲线基本一致，均是在动作到第5s（即将动作到位给出表示）曲线再次达到峰值直到13s后停机结束^[10]。

原因分析:通过转辙机的功率曲线2反馈出转辙机在动作的过程中没有问题，大概率为接点卡阻导致的故障。发生接点卡阻的原因主要有以下几种情况:

a.接点打入深度偏大。ZDJ9型转辙机只有1、4排可调接点的打入深度，2、3排接点的打入深度无法调整（在出厂时已经做定位处理)，然而这两起故障均发生在可调深度的两排接点处。动接点打入静接点的深度过大，会使静接点片对动接点的接触压力增大，有可能导致动接点无法从静接点中出来造成卡阻。标准要求动接

b.接点异常磨损，接触阻力增大。动接点与静接点间的接触不是面接触，而是点接触或是线接触，这会导致动静接点出现异常的磨损，使得动接点和静接点接触时的摩擦阻力增大，极大的增加了接点卡阻现象的发生。

3、道岔控制电路故障排除模拟系统功能介绍

本研究团队自主开发的道岔控制电路故障排除模拟系统分为软件端口分为客户端和教师端（客户端为学生使用）。

（1）客户端分为两种模式：一种是练习模式，登录后可模拟理论题、控制电路故障排除题、配件故障查找处理题，练习完成后自动评分，同时显示正确答案；一种是考核模式，登录后接收教师端发送的理论题或控制电路和配件故障排除题，提交试卷后自动评分，并对客户端组合配线进行导通测试，导通结果自动评分。客户端的培训功能要求：软件能检测学员所施工的道岔控制电路配线是否正确，具有独一窗口明确显示检测过程、结果和得分情况；可进行轨道交通信号工多个题库的理论题练习、考试，软件自动评分；软件能设置、修复电路故障，记录查找时间，对学员修复电路和配件故障结果进行自动评分。

（2）教师端模块的培训功能要求：可连接学生端查看信息（比如：用户名、理论题成绩及时间、故障排除成绩及时间、组合焊接导通情况）；设置考核内容（比如：理论题数量及时间，故障点数量及时间）；考核时，教师设置考核的理论题数量及题库，软件自动从题库中抽取相应数量的理论题形成试卷，教师也可对题库的理论题进行增加、修改或删除；可以管理登录考核系统的用户名及密码；对历次下发的理论题、故障题以及考核结果都有存档功能。

（3）实训功能要求：除故障检测维修培训外，还对系统的设计、施工进行培训；根据给定的车站信号平面布置图、原理图和有关设计要求，设计零层配线图、侧面配线图、室外电缆径路图及全站联锁表；根据给定的组合内部配线图和自行设计的零层配线图、侧面配线图、室外电缆径路图，完成指定组合内部配线、组合架及室外电缆配线施工，配线包括焊接和万可端子接线两种方式。软件能对学员设计并施工的联锁系统进行导通测试，并对测试结果打分。

4、道岔控制电路故障排除模拟系统对赛教结合的促进

（1）对“赛”促进

道岔控制电路故障排除模拟系统功能严格对接轨道交通行业信号方向2019年“捷安杯”竞赛、2020年高铁信号系统维修技术职业技能大赛、2021年全国轨道交通安全应急职业技能竞赛城轨信号工赛项中排故模块，通过模拟竞赛现场，帮助学生提前熟悉竞赛流程和比赛内容，提高专业技能水平。

此外，与道岔控制电路故障排除模拟系统相类似的软件除竞赛举办单位有开发外，同行业其他院校也有自主进行开发，通过现场走访与调研发现在同等情况下，未使用竞赛设备的条件下，有类似道岔控制电路故障排除模拟系统的参赛院校学生有着更佳的竞技综合素养。

综上所述，不难发现道岔控制电路故障排除模拟系统能够提前模拟轨道交通信号工方向赛项的故障排除考核内容，帮助学生熟悉比赛模式，更重要的是促进学生系统掌握道岔电路排故流程，熟练道岔控制电路故障现象及对应故障点，为信号专业培养复合型人才，适应技能型社会需求。

（2）对“教”促进

道岔属于轨道交通中较重要的信号基础设备之一，也是现场中信号基础设备出现故障最多的设备之一，熟练掌握道岔的控制电路及出现故障时的各种现象，有助于学生理解道岔工作原理，促进教学内容与岗位的结合。结合“1+X”证书制度，融入技能竞赛，教学过程实现了“岗课赛证”全过程融入，助力智慧轨道交通发展。

道岔控制电路故障排除模拟系统包含道岔采集电路、驱动电路、启动电路、动作电路、表示电路五部分，对应整个道岔动作过程涉及的全部电路。五部分电路均设有故障点和对应提示的故障现象，学生若想全部快速的找到每个故障点需熟练掌握上述五部分电路走向，并能够快速说出电路图中某点出现断路时在道岔中的表现形式。对此，开发此模拟系统，在教学中即可做理实一体课教学使用，又可以用此软件开发实训课教学，具体作用如下：

首先，电路讲解时。展示正常情况下电路走向和过程，引入道岔控制电路；

其次，展示故障现象。通过设计故障点，使转辙机不能正常动作到位，让学生观察动作过程中继电器动作顺序，加深学生对电路的理解；

然后，故障点训练。教师设置故障点，将学生两人分为一组并请其根据故障现象进行排故处理。该过程能够帮助学生加深对道岔原理的理解，同时在两人一组的合作过程中，能提升学生的团队合作能力。

最后，故障考核。教师设置故障点对学生进行考核，帮助学生和教师掌握学生道岔控制电路的掌握程度，并进行查漏补缺。

5、结论

本模拟系统以轨道交通信号系统维修学生职业技能大赛中道岔控制电路控制系统故障排查为研究对象，参考竞赛实际考核标准，首先对道岔控制电路故障排查进行分析与整理，从而完成对本系统需求分析报告；其次，提取常见典型故障情况并为其制定合适通信协议，选取系统模式，搭建系统框架，做好系统开发前的准备；最后，研究实现技术，开发出本系统。在实现过程中，第一步进行道岔控制电路控制的故障排查进行需求分析，确定系统分类和功能，设计页面布局，完成该系统的整体设计；第二步邀请竞赛评委参与软件设计，对系统功能中涵盖的考核标准及注意事项给予指导，摒弃系统中华而不实的功能，注重系统的整体完善和实用性，按照竞赛环境及考核内容设计系统结构和功能，完善系统结构；第三步邀请企业中软件开发工作人员评审和优化系统框架，增强系统健壮性和稳定性，扩大系统使用性，开发出一套实用性高、性能强、培养学生逻辑思维能力，锻炼学生道岔故障排查的系统，实现竞赛下对学生教育质量的提高。

通过以轨道交通行业赛（通信信号技术专业）中道岔控制电路故障排查为核心，结合轨道交通通信信号技术专业人才培养目标，以学生故障排查能力和专业技能为重点，采用Android语言开发道岔控制电路故障排查系统，实现对学生竞赛水平、专业素养的提升。此外，利用现有的信号基础实训室中道岔控制电路焊接台和道岔控制设备，将其与本系统通信连接完成软硬件联动，体现鲜明的专业性和独创性，从而实现对学生道岔故障排查训练和竞赛水平提升，最终实现提升学生的“职业竞争力”，培养更多轨道交通工匠人才，为实现交通强国梦做贡献。

参考文献：

[1]窦飞.参与高职轨道交通信号竞赛的方法和策略[J].智库时代,2019(24):181-182.

[2] 张明.基于Android的道岔轨件信息查询App[J].铁路计算机应用,2021,30(08):43-45.

[3] 许宾.道岔试验模拟条件在信号工程开通施工中的应用[J].铁路通信信号工程技术,2021,18(08):6-10.

[4] 刘国先.大理站交叉渡线道岔区段动车组B7制动问题分析与处理[J].铁路通信信号工程技术,2021,18(S1):71-75.

[5] 窦磊.9机双动道岔控制电路分析改进及设计要点[J].铁道通信信号,2021,57(08):11-15.

[6]何宗博. 基于深度学习的铁路道岔转辙机故障诊断[D].中北大学,2021.

[7]陈泽涛,郑乐藩.ZYJ7型转辙机道岔启动电路改进研究[J].铁路通信信号工程技术,2021,18(02):104-107.