铁路信号设备故障诊断方法研究

铁路信号设备故障诊断方法研究

杨浩然,王鹏飞

国铁路呼和浩特局集团有限公司呼和浩特电务段卓资山车间,内蒙古010000

摘要：当前，随着国内轨道交通信息技术的快速发展，轨道交通装备也向着网络化、数字化和智能化的方向迈进，各信号子设备的可靠性也越来越高。铁路的迅速发展提高了铁路安全运输的要求，如何保证设备运行的安全已经成为铁路维护部门的重点问题。随着铁路信号的复杂度上升，铁路信号出现故障的概率也逐渐提高，如果未及时发现与调节铁路信号的故障，会导致铁路运行期间出现安全问题，对经济与民生造成巨大损失。因此，提高对铁路信号的监测水平与故障诊断能力，对铁路的安全运行具有重要的意义。

关键词：铁路；信号设备；故障诊断

引言

现代化铁路信号系统是集系统化、功能化、标准化于一体的完善的控制系统，它包含了众多独立的功能单元，同时各个单元之间又相互关联、信息互通，形成了复杂的网络化结构，随着信息技术的不断发展，实现数据网络化管理、资源共享已经成为现代化企业管理的客观要求和必然趋势。信号设备统计更要适应信息化应用需求，告别过去统计周期长、实时性差、数据无法共享等缺点，运用科学的统计方法和手段，及时、准确地整理设备信息统计资料，真实反映设备现状。建立以数据库为中心的信息系统，提升数据的可靠性和准确性，降低统计人员的劳动强度，扩大数据的应用范围，形成统计数据资源共享，为信号设备维修养护、故障处理、领导决策提供数据来源。

1铁路信号设备故障文本特征数据描述

在得到铁路信号设备故障文本信息后，为方便后续对设备具体故障问题的诊断，需要结合数学思想对文本特征数据进行描述。引入TF-IDF文本特征表示方法，该方法的基本原理是如果某一份文本信息中有一个单词较多，而另一份文本信息中该单词较少，则说明该单词在文本中的识别率较高。针对这一类型单词赋予更高的权值。在实际应用中，利用TF-IDF文本特征表示方法，从信号装置故障文本中抽取特征，必须先进行中文分词。由于本文设计的诊断方法主要针对铁路信号设备，在信号设备故障文本信息当中，通常包含多个相关专业的术语词汇，例如“红光带”“密贴器”等。因此，为确保对文本特征的有效识别，为其建立专用词库，并将其载入到Jieba分词软件中，以保证故障文本的正确分割。由于故障问题出现时，按照其故障程度可划分为多种故障等级，以此可采用One-Hot编码方式得到相应的特征矩阵，包含故障一级类别特征矩阵、故障二级类别特征矩阵等。

2铁路信号设备故障诊断方法

2.1建立铁路信号设备故障诊断模型

将铁路信号设备故障诊断模型划分为三个基本层次，分别为特征层、类型层和原因层。其中类型层为一级故障层，原因层为二级故障层。故障特征层是通过对故障文本信息特征数据进行分析，得出的故障特征，通过对线路的结构和专家的经验，得出故障类型，由故障类型层次进一步细分，得出多种铁路信号设备，例如轨道电路、电源屏、道岔、信号继电器等设备的特定故障位置。再结合故障传播的基本原理，对上述构建的铁路信号设备故障诊断模型进行如下说明：（1）将二级故障看作为一级故障出现的基本原因；（2）一级故障和二级故障都能够代表某一铁路信号设备故障的具体特征原因；（3）所有一级故障都是相互独立的，不存在连锁反应，即当某一个一级故障产生时，不会牵动另一个或多个一级故障发生；（4）所有二级故障都是相互独立的，不存在连锁反应，即当某一个二级故障产生时，不会牵动另一个或多个二级故障发生。在上述铁路信号设备故障诊断模型的基础上，对每个故障类型属性进行归类，由此可以进一步明确故障特征层、故障原因层和故障类型层之间存在着因果联系。为了进一步提高故障诊断模型的适用性，将综合学习的方法引入到该模型中，使得该模型具有多个弱监督学习能力。将基于BiGRU和BiLSTM神经网络的铁路信号设备的故障诊断模型进行了研究。在此基础上，将所获得的特征向量分别输入到BiGRU和BiLSTM网络的嵌入层次，将两个特征向量的分类预测概率分别输出给软件层，最后将两个特征向量的预测结果进行综合，将其预测结果输出至深度融合模型。

2.2铁路信号工程互提资料智能设计系统

软件工程在多年的发展中，产生了成百上千种软件架构，结合信号工程设计软件的特点，采用MVC架构模式。MVC架构模式的核心思想是“将应用程序的输入、处理和输出分开”。MVC架构按功能将应用程序被分成三个核心部件：模型、视图、控制器，它们各自处理自己的任务，各对象间的耦合程度减至最小。该模型中三大部件各司其职，相互隔离，如果其中一个部件的需求发生了变化，就只需要更改相应部件中的代码而不会影响到其它部件，极大地降低了系统的耦合程度。该架构模式的模型与控制器和视图相分离，所以很容易改变应用程序的数据层和业务规则，使该架构模式的软件有足够的灵活性去应对需求变更。MVC架构模式中，三大部件按系统功能分开，熟悉用户交互和系统界面的开发人员可以进行视图部件开发，对业务熟悉的开发人员可进行模型部件开发，其它人员可以进行控制器部件的开发，提高开发效率。

2.3基于数据挖掘的铁路车站信号平面布置图信息提取

铁路车站信号平面布置图反应了车站内信号设备的属性、位置、逻辑及各种约束关系，是车站计算机联锁系统开发、施工、运营维护的重要依据。不同铁路设计单位的设计人员采用AutoCAD设计的车站信号平面布置图，数据格式差异大，使得在计算机联锁系统开发和车站信号相关应用中无法直接利用图纸数据，须再次人工编制数据或通过辅助软件得到站场数据，影响信号设计软件面向车站信号平面布置图的通用性。为解决上述问题，（1）图形数据读取。从AutoCAD的数据交换DXF格式的组码中解析出图例数据，判断图例是否为组合数据，若是则读取图例组合块数据，若否则读取圆、圆弧、直线、多段线、填充和文字等基本图形数据。（2）基本图形预处理。通过递归方式读取组合块格式中的图形数据，省去聚类的步骤。图形数据中多段线分解成直线、填充，圆弧合并成圆，消除格式混乱。去除长度超过阈值以上的圆弧和直线，提取目标图形数据。（3）图形数据聚类。将交叉、包含、相切、相离的图形关系转换为数据位置距离关系，使用聚类算法对图形数据进行可达性聚类，形成图形组。（4）图形组分类。以图形组的数量关系、尺寸关系、连接关系为提取特征，在标准库下训练出对图例分类的算法，对待识别的图纸进行应用检验。

2.4基于光纤光栅传感技术和卷积神经网络的铁路信号调节方法

光纤光栅是运用紫外激光照射使粒子相互作用并使纤芯规律或不规律分布的结构，有利于组建各种传感网络。采用光纤光栅传感技术可快速发现铁路的异常信号，为后续的调节处理提供基础。通过传感器可以接收到铁路信号，并按照信号实际情况发出告警。光纤光栅振动传感器具有抗电磁干扰、耐高低温、耐腐蚀、灵敏度高、长期稳定性好，寿命长、精度高等优点，其反射波长与振动幅度呈线性关系，适用于临时或永久性监测，易于组建分布式传感网络，采用表面安装方式。

结语

总之，当前，为规范智能高铁的建设和运维，仅有体系架构顶层设计这一标准是不够的，亟需制定云计算、大数据等新一代信息技术的相关标准，以期为智能高铁信号系统一体化方案更好地应用新一代信息技术提供支撑。

参考文献

[1]李红侠.京张高速铁路智能化技术应用进展[J].铁道标准设计，2021，65（5）：158-161.

[2]李红侠.我国智能高铁自动驾驶技术应用进展[J].铁道标准设计，2019，63（6）：151-155.