地铁道岔转辙机辅助维修系统的研究开发

2015-01-01李宏辉陈慧彬

铁道通信信号 2015年11期

张滔曾成李宏辉陈慧彬

转辙机作为道岔控制系统的执行机构，是通信信号系统的重要设备。然而在地铁现场应用中，由于缺乏良好的诊断和决策系统，给维护人员判断处理故障带来一定困难。本文结合地铁道岔S700K转辙机三维仿真及评估系统，在其中的辅助维修系统开发中，研究了不同维修模式下的故障诊断技术，并运用计算机虚拟现实技术，将辅助维修系统中的故障推理与解释融为一体。

1 辅助维修系统的开发

地铁设备在运用过程中，目前主要有2种维修模式：一种为故障修，即在设备出现故障后，检修人员及时赴现场对设备进行必要的维修；另一种是预防性维修，检修人员按照检修规程，有计划地开展设备维护。这2种维修模式在处理各自遇到的故障时，所依据的经验与知识有所不同。在故障修模式中，检修人员通过查看故障代码，可以参考设备产生故障代码的逻辑或提示，加上检修人员积累的经验，逐步检查就可发现故障原因。而在预防性维修模式下，大多数情况是发现设备的某些功能状态不良，称之为故障征兆。在转辙机这样的复杂设备中，故障征兆与故障原因之间没有明确的对应关系，一种故障征兆可能是由多种原因引起，而一种原因引起的故障可能会产生多种现象。这样的故障征兆大多时并不会引起设备功能丧失，但是如果不加以及时的维修保养，在一段时间后则会演变成影响功能的严重故障。正是转辙机故障的多样性、不确定性以及各种故障之间联系的复杂性，导致预防性维修的确定性。

为了更有针对性的快速识别故障模式和潜在风险，本文提出2种故障诊断技术：针对故障修模式，采用基于故障树的诊断技术；针对预防性维修中的故障征兆，采用模糊诊断技术。

图1 故障处理流程图（以故障代码S10、S11、S16为例）

图2 S700K故障树图1

1．1 故障修模式下的故障树诊断技术

通过现场对S700K的故障模式进行研究，同时对转辙机系统的外围控制电路进行最小维修单元（可更换单元）的划分，确定现场需要检查维护的最小元器件以及相对位置，进而确定科学的检查顺序及步骤。故障处理流程如图1所示。

同时，对S700K转辙机系统进行故障树分析，收集S700K系统的故障模式。图2、图3以道岔报故障代码S11故障为例，专门针对维修问题进行故障树展开。从展开的故障树可以明确每种故障的机理，为故障辅助维修系统的设计提供模型基础。

通过建立S700K系统故障树，进而将每种故障模式的处理步骤分解。同时，结合实际故障出现的概率不同，将概率高的分支置前，将概率低的分支置后，将这样的故障树模型导入知识数据库中，就可以使故障辅助系统查找到故障发生后的正确、快捷地处理途径。当操作人员输入故障现象及所报的故障代码到图4中的操作界面后，系统将通过查询故障树知识模型，优先生成高概率事件进行判别，从而形成处理该故障的最快捷诊断决策。

1．2 预防性维修模式下的模糊诊断技术

图3 S700K故障树图2

预防性维修模式下的故障模糊诊断系统设计结构如图5所示。检修人员输入指定的故障主题，再根据现场实际情况输入故障征兆（x1，x2，…xm），通过现场经验及调试结果，各个故障征兆将转化为带隶属度的模糊向量X＝μx1，μx2，…μxm，而在此故障主题下，对应有y1，y1，…ym故障原因，故障原因为带隶属度的模糊向量Y＝μy1，μy2，…μyn。X与Y的模糊关系为Y＝XoR。

图4 基于故障树的故障诊断操作界面

图5 故障模糊诊断系统结构

例如以 “转辙机动作异常”为故障主题，故障征兆论域：｛x1工作噪音异常；x2动作杆／表示杆抖动；x3电机摩擦连接器不稳定；x4传动机构温升异常；x5转换动作无力｝。故障原因论域：｛y1丝杆润滑不当；y2电机配线虚接松动；y3箱体进水受潮；y4仔细检查电机是否机械受损；y5暗锁机构松动；y6摩擦连接器调整问题；y7检查及内外有无卡阻｝。

根据现场检修专家的经验和统计方法，综合评定故障征兆与故障原因的密切程度，并经过反复调试，建立故障模糊矩阵，最终总结出如下转辙机动作故障模糊关系矩阵R：

最后，通过选取合适的模糊算子 “o”，通过模糊关系运算，即得到故障原因的带隶属度的模糊向量Y，再将超过设定阈值的隶属度μyj所对应的故障原因yi筛选出来，将故障原因及处理方案通过人机接口显示给用户，同时解释机构对每一项检查操作通过人机接口进行解释说明。

2 辅助维修系统与虚拟现实技术的结合

为了实现在虚拟场景中对转辙机进行故障诊断及处理指引，需要对S700K转辙机进行计算机3D建模，本文采用虚拟现实软件Unity 3D和三维制图软件相结合开发。先用Solidworks和3DMax软件制作出转辙机的零件图和操作动画，并将其导入到Unity 3D软件中，使用Java实现三维场景与故障辅助维修系统中的故障解释机构交互，再配合文字描述，更加形象的展现了故障处理流程及诊断结果，利于检修人员快速做出判断。