道岔转换阻力智能监控系统探究

巩芳

随着高铁的建设，车辆提速，对道岔转换要求越来越高，道岔转换过程中的运行可靠性，状态修和维护周期的确定，均需要对道岔转换阻力进行实时在线监测、分析，在道岔转换阻力变化超标后能及时报警，使用户及时发现道岔存在的隐患故障，提早排除，为实现道岔“状态修”提供科技手段。

轨道交通的发展速度和自动化程度显示着一个国家的技术水准，随着经济的发展，轨道交通的优越性愈发显著，我国高速铁路的发展更是日新月异。随着高铁的建设，车辆的提速，对道岔转换要求越来越高。

我国的铁路建设截至2020年底，铁路运营里程14.6万公里，其中高铁运营里程3.8万公里，但承载着线路转换任务的转辙机、道岔日常工作条件十分恶劣，北方零下几十度和南方六七十度的露天，24小时不间断工作，正常工作时存在道岔机械动作摩擦阻卡现象，当外界积尘、缺油等也会造成道岔转换不到位的情况，这些均以为道岔阻力超标造成，根据《铁路信号维护规则》（铁运[2006]127号）技术标准要求，其应道岔转换阻力，电务部门各级单位都极为重视，本着为增强道岔转换过程中的运行可靠性，提高维护效率，需要对道岔转换阻力进行实时在线监测、分析，在道岔转换阻力变化超标后能及时报警，使用户及时发现道岔存在的隐患故障，提早排除，保障道岔可靠锁闭为实现道岔“状态修”提供科技手段，从而减少维护人员上线次数，提升维护工作效率。

我国现有的道岔采集信息系统为微机监测采集系统，以S700K道岔为例：首先对A、B、C三项电源进行电压、电流、波形、相位的采集，通过采集装置传递给信号放大器，然后进入处理电路，将采集信息运算后由计算机进行显示，因设备检测信息通常是运算后得出的，与实际信息相差5%，对于使用频繁并且在运输中承担着重要任务的设备来说5%的误差也足以使运输造成极大影响。所以现场急需一套可以对道岔设备的转换阻力进行检测的系统。能够直接对电动转辙机转换过程阻力进行测量，采用曲线形式展示输出力和扳动电流变化的情况，同时保存动作时间和环境温度等参数信息，能高效分析道岔工况，针对外锁闭摩擦副自动加油装置，实现自动加润滑油的目的，保障道岔可靠锁闭，从而减少维护人员上线次数，提升维护工作效率。

主要能完成：（1） 实现道岔直接道岔转换阻力的实时监测，每次道岔转换均能测量，并生成道岔转换阻力曲线；（2） 组成分布式数据网络，将监测数据上传至站机，各单位均可根据权限查看相应数据；（3） 依据获取的道岔转换阻力曲线数据，通过智能统计分析，根据阻力的变化趋势，运用人工智能算法及专家规则库，准确判断道岔当前工况，并给出早期预警和故障定位，为实现道岔“状态修”提供科技手段。

（一）系统功能

研制一套能较好地适应道岔转换阻力监测需求的系统，同时系统能方便地与现场其他监测系统相结合。系统采用安全可靠、先进成熟、易于扩展维护的技术，实现各项功能要求。道岔转换阻力智能监控装置通过站机软件实现系统功能，站机软件可实现道岔转换过程阻力曲线展示，转换过程阻力超限预告警和统计分析等功能。站机软件通过网络连接到监控装置，监控装置采集转辙机在道岔转换过程中输出力变化的曲线和电机电流变化的曲线，同时保存动作时间和环境温度等参数信息。此外系统还具有对道岔外锁闭注入润滑油功能，根据多种策略进行自动加油，一定程度上降低故障的发生。

系统的可靠性：道岔转换阻力智能监控装置采用技术的可靠性是保证系统稳定可靠的关键，在系统设计和设备、元器件选型方面，充分考虑各方面的稳定性。本系统各设备的安装使用不影响既有设备的正常运行。

系统的实用性：以需求做牵引，注重实效，突出重点，既着眼于长远发展，又强调近期的迫切需求，保证系统的易用性与实效性。

系统的先进性：系统设计综合运用材料科学、计算技术、信号处理技术、通信技术，科学合理构建系统，使系统具有创新性、先进性。

系统的开放性和可扩展性：系統设计遵循开放性，可接入其他系统或管理平台，实现集中管理。设计容量完全满足以后发展对系统扩展的需要。

（二）系统组成

道岔转换阻力智能监控装置由主要由转换力传感器、阻力采集分机、加油主机和加油装置等设备组成。站机采用工业控制机，运行站机软件，通过交换机和通信设备控制阻力监测分机，下发阻力数据采集指令。监测分机内置智能控制器，根据道岔转换或者过车信号，采集转辙机在道岔转换过程中输出力变化的曲线和电机电流变化的曲线，同时保存动作时间和环境温度等参数信息，等待站机软件下发指令获取。

（三）阻力监测分机

阻力监测分机内置有强大的ARM处理器和载波通讯模块，主要完成站机控制指令处理，阻力和电流数据采集等功能。面板的指示灯主要用于指示网络通信状态和工作状态。

采集分机主电源由ACDC模块提供，220V输入，12V输出，15W功率。根据应用需求，分出5V，3.3V和3V，5V用于阻力传感器供电，3.3V用于MCU供电，3V提供给电流采样电路。采集分机与阻力传感器通信通过RS232信号实现，在采集分机和阻力传感器端均带有RS232接口电路，可实现TTL电平到RS232电平的转换，采集分机通过RS232下发命令给传感器，传感器将数据返回。

电流采样电路采集端采用5A/5mA的交流互感器，板端采用LM224和外围电路组成，输出模拟量，接入MCU AD转换IO，进行模数转换，得到电流数值。板级主芯片为LM224，该芯片包含四路运算放大器。

（四）电源

采集分机主电源由ACDC模块提供，220V输入，12V输出，15W功率。根据应用需求，分出5V，3.3V和3V，5V用于阻力传感器供电，3.3V用于MCU供电，3V提供给电流采样电路。

（五）站机及软件

站机软件上可显示设备的状态、油量数据、自动或手动注油记录、油位趋势和预告警信息、阻力历史曲线和阻力日统计曲线。

通过曲线可看到道岔转换过程中阻力和电流变化的情况，并可将曲线分阶段进行展示，分为解锁前、解锁、转换、锁闭和锁闭后五个阶段，方便扳动过程中阻力数据的分析。站机软件提供阻力数据日报表统计功能，可查看全站设备或单个设备的某天阻力定反位变化方向的最大值、最小值、平均值、温度及当天的扳动总次数；支持多机时序对比功能，可对比同一个设备组下多个设备扳动时序的一致性；可以记录不同用户对阻力监测相关功能的操作记录具备阻力超限报警功能；当采集到的阻力曲线数据（扳动、过车）大于设定的阈值时，软件自动记录报警信息，可在当前预告警信息栏及历史预告警记录中进行查看，并在站场图中展示出来，预警为橙色，告警为红色；具备阻力超限报警功能，当采集到的阻力曲线数据（扳动、过车）与设定参考曲线对比偏差超过设定值时，软件自动记录报警信息，可在当前预告警信息栏及历史预告警记录中进行查看，并在站场图中展示出来。同时兼具：设备状态查看、油量数据查看、自动或者手动注油数据记录查看及油位起势查看和预警、告警查看功能，可以通过站机软件下拉菜单实现。

（六）关键技术

实现实时连续监测：本系统实现了道岔转换过程中阻力曲线的实时采集，无需天窗点现场测量和替换螺栓，提高了测量效率，节省了维护人力。可实时观察扳动过程中的阻力变化趋势，及时给出预告警信息。

在站机软件中以天为单位展示当天的道岔转换情况，根据颜色区分定反位不同方向。如果出现摩擦卡阻的情况，曲线采集时间在列表中标红处理，加以区分。

铁路道岔转换阻力监测系统可对提速道岔转辙机的转换力实时监测。通过设置参考曲线， 该系统直观地反映阻力的变化趋势，预知道岔动作状态发生的变化，提前发现道岔的卡阻点或将要产生的故障点，储存记录道岔转换阻力曲线，并通过电务微机监测网络自动给出预/报警信息，为维修人员提供道岔运用状态信息，加快道岔设备计划修向状态修（预防修）的步伐，提高道岔设备维护的有效性、科学性，提升现场作业效率和安全。

作者单位：南京铁道职业技术学院