信号设备智能故障诊断和健康管理系统

王天鸣、王剑生、景渊

（1.国家铁路局装备技术中心，北京 100070；2.北京铁路局集团公司北京电务段，北京 100077）

1 铁路信号设备组成和各系统设备与集中监测通信内容

铁路信号设备主要由轨道电路、道岔、信号机、调度集中系统CTC、计算机联锁CBI、列控中心TCC、电源屏、无线闭塞中心RBC、临时限速服务器TSRS、信号安全数据网、信号集中监测、道岔缺口监测等组成。

铁路信号集中监测（简称集中监测）实时监测信号设备的主要电气特性和应用状态，当电气特性超限或信号设备不能正常工作时，应及时预警或报警。集中监测的智能分析是一个开放性平台，具有自动报警和用户自定义报警设置功能。

集中监测能够对车站信号设备的电气特性模拟量参数、开关量参数（按钮状态、关键继电器、区间轨道及信号机状态）进行实时监测、记录，并存储数据；通过查看、分析各信号设备曲线，可及时发现设备的电气特性变化，查找、处理设备隐患，提高信号设备质量；信号设备发生故障时，可记录故障信息，并结合历史数据进行综合故障分析，指导故障处理，实现历史故障综合管理与分析；对25Hz 轨道电压和相位角、ZPW2000 轨道电路发送电压和接收电压、智能电源屏电压、信号机灯丝电流、站联电压、半自动闭塞电压等曲线进行分析，发现异常及时处理，可确保设备工作良好；对道岔表示电压、动作电流与功率曲线存在的问题进行分析，保证道岔转辙设备应用质量符合标准；对电缆设备绝缘进行测试，及时整治、更换电气特性不达标的电缆；利用电源接地功能对电源系统进行人工测试，对绝缘不良的电源及时进行整治[1]。

目前，与集中监测接口的系统有调度集中系统CTC、计算机联锁CBI、列控中心TCC、电源屏监测单元、ZPW2000 维护终端、智能灯丝报警、ZPW2000 轨道诊断主机、道岔缺口监测等信号电子系统设备，各系统与集中监测的物理连接见图1[2]。

图1 各系统与集中监测的物理连接

各系统设备与集中监测通信内容如下：

调度集中系统：站场表示开关量信息、CTC 自身设备性能信息、报警信息等。

计算机联锁系统：站场表示信息、按钮状态信息、计算机联锁各设备状态信息、各种报警和预警信息等。

列控中心：TCC 硬件平台状态数据、TCC 与联锁接口进路信息、区间方向信息、TCC 站间边界信息、发送给联锁的无配线站区间方向口信息、TCC 临时限速状态、轨道区段编码信息、TCC 设备维护报警、区间状态信息等[3]。

电源屏监测单元：系统输入模拟量、系统输出模拟量、系统状态信息、系统报警信息、电源屏输入电压突变曲线、UPS 模拟量、UPS 报警信息、电池模拟量、电池报警等。

ZPW2000 维护终端：客专通信盘状态、区段设备状态信息、区段占用状态信息、区段模拟量信息、客专通信编码ZPW2000 区段接收TCC 编码控制命令、采集分机状态、报警信息等。

智能灯丝报警：具体到灯位的灯丝报警信息。

道岔缺口监测：道岔缺口最新值与图像、缺口报警、预警及图像/视频信息、道岔操纵时、过车时视频时间列表及视频信息、油压曲线和油位信息、采集设备状态信息等。

ZPW2000 轨道诊断主机：诊断主机报警信息。

2 无线闭塞中心RBC、临时限速服务器TSRS、信号安全数据网、动环监测介绍

无线闭塞中心RBC 根据CBI、TSRS、相邻RBC、CTC、车载等设备提供的信息，生成列车行车许可等控制信息，通过无线通信的方式实现车地信息双向交互，控制列车安全运行。临时限速服务器TSRS 具备对全线临时限速命令的设置、取消等功能。信号安全数据网是保证车站、中继站、线路所间（TCC、CBI）和中心（RBC、TSRS）间安全信息的可靠传输。动环监测是用于监测信号机房温湿度、空调工作状态等，提升机房运维管理效率。

3 集中监测应实现与RBC、TSRS、信号安全数据网、动环监测等接口，实时传输报警信息

集中监测和RBC 接口见图2。

图2 集中监测和RBC 接口

RBC 与集中监测通信内容：RBC 设备工作信息、RBC 外部接口状态、列车信息、临时限速信息、RBC收到联锁发送给RBC 的信息、RBC 设备报警信息等。

集中监测和TSRS 接口见图3。

图3 集中监测和TSRS 接口

TSRS 与集中监测通信内容：TSRS 设备工作信息、TSRS 报警信息、临时限速状态、重要记录信息等。

集中监测和信号安全数据网接口见图4。

图4 集中监测和信号安全数据网接口

信号安全数据网与集中监测通信内容：实时动态监控网络和设备的运行状态。

集中监测和动环监测接口见图5。

图5 集中监测和动环监测接口

动环监测与集中监测通信内容：信号机房环境温度和湿度、空调运行状态、烟雾、水浸、门禁及玻璃破碎或者碎裂开关量。

4 ZPW-2000A 轨道电路智能诊断系统和LBE300 蓄电池组健康管理与智能维护系统

4.1 ZPW-2000A 轨道电路智能诊断系统

该系统是基于轨道电路理论分析、系统仿真和多年应用经验总结开发的系统，其核心是故障诊断算法。智能诊断系统通过对室内和室外11 个监测点上采集的电压、电流的分析和处理，当判断轨道电路出现电压、电流异常波动或出现红光带时，进行故障诊断，确定故障点（约60%的故障能够准确指向单点位置，无需二次查找），并向控显设备输出故障诊断结果和处理建议。

4.1.1 实时在线故障诊断功能

ZPW-2000A 轨道电路智能诊断系统具备实时故障预警和故障报警功能。当轨道电路区段没车占用而出现电压、电流异常波动时，可自动分析、判断引起电压、电流异常的区域，并进行故障预警；当轨道电路区段出现异常红光带时，可自动分析、确定引起红光带的故障区域，进行故障报警。

4.1.2 历史数据故障诊断回放功能，通过查看历史数据曲线，可以手动选择查看任意时间的数据，并进行故障分析和定位，给出故障预警或报警信息。

4.1.3 数据和报警信息回放功能，通过导入历史数据，对该时段的故障报警信息和内容进行再现和回放调阅。

4.1.4 故障诊断和定位功能，ZPW-2000A 轨道电路智能诊断系统在现场数据采集点不同组合配置：包括室外监测设备、室内模拟网络电缆侧电流、室内模拟网络设备侧电压不配置的条件下，均可实现故障诊断功能。故障诊断系统可实现11 段的故障预警和故障报警功能，11 段区域包括：

（1）室内发送端方向切换电路区域；（2）发送端模拟网络；（3）室外发送端电缆通道；（4）室外发送端调谐区、调谐匹配单元；（5）发送端调谐匹配单元钢轨引接线；（6）主轨线路；（7）接收端调谐匹配单元钢轨引接线；（8）室外接收端调谐区、调谐匹配单元；（9）室外接收端通道；（10）接收端模拟网络；（11）室内接收端方向切换电路区域。11 段区域示意图见图6。

图6 11 段区域示意图

4.2 LBE300 蓄电池组健康管理与智能维护系统

该系统能够快速检测出失效蓄电池，对蓄电池性能变化趋势进行预测，对失效的蓄电池进行修复和均衡，预防过充、欠充等现象，提高蓄电池使用寿命。此外，均衡装置通过以太网或RS485 通信接口，可将采集到的数据上传至信号集中监测系统，由信号集中监测系统进行数据储存显示，实现了正确预测蓄电池组性能的智能化、网络化管理。

4.2.1 在线监测功能，系统通过均衡装置实现对单体电池电压、内阻、健康度，电池组电压、电流、剩余容量、健康度、不均衡度、均衡活化状态、环境温度等各项数据的采集，显示超标报警、存储及后台通信数据。同时，还可实现在线自动监测每节电池电压、内阻、健康度等内容，实时监测电池组各项参数。

4.2.2 在线均衡功能，采用自主专利的电量无损转移技术，将高电压电池电量转移到任何一节低电压电池，从而实现电池电压均衡。

4.2.3 在线活化功能，在线活化单节电池，确保蓄电池处于良好状态，能延长2 倍以上蓄电池组的运行寿命。

4.2.4 告警功能，对电池内阻、电压、温度、健康度等超限进行实时告警，报警阈值可自由设定，可自动存储报警信息及单体、整组电池内阻、电压、充放电电流、健康度、电动势、环境温度等数据。

4.2.5 自检功能，能够自诊断蓄电池检测系统故障，提示故障报警信号。

5 电务各车间建立调度指挥分中心

电务各车间建立调度指挥分中心，对RBC 维护终端、TSRS 维护终端、安全数据网维护终端、电务维修机、CTC 维护终端、列控维护终端、ZPW2000 轨道电路维护终端、线路视频、DMS（列控系统动态监测系统）、道岔缺口监测等予以集中管理，全线管辖所有车站、线路所、中继站信号集中监测建立信号集中监测维护终端，信号集中监测维护终端、DMS、动环监测应具备语言报警功能，RBC 维护终端、TSRS 维护终端、安全数据网维护终端应逐步实现语音报警功能，能实时语音提示各站报警信息。

车间调度指挥分中心值班人员24h 全程盯控信号集中监测维护终端报警信息，及时查看、分析、记录弹出的一、二、三级报警信息及其他维护终端报警信息，查看各站微机监测曲线，对管内设备电气特性进行全面分析，掌握设备的运行质量，发现报警及时查看，判断故障范围并通知各站查找原因、处理，核实车间管辖各工区发现的异常信息，对报警和异常信息进行跟踪，发现问题纳入“车间问题库”实现闭环管理，组织处理各站误报警，减少误报警。

天窗结束前1h，利用信号集中监测维护终端查看一次管内道岔、轨道电路、信号机等设备状态，分析一次弹出的报警信息，发现问题及时通知现场工区。

管内设备发生故障后，及时通知现场工区，并向车间汇报，查看监测设备曲线，维护终端报警信息，判断室内外具体的故障范围，指导现场处理，故障恢复后确认设备状态，盯控设备。

6 结语

综上所述，将各维护终端和信号集中监测建立接口，实时传递报警信息，车间调度指挥分中心24h 全程盯控集中监测维护终端报警，可及时发现道岔失表、道岔缺口不良、道岔缺少液压油、轨道电路红光带、各系统设备通信局部故障、列控设备板卡故障、外电网断电、ZPW2000 轨道电路室内器材故障、联锁备系重启、TSRS 重启、信号安全数据网通道中断、各站空调不良等故障。可远程登录各维护终端，判断故障范围，指导现场进行处理。对于ZPW2000A 轨道电路红光带故障，可通过ZPW-2000A 轨道电路智能诊断系统，智能定位、判断故障范围，通过LBE300 蓄电池组健康管理与智能维护系统，可对蓄电池进行监测，保证蓄电池工作良好，实现信号设备智能故障诊断和健康管理，保证铁路行车安全。