铁路信号设备故障诊断方法研究
时间：2023-02-19 19:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
张丽娜
（河北省铁路事业发展中心，河北石家庄 050000）
在铁路系统运行过程中信号设备会对整个运行的安全性、稳定性、可靠性造成直接影响，一旦信号设备发生故障，轻则可能会影响到铁路系统的运行效率，重则会导致整个铁路系统的瘫痪，因此要加强信号设备的故障诊断，保证信号设备运行的可靠性。
针对不同的铁路信号设备故障，可从以下3 个方面进行分类。
首先，根据故障原因可以分为人为故障及设备故障。所谓人为故障是指现场人员未严格按照规定操作信号设备而引起的各类故障，设备故障则是由于信号设备本身质量不达标或维护、维修存在缺陷，最终导致信号设备系统发生故障。
其次，根据故障性质可以将信号设备故障划分为机械设备故障及电气故障两种类型。其中，机械设备故障主要是由于信号设备本身元器件老化所致，例如典型的螺丝松动引起的继电器自动开关失灵，就是属于机械设备故障；
电气故障主要是由于设备中的各类电子元件超出了使用寿命期限，虽然电子元器件有着强大的功能，但其本身也有着不同的使用寿命期限，如果信号设备日常维护过程中电子元器件更换不及时、维护不合理，导致电子元件超出使用寿命范围，就会引起各类电气故障。
最后，根据故障发生范围可以将信号设备的故障类型分为室内与室外故障两种。其中，发生于室内的常见故障包括信号电路故障、显示器故障及电源故障，而室外故障则包括岔转辙机故障、信号机故障等。
2.1 轨道电路故障
按照不同的故障性质分类，轨道电路故障的种类包括两种，即电路开路故障与电路短路故障，按照不同的故障位置分类，轨道电路故障又包括室内故障与室外故障。下面针对室内故障与室外故障进行分析。轨道电路的室内设备故障包括3 种，分别是设备断路故障、短路故障和局部电源断相故障。其中，断路故障的主要是由于轨道继电器不吸合所致，可以采用多用表测量继电器线圈电压的方法进行诊断检测，如果线圈电压低于正常电压值幅度较小，可能是由于轨道电路继电器线圈断线；
如电压值低于正常电压值1/2，则可能是由于继电器线圈防护罩出现断路；
如继电器细圈电压只有正常值的1/3，通常是由于硒堆被击穿所致。如果继电器线圈电压正常，则需要分别测量局部线圈电压，如果线圈存在110 V 电压，可能发生的故障包括局部线圈开路、线圈二元位存在机械卡滞等。短路故障的排除可以在断开分线盘两端线路后测量电压值，如果接线端子两端软线电压远远低于正常值即可判断是存在断路故障。此外，测量轨道电路局部线圈的电压还可以判断局部电源的断相故障，如果局部线圈存在110 V 电压通常属于室外故障，否则即为室内故障。
信号设备的室外故障包括电路短路故障与断路故障两种，针对不同的故障诊断可以采用不同的方法，检测电路故障区域中轨道电路的电流值及轨面电压值即可做出判断，测量电流值可判断短路故障，测量轨面电压值可诊断断路故障：一般情况下，轨面电压值高于正常电压值可能是由于某个区域存在断路所致，如果送电端电气设备功能正常，可能是在钢轨与受电端之间发生的故障；
如果轨面电压低于正常值，则可能是由于轨道受电端存在短路故障所致，此时测量钢轨电流值大于其正常值。
2.2 信号机故障
信号机是常见的铁路信号设备，其不仅故障率较高，且一旦发生故障影响范围也比较大。信号机故障包括出现站内信号机灭灯控制台、区间信号机出现断丝及灭灯现象等。其中调车信号机、列车信号机都有可能出现站内信号机灭灯控制台问题，出现故障后控制台信号机复示器会出现闪光，这种故障较为隐蔽，尤其是允许信号灯光灭灯时，如果开放信号不及时就很难发现这类故障。具体问题表现为，排列对应列车信号机进路时，开始端按钮指示灯熄灭，信号器会点亮绿灯或白灯，而调车复示器指示灯快闪后就自动熄灭，列车复示器则快闪后恢复“禁止灯光点亮”，出现这种现象就表明发生了允许灯灭灯的问题。信号机故障包括信号灯双断丝、灯泡与灯座接触不良等，如果出现上述两种问题，可能会导致点灯回路中的熔断器熔断而引起断路器跳闸。此外，信号机点灯回路发生断线、继电器一级变压器出现点灯单元断丝等问题也均会引起信号机故障，区间信号机出现灭灯可进行灯光转移。
2.3 道岔故障
道岔故障的判断可采用测试电流法，操作单动道岔时，如控制台显示电流证明已经送出动作道岔电流；
如道岔无法操动至指定位置，基本可判断是室外故障；
如操动道岔时控制台未显示电流，则可进一步测量对应道岔的电压值，查看室外分线盘，如存在电压证明动作道岔电源正常送出，可能出现了室外故障。操作双动道岔时控制台电流表只动作一次，证明动作道岔电源正常送出，可确定故障位置在一动道岔处，判定为室外故障。如道岔定位、反位操动均正常，但没有电流，则需要进一步测量电压值，如电压不超过250 V，再进一步测量分线盘电压，如不存在110 V交流电压可判定为室内故障，反之则判定为室外故障。由此可见，发生道岔故障后要及时分析引起故障问题的本质原因，通过测试电流的方法检查室外分线盘处是否正常送出电源，如此时需要启动电路，则需要同步测量操动道岔电流；
如测量分线盘外处存在电压，则可排除电源送出异常问题，判断为室内故障。
3.1 传统诊断方法
铁路信号设备故障诊断过程中，传统的诊断方法包括比较法、压缩法、观察法、逻辑推理法等，这些方法主要是通过人工排查、处理故障，故此对于技术人员的工作经验要求、专业能力要求更高，具体应用过程中通常不会应用单一的方法进行诊断，需要联合应用。一般情况下可应用计算机联锁与6502 电气集中联锁排除故障的方法，及时判断电路故障问题点及问题性质，提高故障排除的针对性及时效性。联合故障诊断可及时定位故障位置，对于故障的原因、程度做出准确分析。当然传统诊断方法具有一定的灵活性，需要技术人员有丰富的工作经验。
3.2 信号处理法
信号处理法主要是利用数学函数提取故障分析可测信号检测结果中的特征值，最终实现故障的诊断与处理。相比传统的故障诊断方法，信号处理法工作效率更高，操作方法更为简便，其对于故障模型的要求不同，因此目前在铁路信号设备故障诊断中有着广泛应用。不过信号处理法也存在一定不足，即外界信号噪声会对其检测结果产生干扰，过于依赖信号的检测与处理；
且信号处理法具有一定的局限性，无法检测、诊断出所有故障问题。因此未来发展过程中需要进一步提高信号检测的精度，拓展信号处理法的应用范围。
3.3 解析模型法
一旦铁路信号设备出现故障，系统的输入与输出就会发生变化，此时针对其变化特点可以利用数学模型直观的分析出来，进一步确定故障位置、类型及排除方法。解析模型法的基本原理包括数理统计与解析函数，在故障判断过程中通过对应的数学方法构建数学模型，确定故障原因及故障部位，其实用性及有效性远远高于上述信号处理法和传统诊断方法。解析模型法不仅可以及时解决当前的设备故障，而且可预测出故障的发展趋势，帮助技术人员提前做好预防措施。数学理论、数学思想的应用最大限度地保证了故障诊断过程中逻辑的严谨性，提高问题诊断及排除的针对性。当然，解析模型法对于技术人员的专业能力要求也远远高于传统诊断方法及信号处理法。
3.4 人工智能诊断法
随着人工智能技术的不断发展，其在铁路信号设备故障诊断中的应用也越来越普遍，人工智能诊断法包括模糊逻辑法、专家控制系统及人工神经网络诊断法等。
（1）所谓模糊逻辑法，是根据事物的模糊性特点引申出来的诊断方法，其基本特征是结构性知识表达能力，该特点对于定性知识与模糊知识的表达有着显著优势，能够对关联关系进行编码处理，并对处理过程进行追踪，提高故障诊断的有效性。一般情况下信号灯点亮故障、道岔继电器闭合故障应用模糊逻辑法诊断，可以通过事例推理及规则推理准确定位出信号设备的故障位置。不过该方法也存在一定的问题，即更多地依赖模糊知识库对故障问题做出判断，对于知识库中未存档的故障类型可能会出现误判，因此实际应用时可结合人工神经网络法，以保证诊断的准确性。
（2）专家控制系统以专业知识为核心，通过专家的科学指标确定故障的类型、位置及排除方法，该方法需要技术人员具备更强的专业知识。专家控制系统适用于复杂的铁路信号设备故障，其通过符号表达、显示故障，对于细节知识的要求相对较低，设定对应的基本规则、满足模块化处理要求即可，但是可以保证故障诊断过程中逻辑的严谨性，提高复杂故障的诊断效率。不过专家控制系统也存在局限性，即知识获取存在一定难度，会直接影响到诊断效果，实际应用过程中可以与故障树方法相结合，以确保诊断知识的完整性，提高诊断准确率。
（3）人工神经网络法主要是通过分类器、动态预测模型全面评估故障问题。该方法模拟人脑信息的处理功能，可以有效弥补上述专家控制系统中知识库构建的局限性。人工神经网络法中各神经元具有更强的独立性，增强了系统的泛化能力及容错能力，保证快速推理。不过该方法的应用成本较高。
铁路信号设备正常、稳定的运行，是保证铁路安全运行的重要保证，其涉及到多种设备，且故障原因复杂，具有偶然性、突发性及模糊性的特点，因此只有采用先进的诊断方法才能为故障分析提供更准确的数据支持。实际工作中，铁路设备管理技术人员要不断实践、研究，及时排除信号设备故障，为铁路的安全运行提供保障。
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