ZPW-2000A轨道电路故障诊断实验平台

徐晓滨, 李世宝, 孙新亚

(1. 杭州电子科技大学 自动化学院， 浙江 杭州　310018;2. 清华大学 信息技术研究院轨道交通控制技术研究中心, 北京　100084)



ZPW-2000A轨道电路故障诊断实验平台

徐晓滨1,2, 李世宝1, 孙新亚2

(1. 杭州电子科技大学 自动化学院， 浙江 杭州310018;2. 清华大学 信息技术研究院轨道交通控制技术研究中心, 北京100084)

介绍了铁路列车运行控制与地车通信核心设备ZPW-2000A轨道电路的工作原理与主要故障,设计了一套针对该类复杂电子设备的故障诊断实验平台。该平台由轨道电路实物模型、多通道数据采集装置和基于LabVIEW的故障监测软件平台组成。该实验平台涵盖了轨道电路故障模拟、数据采集、处理、显示,以及基于LabVIEW的故障诊断算法设计,有助于学生深入理解工业电子设备监控系统的设计方法和智能信息处理方法、掌握测控技术在复杂电子电路中的应用,有利于培养学生的工程实践能力。

轨道电路； 故障诊断； 状态监测； 模糊推理

1　ZPW-2000A型轨道电路和实验平台简介

作为列车运行控制与铁路通信系统中的核心设备,ZPW-2000A型轨道电路(简称2000A轨道电路)是检查有无列车、传递列车轨道占用信息及实现地车通信的重要设备,它的工作可靠与否将直接关系到列车运行的安全与效率[1]。它是以铁路线上的两根钢轨作为导体,两端无绝缘分界,并用导线连接信号源和接收设备构成的电路。它由发送器、电缆、匹配变压器、钢轨、补偿电容、接收器、电气绝缘节及信号机等以模拟元器件为主的部件组成,是一种具有特殊功能的模块化的模拟电子系统[1-2]。2000A轨道电路是在对法国UM71无绝缘轨道电路技术吸收引进及国产化的基础上,结合我国铁路现状进行提高系统安全性、传输性能及系统可靠性等技术的再开发；是拥有自主知识产权,满足机车信号作为主体信号的铁路自动闭塞发展的主导产品[1]。

2000A轨道电路利用钢轨作为导线传输信号,且多数部件分布在铁路线周围,因而易受南方湿润气候环境中雷雨及冰雪等恶劣自然因素影响或人为干扰,常导致其故障频发[3-5]。由此引起的列车运行及控制信号的错误与失效,轻则使得列车延误,重则造成整个运输系统陷于瘫痪、乃至于人员伤亡、财产损失等重大事故[6-7]。到目前为止,各国铁路系统大都仍采用定期维护与驻点寻迹排查故障等传统技术来维持轨道电路的正常工作[4-5,7]。由于维护人员缺乏先进诊断方法、在线诊断系统的支持以及对电路原理的理解掌握,常常会造成错误诊断和备件准备不足等问题,致使工作效率低下,延误维修时间。国内目前只是研制出一些简易的轨道电路故障诊断仪,它只是为了满足驻点寻迹排查故障的需要,所以该类仪器自动化程度较低,也非常依赖于人的经验来判断故障,所以诊断效率低下,无法实现实时诊断[4-5,7]。

本文结合承担的国家自然科学基金项目“铁路自动闭塞系统信度级故障预测的信息融合方法”和浙江省公益技术研究工业项目“铁路轨道电路故障在线诊断系统的设计与研发”,设计了2000A轨道电路故障诊断实验平台,它由轨道电路实物模型、多通道数据采集装置以及基于LabVIEW的故障监测软件平台组成。在该实物模型上可以模拟轨道电路常发的十余种故障,利用多通道采集装置可采集轨道电路可及节点的数据并传输至故障监测软件平台,其中的数据处理模块提取故障特征后,将其输入相关诊断算法,实现故障的在线诊断、故障数据显示和存储。该平台涉及传感技术、计算机控制技术和故障诊断技术等,基于LabVIEW开发的故障监测软件可用于测试各种电路故障诊断算法。在轨道电路实物模型中,除了钢轨采用电路模拟外,其他均为实际轨道电路中使用的组件,所以等同于将真实的工程系统“搬进了”实验室。电类专业和轨道交通类专业学生不仅可以通过该平台熟悉轨道电路此类复杂电子系统的工作原理、运行机制,完成相关课程单元知识的实验科目外,还能开展以故障模拟与诊断为目的的开放式实验项目,调动学生攻克实际工程问题的积极性,从而提升自主学习与科研能力,达到开放式创新实践教学的目的。

2　ZPW-2000A轨道电路的功能结构与故障分析

2000A轨道电路的结构如图1所示[1-2]。轨道电路实际上是由主轨道电路(550～1 900m)和调谐区小轨道电路(29m)组成的电路网络,其工作过程如下：发送器发出正弦信号经钢轨传送到接收器,当钢轨无车占用时,与发送器连接的继电器吸合,信号灯显示为绿色；当列车通过时,传送信号被车轮短路,接收器电压降低,继电器落下,信号灯随即显示红色表示“占用”状态。它们的主要功能如下：

图1　2000A轨道电路结构

(1) 发送器发出不同载频(1 700+n×300Hz,n=0～3)信号、传送18种低频调制信号(10.3+n×1.1Hz,n=0～17),用于地车通信及运行控制。

(2) 接收器用于接收主轨道电路信号,并在检查所属调谐区小轨道电路状态条件下动作本轨道电路的轨道继电器。

(3)SPT电缆即铁路内屏蔽数字信号电缆用于信号的传输。

(4) 电缆模拟网络与站防雷：前者是为了调整区间轨道电路传输特性,补偿实际SPT电缆,以便于轨道电路在列车不同运行方向时的电路调整,保证传输电路工作的稳定性；后者是实现对传输电缆引入室内雷电冲击的防护,以保护模拟网络及室内发送、接收设备。

(5) 匹配变压器实现轨道电路和传输电缆的匹配连接。

(6) 相邻轨道区段采用不同的载频频率,电气绝缘节(小轨道电路调谐单元)根据谐振原理,限制某种载频的移频信号只能在本区段传送,而不能向相邻区段传送,防止传送信号的混淆,从而实现相邻区段信号的电气绝缘。采用这种“无绝缘”方式,代替故障率较高的机械绝缘接头,在长轨区段安装不用锯轨,这样可以提高轨道电路的可靠性,改善钢轨线路的运营质量。

(7) 由于钢轨对信号呈现较高的感抗值,使轨道电路的传输衰耗较大。所以采取分段加补偿电容的方法减弱电感的影响,使轨道电路趋于阻性,增加了轨道电路的传输距离,保证了轨道电路入口端的信号与干扰比。

从电路分析的角度来看,除发送器和接收器为数字电子设备之外,其他部件都可等效成由电阻、电感和电容等模拟元件组成的电路系统[2]。例如,电气绝缘节中的调谐单元、空心线圈是以钢轨为导线组成的串并联谐振电路。SPT电缆是具有一定阻值的传输导线。此外,还有轨道电容,匹配变压器等。这些部件的硬、软故障大都表现为其阻抗等参数的变化。例如,由于钢轨振动、环境温度、湿度变化等原因导致空心线圈、调谐单元的阻抗参数大幅偏移的软故障,人为破坏造成的断路硬故障,使得整个电气绝缘节共振特性劣化,绝缘作用下降或丧失。又如匹配变压器的补偿电感由于撞击和振动损坏,造成电感量丧失等硬故障。任何故障都会造成轨道电路功能的丧失或部分失效,这将直接导致接收器输入电压异常,引起继电器的误动,造成铁路占用信号的错误。这些故障都会引起发送端、接收端、匹配变压器两端、电气绝缘节两端等多处节点电压、电流及某些部件温度等可检测量的变化,因而可以将这些量作为故障特征信息加以分析处理。

因为发送器和接收器是数字电子设备,其具有较为完善的故障自检和报警功能,所以我们的研究集中在轨道电路系统中其他主要模拟电子部件常发硬(断路)故障的诊断上,这些故障都可以在轨道电路实物模型上进行模拟,除了钢轨是通过搭建的模拟电路来模拟外,其他均为实际使用部件。

3　实验平台设计

整套实验平台由轨道电路实物模型、多通道数据采集装置、基于LabVIEW的故障监测软件平台及配套的故障诊断算法库组成,系统结构如图2所示。

图2　轨道电路故障在线诊断系统结构

故障监测软件平台安装在一台计算机上,多通道数据采集装置为监测平台提供必要的监测数据,故障诊断算法库为监测平台提供相应的各种诊断算法,这些算法能够从监测数据中提取故障特征进行处理获取诊断结果。监测平台中的数据显示和存储模块实现系统故障状态、电压/电流波形、有效值等数据的实时显示以及故障数据的存储,整个数据处理及故障诊断过程都在线完成。该平台上的参数配置、硬件驱动、硬件校准等模块实现对采集装置的控制等功能。

3.1ZPW-2000A轨道电路实物模型

轨道电路实物模型如图3所示,其主要功能包括：模拟载频为1 700Hz下100～1 600m不同长度轨道电路的无车占用和有车占用的运行状态；模拟轨道电路主要部件的常发断路故障(见表1)；模拟分路不良时轨道电路运行状况；故障特征的选取与故障诊断效果验证。整个模型的电气特性与实际轨道电路一致。

图3　2000A轨道电路实物模型

No故障模式No故障模式1正常状态9接收端1个补偿电容断路2发送端1个补偿电容断路10接收端电缆模拟网络断路成8km3发送端电缆模拟网络短路成8km11接收端电缆模拟网络断路4发送端近端调谐单元断路12接收端防雷变压器后断路5发送端空心线圈断路13接收端近端调谐单元断路6发送端2个补偿电容断路14接收端2个补偿电容断路7发送端模拟网络断路15接收端远端调谐单元断路8发送端远端调谐单元断路

3.2多通道数据采集装置

该装置主要由前端的信号隔离与调理模块以及A/D转换声卡模块组成，如图4所示,完成对轨道电路上最多8个节点的电信号采集,从中提取的故障特征信号可以用于下一步的故障诊断。信号隔离与调理模块电路主要由SPT204A毫安级精密电流互感器、OP07高精度运算放大器以及解耦、相移补偿和保护等外围电路组成。SPT204A互感器输入额定电流为2mA,不会对轨道电路的正常工作产生影响,从而有效地将采集装置与轨道电路隔离开。使用OP07运算放大器对互感器输出端信号按照比例进行放大,并转换成A/D转换模块可识别的电压信号。这里采用直流线性电源输出正负15V电压,为前端采集电路供电,以保证电压稳定减小交流杂波对运算放大器产生的影响。轨道电路传输载频频率高,所以选用MOTU品牌UltraLite型号的专业声卡作为A/D转换器。它的采样率可以达到192kHz,采样位数为32bit且增益可调,能够满足后续对故障特征数据处理的精度要求。

图4　多通道数据采集装置

3.3基于LabVIEW的故障监测软件平台

考虑到使用的便利性和可视化,选用美国NI公司的LabVIEW图形化开发工具开发故障监测软件平台。LabVIEW的优势在于它提供了庞大的函数库,对各种函数组件组合后可形成符合开发者要求的数据采集、控制、分析与显示等软件,大大缩短软件研发周期,从而激发学生及研究者结合自身知识对系统进行二次开发的兴趣[8-9]。特别是在诊断算法设计上,可以在平台上编译和调试各种故障诊断算法。基于LabVIEW的监测平台采用模块化设计,主要包括参数配置、校准、数据采集、处理、存储和显示以及故障诊断等模块。各个模块集成于主程序框架中,使得程序中添加或删除某功能项时,不需要对整个程序进行改动,同时易于功能的调整与扩展。各模块设计功能如下：

(1) 参数配置模块：主要对采集装置的各种测量参数进行设置,根据用户要求,在配置确认之前,用户可以改动虚拟仪器界面上的任意项,更新配置,使界面上的配置与硬件连接相一致；

(2) 硬件校准模块：对8个采集通道进行参数校正,例如每个通道的增益、电压有效值、峰值和峰峰值等参数,以减小系统误差,增加测量精度,最后将校正后的各通道配置参数保存成配置文件以便后续调用；

(3) 数据采集模块：驱动采集装置中的声卡对各个可测点电信号进行采集,并对采集到的数据进行数字滤波,然后将数字量波形转换成可视化波形。

(4) 数据处理模块：把采集到的数据通过傅里叶变换和频谱分析转换成电压有效值,并将其作为故障特征用于故障诊断。

(5) 故障诊断模块：利用采集转换后的故障特征对轨道电路的工作状况进行判断,并能够给出故障提示引导工作人员维修。

4　基于模糊推理的故障诊断实例分析

适用于此类复杂模拟电路故障诊断的方法有很多,传统方法有故障字典法、参数识别法、故障验证法等[4,10-11],这些方法简单易用,但是在面对电路元件非线性及容差、测量环境噪声等因素所带来的不确定性及故障模式的多样性等难题,这些方法大多显现出各自的固有局限性与不足[4]。随着智能信息处理技术的不断发展与深入,人工智能与信息融合方法为解决模拟电路及电子设备故障诊断中的诸多难题提供了新的途径,其中常用的有模糊推理方法、神经网络方法和信息融合方法等[5]。所以,高年级本科生和研究生,可以利用该平台进行故障模拟、信号采集与特征提取,并基于LabVIEW提供的强大函数库,编写以上各类算法的诊断程序,用于方法的对比测试,将理论方法应用于解决实际工程问题中,提升自己的工程开发能力。这里以作者研究的模糊推理算法为例[10-12],说明诊断算法的处理流程(见图5),并通过诊断实例展示算法效果。故障特征参数见表2。

图5　基于模糊推理的故障诊断算法流程

标号软故障特征参数信息采集位置与特征量1发送端站防雷出口处交流电压有效值(V)2发送端站防雷出口处交流电流有效值(A)3发送端电缆模拟网络出口处交流电压有效值(V)4接收端电缆模拟网络入口处交流电压有效值(V)5接收端站防雷出口处交流电压有效值(V)

整个诊断流程表明,首先构造故障诊断的模糊规则,规则的前项是表2中所列的5个可及节点电压有效值的模糊语言项,后项是表1中的各个故障。当故障特征的在线监测值选中故障诊断的模糊规则后,将被选中的模糊规则前项的归一化置信度推理到后项,得到对模糊规则后项的归一化置信度。然后,对后项的置信度进行加权处理,得到对轨道电路故障集合(见表1)中每个故障的置信度,依照置信度最大准则判断是何故障发生。具体算法参见文献[12]。诊断算法可以用C语言或Matlab编写,然后通过接口导入LabVIEW中测试,或者直接使用LabVIEW编写VI程序测试。

图6给出了表2中5个故障特征及诊断结果的实时显示效果,经测试在线诊断时间间隔为0.5s,且15种故障确诊率都在90%以上,可见所提算法是有效的。

图6　故障特征与诊断结果在线显示

5　结论

本文针对ZPW-2000A轨道电路设计的故障诊断实验平台具有以下特点：

(1) 实际性：该故障诊断平台的对象为目前在铁路系统服役的实际电子设备,并且它对保证列车安全运行至关重要,通过对其功能的理解与分析,使学生能够理解电路分析中的基本电路原理如何在实际工程系统中实现与应用；

(2) 系统性：本实验平台包括诊断对象、信息采集和故障监测等模块组成的完整监测系统,通过对故障模拟、数据采集与处理、诊断软件设计、诊断测试等过程,学生能够整体上理解“监控系统”的概念,为今后参与工程实践中类似系统的设计与研发打下基础；

(3) 综合性：在该平台上能完成电路分析中的基础性验证性单元实验项目：如交流电路元件参数测量、交流电路元件阻抗特性的观测及电路参数的测量、RLC谐振电路等；可以进行开放性的创新实验,调动学生科研创新的积极性,例如可以通过在不同工况下的故障模拟,观察不同故障引起的故障特征变化有何不同,然后结合智能信息处理方法,编制诊断程序。所以该实验平台不仅可用于本科生的课程设计,还能完成故障诊断方法的对比实验与性能测试,为本科生和研究生的科技创新提供条件。

References)

[1] 李文海.ZPW-2000A移频自动闭塞系统原理、维护和故障处理[M].北京:中国铁道出版社,2010：1-30.

[2] 赵自信.ZPW-2000A无绝缘移频自动闭塞技术培训教材[M].北京:北京全路通信信号研究设计院,2004：6-12.

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[5]ChenJ,RobertsC,WestonP.Faultdetectionanddiagnosisforrailwaytrackcircuitsusingneuro-fuzzysystems[J].ControlEngineeringPractice,2008(16):585-596.

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AnexperimentalplatformforfaultdiagnosisofZPW-2000Atrackcircuit

XuXiaobin1,2,LiShibao1,SunXinya2

(1.SchoolofAutomation,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China; 2.RailTransitControlTechnologyR&DCenter,ResearchInstituteofInformationTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

ZPW-2000Atrackcircuitisacoredeviceoftraincontrolandtrain-groundcommunication.Afterintroducingitsoperatingprinciplesandmainfaultmodes,thisarticledesignsanexperimentalplatformforfaultdiagnosisofthistypeofcomplexelectronicequipment.Thisplatformconsistsoftrackcircuitmock-ups,themultiplechanneldataacquisitiondeviceandLabVIEW-basedfaultmonitoringsoftwareplatform.Thisplatformcoversthevariousremarkablefunctionsincludingfaultsimulationsoftrackcircuit,dataacquisition,processing,display,andLabVIEW-baseddesignsofdiagnosisalgorithms.Thesecanhelpstudentstounderstandthedesignofmonitoringsystemofindustrialelectronicsystemandintelligentinformationprocessingmethodologysoastomastertheapplicationsofmeasurement&controltechnologiesincomplexelectroniccircuit,asaresult,whichcancultivatetheirengineeringpracticeabilities.

trackcircuit;faultdiagnosis;conditionmonitoring;fuzzyreasoning

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.018

2015- 12- 07修改日期：2016- 01- 21

国家自然科学基金项目“铁路自动闭塞系统信度级故障预测的信息融合方法”(61374123)；国家自然科学基金项目“基于改良信度模型的在轨航天器故障诊断理论与方法研究”(61573275)；国家自然科学基金项目“大数据环境下城市路网交通多模式拥堵预测及容错控制研究”(61573076); 浙江省科学技术厅公益技术应用研究项目“铁路轨道电路故障在线诊断系统的设计与研发”(2012C21025)；浙江省科学技术厅公益技术应用研究项目“铁路轨道不平顺故障在线检测系统的研究与开发”(2016C31G2040050)

徐晓滨(1980—)，男，河南郑州，博士，清华大学自动化系博士后，副教授，研究方向为基于数据驱动的故障诊断与预测.

E-mail：xuxiaobin1980@163.com

U226.5

A

1002-4956(2016)5- 0063- 06

仪器设备研制与应用