铁路接触网补偿装置在线监测及故障诊断系统的研究

徐惠春 中国铁路北京局集团有限公司科技和信息化部

胡 明 中国铁路北京局集团有限公司国际合作与对外事务办公室

卢 伟 中国铁路北京局集团有限公司电务部

接触网是高铁供电设施中的核心组成部分，其健康状态对高铁列车的行车安全至关重要。当前的接触网检测方法主要依靠于人工测量和动检车，缺乏实时性，并且耗时耗力。接触网补偿装置对维持接触网承力索和接触线的稳定具有重要作用，将物联网技术应用于接触网补偿装置的状态监测中，实时监测接触网补偿装置状态并实现故障告警。同时，通过分析监测数据可以判断补偿装置的故障状态，该方法对保障高速铁路安全行车安全和提高检修作业效率具有重要意义。

1 总体设计

通过在补偿装置的坠砣串上安装高精度的测距传感器和温度传感器，将现场的实时数据持续地进行采集，然后通过物联网技术用无线传输形式将传感器采集到的数据传输至物联网管理平台进行解析、清洗，并将处理完毕的有效数据存入到数据库中，利用大数据技术对数据进行智能分析，在平台中进行结果展示，从而实现对设施的实时监控和故障预警。

补偿装置在线监测及故障诊断系统由传感器采集设备、网络传输设备、软件平台三大部分组成，其硬件架构如图1所示。

传感采集设备模块主要由传感器、通信模组、MCU、电路及其外壳组成，负责采集接触网补偿装置的B值和温度值。这些无线传感终端都属于低功耗设备，最大程度的保证传感器待机时间。

网络传输设备主要将传感采集设备采集到的数据传输至数据平台。采用铁路GSM-R网络进行数据传输，GSM-R在铁路沿线实现了全面覆盖，可以充分保障数据的安全性。

软件平台由数据解析、存储，数据分析，可视化展示三个部分组成，其软件平台架构如图2所示。该平台将无线终端采集的数据进行解析、分类处理与存储，并进行数据分析，将结果在软件平台界面进行可视化展示。

图1 硬件架构

图2 软件平台架构

2 软件平台设计

2.1 功能需求

根据监测系统对软件平台的要求，软件平台主要负责对上传回来的数据进行解析、整理、分类、存储以及可视化展示等。该平台可以根据B值和温度随时间变化的关系直观展示B值变化趋势，并在此基础上对所有监测数据进行统计分析，补偿装置B值的排名情况，从而了解补偿装置的整体情况。该监测系统也可以对监测数据设置阈值，利用阈值实现实时告警。在此基础上可以利用历史数据对接触网补偿装置故障进行分析，基于数据特征构建故障诊断模型。

2.2 功能设计

根据软件设计的功能需求，接触网补偿装置在线监测及故障诊断系统功能包括在线监测和故障诊断。

在线监测首先对采集的数据进行统计分析将其随时间变化状态进行可视化展示，然后根据铁路相关标准对监测数据设定阈值，实现实时告警。

故障诊断利用历史数据对接触网补偿装置故障进行分析，构建故障模型，从而实现对接触网补偿装置常见故障的诊断。

3 在线监测

3.1 数据监测

在线监测系统将采集来的数据进行分析处理，并将数据历史趋势进行可视化展示，从而直观地反映接触悬挂装置的实时状态。

该系统能够监测特定接触网悬挂装置的B值和温度变化，如图4所示，展示了18年3月底到6月初温度和补偿装置B值随时间的变化数据（红色曲线为温度、绿色曲线为坠砣B值）。

该系统能够对所有接触悬挂装置的监测数据进行统计、分析，并根据分析结果对当前的接触悬挂装置的状态进行综合排名。

3.2 阈值告警

根据铁道部《接触网运行检修规程》（铁运[2007]69号）文件中相关规定，接触网补偿装置B值的主要指标如下（以下单位均为mm）：

B标为安装曲线标准值，B安为安全值，B限为限界值。

由以上规定可以设置在线监测Bx实时告警的阈值如表1所示：

（1）B标-200≤B安≤B标+实时监测情况良好，无告警；

（2）Bx＞B标或 200＜Bx＜B标-B值超出安全值，需要及时关注，提示告警；

（3）Bx≤B值低于限定值，需要及时调整处理，严重告警。

表1 B值在线监测实时告警阈值

4 故障诊断

4.1 诊断流程

通过构建故障模型库的方法进行故障诊断：对历史监测数据进行数据清洗后进行分析，根据数据特征构建故障模型并将模型加入到故障模型库中。对于在线数数据，经过清洗后将数据特征与故障模型库进行匹配，得到诊断结果。

4.2 故障模型

故障模型的建立是对接触网补偿装置故障诊断最核心的部分。通过分析监测数据构建故障模型，具体过程如下：

坠砣B值表示补偿坠砣底部与参照面的垂直距离，正常情况下，由坠砣安装曲线（式1）可知坠砣B值的变化与温度变化紧密相关。

式中参数含义如表2所示。

表2 参数含义

以上参数均为常数，由上式整理得到 值与温度存在线性关系如（式2）：

在正常情况下，温度和B值变化呈线性关系。因此可以得到以下变化规律：

（1）假设温度Tx随时间变化为正弦函数，则B值随之变化如图3所示。

（2）当出现故障1时，B值瞬间减小到某一值，之后无论温度怎样变化，B值均不发生变化，此种故障很有可能是补偿装置出现断线引起，如图4所示。

（3）当出现故障2时，后期无论温度怎样变化，B值均不发生变化，此种故障很有可能是补偿装置产生卡滞引起，如图5所示。

（4）当出现故障3时，B值会在瞬时变小，后恢复正常变化，此种故障可能是由零器件脱落等引起，如图6所示。

图3 温度和B值随时间变化关系

图4 故障1：B值变化

图5 故障2：B值变化

图6 故障3：B值变化

由以上分析可知，利用故障发生时，B值随温度的变化情况可以对故障类型进行分析。具体过程如下：

假设第n-1时刻无故障，第n时刻的温度为tn，B值为bn；计算与前一时刻的温差Δtn和B值变化量Δbn如下：

利用温度和B值变化关系可以得到以下故障模型：

（1）正常情况下：

当Δtn=0时，Δbn=0；

当Δtn＞0时，Δbn＜0且k保持不变

当Δtn＜0时，Δbn＞0且k保持不变

（2）当出现故障时则必有：kn≠kn-1，此处的kn-1为Δtn-1≠0时的值。

（3）出现故障1时：

若kn≠kn-1，bn≤a，故障概率为P0

又Δbn+1=0，故障概率为P11，若Δtn+1≠0，故障概率为P12

又Δbn+2=0，故障概率为P21，若Δbn+2≠0故障概率为P22

……

其中，0＜P01＜P12＜P21＜P22＜…＜1

（4）出现故障2时：

若Δtn≠0，Δbn=0，故障概率为P0

又Δtn+1≠0，Δbn+1=0，故障概率为P1

又Δtn+2≠0，Δbn+2=0，故障概率为P2

又Δtn+3≠0，Δbn+3=0，故障概率为P3

……

其中，0＜P0＜P1＜P2＜P3＜…＜1

（5）出现故障3时：

若Δbn＜0，且kn≠kn-1故障概率为P0

又kn+1=a，故障概率为P1

又kn+2=a，故障概率为P2

又kn+3=a，故障概率为P3

……

其中，0＜P0＜P1＜P2＜P3＜…＜1

以上概率值P0、P1、P2、P3……的具体取值由监测数据进行统计分析得到，统计公式如下：

其中，Ni表示在此种情况下发生此故障的次数；

Mi表示发生此种情况的次数。

5 结束语

基于物联网技术建立了接触网补偿装置在线监测系统，通过传感技术对补偿装置B值和温度进行在线监测，并设定阈值实现实时告警；监测数据通过无线传输到数据处理平台，在平台中利用在线监测的B值和温度变化对接触网补偿装置故障进行分析。该方法对提升铁路基础设施管理效率，切实保障高速铁路安全运行具有重要意义。