基于数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断研究

李佳树 于恒

摘要：铁路信号系统包括车站信号控制系统、编组站调车控制系统、区间信号控制系统、行车指挥系统以及列车运行控制系统等。通过解析铁路信号设备的结构组成，分析铁路信号可能存在的故障隐患及危害性，针对常见的故障隐患提出铁路信号设备维護与管理措施。本文对数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断进行分析，以供参考。

关键词：铁路信号;设备故障;自动诊断

引言

过去，铁路信号设备的故障诊断与检修工作主要借助于检修人员的专业判断来实现，这种方式的弊端难以保证检修质量，极易埋下重大的安全隐患，而铁路信号设备故障检修决策支持系统具有强大的动态实时监测诊断与检修功能，能够及时诊断出信号设备的故障原因，并在最短的时间内排除安全隐患，进而为铁路行车安全提供了坚实可靠保障。

一、现状

铁路信号设备结构很复杂，同时受到环境因素的影响，使铁路信号设备故障变化多样，且具有一定的随机性，最初通过维修人员对铁路信号设备故障进行分析和判断，这对维修人员的经验要求相当高，经常因经验不足出现铁路信号设备故障误判断现象，延误铁路信号设备维修时间，严重时可能导致铁路安全事故。随后出现基于专家系统的铁路信号设备故障诊断方法，通过建立铁路信号设备故障诊断的知识库，根据知识库的规则对铁路信号设备故障进行识别，但是这种方法的诊断结果与知识库的丰富度密切相关，使得铁路信号设备故障结果极不可靠。近年来，随着人工智能技术的发展，出现故障树的铁路信号设备故障方法和人工神经网络的铁路信号设备故障方法，它们的诊断结果要优于专家系统，但是同样存在一定的局限性，如诊断错误率高、诊断实时性差等。

二、铁路信号设备维修关键点

（一）信号机维修关键点

铁路信号设备信号机设备故障主要问题在于两点。①信号机无法正确的识别所出现的故障以及故障类型;②信号机无法对发现的故障向外部发出警示信号。这两种情况出现之后，列车或者是车站就无法及时的发现问题，给列车的运行造成巨大的安全隐患。所以为了及时的发现信号机所存在的上述的问题，必须要对信号机进行定时的监测以便及时的发现信号机所存在的隐性问题，避免出现较为严重的事故。在实际检修过程中检修人员要定期对设备的性能以及设备的功能进行测试。信号设备维修人员通常情况下是按照1个月或者是1个季度的频率来对信号设备按照既定的标准进行检修和测试，根据测试的结果来确定相应的维护方案。在天气较为恶劣的情况下，信号机发生故障的概率极大的增加，所以在相对恶劣的天气下，信号机设备的检修人员必须加大对信号机检修的频率，比如信号机长期处于潮湿的甚至雨水浸入的环境下，要经常对其中的渗水以及积水情况进行排查，在检修的过程中检修人员应当充分掌握好检修和测试流程，提高检修的准确率以及检修的效率。为了解决信号机维修过程中的问题，要充分的利用好各种检修的工具，对信号机设备的内部结构的零部件进行检测。比如当变压器或二极管出现故障的时候通过仪器的诊断就会告诉工作人员更换变压器或二极管。工作人员要按照既定的检修流程规范来对信号设备进行检修，以便保证设备安全运行。

（二）轨道电路维修重点

在对轨道电路进行检修的过程中，需要严格对该部分电路进行检查，应当从机械室内和机械室外的两个方面来实现对轨道电路的检修。通常情况信号故障发生在设备的外部，比如塞钉连接由于振动而出现脱落、道岔跳线断股的问题，通常由于塞钉与所在钢轨之间没有充分的结合造成，或者跳线锈蚀或者被人为损坏等因素造成;也存在由于检修人员维修不到位所造成的上述的问题。所以针对上述问题对于轨道电路应当采取内外部结合的方式来进行检修，为了防止某些配件出现破皮的现象，对于其中配件的检测要做到全面细致;详细检查箱盒内部的配线端子是否存在脱落的现象;并且要及时对箱盒内部的灰尘进行处理避免短路的情况出现。

三、基于数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断

步骤1）采集铁路信号设备的工作状态数据。2）采用小波变换对原始铁路信号设备的工作状态数据进行分解，对噪声小波系数置0，然后通过小波重构得到无噪的铁路信号设备的工作状态数据。3）采用经验模态分解法提取铁路信号设备故障诊断特征，对特征采用式（9）进行归一化操作。4）确定支持向量机参数c、σ的取值范围，并初始化蝙蝠算法自身参数。5）蝙蝠算法通过模拟蝙蝠找食物机制，得到一条从巢到食物之间的最优路径，对最优路径进行解码，得到支持向量机参数c、σ的最优取值。6）根据c、σ的最优取值，支持向量机对铁路信号设备的工作状态和特征向量之间的关系进行拟合，建立铁路信号设备的工作状态分类器。

四、铁路信号设备维护与安全管理措施

（一）强化铁路信号设备维护的重要性与安全责任意识

首先要让员工意识到铁路信号设备维护的重要性，可以通过安全培训、每周例会，还可以组织观看由于铁路信号问题引发的铁路事故教育影片。这些主题教育活动要形成工作制度，定期向员工灌输铁路信号设备的重要性，增强其安全的意识。此外，还要向员工宣传安全责任意识，在明确工作职责时务必做到班组间的无缝衔接，工作交接过程中要将问题讲明白，接班班组注意检查设备运行状态是否与描述一致，以确保设备的无问题交接和问题交接，从而将发生事故的可能性降到最低。同时向每位工作人员传达此项工作的职责以及应承担的责任。

（二）施工建材管理

铁路信号设备能否正常工作，施工材料质量也是非常关键的因素。为确保铁路信号设备施工质量，要对涉及的各种材料进行严格监管。首先要对材料供应商的渠道进行严格把关，严格考察进货厂家的资质以及产品质量。另外，不仅在进货之初对建材进行严格检查，施工过程中也要定期对材料的质量进行检查，避免材料出现问题。可以利用现代的信息管理系统对材料的采购、使用及库存等情况进行统计，不仅能优化管理流程，还能提高管理效率，此外，各种管理过程中的信息也便于存档，便于后期对材料的采购、使用过程进行调查。

（三）部门之间多沟通

工作人员之间也应当形成一定的默契，对于工作中出现的难点要及时的沟通，对安全保证措施的制定要经过严格的设计。除此之外部门之间的沟通与协调需要进一步加强，从协调性方面保证安全保证措施的顺利实施。

五、铁路信号设备故障诊断的性能对比

支持向量机的铁路信号设备诊断结果要优于BP神经网络，这是因为支持向量机可以在小样本的条件下得到充分训练，但是由于参数采用随机方式确定，铁路信号设备诊断准确度要低于本文方法。由于本文方法引入了蝙蝠算法确定参数c、σ的最优取值，可以对铁路信号设备故障变化特点进行建模，构建铁路信号设备工作状态的分类器，得到了铁路信号设备故障诊断结果。

结束语

铁路信号设备在实际的应用过程中能够很好地保证铁路运输的安全性，因此我们需要进一步提升对铁路信号设备的维护与安全保障的力度。针对铁路信号设备在应用过程中出现的问题，要积极进行研究，并且根据当地铁路管理的实际情况进行应对措施的设计，进一步确保铁路信号设备能够处于稳定运行的状态。

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作者单位：郑州地铁集团有限公司运营分公司