基于数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断分析

宋永涛

摘要：自“八横八纵”铁路网规划建设提出以来，我国铁路运输事业迈入了蓬勃发展阶段，综合化、网络化、智能化、数字化成为现代铁路运输系统发展的主要方向。而信号控制系统是现代铁路运输的“中枢神经”，信号设备故障的出现不仅会干扰铁路行车效率，还会对行车安全造成较大的威胁。加之现有信号报告多以文本形式记录，存储、分析难度较大。基于此，对基于数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断进行研究，以供参考。

关键词：数据挖掘;铁路;信号设备

引言

故障-安全是铁路信号行业永恒的主题，在轨道交通的发展早期阶段，人们已经认识到了故障-安全的重要性。鉴于当时使用的主要是简单的机械或者电气器件，其失效模式相对简单、容易确定，且不同的失效模式之间故障率存在很大差異，或者可以排除某些有害的失效模式，以使这样构建的系统的所有容许状态只有无故障时存在（换言之，存在故障时，系统不处于容许状态）。

1基于数据挖掘的故障自诊断整体架构

基于数据挖掘的故障自诊断整体架构主要包括智能诊断层、模型优化层、数据预处理层3个层次。其中，智能诊断层主要负责根据中间层获得的故障信息进行故障数据的自动查阅，或根据现有故障现象搜索历史经验，提高故障诊断准确率，具体流程为：待诊断故障数据→集成分类器→轨道电路故障/道岔故障/信号机故障/……;模型优化层为中间层，主要负责利用支持向量机、逻辑回归基分类器随机森林集成分类机，结合参数特点，对预处理后数据进行调优，具体流程为：初始化参数→基分类器/集成分类器→集中学习群（Voting）;数据预处理层主要负责铁路信号设备故障文本非结构化数据的预处理。即抽取文本数据特征并将其转化为计算机可识别、核算的文本向量，从根源上规避样本数据不均衡情况。具体流程为：原始文本数据→特征向量矩阵→分类标签→不均衡数据处理。

2铁路信号设备研究存在的问题

我国在推进铁路信号运输设备系统可靠性的技术研究应用方面起步比较晚，我国比较早时期开始进行研究的课题是关于军工业和太空航天工业的铁路信号运输设备系统可靠性技术研究，直到20个世纪60年代开始第一次在我国军工业和太空航天工业中开始实行铁路信号运输设备系统可靠性技术研究，我国在推进铁路信号运输设备系统可靠性技术研究应用方面的技术标准很少，使得我国铁路运输管理方面的技术工作效率大大降低。在关于我国目前制定的《装备可靠性通用文件要求》标准文件中，关于提高铁路信号运输可靠性相关的标准规范比较少，而且这些相关标准规范由于缺乏实际化和工程化应用经验，不一定能够有效支撑目前我国的现有铁路信号运输设备的稳定发展，从而严重影响了目前我国国内铁路运输的健康发展。

3基于数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断分析

3.1铁路运行全过程的仿真系统

利用软件编制出一个具有复线区间线路的联锁车站，区间为双线双向无绝缘移频自动闭塞制式，增加区间轨道电路及区间信号机显示，并将车站上、下行线路区间连接形成闭环。在联锁车站仿真界面上，可以设置列车信息，模拟列车运行。系统通过以太网通信接口与机车信号仿真设备连接，实现既有机车信号设备有机地融入到车站联锁仿真系统。车站联锁仿真系统需具备以下功能。（1）在联锁界面上办理接发车、引导以及调车作业，实现列车通过正常解锁及人工故障解锁能办理道岔单锁、封闭操作。（2）区间设有轨道电路区段和区间信号机，并可在站内正线及区间所有轨道区段，实现18信息低频编码的码序值显示。（3）实现自动闭塞方向电路功能，排列发车进路时自动改变线路运行方向，当出现“双接”或区间轨道故障时，可以采取辅助办理方式改变运行方向。（4）能够与机车信号发码器连接，由发码器发送机车占用区段的低频编码值。（5）具有设置站内信号机断丝、道岔断表示、轨道电路故障占用等仿真功能;同时可以设置区间信号机断丝、区间轨道电路占用、方向电路双接故障等功能。（6）在仿真界面的线路上可以设置列车信息，操作人员可控制列车自动或手动运行。

3.2数据融合技术

由图1可知，接入到信号智能运维系统中的信号系统有很多，接入的数据类型也多种多样，既有结构化数据，也有半结构化和非结构化数据，如何将这些数据融合到一起，是信号智能运维系统要解决的首要关键问题。数据融合是将带有一定冗余性质的数据，在一定的理论基础上进行合并的过程，目的就是用高效率低成本的方式将信息综合起来，这样就对接下来的状态的态势有了预估;数据融合是针对各信号系统中不同时间（采集间隔）和空间（不同部位）维度的数据，分析其多源异构的信息特征，包括广域空间（位置）标识、事件标识、连续或离散性质、传输特性等，从各类数据中挖掘趋势信息。在各个时间维度下的数据采用去噪、剔冗余、解耦和特征提取等算法;在各个空间维度下的数据采用分类、聚类及相关性分析等方法。采用联邦数据库系统和数据仓库法进行数据融合。

3.3对铁路信号设备可靠性进行提高

加强我国铁路信号检测设备的使用可靠性是一件具有很大难度的事情，也可说是一件浩大的科研工程，其中涉及到的技术方面比较广，整个技术研究工作过程主要包括以下几个主要方面，设备的正常使用生理周期和寿命年限、设备的顶层设计、设备的批量生产以及检测设备是否失效。在以前的技术研究工作过程中，大多数时候都只是非常重视对目前铁路信号运输设备的研究设计和开发生产，却完全忽视了其他各个方面的技术研究，其他的铁路信号运输设备的技术可靠性自然就因此得不到真正保证，所以，想要真正从根本上解决目前铁路信号运输设备的技术可靠性这个问题，就首先需要将这些问题研究处理工作真正贯穿于整个技术研究工作过程中，这样我们才能真正获得更多更好的技术研究成果，从根本上解决这些问题，为开展铁路信号运输设备中的可靠性问题研究工作提供充足的技术理论依据，从而真正投入到实际的技术生产和生活中。

3.4参数优化

参数优化的主要目的是进行不平衡数据处理，常常用合成少数过采样技术，即SMOTE算法。在基于SMOTE算法的参数优化过程中，首先需要输入多数类样本集和少数类样本集，以欧式距离D为标准计算样本到少数类样本集的距离。同时，根据数据集不平衡比例进行采样倍率设置，由欧式距离D选出最近的几个样本作为一个组合，每个组合样本中2个与2个之间随机连线，获得新的少数类样本并加入数据集内，循环后输出新样本集。上述方法可以满足分布于密集域内样本参数优化要求，而对于分布在稀疏域内的样本点，可以输入多数类样本集、少数类样本集后，设置阈值、采集倍率，进行少数类样本集、多数类样本集以及二者的邻集计算，选取若干个近邻点生成新的样本。若相邻集中不含少数类样本，则可以直接将其看作噪声去除。

3.5风险降低原则

安全定义为不存在不可接受的风险，为了实现安全，必须降低风险，降低风险的原则和方法如图2所示。图2右侧给出的是风险降级按优先级依次采用的技术和手段;左侧给出故障-安全的3种实现方式，以及从广义的系统安全性出发，系统安全设计需要考虑的几个方面。风险降级优先选择固有安全设计，固有安全设计不可行时，采用主用的防护装置来降低风险，主用防护装置失效时，可以在降低性能的前提下，采用降级的运行模式，依赖辅助防护装置运行，但仍不需要大量的操作人员介入;辅助防护装置失效时，操作人员介入，此时系统仍应该尽可能的提供对操作错误的防护，操作人员的介入是新的危险源，且出错的概率较高，必须加以防护;最终所有防护装置失效时，只能依赖于人工操作。

3.6建立符合铁路信号设备行业的标准规范

建立一个完善的铁路行业标准质量规范，才能有效保证铁路行业的健康发展，明确规范制定我国铁路信号运输设备运行可靠性质量标准，才能有效保证我国铁路信号运行的安全和提高运行管理效率。目前，由于我国的航空铁路信号传输设备相关行业标准还不够健全完善，不能做到更好满足当前我国铁路工业发展的实际需要，所以，我们需要不断通过探索才能保证可以更快地推进我国铁路行业的发展，从而满足人们的日常出行需求和国家的工业运输需求。

3.7维修策略

维修策略的推断更依赖于智能诊断和历史数据，利用智能诊断和FMEA表单描述已经发生或者可能发生的故障，类似互联网行业中常常根据用户的使用习惯和浏览足迹对用户做“用户画像”，需要根据先验数据对故障做“故障画像”，之后基于故障识别与分类结果，劣化模型建立结果，利用贝叶斯网络或隐马尔可夫链等智能算法对故障做推理和诊断。

结束语

综上所述，铁路信号设备故障的类型多，故障难以识别，针对当前铁路信号设备故障诊断方法存在的弊端，提出了数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断方法。在相同条件下，与经典铁路信号设备故障诊断方法相比，本文方法的铁路信号设备故障诊断准确度更高，速度更快，具有十分明显的优势。

参考文献

[1]代礼强.关于高速铁路信号系统联调联试的研究[D].中国铁道科学研究院，2020.

[2]赵阳，王向伟.轨道交通信号设备虚拟仿真实验系统开发[J].北京印刷学院学报，2020，28（S1）：245-249.

[3]樊伟伟，温永勇.铁路信号设备的维修措施研究[J].设备管理与维修，2020（12）：32-33.

[4]王东升.人工智能在铁路信号故障诊断中的应用研究[J].科技风，2020（17）：123-124.

[5]张硕.基于数据挖掘的铁路信号设备故障自动诊断研究[J].电气应用，2020，39（06）：85-89.

[6]廖元媛.铁路信号安全数据网信息安全防护策略研究[D].北京交通大学，2020.

[7]温永勇，樊伟伟.铁路信号设备维护与安全管理分析[J].设备管理与维修，2020（11）：13-14.

[8]田开元.铁路信号安全数据网异常行为检测方法研究[D].北京交通大学，2020.

[9]趙荣华.铁路信号设备故障检修决策支持系统实现分析[J].数字通信世界，2020（05）：139.

[10]江磊.高速铁路信号系统可靠性及可用性建模与评估方法研究[D].西南交通大学，2020.