（计算机应用技术专业论文）高速铁路道岔监测系统软件系统研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前我国的道岔维修都为故障后的维修。为保证列车和线路的运营效率， 高速铁路要求对道岔的维护和维修次数越少越好、时间越短越好。由于我国 铁路目前尚无对道岔实施行之有效的自动监测手段，道岔的日常维护和故障 道岔的维修仍采用传统模式，占用了较多的运营时间。高速铁路的建设形势 要求亟待改进目前道岔的维护和维修方式以适应铁路的跨越式发展。 道岔监测系统p m s ( p o i n tm o n i t o t i n gs y s t e m ) 监测轨道交通线路上关键 道岔及其转换设备、道岔轨道电路等的性能，为其维护、保养和维修提供技 术支持。随着铁路运营速度的提高，结合我国的铁路发展的现状和国外铁路 的经验，对铁路道岔转换设备状态的实时监测，已是保障道岔设备安全和实 现状态修的关键手段。 本文总结了国内外道岔监测系统的发展现状，详细分析了道岔现场监测 数据分析模型，最终采用了非平稳时间序列模型。在详细介绍道岔监测系统 的系统功能需求及系统要求的基础上，本文给出了系统体系结构和系统网络 结构，尤其详细介绍了现场监测单元现场监测单元f m u 是道岔监测系 统p m s 的主要组成部分，实现现场实时状态数据的模，数转换、缓存和转发， 并根据来自中央处理服务器c p s 的指令进行相应的通信处理和过程控制。 本文最后分析了系统的软件框架，并完成了相应软件设计。 关键词：高速铁路；道岔监测系统；预测模型；l o n w o r k s 总线；时间序列 西南交通大学硕士研究生学位论文第li 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t u r n o u ti no u rc o u n t r yi sf o c u s e do nt h er e p a i ra f t e r m a l f u n c t i o n i no r d e rt oe n s u r et h em a n a g e m e n te f f i c i e n c yo ft h et r a i n a n dt h et r a i nli n e s ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h em a i n t e n a n c ea n dr e p a i ro f t u r n o u ts h o u l db et h el e s st h eb e t t e r ，a sw e l la st h es h o r t e rt h eb e t t e r i nt h eh i g h s p e e dr a i l w a ym a n a g e m e n t a st h e r ei sn oe f f e c t i v ew a yo f a u t o m a t i cm o n i t o ro ft u r n o u t si nt h er a i l w a y d e p a r t m e n to fo u r c o u n t r y ，t h ed a i l ym a i n t e n a n c ea n dr e p a i ri ss t i l li nt h et r a d i t i o n a l w a y ，w h i c ht a k e s al o to fm a n a g e m e n tt i m e t h e d e v e l o p m e n t o ft h e h i g h s p e e dr a i l w a yr e q u i r e st h a ti ti ss u c ha nu r g e n c et oi m p r o v et h e m a i n t e n a n c ea n dr e p a i rt e c h n i q u e st om e e tt h el e a p i n g d e v e l o p m e n to f t h em o d e r nr a il w a y p m s ( p o i n tm o n i t o r i n gs y s t e m ) i st h es y s t e mw h i c hm o n i t o rt h ek e y t u r n o u t sa n dt h e i rs w i t c he q u i p m e n ti nt h et r a c kt r a f f i c ，a sw e ll8 s t h et r a c kc i r c u i to ft h et u r n o u t s i tc a np r o v i d ed e c e i s i o n m a k i n g b a c k u pf o rm a i n t e n a n c e a n dr e p a i r c o n s i d e r i n gt h e d e v e l o p m e n t s i t u a t i o no fr a i l w a y si nc h i n aa n di n t e r n a t i o n a le x p e r i e n c e w eb e l i e v e w i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns p e e d t h er e a lt i m e m o n it o ro fs w it c he q u i p m e n to ft u r n o u t sh a sb e c o m et h ek e ym e a n st o e n s u r et h es a f e t yo fe q u i p m e n t sa n dr e a l i z es t a t em a i n t e n a n c e t h r o u g hs u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o no ft u r n o u t m o n i t o r s y s t e m sh o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rp r o v i d e dad e t a i l e da n a l y s i so f f i e l d m o n i t o r i n gd a t am o d e l o f t u r n o u t s ，w h i c hi sam o d e la b o u t n o n s t a t i o n a r i t yt i m es e r i e s a f t e rac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o no f t h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n d t h es y s t e mr e q u i r e m e n t so ft u r n o u t m o n i t o rs y s t e m ，t h ep a p e ro f f e r e dt h en e t w a r es t r u c t u r ea sw e l la st h e s y s t e ms t r u c t u r ea saw h o l e w h a t sm o r e ，i ti n t r o d u c e dt h ef i e l d m o n i t o r i n gu n i t ( f m u ) ，w h i c h i st h em a i n p a r t o f p m s ，t a k i n g r e s p o n s i b i l i t yf o ra dc o n v e r s i o n ，b u f f e ra sw e l la st r a n s m i s s i o no f t h er e a l t i m es t a t ed a t a ，a n dc a r r y i n go u tc o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生举位论文第| ll 页 d i s p o s a la n dp r o c e s sc o n t r o la c c o r d i n gt ot h ei n s t r u c t i o nf r o mt h e c e n t r a lp r o c e s s i n gs e r v e r ( c p s ) ，f i n a l l y ，t h i s p a p e ra n a l y z e d t h e s o f t w a r ef r a m eo ft h e s y s t e m ，a n da c c o m p l i s h e dt h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ed e s i g n m e n t k e yw o r d s ：t h eh i g h s p e e dr a i l w a y ；t u r n o u tm o n i t o r i n gs y s t e m ；f o r e c a s t m o d e l ：l o n w o r k s ：t i m es e r i e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 高速铁路道岔监测系统的研究背景及意义 国际铁路联盟( u i c ) 对高速铁路下的定义是，允许速度至少达到2 5 0 k m h 的专线或允许速度达到2 0 0 k m h 的既有线。 高速是铁路现代化的重要标志，建设高速铁路是复杂的系统工程。自1 9 6 4 年日本东海道新干线开通以来，目前，世界上投入运营的高速铁路总长约达 6 3 0 0 公里，拥有高速铁路的国家主要有德国、日本、法国、西班牙、意大利、 比利时、英国、瑞典、丹麦、韩国等，其中德国、日本、法国高速铁路里程 已分别达到9 1 7 、2 3 0 0 、1 5 8 0 余公里；正在修建高速铁路的有l o 个国家和地 区，累计约为2 6 6 0 公里；同时，国外铁路既有线通过改造达到时速2 0 0 公里 及以上的营业里程有2 万余公里。 在世界高速铁路迅猛发展的大背景下，我国既有线提速及京沪高速铁路 的建设也正在加紧进行。京沪高速铁路正线全长约1 3 1 8 公里，是中长期铁 路网规划中投资规模最大、技术含量最高的一项工程，也是我国第一条具有 世界先进水平的高速铁路，工程预计5 年左右完成，2 0 1 0 年投入运营。 我国既有线提速及京沪高速铁路建设坚持以我为主，自主创新，立足高起 点、高标准，瞄准世界先进水平，形成具有中国自主知识产权的高速铁路技术体 系。线路、桥梁、隧道、涵洞等工程技术，通过原始创新，形成完全独立的技术 标准和自主知识产权；通信、信号、牵引供电系统，坚持系统集成创新，形成满 足我国客运专线系统集成的标准和要求；运营调度和旅客服务系统，坚持自主 创新，适应我国客运专线运营要求；高速动车组，按照“引进先进技术，联合设计 生产，打造中国品牌”的要求，通过引进消化吸收再创新，实现具有世界先进水 平的客运动车组的国产化。 随着列车运行速度的大幅提高，列车运营系统对道岔相关设备的要求越 来越高。道岔转换设备是列车运行的重要基础设备，道岔转换设备能否正常 工作将直接影响到列车行车安全和运营效率。随着铁路客运专线的建设和既 有线提速，特别是在高速铁路上大号码道岔上，一旦出现故障将严重影响铁 路的运营，甚至会发生灾难性的事故。为此，高速铁路道岔监测系统的研制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 已刻不容缓。 1 2 高速铁路道岔监测系统的国内外现状 国外铁路高速道岔对道岔状态的实时监测高度重视，普遍采用了道岔监 测系统( 如奥地利的r o a d m a s t e r 2 0 0 0 道岔监测系统、俄罗斯的无接触道岔自 动控制器a b k c 用于检测尖轨密贴、法国的t r a c ka n dt u m o u t m o n i t o r i n gs ”锄 以及德国等都研制了相应的道岔监控系统) 。 目前我国的道岔维修都为故障后的维修，为保证列车和线路的运营效率， 高速铁路要求对道岔的维护和维修次数越少越好、时间越短越好，由于我国 铁路目前尚无对道岔实施行之有效的自动监测手段，道岔的日常维护和故障 道岔的维修仍采用传统模式，势必占用较多的运营时间。高速铁路的建设形 势要求亟待改进目前道岔的维护和维修方式以适应铁路的跨越式发展。 道岔监测系统p m s ( p o i n tm o n i t o r i n gs y s t e m ) 以监测轨道交通线路上关 键道岔及其转换设备、道岔轨道电路等的性能，为维护、保养和维修提供决 策支持。系统在道岔轨旁设置多组可靠的、高灵敏度的传感器，传感器收集 到的信息由现场监测单元f m u ( f i e l dm o n i t o r i n gu n i t ) 预处理后，经由现场控 制总线或网络系统传送至位于车站控制室的p m s f j 艮务器，p m s 服务器分析收 到的现场信息，确定可能的设备损耗和性能恶化。通过阈值调优和趋势分析， 可以采取适当的预防措施和维护手段，使得由于道岔相关设备引起的对列车 运营的影响降到最小。 随着铁路运营速度的提高，结合我国的铁路发展的现状和国际经验，对 铁路道岔转换设备状态的实时监测，已是保障道岔设备安全和实现状态修的 关键手段。 1 3 本文主要研究内容 本文首先描述了高速铁路道岔监测系统的系统功能需求及r a m s 需求。 在深入分析系统需求的基础上，详细介绍了其系统设计、网络结构设计、软 件总体框架等。 论文主要研究并完成了高速铁路道岔监测系统的上层软件部分。上层软 件主要分两部分：现场采集数据接收软件与采集数据分析处理软件。前者采 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用双口r a m 与现场总线l o n w o r k s 高速交换数据，使用v i s u a lc + + 编程；为 方便用户使用，后者采用l a b v i e w 进行编程，以使用其图形化快速开发的优 点。 最后，详细讨论了本文采用的用于现场采集数据阈值设计与趋势分析的 模型非平稳时序分析模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章系统功能及系统要求 2 1 目前我国铁路道岔类型及发展趋势 随着铁路提速的发展，正线道岔转换设备由两点牵引的直流内锁闭转辙 机发展为多点多机牵引的三相交流分动外锁闭转换设备。 高速铁路在我国的实现，必然标志着大号码道岔的应用，在高速线路上 采用的大号码道岔可能为3 0 、3 8 、4 8 号或6 3 号道岔，其尖轨长达几十米，列 车运营速度在3 0 0 k m h 左右，从安全监控角度对道岔状态的监测是必需的。 2 2 道岔状态参数监测 道岔监测系统最核心的工作就是实时监测道岔的各种状态参数，为道岔 的日常维护和及时维修提供依据和决策参考。 道岔状态参数测量设备的安装，应尽量避免对道岔及道岔转换设备等相 关设备结构的修改。附加的设备部件不应影响道岔的正常使用和维护维修， 不得影响道岔原有的机械强度和特性。同时，还要考虑测量设备安装、拆卸 和维护维修的便捷。 2 2 1 轨道状态参数监测 1 尖轨与基本轨的密贴度 随着列车速度的提高，对道岔夹异物的检查也越来越严格。秦沈客运专 线一次铺设无缝线路关键技术的研究道岔夹异物动力标准的研究报 告提出，在6 0 k g ，m 钢轨3 0 号提速道岔上，车速为1 6 0 k m h 时夹异物动力标准 为5 m m ，车速为2 0 0 k m h 时夹异物动力标准为4 m m 、车速为2 5 0 k m h 及 3 0 0 k m h 时夹异物动力标准为3 m m 。铁工务函【1 9 9 6 1 3 1 3 号文( ( 6 0 k g m 钢轨 提速道岔及转换设备铺安装维护及验收技术条件要求两牵引点之间有5 m m 以上间隙时，道岔不锁闭或不接通表示。根据此标准，既有道岔原有结构很 难保证此指标，必须增加密贴监测设备，监测道岔状态。 大号码道岔尖轨长达几十米，如3 8 号道岔尖轨长3 7 6 3 米，两牵引点间 的距离为4 8 米，在牵引点处不能准确反映两牵引点间夹异物的情况。如图2 一l 所示为尖轨与基本规的现场图。工务规定：密贴尖轨夹异物不能大于5 m m ， 后又有报告认为应更严格要求，否则对高速行驶的列车安全有影响。所以， 西南交通大学硕士研究擞学位论文第5 页 在两零弓 点闯加密贴检查器是必黉的。但是，密贴捡查器仅仅检查是否密赔 ( 牙关爨) ，苓毙绘窭嫠薅戆密魏凌摇标模羧爨) ，为了霹密戆滢遂行译缀测量， 需要安装专门的“密贴监测仪”，以替换当前采用的密贴梭查器。 为了替代当前的“密贴检查器”，“密贴般测仪”必须设计成安全设备， 纳入联锁系统。为此，需要对“密贴监测仪”邀哥亍安全性设计和测试。在p m s 竣诗避程孛充分考虑这一霉求，憾鏊翦不赘冀筏隽安全设务。 “密贴监溅仪”的测量范围为o 2 0 m m ，精度为士0 1 m m 。 图2 - t 炎轨与基本轨现场图 2 尖轨与基本轨的斥离度 瓷莲岔转换到繁令镁潮彼爨定位或反傻) 辩，尖孰与麓零辘一边褰精， 另一边斥离，如上灏所示。与蒸零辘密赔静一端的尖辘，称之为密赔鞔，斥 离的一端，称之为斥离轨。 髓着列车速度的提高，在对道岔的尖轨麓基本轨的密贴度进行监测的基 础上，霉要对尖孰与基本孰的斥簿度进行蕊测。如3 8 号遵穰的尖孰第一牵引 煮开翻整标准梵1 6 0 m m ，纂二牵霉| 赢嚣曩耄豁准为1 4 0 m m 。该齐西量瑟为尖 轨与旗本轨的斥离艨。工务规定，道岔尖轨的实际开口量( 匈基本轨斥离度) 与标准值之间的误麓不超过3 m m 。铁工务函f 1 9 9 6 1 3 1 3 号文( 6 0 k g m 钢轨提 速道按及转换设备铺安装维护及验收技术条件规定，尖轨非工作边与蒸本 虢王豫逸瘸霆不冬予6 5 m m 。这熬懿尖辘菲z 终透帮荛尖孰厅离魏。 戳此，为了消除安全隐患，确保列车运鬻的安全，对灸轨和基本辘的斥 西南交通犬学硕士研究缴学位论文第6 页 离度静楚测是非常必要豹。 觳瑟言，斥蔫度静溅量霹骧采蔫密结度麓溅鲎设备一密熬灞薰仪”， 这样，该测量仪称为“位移测量仪”。但是，由于斥离度和密贴度的测艇值 差异较丈，所需测墩精度不同，我用一个测鬣仪测量，对仪器自身提出较高 要求，为此，可以饿用两个不同测量范围和精度的测量仪。 焱粼量蓐褰褒( 开疆量) 豹测蹙仪“嚣鬻测量纹”独立霞璃瓣， 萁溅爨范围为o 3 0 0 m m ，精度为1 m m ；如聚密赔度与斥离度共愿“使移测 量仪”时，测量范围为o 3 0 0 m m ，精度为0 1 m m 。 3 可幼心轨与翼轨的密贴度 慰遵岔夹异物豹检查，除尖孰与基本轨黪密赡度的蕊测辨，还必须瓣可 动心辘与鬓鞔酶密鼯度避行遂溺，鲡蚕2 - 2 骄黎。胃动心辘与翼鞔懿密麓缓、 尖轨与基本轨的密贴度这二者的性质是相似的，密贴度的测量指标相同。具 体参见“1 尖轨岛基本轨的密贴度”。 可动心轨与翼轨的密贴度测蹙范围为o 2 0 m m ，精度为0 1 m m 。 圈2 - 2 霹动心孰与翼孰现场銎 2 2 2 转辙机状态参数监测 1 。转辍爨转换力 西南交通犬学硕士研究缴学位论文第7 贾 犬号码道岔的转换霈多台转辙机，在转换过程中，如聚肖一台发生故障， 将不能及簿发凌。辩每台转辍壤遗霉亍转换力鹣滚涎，憩及瓣发瑗多毒零辱| 瓣 道岔中某一牵引点的不良状态，何以及时采取霄效措施。如图2 3 所示为道岔 转辙机的现场图。 转辙机动作杼上的拉力是衡爨道岔能否藏常转换的重翳指标，对其i 投行 实蹲爨溺，霹叛了瓣遂岔戆安装楚否会瑾，轷传兹壤壤强发怒否潢是设嚣要 求等。 转辙机转换力、动作杆拉力均是由于道葫转换阻力引起的，可以认为道 岔转换时转辙机转换力、动作杼乎嶷力和道岔转换阻力是等价的。道岔转撤阻 力包旗尖孰弼动。0 鞔) 摩擦力、炎轨( 可动心轨) 密贴力等。 铁工务函【19 9 6 1 3 1 3 号文t ；6 0 k g m 锈羲掇遮遒岔及转羧设备镰安装缭护 及验收技术条件中提到，转辙机的转换力和幼作杆的拉力与规定值的偏差 过大时，转辙机将不能保证道嵇的正确转换。这势必对列率的运行安全带来 隐患，是必须进行监测的参数。 愆予遂岔转换瓣力熬溅量，一黢是在转 薮壤动雩# 抒连绥镑羟设置甓茂簧 感器“测力销”，此时，所测量的力实际为动作杆拉力。 转辙机动作秆挝力的测量范围为一10 0 0 0 n 一+ 10 0 0 0 n ，测量精度为 5 0 n 。 匿2 - 3 遴岔转辙枫的现场謦 2 转辙机动态力 巍运营列车经过道岔时，列车对道岔形成冲击，造成道岔及其转换设备 懿攫移、交形等，转寝投务了绦 | 孝遘彗当兹懿镁惩获态，孳| 超转辍掇动终轷 上的搬力的变纯，这就是“动态力”。“动态力”对遒岔转换设备包括转辙 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 机等均会产生不良影响。 及时掌握转辙机所承受的“动态力”，可以为道岔转换设各的安装和维 护、转辙机的维护和保养等提供决策参数，从而确保道岔的正常转换，确保 列车正常运行，保障列车运营安全。 动态力的测量范围为一1 0 0 0 0 n , - - + 1 0 0 0 0 n ，测量精度为5 0 n 。 3 转辙机震动加速度 列车经过道岔时，对道岔形成冲击，引起道岔转换设备的震动“震 动加速度”。转辙机对震动加速度比较敏感，过高的震动加速度，不仅会加 速转辙机内部零件的磨损，降低转辙机使用寿命，还会引发转辙机的不正常 工作，不能保证道岔的正常转换。 监测转辙机的x 、y 、z - - 个方向的震动加速度参数，可以及时掌握转辙机 的使用情况，做到对转辙机的及时维护和维修，确保列车运营安全。 由于z 向振动加速度对转辙机影响最大，为了简化设计，目前仅考虑z 方 向的振动加速度。 振动加速度的测量范围为0 1 0 0 9 ，精度为1 9 。 4 转辙机工作电流和电压 无论电动转辙机，还是电液转辙机，转辙机的工作电流、电压是转辙机 正常工作的重要指标，如果转辙机的工作电流和电压不符合额定数值，转辙 机将不能正常工作，从而不能保证道岔正常的转换，造成列车运行的安全隐 患。对转辙机的电流、电压进行实时监测，在其值偏离正常范围时( 或之前) ， 及时更换和维修，可以保证转辙机的正常工作，保证道岔的正常转换，保证 列车运行的安全。 交流转辙机的额定工作电流不大于2 安培，额定工作电压为3 相3 8 0 v 。当 转辙机的工作电流大于2 安培时，转辙机很可能工作在不正常状态，这对转辙 机本身和道岔的转换均造成不稳定影响，对行车安全产生不良影响；当工作 电压过高时，转辙机电路过载将可能导致电器元件损坏；当工作电压过低或 缺相时，转辙机不能正常工作。总之，当转辙机的工作电流和工作电压偏离 额定值较多时，转辙机不能保证道岔的正常转换，这将对列车运营安全，特 别是高速列车的运营安全带来隐患。 交流转辙机工作电流测量范围为0 5 a ，测量精度为0 0 2 a 。 5 电液转辙机液压 对电液转辙机来讲，液压是保证转辙机正常工作的重要指标，对电液转 辙机的液压进行实时监测，可以判断转辙机工作是否正常。如果液压不足， 转辙机不能保证道岔的正确转换，这给列车运营安全带来威胁。 压力测量范围为0 2 0 m p a ，精度为0 2 m p a 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 3 其他状态参数监测 1 道岔环境温度和相对湿度 由于道岔转换设备主要位于室外轨旁、嚣天工作，其工作状态受环境温 度和相对湿度的影响比较大。另外，为监测道岔的状态参数而安装的传感器、 电气设备和机械设备等，受环境温度和相对湿度的变化也会发生测试参数的 漂移。为了保证道岔及其转换设备的正常工作，为了确保测量参数尽量小的 漂移( 根据环境参数进行调整) ，对道岔环境温度和相对湿度进行实时监测具有 一定的现实意义。 环境温度的测量范围为_ 4 0 - + 7 0 ，环境湿度测量范围为0 1 0 0 。 2 道岔状态的开关量( 1 d q j 、d b j 、f b j 、d g j ) 监测道岔控制电路的开关量信息，可以了解道岔电路的工作情况，和室 外测到的道岔位置进行比较后，可以提供道岔表示冗余信息。 根据道岔1 启动继电器1 d q j 的吸起和落下，可以掌握道岔转换起始和终 止的时机，为道岔转换其他参数的测量提供触发条件。1d q j 吸起，表示道岔 开始转换；1d q j 落下，表示道岔转换完毕。 根据d g j 继电器的吸起和落下，判断是否有车经过，触发动态力和震动 加速度等参数的测量。 监测d g j 开关量，以d g j 的吸起落下作为动态力与振动加速度等参数 的监测触发，存在提前和延误的情况，有缺陷。建议根据某个监测量的突变 或者设置专门的触发传感器等作为监测触发条件。无论采用何种触发方式， 均应充分考虑触发的延迟问题。 2 3 道岔状态参数判断及报警 对实时监测的道岔的各种状态参数，根据设定的警戒值进行危险级别判 断，完成相应报警，同时向用户提出应对措施选择。 对某个监测量，如尖轨的密贴度，可以设计多级阈值，据此实现同一报 警的不同级别。 2 。3 1 轨道状态参数判断及报警 1 尖轨和基本轨密贴度判断 当道岔转换完毕时( 1 启动继电器1 d q j 落下) ，同时开启尖轨和基本轨的 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 密贴度及斥离度的监测，从每个测量点取得一组数据( n 个，可配置) ，进行 综合分析。 如果尖轨和基本轨的密贴度测量值超过限定的3 m m 标准，判定为不密 贴，此时应根据道岔的表示位置判断是否进行不密贴报警，当室内道岔表示 在定位，弯股有不密贴的测点时，报定位不密贴；当室内道岔表示在反位， 直股有不密贴的测点时，报反位不密贴。 同时，还可以据此判断室内外表示是否一致，因为根据道岔密贴的直股、 弯股可以知道室外道岔的实际位置，当室内道岔表示在定位，而直股密贴时， 报室内外表示不一致，室内在定位，室外在反位：当室内道岔表示在反位， 而弯股密贴时，报室内外表示不一致，室内在反位，室外在定位。 2 尖轨和基本轨开口量超限判断 当道岔转换完毕时( 1 启动继电器1 d q j 落下) ，同时开启尖轨和基本轨 的密贴度及斥离度的监测，从每个测量点取得一组数据( n 个，可配置) ，进 行综合分析。如果尖轨斥离轨和基本轨的开口量测量值与标准值的偏移量超 过限定的3 m m 标准，判定为开口量超限，此时应根据道岔的表示位置判断 是否进行开口量超限报警，当室内表示在定位，直股有开口量超限的测点时， 报定位开口量超限；当室内表示在反位，弯股有开口量超限的测点时，报定 位开口量超限。 3 可动心轨和翼轨密贴度判断 可动心轨和翼轨的密贴度判断，与“1 尖轨和基本轨密贴度判断”基本 相同，不同之处是翼轨不存在直、弯股之分。 2 3 2 转辙机状态参数判断及报警 1 转辙机转换力超限判断 在道岔转换过程中( 从1 d q j 吸起开始到落下结束) ，对转辙机转换力( 动 作杆的拉力) 进行连续测量，直到道岔转换完毕，完成一次完整的测量。当转 换力绝对值超过2 0 0 0 n 时，视为转换力超限。根据一次完整测量结果序列值 中超限情况，完成不同级别的报警。 2 转辙机动态力超限判断 在列车经过道岔时( 道岔股道占用期间，为从d g j 落下到吸起之间的时 间) 时，对转辙机动态力进行连续测量，直到列车离开道岔( 道岔股道出清) ， 完成次完整的测量。当动态力绝对值超过3 0 0 0 n 时，视为动态力超限。根 据一次完整测量结果序列值中超限情况，完成不同级别的报警。 平时动态力以较大周期的采样，这些值仅仅用来判断是否发生突变，不 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 作为监测值处理。当采样值突变时，立即启动动态力的设定采用周期的监测。 3 转辙机震动加速度 在列车经过道岔( 道岔股道占用期间，为从d g j 落下到吸起之间的时间) 时，对转辙机震动加速度进行连续测量，直到道岔转换完毕，完成一次完整 的测量。当某个方向上的震动加速度绝对值超过设定阈值时，视为震动加速 度超限。根据一次完整测量结果z 方向上的序列值的超限情况，完成不同级 别的报警。 平时振动加速度以较大周期的采样，这些值仅仅用来判断是否发生突变， 不作为监测值处理。当采样值突变时，立即启动振动加速度的设定采用周期 的监测。 4 转辙机工作电流和电压 交流转辙机工作电流测量范围为0 5 a ，测量精度为o 0 2 a 。在道岔转 换过程中( 从1 d q j 吸起开始到落下结束) ，连续测量转辙机的工作电流和电 压，直到道岔转换完毕，完成一次完整的测量。分析一次完整测量结果序列 值的超限情况，进行不同级别和情况的报警处理。 5 电液转辙机液压 电液转辙机液压测量范围为0 2 0 m p a ，精度为0 2 m p a 。在道岔转换过 程中( 从1 d q j 吸起开始到落下结束) ，连续测量电液转辙机的液压值，直到 道岔转换完毕，完成一次完整的测量。分析一次完整测量结果序列值，进行 不同级别和情况的报警处理。 2 3 3 环境温度和相对湿度判断及报警 实时测量道岔尖轨温度、环境温度和相对湿度，根据系统或用户设定的 警戒线( 报警阈值) ，实现不同级别的报警。 2 4 趋势分析及预警 仅仅通过对道岔转换设备的各种参数的测量和判断，对测量参数超过警 戒线的情况及时进行报警的监测手段，尚不能真正改变道岔转换设备的“故 障修”、实现“状态修”，还需要对各种参数进行纵向和横向分析。所谓纵 向分析，就是分析当前到之前一段时间和次数的测量值的曲线走势是否趋向 警戒线( 报警阈值) ，预测故障发生的可能；所谓横向分析，就是对道岔转换设 备的彼此相关的参数进行综合分析，而不是单一分析一个参数。 通过对道岔转换设备的测量参数进行纵向和横向综合分析，能够更准确 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 地掌握道岔转换设备的工作状况，特别是及时预测其故障趋势，真正实现“状 态修”。 当综合分析推断预测道岔的故障趋势时，系统认为道岔转换设备将要发 生故障但目前并无故障，此时系统应该提出预警，供用户决策。预警比报警 的紧急级别低。 2 4 1 密贴与开口的综合分析 对每一次密贴度和，或开口量完整测量结果序列，计算其平均值、最大值 和最小值。根据平均值、最大值和最小值的历史记录序列，绘制三条曲线， 对曲线进行走势分析，其中重点是平均值的走势分析，分析密贴度是否接近 或趋向超过3 m m 警戒线( 阈值) ，分析开口量与标准值差异是否接近或趋向超 过3 m m ( 尖轨) 或1 5 m m ( 可动心轨) 警戒线( 阈值) 。 另外，计算每一次完整测量中每个测量点的密贴度和开口量的和。根据 每个测量点的该和的历史记录序列，绘制曲线，对曲线进行走势分析，是越 来越大还是越来越小。 2 4 ，2 转辙机转换力、动态力和震动加速度的综合分析 计算转辙机每一个完整转换过程测得的转换力序列的平均值、最大值和 最小值。根据平均值、最大值和最小值的历史记录序列，绘制三条曲线，对 曲线进行走势分析，其中重点是平均值的走势分析。从走势分析，可知转换 力是否越来越大，由此可推断道岔转换阻力越来越大，这可能是道岔转换设 备变形等引起的。另外可以结合同时测得的动态力和震动加速度参数进一步 分析故障趋势和隐患。 计算列车经过道岔时，转辙机测得的一次完整动态力序列的平均值、最 大值和最小值。根据平均值、最大值和最小值的历史记录序列，绘制三条曲 线，对曲线进行走势分析，其中重点是平均值的走势分析。 计算列车经过道岔时，转辙机测得的一次完整的z 方向震动加速度序列 的平均值、最大值和最小值。根据平均值、最大值和最小值的历史记录序列， 绘制z 方向的3 条曲线，对曲线进行走势分析，其中重点是平均值的走势分 析。同时还可将三个方向的曲线走势对比分析。 2 4 3 电动转辙机工作电流，工作电压的综合分析 对在道岔转换过程中( 从1d q j 吸起开始到落下结束) 所测得的完整的转 西南交通大学硕士研究生攀位论文第13 页 辙枫躬忑作电流和电压序列值，计算其平均德、最大值和毁小值。根据电流 龟筮鹣警圭鲁篷、最大焦帮最拳篷憝历变记录彦麓，荟绘铡3 祭麴线，对麴线 进行悫势分析，其中重点是平均德的走势分桥，分析是否置作电流接避绒趋 向超过2 a 的警戒假( 阙值) 。同时将工作电流的曲线走势与工作电压曲线难势 对比分析。 惑予电动转辙嫒戆工终电流与转换力骞麓蠢接关系，掰以剪跛将毫幼转 辙枫静王作电流蠡驽线与转换力藏线对魄综合分析。 2 4 4 电液转辙机液压参数的综合分析 对在道岔转羧j 篷程中f 瓢1d q j 吸起开始弱落下结束) 所测褥静完整髂转 辙机的液压序列值，计算其平均值、最大值和最小值。根据液压的平均值、 最大假和最小值的历史记录序列，各绘制3 条曲线，对曲线进行走势分析， 其中熬点是平均馕豹走势分析，分辑是否液蕊接近或趋向越过( 大于或小予) 懿警躐筐( 阙篷) 。 由于电液转辙机的液压与转换力有着奁接关系，所以w 以将电液转辙机 的工作液压与转换力曲线对比综含分析。 2 。5 系统要求 2 5 1 系统基本要求 1 遴岔状态参数测壁设备的安装，应尽量避免慰遂岔及邋岔转换设备警稽 关设备结构的修改。 2 附加的设备部件不应影响道德的正常使用和维护维修，不得影响道豫原 露的枫械强度_ 穰特性。 3 。设备秘系统不魏霹箕 | 墓铁鼹设备帮系统产黧宅磁手撬。 2 5 2 系统性能需求 1 务测量参数戆溅藿蓖銎窝测爨耩蜜冤“2 。2 遭岔状态参数篮溅”； 2 备测量参数的警戒值( 报警闽值) 是可配置的，用户可以修改； 3 从有害情况的发生开始，经j 踺测量仪测量判断，到参数分析，最后农用 户终端上报警显示，整个过程的延时不越过2 秒钟： 4 埝入f 毒蠡塞日、遴落设备羁捉絮等鹭零2 0 戆余量设计； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 5 。处瑷器系统的c p u 、内存和磁盘等设备均考虑系统正鬻运转所需容鬃的2 倍之上； 6 中央处理计算机的磁盘应能储存不小于3 1 天的测量数掇； 7 一组或多组道徐共用一个现场监测分机。一个现场监测分机某一时刻测 得的所有数据均需在3 0 秒钟内传送至中央处理计算机，当用户“点撩” 菜缌遂岔懿特定狡态趋线露，该状态垂线鬟在5 移锌内传送至题户终溃 嚣示屏上； 8 现场分机采样频率不大于1 0 0 m s ，不同监测参数采样频率可不同，凰可 酉己溉。对于动淼力、振动加速度等的采样频率要求不大于10 m s 。 2 5 。3 系统r a m s 需求 1 可靠性要求( r e l i a b i l i t y ) a 。设荟蠢系绞不戆壹接影嚼剃列车运营豹霹嘉缝，翔魏车或羡号赦瓣、 列车延误等； b 不能完成要求功能、发生不可预期的设备动作或系统性能低于所需要 求，均视作“失效”或“敞障”； e ，平均无故簿王 笮时闽( m t b f ) 6 0 ，0 0 0 ，j 、射； d 。现场篮测分撰静萃点敌障，不应导致熬令系统静不搿雳。 2 可用性要求( a v a i l a b i l i t y ) a 可用性指栋2 面聂m i l i b i 螽。i 聂1 0 0 ，其中m t b f 是平均笼故 障工作露黼，m h r 是警均故障修瑟辩闻； b 设备和系统不能直接对列车运营的可用性产生有害影响； c 道岔状态不能监测、报警的错误记录报告和显示、现场分机的故障 以及中央计雾枧和用户终端的失效，她对，均视为系统不可用： 玲。 设备纛系绞黪霹雳缝9 9 。9 9 ； e 为了达到所簧求的可用饿，若有必要，可以采取设备冗余、燕备保 护、并行邋行、通道迂阐等措施； p 冗余设备的切换、通信遵道的切换和迂回应在失效发生时立即翻幼 进行，莠慰嫣产爨持透髑。 3 可维护性要求( m a i n t a i n a b i l i t y ) 根据高速铁路邀岔监测系统的特点，可维护性是系统设计和开发所需遵 循的荚键标准之一： 矗。经嚣一令设备蘩砖翡豹平澎数簿掺复跨耀m t t r - 2 0 分镑，箕巾苓 含行程时阐； 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 b 所有设备均应采取模块化设计，硬件模块的安装、拆卸和替换简单 易行，不允许出现需要吊装设备、2 或多于2 人才能完成的情况； c 所有硬插件( p l u g i n ) 模块允许热插拔( h o ts w a p p i n g ) 操作，这种操作 不影响系统的正常运行和紧急情况下的运行： d 非法输入不应导致系统的失效或崩溃； e 系统的设计应： 尽量减少设备预防性维护的频率； 避免预防性维护引起的宕机，若必须宕机，时间不得超过2 小时； 内置的自测试、上电自检和足够的测试点，以减少故障定位时间。 4 安全性要求( s a f e t y ) a 作为监测系统，不影响铁路运营安全，安全级别定义为0 ，是非安全 系统。 b 系统涉及安全方面包括系统设备自身安全、维护人员人身安全： c 所有轨旁设备均应封装在盒子或柜子内，以防恶意破坏，并确保使 用设备的人员的电子安全； d 电缆选型应充分考虑耐久度和鲁棒性，以防在存储、运输、安装和 使用等可能引起的损坏； e 对下列情况，所有设备的设计应予以充分考虑和保护： 害虫损害( 如老，田鼠) ； 腐蚀，特别是在恶劣环境中； 雷击。 f 制定详细、规范的设备使用和维护方法和安全规范，对使用者和维 护者充分培训，是确保系统最小失效、维护者面临最小安全风险的 有效手段之一。 2 5 4 电磁兼容( e m c ) 设备选型时，必须充分考虑设备所处电磁环境。 1 在铁路的电磁环境下，p m s 系统必须具备“2 5 3 可靠性要求”中所要 求的可靠性，并且不能影响其他第三方。 2 在车站控制室，p m s 系统设备不能对其他系统的设备产生电磁干扰 ( e m i ) ，并且也不受其他设备的电磁干扰。 3 所有l c d 监视器必须充分包括免受外部包括直流和交流磁场的电磁干 扰。不允许发生图像扭曲或其他形式的视觉干扰。 4 系统中的任一设备不应对系统中的其他设备产生电磁干扰。l c d 不应影 响相邻监视器的正确操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章系统分析与结构设计 3 1p m s 系统的设计原则及设计标准 p m s 系统的设计遵循以下原则： 夺不影响道岔及其转换设备的正常操作 夺实时信号处理 夺数据日志 现场控制总线或局域网数据传输 信息的显示和处理 夺报警和阈值设置 警告和趋势分析 另外，p m s 的设计将满足以下设计标准：扩展性、可靠性、灵活性、用 户友好、可维护性、友好性。 为了满足以上设计原则，监测道岔及其转换设备等所用传感器基本上选 择现货供应( o f f - t h e - s h e l f ) l 构成熟产品。 另外，车站内道岔分布较为零散，现有我国车站内道岔轨旁的通信电缆 很少有光缆和双绞线，而电力线较为常见，因此，对于现有车站而言，现场 监测单元f m u 与p m ss e r v e r 的通信只能采用现场总线或者现场总线与局 域网混合完成，女i c a n 、l o n w o r k s 等：对于新建的客运专线或高速线路， 可以铺设光缆或双绞线组建高速局域网，满足实时传输要求。 3 2 需求分析 a 道岔尖轨 状态描述 l密贴度尖轨( 密贴轨) 与基本轨 2开口量尖轨( 斥离轨) 与基本轨 b 道岔可动心轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 c 转辙机 对于转辙机，p m s 系统将监测其以下状态信息： 状态描述 1转换力道岔转换时动作杆拉力 2动态力列车通过时动作杆拉力 3震动加速度列车通过时冲击震动 4工作电流电压道岔转换时电流电压 5电液液压道岔转换时电液压力 d 环境温度和湿度 p m s 系统将监测道岔的环境温度和湿度。为此，将在道岔轨旁安装温度和湿 度传感器。 e 道岔轨道电路 对于道岔轨道电路，p m s 系统将监测其以下状态信息： 状态描述 i l电流给电端和接电端内部跳线电缆电流 l 2电压给电端和接电端之间的电压 f 反映道岔状态的开关量 监测反映道岔状态的开关量：1 d q j 、d g j 、d b j 、f b j 。 g p m s 服务器 在车站控制室，p m s 系统将提供本车站的轨道视图，在轨道视图上，将显示 以下内容： 夺道岔相关监测参数，以图形数字方式显示其相关性能参数； 夺当超过设定的闽值时显示报警； 夺道岔参数的走势分析图表和警告。 3 3 系统体系结构和功能 3 3 1 体系结构 p m s 系统的体系结构如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 贞 l。l l lf muf muf mu i 3 3 2 系统部件 图3 - 1p m s 系统静体系络构蓬 p m s 蠡戬下系统鄢侔组成： 夺能于车站控制黧的用户工作站( m m i ：m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 位于车站控制赢的中央处理服务器( c p s ：c e n t r ep r o c e s ss e r v e r ) 夺分布在车站站场内的现场控制总线( l o n w o r k s ) 或，和数攒传输嬲络( l a 夺疆璇场茬麓总线爨帮数据佟输耀络静瓣终络赢设备 夺位于道岔轨旁的现场监测单元( f m u ：f i e l dm o n i t o r i n gu n i t ) 夺位于道岔轨旁的各种传感器 夺遂行在服务器、工作站