（系统工程专业论文）基于规则的铁路车站信号设备故障诊断专家系统模型与方法研究.pdf

摘要 摘要 铁路行车安全是铁路运输追求的重要目标之一，铁路车站信号设 备是保证铁路行车安全的主要设施，因此，确保铁路车站信号设备无 故障地良好工作，对铁路运输安全具有非常重要的意义。利用新技术 设备和方法，实现铁路信号设备状态监测和故障诊断，是保障铁路运 输安全中需亟待研究的重大课题之一。由于铁路车站信号控制设备本 身构成的复杂性，实际造成设备故障的原因具有明显的随机不确定性 和模糊性。因此，有必要结合铁路车站信号设备的工作原理及故障特 性，对车站信号设备故障诊断专家系统的模型与方法进行科学研究， 并研制开发实际的故障诊断专家系统，为现场设备故障分析与维修决 策提供依据。 本论文结合参加导师主持的铁道部科研项目“铁路信号设备故障 智能诊断分析软件系统”的实际研究工作，结合车站信号控制电路的 基本模型，运用系统分析和人工智能的理论与方法，对电路设备故障 智能诊断专家系统的模型与方法进行了选题研究。 本文首先利用系统分析的方法，对铁路车站信号设备的构成、电 气集中设备的概况及其故障的机理进行了分析，为建立诊断模型打下 了基础。然后，针对信号设备故障的特点，对故障诊断实现的过程模 型、故障诊断专家系统的构成及其实现方法进行了研究。其中主要对 基于规则的推理方法进行了深入探讨，提出了基于实例推理和基于规 则推理相结合的实现方法。同时在构造专家系统知识库的过程中，采 用了阻实例为基础的判定树式知识表示，并用i d 3 算法对判定树进行 剪枝构造产生式规则，为建立专家系统的核心奠定了基础。晟后，利 用研究的模型与方法对原型系统开发进行了应用分析。 【关键词】铁路信号故障诊断专家系统1 0 3 算法基于规则 l l 垒! ! ! ! 竺! f a b s t r a c t t r a f f i cs a f e t yi so n eo ft h ei m p o r t a n tg o a l sp u r s u e di n r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n s i g n a ld e v i c e si nt h er a i l w a ys t a t i o na r ek e y f a c i l i t i e s w h i c h g u a r a n t e e t h et r a f f i cs a f e t yo ft h er a i l w a y t h e r e f o r e i ti sv e r y i m p o r t a n tf o rr a i l w a ys e c u r i t yt oe n s u r et h a td e v i c e so ft h er a i l w a y s i g n a l i n gi ns t a t i o nw o r kw e l lw i t h o u t t r o u b l e i nt h ef i e l do fs e c u r i t y o ft h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，i ti so n e o ft h eg r e a ts u b j e c t sr e q u i r i n g u r g e n ts t u d yt ot a k ea d v a n 协g eo fn e wt e c h n i q u ea n dm e t h o dt o r e a l i z es t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i n go ft h e s i g n a ld e v i c e s t h e c o m p l e x i t yo fc o n t m la m o n gt h es i g n a ld e v i c e si n t h es t a t i o n m a k e st h er e a s o n st h a tc a u s et h ef a u l t so b v i o u s l yu n c e r t a i na n d f u z z vs o i ti sn e c e s s a r yt ot a k ea c c o u n ti n t oo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h es i g n a l sa n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ef a u l t st o c a r r yo ns c i e n t i f i c r e s e a r c ho nt h em o d e la n dm e t h o do ft h ee x p e r ts y s t e mo ff a u l t d i a g n o s i so fs i g n a ld e v i c e si nt h er a i l w a ys t a t i o na n d t od e v e l o pa r e a lo n et oo f f e ri d e a so nf a u l td i a g n o s i sa n dm a i n t a i n i n gd e c i s i o n o ft h ed e v i c e so nt h e s p o t t h i sp a p e ri n c l u d e ss o m ea c t u a lw o r ko ft h ep r o j e c to ft h e m i n i s t r yo ft h er a i l w a y ：i n t e l l i g e n ts y s t e mo ff a u l td i a g n o s i sa n d a n a l y s i so ft h er a i l w a ys i g n a ld e v i c e s ，w h i c hi sl e db yt h e t u t o r i t a p p l i e st h e o r i e sa n dt e c h n i q u e so fs y s t e ma n a l y s i sa n da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e t ow o r ko v e rt h em o d e la n dm e t h o do ft h e e x p e r t s y s t e m o fi n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i si nt h ec i r c u i t b a s e do nt h o r o u g ha n a l y s i so fc u r r e n tr e l e v a n ts t u d yh o m e i l l 北京交通大学硕士学位论文 a n da b r o a d ，t h i sp a p e rf i r s t l yu s e sm e t h o d so fs y s t e ma n a l y s i st o d i s c u s st h ec o m p o s i t i o no ft h ed e v i c e so ft h er a i l w a ys i g n a l i n gi n s t a t i o n ，t h eo v e r v i e wo fc e n t r a l i z e de q u i p m e n to fe l e c t r i c ，a n dt h e f a u l tm e c h a n i s mo ft h ed e v i c e s ，w h i c hl e a daf o u n d a t i o nf o r s e t t i n g u p t h em o d e lo f d i a g n o s i n g t h e n ，i n t h ed i r e c t i o no ft h e c h a r a c t e r i s t i c o ft h es i g n a ld e v i c ef a u l t ，i tw o r k so nt h ec o u r s e m o d e lf o rr e a l i z i n gf a u l t d i a g n o s i s ，t h ec o m p o s i t i o no ft h ee x p e r t s y s t e mo ff a u l td i a g n o s i s ，a n d t h em e t h o dt od e v e l o par e a ls y s t e m i t c h i e f l yp r o b e s i n t o r e a s o n i n g m e t h o db a s e do nr u l e sa n d p r e s e n t sa c o m b i n e di m p l e m e n t i n gw a yo fc a s e b a s e dr e a s o n i n g a n dr u l e b a s e dr e a s o n i n g m e a n w h i l e ，i nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i n g k n o w l e d g eb a s eo ft h ee x p e r ts y s t e m ，i ta d o p t sd e c i s i o nt r e e st o e x p r e s st h ek n o w l e d g e 。o nt h eb a s i so fc a s ea n du s e sa l g o r i t h m i d 3t op r u n et h ej u d g et r e et of o r m p r o d u c i n gf o r m u l a i te s t a b l i s h e s t h ef o u n d a t i o nf o r b u i l d i n gu pt h em a i np a r to ft h ee x p e r ts y s t e m i n t h ee n d ，i tu s e sm o d e l sa n dm e t h o d ss t u d i e di nt h ep a p e rt op u tu p a p p l i c a t i o na n a l y s i so nt h ed e v e l o p m e n t o ft h es y s t e mp r o t o t y p e 【k e yw o r d s r a i l w a ys i g n a l ，f a u l td i a g n o s i s ，e x p e r ts y s t e m a l g o r i t h mi d 3 ，r u l e b a s e d 独6 性声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教学机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何 贡献己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：至拯兰 日期：鲨堕年土月卫曰 堡二兰堕垫 第一章绪论 1 1 论文选题背景及研究意义 铁路行车安全是铁路运输追求的重要目标之一，铁路车站信号设 备是保证铁路行车安全的主要设施，因此，确保铁路车站信号设备无 故障地良好工作，对铁路运输安全具有非常重要的意义。根据我国铁 路跨越式发展的战略要求，铁路列车的运行速度与密度都在不断增加 这对铁路信号设备的安全性又提出了更高的要求。另外，面对信息技 术特别是计算机网络技术的飞速发展，我国铁路信号控制系统正在由 站控向线控和面控式的调度集中控制方式转型。因此，如何适应铁路 发展的新形势，利用现代新技术，建立保障铁路运输安全的维修和检 测系统，是需亟待研究解决的重大课题。 利用新技术设备和方法，实现铁路信号设备状态监测和故障诊 断，是保障铁路运输安全中需亟待研究的重大课题之一。为了保证铁 路车站信号设备经常处于良好的工作状态，铁道部已建立并实施了多 种维修制度，主要包括年修、大修、中修、厂修、假修等定期维修， 以及不定期维修和日常维修等。这些制度的严格执行，为铁路行车安 全奠定了重要基础。但是，总体而言，这些维修制度均具有超前或事 后维修的特点，缺乏基于设备状态维修的预测性和设备维修的经济 性。因此，面对铁路运输的不断大幅度提速、对安全要求越来越高的 形势，由超前或事后维修向着基于状态修的转变已经成为维修制度改 革的方向。状态修的重要手段是采用先进的故障监测诊断设备和方 法，建立故障监测诊断系统。目前我国铁路信号微机监测系统已经不 北京交通大学硕士学位论文 同程度得到了推广应用，故障诊断决策支持系统处于亟待研究开发阶 段。 由于铁路车站信号控制设备本身构成的复杂性，尤其是控制电路 的复杂性，以及受设备使用和环境等因素的影响，实际造成设备故障 的原因是很复杂的，具有明显的随机不确定性和模糊性。现场分析、 判断和处理故障，往往需要依赖维修人员对设备故障机理的把握程度 和经验。这就很难免由于经验不足而产生失误，造成设备故障性行车 事故或延误维修时间。因此，有必要通过研制开发相应的专家系统进 行解决，即与铁路车站信号控制系统相结合，通过铁路现代化设备( 信 号控制设备，计算机监测系统以及联锁系统等) ，提供大量的设备信 息，开发相应的应用分析支持软件，建立智能诊断专家系统。 专家系统是计算机技术、人工智能技术和专业技术相结合的计 算机系统。目前，我国关于铁路实际应用的专家系统还很少，尤其 是关于铁路信号故障诊断的专家系统，处于亟待研究开发的阶段。 因此，有必要在框架模型和理论方法上进行探讨和研究。 综上所述，为了适应铁路发展的新形势，利用现代新技术和方 法，建立保障铁路运输安全的铁路信号故障诊断专家系统，具有重大 的现实意义。通过建立和开发专家系统，实现为故障分析和诊断提供 辅助决策，可提高预防和状态维修的水平，从而达到保障安全运输的 目的。 本论文，结合导师主持的铁道部科研项目“铁路信号设备故障智 能诊断分析软件系统”，通过实际参加系统的研制与开发，就如何运 用人工智能的理论和计算机技术建立智能故障诊断系统的模型与方 法，进行了选题研究。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 故障诊断是根据设备运行状态信息查找故障源，并确定相应决策 的一门综合性的新兴学科。这门学科从6 0 年代一出现就受到人们的 青睐，经过了4 0 多年的发展，已取得了长足的进步。从以信号分析 为基础的一般诊断方法发展到以知识处理为基础的智能诊断系统，在 能源、石华、交通、冶金、电子、军事等许多重要领域都得到比较广 泛的应用。由于系统自身的结构复杂性，机、光、电、液、气间的耦 合非线形，运动非线形等，使得系统故障引起的外部特征可能减弱、 消失、重叠，因而现有故障诊断方法不能有效地解决负责系统的故障 诊断问题，对强干扰、并发故障的诊断和预测还有待研究。目前正是 我国许多大型技术设备广泛运用的关键时刻，从系统动力学特性出 发，对大型设备进行检测、诊断、控制是提高产品质量与性能，保证 正常运行，充分发挥最大效益的关键技术。 工程实践使人们认识到，要使设备可靠、有效地运行，充分发 挥其效益，必须发展工程检测和故障诊断技术。如我国某大型透平压 缩机组，1 9 8 3 年1 2 月检修运行不久，发生异常振动。经过检测和诊 断分析，认为机组联结高压缸和低压缸的联轴器发生了故障，危急生 产，因此紧急停机检修。这样依靠检测诊断技术避免了事故发生。可 见检测与诊断技术对国民经济发展起着重要的作用。而且随着自动测 试技术和计算机科学的发展，使工程设备工作状态的动态识别成为可 能，并将研究设计、测试分析、检测诊断作为产品研制的三个组成部 分。如美国德克萨斯州在三家大发电厂七台汽轮机组上实现了属于人 北京交通大学硕士学位论文 工智能的检测和故障诊断。目前国外大型机电系统大都安装有检测诊 断系统。另外，还出现了一些专门从事这方面工作的公司，比较著名 的有美国8 k 、w e s t i n g ：l o u s e 公司、s d k 公司、日本三菱公司、荷兰 p h i l i p s 公司等。 我国在检测与诊断技术研究方匿起步较晚，但由于国家政府部 门重视，发展较快。1 9 8 3 年的国营工业交通设备管理试行条例中 指出，“要根据生产需要逐步采用现代故障诊断和状态检测技术，发 展以状态检测为基础的预防维修体制”，从而把故障诊断技术正式列 入企业管理法规，并为维修体制改革服务的方向发展。“八五”期间， 国家组织了若干个故障诊断技术方面的攻关课题，分别在石化、电力 等部门进行了应用和推广。因此我国在检测与诊断技术方面理论研究 已接近世界水平，但在应用技术方面差距较大。随着国民经济的发展， 我国正面临大型技术设备广泛应用的关键时期，因此为适应国民经济 发展形式的要求，必须使检测与诊断技术研究上升到一个新的水平。 1 2 2 发展趋势 随着故障诊断技术的广泛应用，人们对故障诊断专家系统的要 求越来越高，世界各国已开始进行“新一代故障诊断专家系统”的研 制。新一代故障诊断专家系统的发展方向主要体现在：由基于规则的 系统发展到基于混和模型的系统：由领域专家提供知识发展到机器通 过自学习来获取知识：由非实时诊断发展到实时诊断；由单机诊断发 展到分布式全系统诊断：由单一推理控制策略发展到混和控制推理策 略”1 。新一代故障诊断专家系统与以前的系统相比，它将会采用并行 技术、分层分布式求解；采用新的专家系统专用语言：知识表示更直 4 第一章绪论 观，知识库的验证和维护方便；配备智能的知识获取子系统。以此来 解决当前知识处理系统所存在的一些缺陷( 如知识获取瓶颈问题、自 适应能力不强、实时性差以及低的自学习能力等) 。 北京交通大学硕士学位论文 第二章铁路车站信号设备故障机理分析 本章主要讨论铁路车站信号设备的组成，故障类型及故障分析。 为建立铁路信号设备故障诊断系统分析模型奠定基础。 2 。1 铁路车站信号设备的构成 2 1 1 铁路信号综述 铁路信号是铁路组织、指挥、控制行车的技术设备，是信号、联 锁、闭塞设备的总称。而车站信号又是铁路信号中主要联锁设备之一。 车站信号的主要任务是：一方面要集中控制车站内的信号、道岔和进 路，发出行车命令去指挥列车或车列安全、迅速地运行；另一方面还 要完成车站内的信号、道岔和进路之间的联锁任务，以保证行车安全， 提高运输效率。 铁路运输必须实行高度集中统一的指挥，才能保证列车安全、迅 速而不间断地运行。由于车站信号在保证行车安全、提高运输效率、 改善劳动条件、降低建设成本和节约运营费用上占有重要的地位，所 以在铁路运输现代化的进程中，正在日益受到重视和发展。 由于科学技术的不断发展，铁路运输对信号设备的要求在不断提 高，所以车站信号设备也在不断更新。在铁路信号的发展史上，广大 铁路工程技术人员在各个历史时期研制了品种繁多的车站信号设备。 第二章铁路车站信号设备故障帆理分析 2 1 2 车站信号设备的分类 车站信号按照对设备的操纵方式不同可分为非集中联锁设备和 集中联锁设备两大类。 所谓集中联锁设备，就是车站的道岔和信号机由车站值班员集中 控制，而道岔( 有的还包括信号机) 是由扳道员在现地分散操纵，这 样的车站联锁设备称为非集中联锁设备。非集中联锁设备一般是用人 力操纵的，需要使用导线和导管的机械传动控制系统。所谓集中联锁 设备，就是由车站值班员在信号楼的控制台上集中操纵和监督全站的 道岔、进路和信号机等设备，并且完成他们之间的联锁关系，这样的 车站联锁设备称为集中联锁设备。 车站信号按照联锁的方式不同可分为机械联锁、机械电气联锁、 电气联锁和计算机联锁四大类。 采用机械锁闭器件来实现联锁的叫做机械联锁。如联锁箱和锁簧 床等，都是机械锁闭器件。一部分联锁用机械锁闭器件、一部分联锁 用电气锁闭器件的机械电气联锁，是在由机械控制系统向电气控制系 统过渡时期产生的。这种设备中的道岔用机械控制系统，信号机用电 气控制系统。机械锁闭器件以锁簧为主，电气锁闭器件以电磁锁为主。 此中混和系统如电气机械式联锁在我国曾经使用过，解放后很早被淘 汰了。 采用电气锁闭器件来实现联锁的，叫做电气联锁。如电锁器和继 电器都是常用的电气锁闭器件。电锁器可用于非集中式联锁设备，也 可用于集中联锁设各。继电器是一种很好的电气锁闭器件。因为用继 电器不但可以构成各种逻辑电路完成复杂的逻辑关系，达到车站信号 7 北京交通大学硕士学位论文 自动控制的目的，而且还可以构成很好的故障一安全控制系统。3 。由 于继电器本身的磨损比机械锁闭器件大大减少，更为重要的是因为它 可以实现列车的自动控制，其联锁内容更加丰富。正因为如此，用继 电器构成的集中联锁设备，无论是在国内还是在国外，都很快的得到 了发展，直到目前它仍然是国际上普遍采用的主要联锁设备，所以通 常称它为“继电式电气集中联锁”，简称为“继电集中”。 计算机联锁也称为微机联锁，主要是采用计算机控制并实现道 岔、进路和信号机之间联锁的设备称为计算机联锁。计算机联锁系统 的联锁功能是与继电式电气集中相通的，能根据车站行车安全的需 要，在规定的联锁条件和规定的时序下自动对进路、信号和道岔实行 控制”3 。此外，通过在联锁软件中增加相应的功能模块，再加上少量 的硬件电路，系统可进一步实现6 5 0 2 电气集中的一些特殊电路的联 锁功能。例如：非进路调车控制、平面调车溜放控制、站内道口控制 以及场间联系等。与传统的联锁方法相比，计算机联锁在技术和经济 上有很多的优越性。 计算机联锁系统在技术实现上主要有以下一些特点：人机对话设 备已由传统的控制台、控制盘，改为了数字化仪、键盘或鼠标加大屏 幕显示器等，使得系统操作简便，显示清晰、直观，显示内容更为丰 富；系统软、硬件设计全部采用模块化结构，可根据车站作业要求和 车站规模的大小增减模块；采用高可靠性、故障一安全硬件结构，等。 8 翌三皇竺堕主堕堕旦堡垒苎壁塑矍坌塑 2 2 电气集中的基本概念和设备概况 2 2 1 电气集中的基本概念 由于大站的道岔、进路和信号机比较多，站场布置比较复杂，调 车作业比较繁忙，为了提高大站的作业效率和安全程度，满足大站的 运营要求，所以设计了大站电气集中。大站电气集中有如下优点： 1 在大站排列进路时，进路上的道岔几乎是同时进行转换的 ( 但不是同时启动) ，一旦第一条进路选出后( 不包括道岔的转换时 问) 就可以立即排列第二条平行进路。很显然，大站电气集中具有排 列进路快、效率高的特点，这对解决大战的进路上道岔数量多、作业 繁忙的问题是极为有利的。 2 大站电气集中的进路解锁方式是采用逐段解锁制。逐段解 锁制有利于提高作业效率，解决大站作业繁忙的问题。比如，前者进 路一旦车已出清进路上的某些轨道区段时，就可立即利用这些出清的 区段办理后者进路。 3 大站电气集中为了满足大站繁忙调车作业的需要，在车站 的咽喉区设置了大量的调车信号机，这样能大大提高作业效率，缩短 机车车辆的走行距离，保证行车安全。 4 大站电气集中的全套电路几乎均采用定型组合拼贴而成。 这样一方面能使大站电气集中的工程设计大大简化，提高工程设计的 效率；另一方面其定型组合内部配线可以由工厂提前配置，能大大缩 短施工周期，使设备很快投入运用。 5 大站电气集中的大部分电路均采用站场式网络结构。这种 站场式网络结构既能使电路形象、直观、方便工程设计，不易出差错： 北京交通大学硕士学位论文 又能使电路大大简化，节省继电器节点，避免增设复示继电器，从而 节省工程投资；同时又能使组合单元标准化、定型化。 6 在大站电气集中里，不论多复杂的进路，只要按压进路按 钮，进路即可自动排列、信号自动开放。 2 2 2 大站电气集中的设备概况 大站电气集中的设备与小站电气集中大同小异，也是分为室内设 备和室外设备两大部分。室内设备主要有控制台、区段人工解锁按钮 盘、电源屏、继电器组合及组合架、分线盘和轨道电路测试盘；室外 设备主要有色灯信号机、电动转辙机、轨道电路和电缆线路以及箱盒 等。图2 1 是6 5 0 2 大站电气集中设备组成示意图。 室内设备 i 隧肛姗盘卜1 抛竿合学架卜等生_ | e 矧t r ； i 。：一 一j 誊墨f + i 瓦 b 。占十l 卣j 。一0 8 1l 碍8 。 “。| 3 图2 16 5 0 2 大站电气集中设备组成示意图 控制台是车站信号设备的控制中心。一方面通过控制台上的各种 按钮集中控制全站的道岔、进路和信号机等；另一方面通过控制台上 的各种表示灯和电铃来监督全站的道岔、进路和信号机的状态等，便 l o 第二二章铁路车站信号设备故障机理分析 于车站值班员指挥行车。 电源屏是车站电气集中的供电设备。它能保证不间断地供给整个 电气集中所需要的各种交、直流电源。一般车站设置一套电源屏，其 中包括有：调压屏一台、转换屏一台、交流屏两台( 一台备用) 、直 流屏两台( 一台备用) 。 继电器组合及组合架是完成联锁任务的设备，是继电器和其他附 属元件放置的地方。每个组合架共有1 l 层，其中最上面( 或最下面) 的一层成为零层，上面装有组合架零层配线端子板，供给组合架与控 制台、电源屏之间连线配线用；其它各层用束安装继电器组合，一般 每层可容纳l o 各继电器和其他附属元件。 区段人工解锁按钮盘是大站电气集中的辅助设备。它担负两项集 中任务：一、当区段因故不能解锁时，用它来完成区段的故障解锁任 务；二、当正常的关闭信号设备发生故障不能关闭信号时，用它来完 成关闭信号的任务。 分线盘是室内外电缆连接的地方。一般应设在便于室外电缆引入 的地方，即放在电缆柜的通道上，便于引线和分线。 轨道电路测试盘是为了在室内测量各种轨道电路区段受电端的 交流电压和直流电压。 在室外站场上设置各种色灯信号机用于给出各种信号显示，从而 指挥行车；每组道岔相应设置了电动转辙机用来转换道岔：每个轨道 区段设置了轨道电路用于监督车的占用情况；室外导线一般采用地下 电缆，分信号电缆、道岔电缆和轨道电路电缆三种。另外在室外还设 有各种变压器箱和电缆盒，供放置变压器和连接电缆用。 从图2 - 1 设备组成示意图可看出各设备之间的相互联系。由控制 北京交通大学硕士学位论文 台来集中控制组合架上的继电器的动作，再由继电器电路来自动检查 一系列联锁条件，然后通过组合架的继电器动作来控制室外的道岔、 进路和信号机。反过来，室外道岔、进路和信号机的状态，由电缆经 过分线盘又相应地使组合架的继电器动作，从而在控制台上给出相应 的表示，反映出信号设备的状态。电源屏分别向控制台、继电器组合 架和室外轨道电路供给各自所需要的各种电源。区段人工解锁按钮盘 只与组合架有联系。总之，各设备之间的相互联系，给故障诊断造成 了很大的复杂性，只有找出一条适合的途径，才能使之得以解决。 2 3 车站信号设备的故障机理分析 2 3 1 铁路车站信号设备故障研究的内容 铁路车站信号设备主要包括：被控对象设备( 室外信号机、道岔 电动转辙机、轨道电路等) 、控制设备( 室内电气集中继电电路控制 设备、控制台及人解盘等设备，或实行微机联锁的联锁微机及控制操 作设备) 、供电设备( 电源瓶) 及相关的通信设备等。本文主要针对 实行继电电气集中控制车站的控制设备，尤其是6 5 0 2 电路控制设备 的故障诊断进行了分析研究。 铁路信号事故：系指由于信号设备维修不良或损坏等造成的信号 设备故障，或由于信号人员违章作业造成的信号设备故障，耽误列车 的正常运行时间。其它信号事故：系指由于无法防止的自然灾害及雷 电和无法检查、发现的电务设备材质不良而造成的信号设备故障，耽 误列车的正常运行时间。 1 2 第二章铁路车站信号设备故障机理分析 2 3 2 造成车站信号设备故障的原因分析 铁路信号故障是造成铁路信号帝故的主要原因。根据上述铁路信 号事故的定义，则铁路信号故障一般系指信号设备不良或损坏，影响 正常使用，但未耽误列车时间。例如： ( 1 ) 、错误显示、错误开放或关闭； ( 2 ) 、岔道不转换、错误转换或表示； ( 3 ) 、错误闭塞或错误解除闭塞或错误表示： ( 4 ) 、改变接发车进路和闭塞方式，引导接车，非正常手续发车； ( 5 ) 、调车信号机不良，影响调车作业； ( 6 ) 、车辆减速器不良，影响溜放作业： ( 7 ) 、应加封加锁的设备，未按规定进行加封加锁，发生错误办 理。 由于信号设备不仅种类多、受现场环境影响大，而且故障现象及 形式比较复杂，有些故障具有很大的偶然性和模糊性，所以进行严格 的故障原因分类是非常困难的。总体上可将产生故障的原因分为如下 两大类。 ( 1 ) 、物理原因。系统内部元件缺陷和系统外部环境条件是造成 系统故障的物理原因。元件的缺陷在生产、组装、存放以及工作过程 中都会产生。环境条件的变化包括：电磁干扰、机械震动和冲击，环 境温度波动，尘埃、化学气体的侵蚀，空间宇宙射线和高能粒子的辐 射，以及自然灾害等。许多重大的系统故障往往有突变的环境条件或 恶劣的环境条件造成的。 ( 2 ) 、人为原因。包括人的无意的错误和有意的破坏两种类型。 1 3 北京交通太学硕士学位论文 难以避免的人类行为差错是无意的人为错误。例如：无意按错了按钮 的差错；人在使用或维修设备时的失误等等。人为破坏是指人类有目 的地对系统设备进行破坏行动。例如：偷盗或损坏电务设备器材的情 况等。 2 3 3 继电联锁电路故障机理分析举例 6 5 0 2 电气集中信号设备的故障主要分为室内故障和室外故障两 大类，室内故障主要指继电器联锁电路故障。下面针对进路按钮表示 灯继电器电路展开故障分析，为建立故障诊断模型打下基础。 2 3 3 1继电联锁电路原理说明 进路按钮表示灯电路( 图2 2 ) ：进路按钮表示灯的作用主要是 用来表示值班员的操纵情况，并在办理进路时用来反映h j ( 按钮继电 器) 、f k j ( 辅助开始继电器) 、l k j ( 列车开始继电器) 和选岔电路工 作是否正常。 ( 2 l x f ) l f l x z _ _ 0 6 - ：1 40 5 一1 4l k j f k j 。 l1 ，8 r 8 、 - 1 40 5 - 1 48 i ；， o a j s j z 一1 30 5 1 3 l a j i 百7 丁一。0 6 1 30 5 一1 3 f - 一 图2 2 出站兼调车的进路按钮表示灯电路 图2 2 是出站兼调车的进路按钮表示灯电路。在排列列车进路时， 1 4 第二二章铁路车站信号设备故障机理分析 无论是该l a ( 列车按钮) 当作始端按钮用，还是当作终端按钮用，只 要按压l a ，l a j ( 列车按钮继电器) 励磁吸起后，便经由l a j 前接点 条件接通交流闪光电源s j z ( 闪交正电源) ，则该l a d ( 列车按钮灯) 立即闪绿灯，表示该l a 已按压过或选路工作正在进行中。 若该l a 当作始端按钮用时，当该信号点选出后，则该信号机的 j x j ( 接车信号继电器) 、l k j ( 列车开始继电器) 和f k j 相继励磁吸 起，l a j 失磁落f 。这时经由f k j 和l k j 的前接点以及l a j 的后接点 条件给l a d 接通交流表示电源j z ，从而使该l a d 改点稳定绿灯，表示 该信号已经选出。这个稳定绿灯要待信号开放后f k j 失磁落下时方能 熄灭。 若该l a 当作终端按钮时，当该信号点选出后，由于j x j 励磁吸 起，l a j 复原落下，从而切断该l a d 的闪光电源s j z ，使该i a d 灭灯， 表示信号点已经选出。 同理，在排列调车进路时，按压的是d a ( 调车按钮) ，d a j ( 调车 按钮继电器) 励磁吸起后给d a d ( 调车灯) 接通闪光电源，使该d a d 闪白灯。若该d a 当作始端按钮用时，该信号点选出后，则该信号点 的j x j 和f k j 励磁吸起，d a j 复原落下，从而使该d a d 改点稳定白灯， 直至信号开放后f k j 复原落下时灭灯。若该d a 当作终端按钮用时， 该信号点选出后，d a j 复原落下，则该d a d 灭灯。 在选一条进路时，只要进路最右端信号点的j x j 已励磁吸起，则 可说明整条进路已全部选出。由此推理，若进路右端的按钮当作始端 按钮用时，当始端按钮亮稳定灯光时则可说明整条进路已全部选出， 这是若进路右端的终端按钮当作始端按钮用时，始端按钮亮稳定灯光 并不能说明进路全部选出，这是若进路右端的终端按钮表示灯熄灭 北京交通大学硕士学位论文 后，则说明整条进路已全部选出。( 上述结论仅限于出站兼调车的进 路按钮表示灯) 。 进路排列表示灯电路：进路排列表示灯的作用是用来反映方向继 电器工作是否正常和进路是否全部选出。对应每个咽喉区设一个排列 进路表示灯“h ”，装设在控制台上相当于咽喉的中部上方。图2 3 是 进路排列表示灯电路。它是由一个咽喉的四个方向继电器接点进行控 制的。在选路过程中，任何一个方向继电器励磁吸起，便使进路排列 表示灯点亮红灯。因为规定在同一咽喉同一时间内只准许选一条进 路，所以正在选路的过程中即该表示灯正在亮红灯期间部准许再选其 他电路。当进路全部选出后方向继电器自动复原，进路排列表示灯熄 灭时，方可再排列其他进路。 图2 3 进路排列表示灯电路 2 3 3 2 电路故障机理分析 办理任何一条进路时，其选岔电路工作正常与否，都可以由进路 按钮表示灯和进路排列表示灯反映出来。怎样根据上述表示灯的表示 现象来分析判断选岔电路的故障范围? 下面举例，详述电路故障时的 1 6 第二章铁路车站信号设备故障帆理分折 分析方法与步骤。 例如在办理x 至i i i g 接车进路时，按压x l a 后，x l a d 闪绿灯， 进路排列表示灯着红灯；按压s i i i l a 后，s i l i l a d 闪绿灯；随后x l a d 改点稳定绿灯，d 7 a d 和d g a d 也一直闪白灯不灭，但d 1 3 a d 不闪白灯， s i i i l a d 一直闪绿灯不灭，试分析电路故障范围。 分析的方法与步骤： 1 根据x l a d 和s i i i l a d 已闪绿灯，进路排列表示灯己亮红灯 的表示现象，说明x l a j 、s i i i l a j 和x i j j 均己工作工f 常。 2 x l a d 已改点稳定绿灯，说明x j x j 、x l k j 和x f k j 已工 作正常，x j x j 的吸起由说明1 、2 网格线工作正常，并且5 、6 网格 线已开始工作。 3 d t a d 和d 9 a d 己闪白灯，说明d t j x j 和i ) 9 j x j 已励磁吸起， 则可断定x 至d g 这一进路段的选岔电路工作正常。 4 d 1 3 a d 不闪自灯，说明d t a j x j 没有励磁吸起，则可断定d 9 至d 1 3 这一进路段的选岔电路有故障。这时可重点查找这一进路段的 9 1 11 d c j 、1 3 1 52 d c j 、d 1 3 j x j 的动作情况。若9 1 11 d c j 或1 3 1 5 2 d c j 未吸起，则可能d 9 右边的5 线断线或继电器本身损坏而造成整 条进路不能选出：若仅有d 1 3 j x j 未吸起，则可能d 1 3 左边的5 线断线 或d 1 3 j x j 本身损坏而使进路不能选出。经过一查找直到查出故障出 处。 北京交通大学硕士学位论文 通过以上电路故障分析可见用人工智能的方法来结决故障问题 是最好的途径，下一章节就故障诊断的模型和方法展开研究。 第三章故障诊断的模型与方法研究 第三章故障诊断的模型与方法研究 工程检测与故障诊断就是研究设备运行状态信息的变化，进而识 别设备运行状态的科学。 3 1 故障诊断所研究的内容 3 1 1 故障机理分析研究 这是故障诊断的客观依据。设备的异常或故障是在设备运行中通 过其状态信号( 即二次效应) 变化反映出的。由于检测与诊断是在设 备不停机的情况下进行的，因此必然以状态信号为依据。二次效应就 是设备在运行中出现的各种物理的、化学的、伪逻辑的现象，如振动、 噪声、温升、油耗、变形、变色、功耗、磨损、气味以及错误结果输 出等，这些都是一种设备运行所固有的。检测与故障诊断就是要快速、 准确地提取设备运行时二次效应所反映的特征。 3 1 2 故障诊断实现过程研究 故障诊断的实现过程可用图3 - 1 来表示。 1 9 北京交通大学硕士学位论文 装 、 还 图3 - 1 故障诊断的实现过程 l 、状态检测 主要是测取与设备运行有关的状态信号。状态信号是故障信息唯 一载体，也是诊断的唯一依据。因此及时、准确获取状态监测信号是 十分重要的。 状态信号的获取主要是依靠传感器或其他检测手段进行故障信 号的检测。检测中主要有以下几个过程： ( 1 ) 信号测取：主要是通过电量的或传感器组成的探测头直接 感知被测对象参数的变化； ( 2 ) 中间变换：主要完成由探测头取得的变换和传输： ( 3 ) 数据采集：就是把中间变换的连续信号进行离散化过程。 数据是诊断的基础，能否采集到足够长的客观反映设备运行状态的信 息，是诊断成败的关键。 这一阶段主要是检测系统获取状态信号反映的主要功能指标的 变化。当出现异常，可按其程度分别给出早期警报、紧急警报、强迫 系统停机等处置。 曰 _ | 铷塑 一 rlll 第三章故障诊断的模型与方法研究 2 、特征信号提取 就是从状态信号中提取与设备故障有关的特征信息“1 。当特征信 号为静态信号时，特征信号即是征兆。对征兆的取值进行检验，看其 是否在允许范围，然后作出决策。当特征信号为动态信号时，首先要 根据情况选择既能反映系统功能指标，又便于测取的特征信号组；其 次是通过对特征信号分析提取便于决策的征兆：最后根据征兆、标准 模式和某种判别准则，识别系统状态。 3 、诊断故障 诊断故障又叫故障分离或状态分析，就是根据所提取的特征判别 状态有无异常，并根据此信息和其他补充测试的辅助信息寻找故障 源。对于不同的要求，故障源可以是零件、部件或子系统。根据这些 信息和故障对系统的性能指标影响程度做出估计，综合给冉故障等 级。诊断故障可以用正常信息来分析故障源，这要求被诊对象具有较 明确的结构和功能关系。也可用异常信息来分析故障源，这要求被诊 断对象的各种特征信号中包含有足够的故障源信息。 在诊断故障中，判别是根据故障向量模型的识别来估计故障状态 的。由于故障类型的多样性，故障向量模式也很多5 1 。建立各种模式 的过程也是建立故障档案。尽管各种模式各异，但都是根据设备运行 资料，按照简单、实用、可靠原则来进行的。根据模式可进一步分析 故障征兆和状态，弄清设备故障性质、程度、类别、部位及产生原因。 4 、规划决策 规划决策是根据设备故障特征状态，预测故障发展趋势，并根据 故障性质和趋势，作出决策，干预其工作过程( 包括控制、调整、维 修等) 。 北京交通大学硕士学位论文 3 2 故障诊断方法选择分析 故障诊断技术自6 0 年代初问世以来，已经历了3 0 多年的发展， 取得了可喜的进展。从对故障机理的研究、以信号分析技术为基础的 诊断方法，到现在以知识处理为基础的智能诊断系统，特别是近来迅 速兴起的人工神经网络方法在工程中的应用，都取得了相当客观的成 果。但是这些诊断方法都针对某一故障模式，而且是诊断对象在工作 过程中出现了故障征兆后进行的。这对中小型设备是合适的，但对大 型设备就难以适用了。其主要原因是： 1 现有诊断方法都是以设备在工作过程中出现的外部特征为基 础的，故障特征提取主要基于状态响应、时域响应或频率响应分析。 由于外部干扰等多种因素影响，这些特征可能减弱、消失和重叠，因 而难以获得所需的特征信息。 2 在设备运行中，元素的故障和特征并不总是一一对应的，尤 其在复杂的非线性系统中，特征和故障之间是复杂的非线性关系，因 而当故障出现时，难以根据一个或几个特征找到故障源。因此在检测 与诊断过程中，常常要尽可能多的获取故障信息以增加测点数，结果 使检测设备过于复杂，或因设各运行状态复杂而使诊断失败。 目前，常用的故障诊断方法主要有： ( 1 ) 以动力学分析为基础的故障诊断技术 设备运行动力学问题，似是一个古老的力学问题，实是一个现代 科技前沿问题。目前一些大型机电产品质量差、水平低的原因，就是 未能在传统机械产品向机电一体化发展中对产品整体系统的动力学 特性进行研究，一般仅满足于运动、几何功能的实现。在设备的故障 2 2 第三章故障诊断的模型与方法研究 诊断中还未涉及诊断对象的动力学本质，使得由于系统故障所引起得 外部特征可能减弱、消失或重叠，严重影响了目前各种诊断方法解决 复杂得故障诊断问题。因此今后以动力学分析为基础得故障诊断技术 使解决大型设备故障诊断得重要途径”1 。 ( 2 ) 以解决强干扰、多故障、多征兆、突发条件下的故障为目 的的故障诊断技术 随着科学技术的发展，设备向着高速、自动、精密、重载、高效 的方向发展，工作环境往往十分苛刻，因而设备的结构也日趋复杂， 往往是融机、电、光、液等技术为一体，因而故障类型愈亦增多，突 发故障、组合故障更为频繁地出现。 ( 3 ) 基于神经网络( a n n ) 理论的故障诊断技术 近年来神经网络理论及应用技术得到迅速发展，在故障诊断领域 的应用也日趋增多”。最流行的神经网络莫过于b p 网络，而b p 神经 网络都要有较多的训练样本，这是在故障诊断中难以满足的。对一些 出现故障就意味灾难的设备，其样本收集就更为困难了。 ( 4 ) 构造专家系统( e s ) 的故障诊断技术