论文部分内容阅读
摘 要：分析了道岔岔尖状态监测系统的功能及安全需求，提出了一种系统功能分解方案，确定了系统的接口关系，并自主设计了系统试验样机。现场调试结果表明，该样机可以有效地实现道岔岔尖的密贴、损毁及爬行等状态的监测，降低工作人员维护工作量，实现道岔岔尖的状态修模式。
关键词：道岔岔尖;状态监测系统;图像识别;状态修
引言
随着我国铁路提速以及高速铁路的大规模建设，对道岔系统的安全性提出了更高的要求。其中道岔岔尖部位的状态好坏，将直接影响铁路运行安全。但我国目前对这一关键部位的维护基本上都是采用故障后维修的模式，且已有检测系统的功能较为单一，严重限制了铁路运行的效率提高和安全运行。
为了确保铁路安全畅通运行，必须研究一种持续监测系统，对岔尖这一关键部位进行持续全面的跟踪记录，一旦发现其处于故障发生前的临界状态，即刻提醒及时安排计划维护维修，从而能够在故障发生之前，通过对征兆的获取和自动识别，将维护维修工作由原来的“故障修”转化为“状态修”，大大减少应急维修频率。因此研究道岔岔尖状态监测系统，将成为保证铁路安全平稳运营、提高运输效率，实现智能化铁路系统维护的一个必要的技术解决方案。
一、道岔岔尖状态监测系统的需求分析
系统的需求主要包括两个方面，即功能需求和系统的可靠性和安全性需求。
1.1 道岔岔尖状态监测系统功能需求分析
道岔岔尖状态监测系统的功能需求主要包括以下几个方面：
1）研究道岔岔尖与基本轨的密贴监测方法，尖轨的掉块损伤监测方法以及尖轨爬行问题监测。
2）设计开发高可靠性的道岔岔尖状态的前端数据采集及处理系统，并将数据通过合适的方式传输至后台中心。
1.2 道岔岔尖状态监测系统可靠性安全性需求分析
系统首先应满足不影响既有设备的运行安全和可靠性的要求，此外还应满足：
1）高可靠性。系统应能及时准确发现道岔岔尖的状态异常，并将误判的概率降到极小，满足相关技术规范的指标要求。
2）功能安全性。系统的硬件应在没有任何故障、没有受到任何外界干扰的情况下，功能应该正常且不会产生危及行车安全的结果。
二、道岔岔尖状态监测系统设计
2.1 既有道岔密贴检查器系统分析
我国目前既有的道岔密贴检查器加装在尖轨各牵引点间的中心位置，不间断地检查道岔尖轨和基本轨的密贴程度。但其功能仅仅局限于道岔岔尖密贴度的检查，无法实现对道岔岔尖损伤情况及爬行情况的检查。此外，该装置存在一些不适应现场环境变化的设计及加工工艺。如当出现爬行严重的情况时，检查器外部杆件发生卡阻等问题进而影响道岔表示的问题时有发生。
2.2 道岔岔尖状态监测系统分解方案
2.2.1 系统架构
采用对道岔岔尖状态按照统一集成的方式进行处理的方案，并将图像处理功能部署到前端子系统，其它功能部署到后端子系统：
前端数据采集及处理子系统
道岔岔尖图像采集和算法分析处理
通信系统
图像传输
状态数据信息传输后端子系统
状态监测和故障预警算法处理
数据显示、信息管理、系统配置等功能
外系统接口功能
2.2.2 前端采集主要运用的技术
道岔岔尖状态监测系统前端采集主要基于图像识别技术。可以实现以下功能：
基于图像实现岔尖密贴功能的监测，岔尖密贴监测的意义在于通过准确的目标识别算法和边缘识别算法，实时追踪岔尖运动轨迹，计算岔尖到基本轨贴合点的距离，及时对异常动作及密贴情况做出报警提示。
基于图像还可以实现岔尖掉块损伤检测，其意义在于，在准确识别岔尖边缘轮廓的基础上，构建标准2D 岔尖轮廓图，之后在视频图像的特定帧和位置比较标准岔尖轮廓和实际检测到的岔尖轮廓，进而得到由于过车车轮撞击所造成的疲劳性岔尖损伤形变量。
基于图像跟踪和比对，可以实现尖轨爬行监监测，意义在于通过判断尖轨的纵向位移情况，为转辙机的工作状态提供判断依据及调整建议。
2.2.3 通信方案
通信采用TDSL 与PLC 混合组网方式，其中室内至室外七方向，采用TDSL 通信方式;七方向至转辙机采用PLC 通信方式，PLC 通信距离应小于500 米。室内放置TDSL 局端机，七方向处新增XB 箱，箱内模块功能是：将TDSL 信号转成以太网，再将以太网转成PLC 信号，前端采集和处置装置采用PLC 通信，其内部集成PLC 通信模块。
在站场规模较小的应用中，可采用单一的多级PLC 中继方式，实现从室内到转辙机的通信。
2.3 道岔岔尖状态监测系统接口关系及设计
由于系统自身采用web 架构，将需要的数据通过内部自身的数据交互完成数据分析与处理。
系统具备和外部系统的接口，方便实现和微机监测以及其它管理信息系统的连接。同时对外提供一个可供访问的链接地址，外部可以通过这个地址访问系统。
2.4 系統的安全性及可靠性设计
根据前述可靠性和安全型功能分析，系统试验样机必须满足高可靠性和功能安全性的要求进行设计。除此之外，试验样机在设计过程严格遵守以下原则：
1）无论正常工作或是异常，不对既有系统造成任何安全影响;
2）系统前端采集设备的设计考虑室外艰苦条件，例如选择符合要求的宽温设备;
3）提高算法的可靠度，同时增加数据库比对能力，降低误判概率;
4）通信信道采用两倍以上冗余进行设计; 5）实现对道岔岔尖的24*7 全天候智能实时可靠监测;
6）具备设备自检及自故障报警功能;
三、试验样机研制
由于本次试验地点选定了某无砟轨道高铁站内的一组道岔，所以试验样机充分考虑了高速铁路以及无砟轨道等特点，在符合安全限界及现场设备运行安全要求的前提下开展研制工作。
3.1 硬件研制
根据系统功能需求分析以及系统方案设计介绍，系统硬件架构如上图所示，主要由服务器/工作站、通信、电源、前端采集等设备构成。
3.2 软件开发
前端采集器将摄像头采集的数据传入到工控机，然后在工控机进行相关算法处理，处理后将数据以及视频文件收集上传到服务器指定的文件数据层，然后通过Java 编写的后台管理系统进行相关业务实现，通过网页的形式，展现该管理系统，对相关页面操作，从而进一步实现道岔的监测，数据处理等业务。
四、现场调试
根据高速铁路无砟轨道现场试验条件，基于上述安全原则，设计了符合安全要求的现场设备安装结构，并进行了道岔岔尖状态监测系统试验样机的安装调试，验证了道岔岔尖状态监测系统的软件算法、系统性能及可靠性安全性。
五、结论
本文首先分析了道岔岔尖状态监测系统的功能及安全需求，给出了一套功能解决方案，基于目标现场研制了试验样机并开展了调试试验，取得了满意的试验效果。试验结果表明，该系统能有效实现道岔岔尖状态的监测，为道岔岔尖的状态修目标的实现提供了一种可行的方案。
参考文献：
【1】杨文东，佟德双，刘海艳.道岔密贴检查器故障原因分析及改进.铁道通信信号.2007 年7 月第43 卷第7 期.
【2】鲁欣，丁晓明，裘正定.CAN 总线在道岔密贴缺口监测系统中的应用.铁道通信信号.2007 年6 月第43 卷第6 期.
【3】周承志.铁路道岔尖轨密贴智能监测系统研究.铁道通信信号.2007 年10 月第43 卷第10 期.
【4】周承志，胡秀春.铁路道岔尖轨密贴、爬行检测方法探讨.中国铁路.2012 年10 月.
【5】刘铁民.信号维护规则：铁道线路养修工电配合[M].北京：中国铁道出版社，2003.
【6】沈相宙.铁路道岔养护[M].北京：中国铁道出版社，2004.
作者简历：
姓名：沈先义，性别：男，籍贯：皖合肥，出生年月：1972.08，职称：工程师，研究方向：鐵路通信、信息建设和维护;姓名：夏勇，性别：男，籍贯：皖肥西，出生年月：1976.12，职称：高级工程师，研究方向：高铁信号及控制系统工程建设管理;姓名：付锐，性别：男，籍贯：皖六安，出生年月：1995.02，研究方向：软件开发。
关键词：道岔岔尖;状态监测系统;图像识别;状态修
引言
随着我国铁路提速以及高速铁路的大规模建设，对道岔系统的安全性提出了更高的要求。其中道岔岔尖部位的状态好坏，将直接影响铁路运行安全。但我国目前对这一关键部位的维护基本上都是采用故障后维修的模式，且已有检测系统的功能较为单一，严重限制了铁路运行的效率提高和安全运行。
为了确保铁路安全畅通运行，必须研究一种持续监测系统，对岔尖这一关键部位进行持续全面的跟踪记录，一旦发现其处于故障发生前的临界状态，即刻提醒及时安排计划维护维修，从而能够在故障发生之前，通过对征兆的获取和自动识别，将维护维修工作由原来的“故障修”转化为“状态修”，大大减少应急维修频率。因此研究道岔岔尖状态监测系统，将成为保证铁路安全平稳运营、提高运输效率，实现智能化铁路系统维护的一个必要的技术解决方案。
一、道岔岔尖状态监测系统的需求分析
系统的需求主要包括两个方面，即功能需求和系统的可靠性和安全性需求。
1.1 道岔岔尖状态监测系统功能需求分析
道岔岔尖状态监测系统的功能需求主要包括以下几个方面：
1）研究道岔岔尖与基本轨的密贴监测方法，尖轨的掉块损伤监测方法以及尖轨爬行问题监测。
2）设计开发高可靠性的道岔岔尖状态的前端数据采集及处理系统，并将数据通过合适的方式传输至后台中心。
1.2 道岔岔尖状态监测系统可靠性安全性需求分析
系统首先应满足不影响既有设备的运行安全和可靠性的要求，此外还应满足：
1）高可靠性。系统应能及时准确发现道岔岔尖的状态异常，并将误判的概率降到极小，满足相关技术规范的指标要求。
2）功能安全性。系统的硬件应在没有任何故障、没有受到任何外界干扰的情况下，功能应该正常且不会产生危及行车安全的结果。
二、道岔岔尖状态监测系统设计
2.1 既有道岔密贴检查器系统分析
我国目前既有的道岔密贴检查器加装在尖轨各牵引点间的中心位置，不间断地检查道岔尖轨和基本轨的密贴程度。但其功能仅仅局限于道岔岔尖密贴度的检查，无法实现对道岔岔尖损伤情况及爬行情况的检查。此外，该装置存在一些不适应现场环境变化的设计及加工工艺。如当出现爬行严重的情况时，检查器外部杆件发生卡阻等问题进而影响道岔表示的问题时有发生。
2.2 道岔岔尖状态监测系统分解方案
2.2.1 系统架构
采用对道岔岔尖状态按照统一集成的方式进行处理的方案，并将图像处理功能部署到前端子系统，其它功能部署到后端子系统：
前端数据采集及处理子系统
道岔岔尖图像采集和算法分析处理
通信系统
图像传输
状态数据信息传输后端子系统
状态监测和故障预警算法处理
数据显示、信息管理、系统配置等功能
外系统接口功能
2.2.2 前端采集主要运用的技术
道岔岔尖状态监测系统前端采集主要基于图像识别技术。可以实现以下功能：
基于图像实现岔尖密贴功能的监测，岔尖密贴监测的意义在于通过准确的目标识别算法和边缘识别算法，实时追踪岔尖运动轨迹，计算岔尖到基本轨贴合点的距离，及时对异常动作及密贴情况做出报警提示。
基于图像还可以实现岔尖掉块损伤检测，其意义在于，在准确识别岔尖边缘轮廓的基础上，构建标准2D 岔尖轮廓图，之后在视频图像的特定帧和位置比较标准岔尖轮廓和实际检测到的岔尖轮廓，进而得到由于过车车轮撞击所造成的疲劳性岔尖损伤形变量。
基于图像跟踪和比对，可以实现尖轨爬行监监测，意义在于通过判断尖轨的纵向位移情况，为转辙机的工作状态提供判断依据及调整建议。
2.2.3 通信方案
通信采用TDSL 与PLC 混合组网方式，其中室内至室外七方向，采用TDSL 通信方式;七方向至转辙机采用PLC 通信方式，PLC 通信距离应小于500 米。室内放置TDSL 局端机，七方向处新增XB 箱，箱内模块功能是：将TDSL 信号转成以太网，再将以太网转成PLC 信号，前端采集和处置装置采用PLC 通信，其内部集成PLC 通信模块。
在站场规模较小的应用中，可采用单一的多级PLC 中继方式，实现从室内到转辙机的通信。
2.3 道岔岔尖状态监测系统接口关系及设计
由于系统自身采用web 架构，将需要的数据通过内部自身的数据交互完成数据分析与处理。
系统具备和外部系统的接口，方便实现和微机监测以及其它管理信息系统的连接。同时对外提供一个可供访问的链接地址，外部可以通过这个地址访问系统。
2.4 系統的安全性及可靠性设计
根据前述可靠性和安全型功能分析，系统试验样机必须满足高可靠性和功能安全性的要求进行设计。除此之外，试验样机在设计过程严格遵守以下原则：
1）无论正常工作或是异常，不对既有系统造成任何安全影响;
2）系统前端采集设备的设计考虑室外艰苦条件，例如选择符合要求的宽温设备;
3）提高算法的可靠度，同时增加数据库比对能力，降低误判概率;
4）通信信道采用两倍以上冗余进行设计; 5）实现对道岔岔尖的24*7 全天候智能实时可靠监测;
6）具备设备自检及自故障报警功能;
三、试验样机研制
由于本次试验地点选定了某无砟轨道高铁站内的一组道岔，所以试验样机充分考虑了高速铁路以及无砟轨道等特点，在符合安全限界及现场设备运行安全要求的前提下开展研制工作。
3.1 硬件研制
根据系统功能需求分析以及系统方案设计介绍，系统硬件架构如上图所示，主要由服务器/工作站、通信、电源、前端采集等设备构成。
3.2 软件开发
前端采集器将摄像头采集的数据传入到工控机，然后在工控机进行相关算法处理，处理后将数据以及视频文件收集上传到服务器指定的文件数据层，然后通过Java 编写的后台管理系统进行相关业务实现，通过网页的形式，展现该管理系统，对相关页面操作，从而进一步实现道岔的监测，数据处理等业务。
四、现场调试
根据高速铁路无砟轨道现场试验条件，基于上述安全原则，设计了符合安全要求的现场设备安装结构，并进行了道岔岔尖状态监测系统试验样机的安装调试，验证了道岔岔尖状态监测系统的软件算法、系统性能及可靠性安全性。
五、结论
本文首先分析了道岔岔尖状态监测系统的功能及安全需求，给出了一套功能解决方案，基于目标现场研制了试验样机并开展了调试试验，取得了满意的试验效果。试验结果表明，该系统能有效实现道岔岔尖状态的监测，为道岔岔尖的状态修目标的实现提供了一种可行的方案。
参考文献：
【1】杨文东，佟德双，刘海艳.道岔密贴检查器故障原因分析及改进.铁道通信信号.2007 年7 月第43 卷第7 期.
【2】鲁欣，丁晓明，裘正定.CAN 总线在道岔密贴缺口监测系统中的应用.铁道通信信号.2007 年6 月第43 卷第6 期.
【3】周承志.铁路道岔尖轨密贴智能监测系统研究.铁道通信信号.2007 年10 月第43 卷第10 期.
【4】周承志，胡秀春.铁路道岔尖轨密贴、爬行检测方法探讨.中国铁路.2012 年10 月.
【5】刘铁民.信号维护规则：铁道线路养修工电配合[M].北京：中国铁道出版社，2003.
【6】沈相宙.铁路道岔养护[M].北京：中国铁道出版社，2004.
作者简历：
姓名：沈先义，性别：男，籍贯：皖合肥，出生年月：1972.08，职称：工程师，研究方向：鐵路通信、信息建设和维护;姓名：夏勇，性别：男，籍贯：皖肥西，出生年月：1976.12，职称：高级工程师，研究方向：高铁信号及控制系统工程建设管理;姓名：付锐，性别：男，籍贯：皖六安，出生年月：1995.02，研究方向：软件开发。