背景介紹

軌道交通因為其安全、快速、準時的特點為現代社會提供著不可或缺的出行及貨運方式。從綠皮到空調，從120km到300km，從有節奏的軌縫沖擊到平滑舒適，每一次的技術革新，每一次的提速都為我們出行提供耳目一新的感受。在我們享受便利出行的同時，安全無小事，再小的故障也會引起人員傷亡的重大事故。為保障軌道交通的安全準確運行，將PHM技術應用于軌道交通的各個子系統，全面保障設備正常運行勢在必行。

UK RSSB的報告指出，近年來軌道交通故障大部分源于信號系統以及軌旁系統[1]。由于技術進步，重大故障、例如脫軌等鮮有發生，但是由于軌旁設備或者信號系統故障造成的列車延誤卻常有發生。在如今這個效率至上并高速運轉的年代，一時一刻的延遲都會造成可觀的損失。

轉轍器，用于幫助列車換軌，一直以來都擁有很高的設計可靠性。但是由于工作環境惡劣、沖擊大、或其他原因造成故障，一旦發生，就會直接導致重大事故。例如列車脫軌，追尾等。在2002年Potters Bar[2]和2007年Grarigg脫軌事故之后，對軌旁設備的在線監控與故障診斷被認為是提高系統安全性的重要手段。將PHM應用于軌道交通也從那時起受到了更大重視。

圖1 Patters Bar 脫軌事故和轉轍器示例

目標

對轉轍器進行遠程監控，通過監控數據準確診斷早期故障并完成故障定位，為軌旁設備整體維修維護提供決策支持，最終達到降低系統風險，并降低系統維修維護費用的目的，從而達到安全性和經濟性的平衡點。

轉轍器由幾大核心部件組成，包括電機、定位桿、固定軌、移動軌、驅動桿等，精確的故障診斷和定位有助于維修維護團隊準確及時的解決問題。常見的故障模式包括不對準、摩擦力上升、有異物等。

圖2轉轍器示例[3]

對關鍵設備的早期故障診斷及故障定位，核心在于發現或者創造相應的故障特征。故障特征可以是原始信號，也可以是由原始信號加工得到。主要運用技術包括數字信號處理、特征選擇、降維、時間序列分析、以及多變量狀態估計等。在實際系統構架當中，各種技術需要搭配使用，相輔相成，最終實現目的。

如下圖所示，從原始信號中，例如電機電壓、電流、扭矩等，得到的特征應該在設備性能發生衰退時呈現出逐漸偏移的趨勢，并且偏移的速率與衰退的速率成正比。當然，這是理想狀態下的完美特征，也是無數工業數據分析工作者的完美伴侶。在通常情況下，受制于原始信號的完整性，以及工作環境的變化等，這樣的完美伴侶總是如“戈多”一樣的可遇而不可求。

圖3轉轍器示例[3]

在與歐洲某知名軌道交通設備廠商的合作當中，我們開發了針對轉轍器不同工況下的在線監測與故障診斷系統，并且與市面上已有的商業軟件以及科研成果做了大量比對認證，所開發系統具有技術領先性，可以準確的識別17種不同的失效模式（包括不同的失效級別），系統輸出結果有較高的準確性和穩定性。 所使用方法完全依靠電機的監測參數診斷設備故障，為遠程監控提供可行的解決方案。所使用方法包括：基于特征的方法和基于自相關模型的方法。詳細內容可參照[4]。

圖4測試臺實物

轉轍器實物試驗臺安放于一個綜合試驗箱當中，在實際測試時還引入了溫度和濕度變化模擬設備在不同自然環境的實際使用情況。在分析中發現，溫度對設備運行狀態影響較大，在最終的模型中引入歸一化機制，降低溫度對最終結果的影響。

圖5原始信號示例，有功功率

所采集原始信號均來自于驅動電機，這樣的非侵入式檢測有助于未來實施遠程監測，同時可以有效地降低實施成本。

圖6自相關神經元網絡結構示例

自相關神經元網絡的方法多被用來基于多變量檢測單變量的異常，最早被用于核電站核島中傳感器的衰退檢測。在本案例中被用來評價往復信號的異常狀態及區域并與不同的故障模式對應。

參考文獻

[1]Rail Safety and Standards Board. (2012). Annual Safety Performance Report.

[2]HSE Potters Bar Investigation Board. (2003). Train Derailment at Potters Bar 10May 2002, (May), 87.

[3Oyebande, B. O., & Renfrew, A. C. (2002). Condition monitoring of railwayelectric point machines. Electric Power Applications, IEE Proceedings, 149(6),465–473.

[4Jin, W., Shi, Z., Siegel, D., Dersin, P., Douziech, C., Pugnaloni, M., … Lee,J. (2015). Development and Evaluation of Health Monitoring Techniques forRailway Point Machines.