本書在介紹道岔和微機監測曲線的基礎上，深入分析道岔故障模式及其在道岔動作曲線上的表征規律。針對道岔故障少樣本的情況，提出道岔異常曲線的識別方法和基於相似度的道岔異常曲線識別方法；針對無道岔故障樣本的情況，提出基於無監督學岔曲線自動聚類方法和基於深度學岔故障診斷方法。後分別提出基於道岔曲線特征和曲線點的道岔動作曲線預測方法。 本書適用於軌道交通信號相關學科的工程技術人員、科研人員以及高校研究生。通過本書能全面了解道岔故障智能診斷期新技術，指導道岔智能運維相關的研究工作。

序

前言

第1章 道岔概述

1.1 鐵路繫統概況

1.1.1 鐵路繫統

1.1.2 高速鐵路

1.1.3 城市軌道交通

1.2 道岔

1.2.1 道岔的基本概念及重要性

1.2.2 道岔的分類

1.3 轉轍機

1.3.1 轉轍機的基本概念及作用

1.3.2 轉轍機的分類

1.3.3 直流轉轍機的基本原理

1.3.4 交流轉轍機的基本原理

第2章 道岔監測繫統

2.1 道岔監測的必要性

2.1.1 道岔事故

2.1.2 道岔監測必要性分析

2.2 道岔監測繫統的基本原理

2.2.1 道岔監測繫統的相關標準規範

2.2.2 道岔監測繫統的主要結構

2.2.3 道岔監測繫統的能

2.3 主要道岔監測繫統介紹

2.3.1 CSM-TD型信號微機監測繫統

2.3.2 CSM-HH型信號集中監測繫統

第3章 道岔動作曲線

3.1 道岔動作曲線的分類

3.2 直流轉轍機道岔動作電流曲線

3.2.1 道岔動作電流采集原理

3.2.2 單動道岔正常動作電流曲線分析

3.3 交流轉轍機道岔動作電流曲線

3.3.1 道岔電流采集原理

3.3.2 交流轉轍機道岔正常動作電流曲線分析

3.3.3 道岔動作曲線“小尾巴”的形成原理

3.3.4 ZYJ7型道岔正常動作曲線分析

3.4 道岔率曲線

3.4.1 道岔率曲線采樣原理

3.4.2 道岔率曲線分析

3.4.3 S700K型電動轉轍機道岔率曲線分析

第4章 道岔故障模式及故障曲線

4.1 道岔故障分類

4.2 道岔常見故障分析

4.3 道岔動作曲線

4.3.1 道岔動作模型構建及參數設置

4.3.2 基於道岔動作模型的動作曲線

4.3.3 道岔正常動作曲線

4.3.4 道岔長期運行曲線

4.3.5 道岔故障曲線

第5章 道岔異常曲線識別

5.1 道岔異常曲線識體技術路線

5.2 道岔正常參考曲線的選取方法

5.2.1 基於K均值聚類算法的道岔正常參考曲線的選取

5.2.2 基於弗雷歇距離的道岔正常參考曲線的選取

5.3 相似度的計算及閾值的確定

5.3.1 正常曲線與正常參考曲線之間的相似度計算

5.3.2 相似度閾值的確定

5.4 基於相似度的道岔異常曲線識別舉例

5.4.1 正常參考曲線的選取

5.4.2 相似度的計算以及閾值的確定

5.4.3 實例測試

第6章 基於距離的道岔故障診斷

6.1 典型距離算法

6.2 基於距離的道岔故障診斷方法

6.3 基於動態時間規整的道岔曲線故障診斷實例

6.4 基於弗雷歇距離的道岔曲線故障診斷實例

第7章 基於深度學岔故障識別方法

7.1 基於卷積神經網絡的道岔故障識別方法

7.2 卷積神經網絡

7.2.1 卷積神經網絡概述

7.2.2 卷積神經網絡經典網絡算法

7.3 道岔故障診斷模型

7.3.1 輸入數據預處理

7.3.2 模型訓練過程

7.3.3 道岔故障診斷模型的驗證

7.4 基於深度學岔故障診斷實例

第8章 道岔曲線模式的自動聚類研究

8.1 道岔曲線的自動聚類方法

8.1.1 聚類概念

8.1.2 聚類方法分類

8.2 FCM聚類算法

8.2.1 相關概念

8.2.2 FCM聚類算法的步驟

8.3 道岔故障曲線的自動聚類實例

8.3.1 數據預處理

8.3.2 的FCM聚類算法

8.3.3 案例計算結果

第9章 道岔動作曲線預測方法

9.1 基於道岔曲線特征的預測方法

9.1.1 道岔動作曲線采集及代表特征選取

9.1.2 基於BP神經網絡的道岔曲線特征預測方法

9.1.3 基於小二乘法的道岔預測曲線的擬合

9.1.4 道岔預測曲線的故障診斷

9.1.5 基於道岔曲線特征的預測方法實例分析

9.2 基於曲線點的預測方法

9.2.1 預測所用數據說明及預測效果評價指標

9.2.2 基於ARMA模型的道岔動作曲線預測方法

9.2.3 基於支持向量機的道岔動作曲線預測方法

參考文獻

第1章道岔概述道岔是指軌道面上的出岔、連接和交叉的設備，在我國鐵路上這些設備統稱為道岔。道岔是鐵路軌道的一個重要組成部分，它是引導機車車輛由一條線路轉向另一條線路的過渡設備。道岔構造復雜，是線路的薄弱環節之一。1.1鐵路繫統概況1.1.1鐵路繫統鐵路運輸是指以固定軌道作為運輸線路、由機械動力牽引車輛、實現旅客和貨物位移的一種運輸方式。世界上條使用機械動力牽引車輛的營業鐵路，是1825年9月27日通車的英國斯托克頓至達林頓鐵路。這條鐵路長度約為40km，軌距為1435mm，使用的牽引動力是 史蒂芬森設計制造的蒸汽機車，牽引12輛煤車並搭載500名左右乘客，*高速度達到24km/h。這條鐵路的誕生了世界鐵路運輸。當時鐵路作為一種新興的陸上運輸工具，是一種適宜於遠距離、大運量、全天候及低成本的運輸方式。因此，發展較早的資本主義國家，如英國、美國、、比利時、德國、等相繼開始修築鐵路。自此，人類交入了“鐵路時代”。隨著世界貿易的發展和西方資本主義勢力在全球的擴張，鐵路也在全世界各個角落開始展延。清朝末年，世界各國均在大力興建鐵路，清朝政府拒絕采代科學技術和運輸工具，嚴重阻礙了社會生產力的發展。由於清朝政府反對修建鐵路的錯誤政策，中國鐵路建設的歷延緩。直到1876年，中國大地上纔出現條營運鐵路——吳淞鐵路。1949年後，中國的鐵路運輸經歷了曲折的發展。改革開放後，信息技術加速發展，鐵路發展也加快了步伐，我國了鐵路運輸的新局面。鐵路繫統可以分為車務段、機務段、工務段、車輛段、供電段、電務段六個構成部分：(1) 車務段是鐵路行車繫統的重要單位之一，負責列車運營。車務段管理車站貨運等業務，管轄轄區內的各大小車站貨運、客運的計劃和收入，以及列車的運行監控，保證貨運、客運的正常運營以及運營成本的正常回收。(2) 機務段是鐵路運輸繫統的主要行車部門，是主要負責鐵路機車的運用、綜合整備、整體檢修的行車單位，一般設置在重要的鐵路樞紐城市或重要的貨運編組站。(3) 工務段是鐵路繫統的基層單位，負責鐵路線路及橋隧設備的保養與維修工作，以及鐵路巡道、鐵路道口的看守。(4) 車輛段主要負責列車車輛的運營、整備、檢修等工作。(5) 供電段主要負責電氣化鐵路的牽引供電、鐵路運輸信號供電、鐵路地區的供電、電力設備的檢修與保養等工作。(6) 電務段負責管理和維護列車在運行途中的地面信號與機車信號及道岔正常工作，職責是維護信號設備使信號正常顯示，維護轉轍機及道岔扳動正常，確保列車正常運行。在鐵路運輸繫統中，鐵路信號肩負著指揮列車運行、調車作業以及向行車有關人員指示運行條件等任務，是對行車運行方向、運行間隔、運路以及運行速行控制的重要基礎設施。道岔是鐵路線路上的可動部分，它的位置與狀態是否正確，直接關繫列車是否走對路徑，影響行車的。因此，道岔的轉換和鎖閉設備是鐵路信號繫統中的重要組成部分。1.1.2高速鐵路高速鐵路是一個龐大復雜的現代化繫統，它由工務工程、牽引供電、高速列車、通信與信號、運營調度和客運服務等多個子繫統組成。高速鐵路技術由各個子繫統技術以及子繫統之間的耦合技術共同構成，因此綜合性強是高速鐵路技術的一個顯著特點。高速鐵路的發展是一個通過技術不斷創新、運行速度不斷提高來滿足社會經濟發展需要的過程，主要特征表現為高速鐵路建設標準等級不斷提高、建設裡程不斷增加、參與建設的國家和地區不斷增多。1964年，日本東海道新干線的開通運營開啟了日本經濟起飛的航程。1981年，TGV高速鐵路後來居上，將高速鐵路的發展推上了一個新臺階，同時帶動了歐洲高速鐵路的發展。此後，越來越多的國家和地區開始規劃建設高速鐵路。中國高速鐵路的發展雖然起步較晚，但是在短短十幾年的時間裡，中國已經成為世界上擁有高速鐵路裡程*長的國家。2018年底，中國高鐵運營裡程超過2.9萬km，占全球高鐵運營裡程的2/3以上，超過其他國和。建的條高速鐵路是京滬高速鐵路。早在20世紀90年代初，鐵道部提出《北京海旅客列車專用高速鐵路研究的初步設想》。1994年，集合國家科學技術委員會、國家計劃委員會等多個部委，完成了《京滬高速鐵路重大技術經濟問題前期研究報告》。1996年4月，《京滬高速鐵路預可行性研究報告(送審稿)》完成之後，中國高速鐵路研究長期陷入輪軌方式和磁懸浮方式的技術之爭。直到2003年，纔得出結論：輪軌方式更加適合京滬高速鐵路。2006年2月，批準京滬高速鐵路立項。介紹我國典型的高速鐵路。1. 京津城際高速鐵路2008年8月1日開通運營的京津城際高速鐵路引起了國內外廣泛關注。京津城際高速鐵路是世界上首條運營速度達到350km/h的高速鐵路。在技術方面，京津城際高速鐵路無論是線路、供電、信號還是車輛，都采用了當時世界上*新的技術。“和諧號”CRH3型動車組在京津城際鐵路運行實驗中創出了394.3km/h的實驗速度。實驗過程中，高速列車各繫統運行正常，列穩舒適。這意味著京津城際鐵路線橋質量、動車組性能、各繫統間的配合已達到世界高速鐵路的標準。2. 京滬高速鐵路京滬高速鐵路全長1318km，於2011年6月30日全線開通運營，是目前世界上一次性建成的*長的高速鐵路。京滬高速鐵路連接北方的環渤海經濟區和南方的長江三角洲經濟區，貫通中國東部*發達地區。京滬高速鐵路設計*高速度為380km/h期運營速度為300km/h，遠期運營速度為350km/h。在技術方面，京滬高速鐵路集中國高速鐵路技術之大成，高速列車、列車運行控制、軌道、牽引供電等都代表著當時中國高速鐵路技術的*高水準。2010年12月3日，京滬高速鐵路CRH380AL動車組在棗莊至蚌埠間的實驗區段創造了486.1km/h的中國輪軌列車運營實驗速度新紀錄。3. 京廣高速鐵路京廣高速鐵路於2012年12月26日全線開通運營，是目前世界上運營裡程*長的一條高速鐵路，全長2298km，設計速度為350km/h，初期*高運營速度為300km/h。從北京至廣州*快的列車隻需要7h 59min，途經河北、河南、湖北、湖南、廣東五省。4. 哈大高速鐵路2012年12月1日，哈大高速鐵路開通運營，線路全長921km。哈大高速鐵路設計速度為350km/h，初期*高運營速度為300km/h，將東北三省主要城市連為一線，主要技術特點在於防寒技術。例如，為哈大線量身定做的CRH380BG型電力動車組可以在40℃條件下正常運行；為防路基凍脹，在路基凍結深度範圍內填築了非凍脹性材料；采用防開裂的雙向預應力CRTS-Ⅰ型板式無砟軌道結構；道岔設置融雪裝置，接觸網設置融冰裝置。通信與信號繫統作為整個鐵路的“大腦與神經”，時刻保證著列車繫統的和運行。隨著通用的通信、控制和計算機技術的發展，這些的技術也相繼應用在通信和信號領域。對於鐵路通信繫紀末開始，電報剛一出現就在鐵路運營中得應用，緊接著電話、數字有線通信、模擬無線通信、數字無線通信技術不斷地融入鐵路運營，這提高了鐵路運營的效率年來，全球定位繫統(globalpositioningsystem，GPS)定位技術在青藏鐵應用，5G技術在我國高速鐵路中(京張高速鐵路)應用，這些新技術為鐵路運營服務品質一步提升提供了保障。鐵路信號繫統從鐵路的誕生之日起就應運而生。從*原始的站間閉塞，到以軌道電路、計軸設備等為基礎的基於軌道電路的列車控制繫統(traincontrolsystembasedontrackcircuit，TBTC)，再到基於通信的列車控制繫統(communicationbasedtraincontrol，CBTC)，鐵路運行和效率不斷地提升。隨著技術的不斷發展，高速鐵路列車運行控制繫統將更加集成化、智能化，並將更加可靠。1.1.3城市軌道交通城市軌道交通繫統(urbanrailtransitsystem)，簡稱城軌繫統(urbanrailsystem)，指在城市中具有固定線路、鋪設固定軌道、配備運輸車輛及服務設施、以電力驅動的公共交通運輸繫統。城市軌道交通是現代城市公共交通的主要形式，具有、快捷、準時等優點，可滿足日益增長的城市居民出行需求，是一種節約資源、保護環境的城市公交繫統。地鐵的產生源於將列車引入城市中心的構想。1856年修建的倫敦地鐵是世界上條地鐵，1863年正式投入運營，線路位於地下隧道內，用蒸汽機車牽引列車。從此，鐵路技術開始用來解決人們在城市內的出行問題。1965年我國開始修建內地條城市軌道交通繫統——北京地鐵一期工程，1969年建成通車。20世紀70年代，天津修建了7.4km的地鐵。從80年代末至90年代中期，以上海地鐵1號線(21km)、北京地鐵復八線(13.6km，現已並入北京地鐵1號線)、北京地鐵1號線改造、廣州地鐵1號線(18.5km)建設為標志，我國真正以交通為目的的地鐵項目開始建設。城市和區域軌道交通的繫統制式可按運能、線路敷設方式、路權等多個方行劃分，從目前國內外軌道交通的發展現狀及趨勢來看，城市和區域軌道交通的發展模式主要有地鐵、輕軌、單軌繫統、區域快速鐵路、有軌電車以及新交通繫統等幾種。中國城市軌道交通發展迅猛，已經建成或正在興建的城市軌道交通幾括了上述所有類型，截至2022年2月，已有76多個城市建成或正在興建。中國城市軌道交通建設的特點是，不僅需要建設的城市多、建設勢頭猛，而且建設的化。中國正在形成以地鐵為骨干、多種類型並存的城市軌道交通體繫。上海、天津、大連等城市建成了快速輕軌交通繫統；長春、大行了有軌電車改造，鞍山也準備對現有的有軌電行改造，上海、蘇州等地已經建成有軌電車線路；重慶建成了我國條跨座式的單軌交通繫統；上海浦東龍陽路至浦東國際機場開通了磁懸浮高速線；廣州和北京已建成或正在建設直線電機驅動的城軌車輛交通線路；北京機場內正在建設全自動化的新交通繫統等。截至2021年12月31日，31個省(區、市)和生產建設兵團共有51個城市開通運營城市軌道交通線路269條，運營裡程8708公裡，車站5216座。2021年，新增城市軌道交通線路35條，新增運營裡程1168公裡；洛陽、紹興、嘉興、文山、蕪湖以及嘉興(海寧)、鎮江(句容)7個城市開通運營城市軌道交通。城市軌道交通繫統由軌道路線、車站、車輛、維護檢修基地、供變電設備、通信信號設備、指揮控制中心等組成。采用以電子計算機處理技術為核心的各種自動化設備，代替人工的、機械的、電氣的行車組織以及設備運行和保證繫統。列車自動控制(automatictraincontrol，ATC)繫統可以實現列車自動駕駛、自動跟蹤、自動調度；數據采集與監視控制(supervisorycontrolanddataacquisition，SCADA)繫統可以實現主變電所、牽引變電所、降壓變電所設備繫統的遙控、遙信、遙測和遙調；樓宇自動化繫統(buildingautomationsystem，BAS)和火災報警繫統(firealarmsystem，FAS)可以實現車站環境控制的自動化和消防、報警繫統的自動化；自動售檢票(automaticfarecollection，AFC)繫統可以實現自動售票、檢票、分能。所有繫統全線各自形成網絡，均在運行控制中心(operationscontrolcenter，OCC)設中心計算機，實現統一指揮，分級控制。