基于Petri網(wǎng)的地鐵車輛遠程故障診斷

李晨

摘 要：?針對當前地鐵車輛故障，特別是電氣故障判斷的自動化需求，結(jié)合Petri網(wǎng)故障樹判斷方法，對某型號的地鐵車輛故障進行判斷。先對Petri網(wǎng)進行簡單的概述，然后構(gòu)建電氣系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型，并定義相關(guān)的規(guī)則，最后搭建Petri網(wǎng)模型驗證平臺，對上述的地鐵車輛傳動系統(tǒng)故障進行判斷，結(jié)果通過地面服務(wù)器展示出來。

關(guān)鍵詞：?模糊Petri網(wǎng); 故障樹; 地鐵車輛

中圖分類號： TP 311

文獻標志碼： A

Remote Fault Diagnosis of Metro Vehicles Based on Petri Net

LI Chen

（School of Rail Transit， Shanxi College of Communication Technology， Xi an， Shanxi? 710018， China）

Abstract：

In view of the current needs of automation of metro vehicle faults， especially electrical faults judgment， combined with the Petri net fault tree judgment method， faults for a type of metro vehicle are judged. A brief overview of Petri net is given firstly， then the Petri net model of electrical system is constructed， and the relevant rules are defined. Finally， a Petri net model verification platform is built to judge the above-mentioned faults of metro vehicle transmission system， and the results are displayed through the ground server.

Key words：

fuzzy Petri net; fault tree; metro vehicle

0 引言

隨著我國城市地鐵建設(shè)步伐的加快，使得我國開始逐步步入地鐵化的時代。地鐵作為現(xiàn)代城市的標志，具有速度快、干擾小等特點，受到城市管理者的歡迎。但是地鐵車輛上，包含各種類型的電氣設(shè)備，一旦其中的某個電氣設(shè)備出現(xiàn)問題，勢必嚴重影響車輛的運行，嚴重的甚至引發(fā)事故。因此，加強對電氣系統(tǒng)的故障診斷，是保障地鐵車輛安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。本文則在以往研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于Petri網(wǎng)的地鐵車輛故障診斷模型，并搭建試驗平臺對其可行性進行驗證。

1 模糊Petri網(wǎng)概述

Petri網(wǎng)是一種數(shù)學(xué)表示，主要用以對離散并行系統(tǒng)進行表示。Petri網(wǎng)提出于上世紀60年代，由當時著名物理學(xué)家卡爾·A·佩特里發(fā)明并提出，主要適應(yīng)于異步、并發(fā)計算機模型的描述。傳統(tǒng)Petri網(wǎng)主要包含四元組，分別為庫所、變遷、輸入函數(shù)以及輸出函數(shù)。在這樣的四元組上，任何圖像都能被成功映射。在此基礎(chǔ)上，Petri網(wǎng)若是能夠與當前先進的人工智能理論進行結(jié)合，將會使Petri網(wǎng)能夠描述系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)與動態(tài)性質(zhì)這一優(yōu)勢發(fā)揮到極致，從而對更加復(fù)雜的問題進行解決。模糊Petri網(wǎng)FPN概念是在知識表示不確定性的情況下被提出，目前已成為Petri網(wǎng)研究領(lǐng)域中一大重點研究方向。相較于傳統(tǒng)經(jīng)典Petri網(wǎng)，模糊Petri網(wǎng)在開展物理系統(tǒng)并行及并發(fā)行為的描述與分析時，其思維模式更加貼近于人們的認知方式。同時，模糊Petri網(wǎng)還具備描述結(jié)構(gòu)直觀清晰等優(yōu)勢。與經(jīng)典Petri網(wǎng)的四元組不同，模糊Petri網(wǎng)通常被定義為八元組，如式（1）。

在式（1）中，P代表庫所節(jié)點的有限集合，P={p1，p2，…，pn};T代表變遷節(jié)點的有限集合，T={t1，t2，…，tm};D代表命題的有限集合，D={d1，d2，…，dn};I為輸入函數(shù)，主要是對庫所至變遷之間的關(guān)系進行映射;O為輸出函數(shù)，主要代表變遷與庫所之間的映射;f為關(guān)聯(lián)函數(shù)，是變遷至0，1之間的實數(shù)值映射;α為庫所至0，1之間的實數(shù)值映射;β代表庫所至命題之間的所有映射。

2 地鐵車輛電氣系統(tǒng)故障模型構(gòu)建

2.1 研究具體結(jié)構(gòu)

為進一步研究模糊Petri網(wǎng)在地鐵車輛故障診斷問題，本文以該型號地鐵車輛電氣系統(tǒng)為例，通過Petri網(wǎng)實現(xiàn)對地鐵車輛電氣系統(tǒng)故障的診斷。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該地鐵車輛結(jié)構(gòu)中，采用6輛編組型式，配置有4M2T的動力分散性裝置。牽引傳動系統(tǒng)主要采用VMF逆變器-異步牽引電動機，構(gòu)成交流傳動系統(tǒng)。這種牽引傳動系統(tǒng)內(nèi)部由受電弓、牽引逆變器以及牽引電機等多項設(shè)備構(gòu)成，主要包含了兩個牽引單元，這兩個牽引單元之間的關(guān)系為相對獨立。各牽引單元中包含了受電弓1臺、高速斷路器與牽引逆變器各兩臺以及牽引電機8臺。

2.2 電氣系統(tǒng)故障樹表示機制

地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)故障模型的建立必須依靠FTA（故障樹分析）中部分常用符號，將這些符號作為故障模型的建模元語言。由于本文僅選用故障樹分析當中的符號進行地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)故障模型的構(gòu)建，因此，后續(xù)建立起的牽引傳動系統(tǒng)故障模型并非故障樹。筆者之所以選取故障分析符號為建模元語言，主要是出于對故障診斷領(lǐng)域中故障樹應(yīng)用基礎(chǔ)地位的考慮，其應(yīng)用目的在于使牽引傳動系統(tǒng)故障模型能夠擺脫各項故障診斷算法。具體建模符號表如表1所示。

2.3 牽引傳動系統(tǒng)故障模型構(gòu)建

通過觀察圖1顯示的牽引傳動系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)后可以看出，地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)中包含了兩個相對獨立的單元，這兩個單元之間主要依靠跨車電纜進行連接。牽引傳動系統(tǒng)中的受電弓主要從接觸網(wǎng)上對電源進行獲取。具體牽引傳動系統(tǒng)主電路回路如圖2所示。

由圖2顯示內(nèi)容可以看出，在牽引系統(tǒng)主電路回路當中，接觸網(wǎng)中的DC1500V電壓流首先從受電弓處經(jīng)過;然后經(jīng)高壓電氣箱、預(yù)充電電阻以及線路點抗器三個部位之后，才能到達VVVF逆變器;最后經(jīng)過三相逆變器以及制動斬波單元輸出三相交流電，以三相交流電對異步牽引電動機進行驅(qū)動。同時，通過觀察牽引系統(tǒng)主電路回路圖還可發(fā)現(xiàn)，在地圖車輛牽引傳動系統(tǒng)中，擁有著大量的電壓電流傳感器，這些傳感器主要起到實時監(jiān)測地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)的作用。其中，電壓傳感器VH1主要是對直流網(wǎng)壓進行檢測;電壓傳感器VH2的檢測對象為逆變器上的電容器電壓;電流傳感器LH1以及LH2是對直流回路電流進行檢測，LH3及LH4則是檢測逆變器輸出電流，LH5及LH6的職責(zé)在于對制動電阻斬波電流進行檢測。結(jié)合地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及主電路回路，可將牽引傳動系統(tǒng)劃分為五個模塊，分別為高壓電壓模塊、預(yù)充電模塊、中間電路模塊、牽引逆變器模塊、電機模塊?；诖耍疚乃鶚?gòu)建起的牽引傳動系統(tǒng)故障模型如圖3所示。

3 基于Petri網(wǎng)的地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)模型

3.1 牽引傳動系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型

結(jié)合上文中對Petri網(wǎng)基本概念、模糊Petri網(wǎng)基本理論的分析以及構(gòu)建起的牽引傳動系統(tǒng)故障模型，以下將對地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型進行構(gòu)建。在開展模型構(gòu)建工作之前，還需對地鐵車輛牽引傳動系統(tǒng)故障、模糊Petri網(wǎng)以及模糊產(chǎn)生規(guī)則三者之間的關(guān)系進行掌握。具體三者之間關(guān)系如表2所示。

根據(jù)表2中給出的牽引傳動系統(tǒng)故障、模糊Petri網(wǎng)與模糊規(guī)則三者之間的關(guān)系，以及結(jié)合上文中構(gòu)建起的牽引傳動系統(tǒng)故障模型，本文將對牽引傳動系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型進行構(gòu)建。具體牽引傳動系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型如圖4所示。

3.2 對應(yīng)故障事件

牽引傳動系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型中各庫所對應(yīng)的故障事件有所不同，具體牽引傳動系統(tǒng)Petri網(wǎng)各庫所對應(yīng)故障事件如表3所示。其中，p57為終止庫所，也就是牽引傳動系統(tǒng)故障頂層事件。

4 診斷測試

為進一步驗證上述方法的可行性，搭建在線故障平臺完成對上述方案的測試。

4.1 實驗測試平臺

本文搭建的測試平臺，主要模擬地鐵車輛在運行中通過車載通訊模塊獲取部分地鐵車輛的模擬信號的方式來判斷故障。具體測試平臺見圖5所示。

根據(jù)圖5得出，本文搭建的測試平臺其主要是由模擬信號傳輸裝置、控制網(wǎng)絡(luò)、地面服務(wù)器等部分組成。其中，模擬信號傳輸裝置主要采集地鐵運行中的部分電氣信號;控制網(wǎng)絡(luò)主要為地鐵運行中的傳輸網(wǎng)絡(luò);地面服務(wù)器主要是對信號進行分析，并結(jié)合這些信號，對故障進行判斷，并通過地面服務(wù)器的展示界面將結(jié)果展示出來。

4.2 測試結(jié)果

通過上述的搭建，可以得到圖6所示的故障測試結(jié)果。

通過圖6看出，地面服務(wù)器接受到部分車載的故障數(shù)據(jù)，并將故障數(shù)據(jù)顯示在了標黑的位置。

5 總結(jié)

通過上述的故障樹模型構(gòu)建，并結(jié)合Petri網(wǎng)對故障的判斷，清晰的顯示了地鐵車輛在運行過程中所存在的故障信息，從而為當前地鐵車輛運行中出現(xiàn)的電氣故障提供了借鑒與參考。但是本文在Petri網(wǎng)的故障判斷中，未深入的對Petri網(wǎng)對故障的推理進行了簡化，還需要做深一步的研究。

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（收稿日期：2019.05.25）