鐵路機(jī)車故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的研究

楊利國

（西山煤電集團(tuán)公司鐵路公司，山西 太原 030053）

引言

隨著以高速鐵路機(jī)車為代表的鐵路運(yùn)輸工具的不斷發(fā)展，其運(yùn)行時(shí)的安全性越來越受關(guān)注。目前的鐵路機(jī)車普遍配置有簡單的故障自檢系統(tǒng)，但該系統(tǒng)存在著數(shù)據(jù)庫資源不足、系統(tǒng)開放性差、無法將故障及時(shí)反饋到區(qū)域和全國監(jiān)控中心的缺陷，故障監(jiān)測(cè)效率和實(shí)時(shí)性差，難以滿足高速鐵路機(jī)車故障診斷實(shí)時(shí)性和高效性的需求。而一種新的鐵路機(jī)車故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)，就是從鐵路機(jī)車的關(guān)鍵部件入手，在不同位置設(shè)置高精度的監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息反饋，通過建立車載5G高速通信體系實(shí)現(xiàn)和區(qū)域/全國監(jiān)測(cè)中心的互聯(lián)互通，滿足了機(jī)車故障自動(dòng)診斷、故障異常及時(shí)告警、故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)目刂菩枨?，通過建立專家判別庫可實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)分析和定位，對(duì)于提升鐵路機(jī)車運(yùn)行安全性具有十分重要的意義。

1 故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)高速列車的運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)，本文所分析的故障診斷與預(yù)警系統(tǒng)包括被動(dòng)故障診斷系統(tǒng)和主動(dòng)故障診斷系統(tǒng)兩大塊。被動(dòng)故障診斷是從機(jī)車自身的控制系統(tǒng)內(nèi)獲取故障信號(hào)和故障代碼，然后利用獲取的故障信息作為故障檢測(cè)時(shí)的判斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的判斷和定位，該類型的故障判斷主要是對(duì)電子控制系統(tǒng)的故障診斷。主動(dòng)故障診斷是在列車重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位設(shè)置高精度傳感器設(shè)備，主動(dòng)對(duì)列車的控制信號(hào)、運(yùn)行振動(dòng)信號(hào)、溫度傳感器信號(hào)等進(jìn)行分析，確定列車運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定[1]。

如圖1所示，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)通過主動(dòng)和被動(dòng)故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的信息采集，并對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行提取分析，利用信號(hào)、數(shù)據(jù)處理+數(shù)據(jù)融合+人工智能的方式對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行判斷，獲取列車各狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，對(duì)異常信息進(jìn)行實(shí)時(shí)故障報(bào)警，然后通過車載5G高速通信體系將故障信息傳輸?shù)絽^(qū)域/全國監(jiān)測(cè)中心，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)列車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的列車故障信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和轉(zhuǎn)換，將其存儲(chǔ)到故障數(shù)據(jù)庫內(nèi)，用于進(jìn)行故障模擬和分析。地面控制中心收到故障信號(hào)后自動(dòng)對(duì)故障庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速比對(duì)，對(duì)故障類別、故障處理方案進(jìn)行確認(rèn)，然后將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)焦收狭熊囘M(jìn)行故障自動(dòng)修復(fù)并將處理情況上報(bào)列車長，便于列車工作人員實(shí)時(shí)掌握故障處理情況，形成閉環(huán)控制，確保列車的運(yùn)行安全性。

該機(jī)車故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于將主動(dòng)診斷和被動(dòng)診斷進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，同時(shí)通過5G高速數(shù)據(jù)系統(tǒng)將列車和地面控制中心集成一體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的準(zhǔn)確判斷和自動(dòng)定位。

2 故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的故障診斷專家?guī)煜到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路機(jī)車整體結(jié)構(gòu)龐大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量非常大，因此對(duì)數(shù)據(jù)分析處理的速度和對(duì)異常信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確性就直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性[2]。該機(jī)車故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的故障診斷專家?guī)煜到y(tǒng)（見下頁圖2），通過專家?guī)鞂?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速異常識(shí)別，可提高對(duì)數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性。

圖2 機(jī)車故障庫系統(tǒng)

由圖2可知，該機(jī)車故障庫系統(tǒng)主要包括知識(shí)庫、執(zhí)行機(jī)構(gòu)庫、解釋機(jī)構(gòu)庫等。知識(shí)庫是該專家故障庫的核心，用于存儲(chǔ)故障信息以及不斷提高故障庫數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)的豐富度[3]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)庫的主要作用是按一定的搜索邏輯對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速搜索和比對(duì)，對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行快速分析并確定故障原因。接收機(jī)構(gòu)庫的主要作用則是，在當(dāng)前故障無法在數(shù)據(jù)庫內(nèi)匹配到對(duì)應(yīng)信息時(shí)，按一定邏輯給出故障預(yù)判，然后將信息發(fā)送給值班專家確認(rèn)，待專家確認(rèn)后進(jìn)行故障定義并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，從而不斷豐富數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，提高數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性和匹配度[4]。

3 故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用效果

通過實(shí)踐應(yīng)用（見圖3）表明，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面能夠?qū)\(yùn)行中列車的故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，技術(shù)人員可以對(duì)任何一輛列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)能夠?qū)α熊嚨倪\(yùn)行位置進(jìn)行定位，便于根據(jù)故障情況決定列車是進(jìn)行就近維護(hù)還是返回維修基地進(jìn)行專業(yè)維護(hù)，有效提升了列車運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)表明，該故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)車運(yùn)行故障率降低93.1%，對(duì)提升機(jī)車運(yùn)行安全和穩(wěn)定具有十分重要的意義。

圖3 故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用界面

4 結(jié)論

1）該機(jī)車故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于將主動(dòng)診斷和被動(dòng)診斷進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，同時(shí)通過5G高速數(shù)據(jù)系統(tǒng)將列車和地面控制中心集成一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的準(zhǔn)確判斷和自動(dòng)定位。

2）該機(jī)車故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的故障診斷專家?guī)煜到y(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速異常識(shí)別，提高對(duì)數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性，提升故障診斷體系的應(yīng)用效果。

3）該機(jī)車故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)C(jī)車運(yùn)行故障率降低93.1%。