基于故障樹的高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)

許 清，黎川宇

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

近年來，我國軌道交通建設(shè)高速發(fā)展，高速動車組作為方便、快捷、大容量的公共交通工具之一，已成為人們出行的重要方式。由于動車組運(yùn)行速度較快，其安全運(yùn)行的重要性日益凸顯。動車組安全行駛過程中，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)起著主要作用，故障分析則是保證動車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一種重要技術(shù)手段。

國外各公司針對列車的故障分析起步較早且技術(shù)相對成熟，如加拿大龐巴迪公司的Mitrac?TCMS 系統(tǒng)、日本三菱公司在Arcnet網(wǎng)絡(luò)上研發(fā)的TIMS系統(tǒng)、法國阿爾斯通公司的eTrain 實(shí)時(shí)維護(hù)系統(tǒng)、德國西門子公司的SIBAS32系統(tǒng)、美國通用公司的DELTA系統(tǒng)等均實(shí)現(xiàn)了列車邏輯控制及故障深度分析功能［1］。我國的列車故障分析技術(shù)起步較晚，目前主要是根據(jù)系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)、功能及架構(gòu)對所有發(fā)生的故障原因進(jìn)行分類匯總及羅列，發(fā)生故障時(shí)按既定程序逐一檢查并排除［2］。此方法未區(qū)分故障原因且分析步驟較為固定，不能相對準(zhǔn)確地反映出系統(tǒng)各不同層次故障間的關(guān)系，如關(guān)聯(lián)程度、功能邏輯關(guān)系等，不能高效、精準(zhǔn)地排查故障。

對此，為提升維護(hù)人員的診斷效率與故障處理能力，本文對高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障問題展開研究，并應(yīng)用故障樹分析法［3］，結(jié)合VB 編程和Access 數(shù)據(jù)庫軟件設(shè)計(jì)了高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)。

1 高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障分類

高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由中央控制單元CCU進(jìn)行控制［4］，通過車輛總線、列車總線實(shí)現(xiàn)通信管理，收集車輛及子系統(tǒng)狀態(tài)信息，通過邏輯處理實(shí)現(xiàn)列車控制、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄等功能。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基本功能如圖1所示。

圖1 高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基本功能Fig.1 Basic functions of the network control system of high speed EMU

對高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制需求、應(yīng)用軟件及故障清單展開研究發(fā)現(xiàn)，其出現(xiàn)的故障主要由軟件和硬件兩大原因造成。

軟件問題可歸根于應(yīng)用軟件故障、底層軟件故障及兩種軟件不匹配故障。應(yīng)用軟件故障主要與整車邏輯控制相關(guān)。底層軟件故障與操作系統(tǒng)、通信任務(wù)、算法處理任務(wù)相關(guān)。其中應(yīng)用軟件故障主要由整車邏輯問題、功能塊未使能、任務(wù)周期錯(cuò)誤及數(shù)據(jù)無寫入/輸出等故障導(dǎo)致；底層軟件故障主要由單板上電不打印、操作系統(tǒng)未加載、配置錯(cuò)誤及算法錯(cuò)誤等故障導(dǎo)致。

硬件問題可歸結(jié)于以下幾點(diǎn)：中央控制單元、骨干網(wǎng)交換機(jī)、編組網(wǎng)交換機(jī)、輸入輸出設(shè)備、子系統(tǒng)設(shè)備、通信線纜及連接器等設(shè)備故障。其中中央控制單元、子系統(tǒng)設(shè)備故障由主控板或電源板故障導(dǎo)致，骨干網(wǎng)交換機(jī)、編組網(wǎng)交換機(jī)故障由交換板或電源板故障導(dǎo)致；輸入輸出設(shè)備故障由主控板或IO 板故障導(dǎo)致；通信線纜及連接器故障由電源板或線纜或連接器故障導(dǎo)致。

高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障思維導(dǎo)圖如圖2所示。

圖2 高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制故障思維導(dǎo)圖Fig.2 Mind map of high speed EMU network failure

2 故障樹的建立

故障樹分析法是以分析某個(gè)系統(tǒng)所診斷出的故障為目標(biāo)，通過邏輯推理的方式挖掘出導(dǎo)致這些中間事件發(fā)生的所有的直接原因，并采用演繹法不斷進(jìn)行延伸及挖掘，直到找出導(dǎo)致某故障的所有原因，再通過故障樹圖的方式對其進(jìn)行直觀地描述。在實(shí)際使用的過程中，可應(yīng)用故障樹分析法迅速找出系統(tǒng)失效部分，并對其進(jìn)行定性和定量的分析，以提升故障分析的效率，保證系統(tǒng)能夠更穩(wěn)定、正常的運(yùn)行。故障樹技術(shù)運(yùn)用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)各事件之間的聯(lián)系，常用的運(yùn)算關(guān)系包括“與”“或”“非”“異或”等［5］。

本文引用故障樹分析方法，結(jié)合上文對高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及故障形式的研究，建立高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障樹模型，以提高其故障分析效率及準(zhǔn)確性。圖3 示出高速動車組的輸入輸出裝置（IOM）通信故障的建立過程。其中，頂事件為T（即IOM故障）。中間事件包括數(shù)據(jù)鏈路A1（因數(shù)據(jù)鏈路異常所導(dǎo)致的故障，包括交換機(jī)和線纜故障）、數(shù)據(jù)源A2（因IOM 自身原因?qū)е碌墓收?，如IOM 未發(fā)出數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)宿A3（因CCU 異常導(dǎo)致的故障）、交換機(jī)異常A4（交換機(jī)未正常轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)）、軟件原因A5（因運(yùn)行在PU300板卡上的底層軟件和應(yīng)用程序?qū)е掳蹇o法發(fā)出數(shù)據(jù)）、應(yīng)用軟件異常A6（應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)出錯(cuò)）。底事件包括線纜故障B1（因線纜問題導(dǎo)致通信鏈路中斷）、硬件原因B2（因硬件導(dǎo)致板卡無法發(fā)出數(shù)據(jù)）、軟件異常B3（軟件設(shè)計(jì)出錯(cuò)導(dǎo)致上報(bào)通信故障）、硬件原因B4（硬件原因?qū)е掳蹇o法收到數(shù)據(jù)）、硬件異常B5（硬件原因?qū)е陆粨Q機(jī)無法收發(fā)數(shù)據(jù)）、軟件異常B6（交換機(jī)軟件原因?qū)е聰?shù)據(jù)未送達(dá)CCU處）、底層軟件異常B7（底層軟件出錯(cuò)）、匹配異常B8（應(yīng)用軟件與底層軟件不匹配）、配置文件出錯(cuò)B9（配置文件中未配置正確的以太網(wǎng)端口、周期、源IP）、程序出錯(cuò)B10。

圖3 高速動車組輸入輸出系統(tǒng)故障樹Fig.3 Fault tree of EMU input and output systems

在故障樹中導(dǎo)致頂事件發(fā)生的底事件集合為割集。求解最小割集的方法通常有下行法和上行法兩種［6］：

（1）上行法。從底事件出發(fā)，由下往上開始運(yùn)算，計(jì)算事件的集合。當(dāng)遇到或門時(shí)，可將該情況理解為輸出事件的并；當(dāng)遇到與門時(shí)，可將該情況理解為輸出事件的交，直到最后得到最小割集。

（2）下行法。從頂事件出發(fā)，由上往下開始運(yùn)算，計(jì)算事件的集合。同樣，當(dāng)遇到或門時(shí)，可將該情況理解為輸出事件的并；當(dāng)遇到與門時(shí)，可將該情況理解為輸出事件的交，一直到無法分解的事件為止，最后得到最小割集。以圖3 為例，利用下行法求解，其過程如表1所示。

表1 求解最小割集過程Tab.1 Process of solving the minimum cut set

經(jīng)吸收并簡化，得到10 個(gè)最小割集：K1：｛B1｝；K2：｛B2｝；K3：｛B3｝；K4：｛B4｝；K5：｛B5｝；K6：｛B6｝；K7：｛B7｝；K8：｛B8｝；K9：｛B9｝；K10：｛B10｝。

2.1 故障樹定性分析

對上述高速動車組輸入輸出系統(tǒng)故障樹進(jìn)行定性分析，由頂事件自上而下找出不能再分割的事件集合（即故障原因）；根據(jù)已建好的故障樹，利用下行法求出最小割集［7］。所以，導(dǎo)致動車輸入輸出系統(tǒng)故障的原因有K1：｛B1｝；K2：｛B2｝；K3：｛B3｝；K4：｛B4｝；K5：｛B5｝；K6：｛B6｝；K7：｛B7｝；K8：｛B8｝；K9：｛B9｝；K10：｛B10｝。

2.2 故障樹定量分析

衡量底事件對頂事件的影響程度定義為底事件重要度，因此確定底事件重要度能迅速定位導(dǎo)致事件發(fā)生的最直接原因。為進(jìn)一步幫助維護(hù)人員快速定位分析和維修，節(jié)約故障排查及分析時(shí)間，需根據(jù)最小割集的重要度進(jìn)行排序，從而提高故障排查效率［8］。底事件重要度計(jì)算過程如下：

（1）頂事件發(fā)生的概率P(X)為

式中：X——輸出事件；xi——輸入時(shí)間，i=1，2，…，n；P(xi)——輸入事件發(fā)生的概率。

（2）底事件發(fā)生的概率qk為

式中：αk——第k個(gè)底事件發(fā)生的概率，由可靠性試驗(yàn)和長期故障統(tǒng)計(jì)得到；t——底事件工作時(shí)間。

（3）底事件重要度M(k)為

經(jīng)計(jì)算，以輸入輸出系統(tǒng)為例，數(shù)據(jù)鏈路發(fā)生故障的概率更大，其次是數(shù)據(jù)宿，最后是數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)鏈路中，線纜故障的概率大于交換機(jī)故障的；交換機(jī)故障中，硬件異常概率大于軟件異常的。數(shù)據(jù)宿中，硬件原因?qū)е掳蹇o法收到數(shù)據(jù)的概率大于因軟件設(shè)計(jì)出錯(cuò)導(dǎo)致上報(bào)通信故障的概率。數(shù)據(jù)源中，硬件原因?qū)е掳蹇o法發(fā)出數(shù)據(jù)的概率大于因程序?qū)е掳蹇o法發(fā)出通信數(shù)據(jù)的概率。軟件在出廠前已調(diào)試得較完善，在正線運(yùn)行過程較穩(wěn)定，所以硬件故障的概率一般大于軟件故障的概率。

3 高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為縮短故障處理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對故障數(shù)據(jù)庫更便捷的查看、瀏覽及分析，本文結(jié)合VB編程及Access數(shù)據(jù)庫軟件，設(shè)計(jì)了高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)對故障進(jìn)行分析。該故障分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 故障分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟Fig.4 Design steps of the fault analysis system

故障分析系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫（包括案例庫和故障庫）、故障分析和數(shù)據(jù)庫維護(hù)組成，操作人員通過使用這3 個(gè)模塊能實(shí)現(xiàn)動車故障分析、曾經(jīng)案例及現(xiàn)有故障瀏覽、數(shù)據(jù)庫的修改及維護(hù)等操作，為故障分析提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

當(dāng)技術(shù)人員從故障分析界面輸入故障時(shí)，系統(tǒng)會從數(shù)據(jù)庫中選取一條內(nèi)容與輸入故障進(jìn)行匹配，當(dāng)匹配成功時(shí)，系統(tǒng)會結(jié)合已建立的故障樹對輸入的信息進(jìn)行逐層推理及分析，最終得到故障分析結(jié)果。

3.1 數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

為組織及管理大量由故障樹分析法所得的系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中需搭建數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，一般采用“產(chǎn)生式規(guī)則”。產(chǎn)生式規(guī)則一般用以下方式表示：IF A THEN B。其中A 表示條件，B 表示結(jié)論，其意思為：如果滿足條件A，則可以得到結(jié)論B。

故障樹的建立過程可認(rèn)為是獲取知識的過程，逐層深入剖析。在建立故障樹時(shí)，將故障樹的頂事件存入數(shù)據(jù)庫故障表的故障類型中，將最小割集中的基本事件（底事件）即故障原因存入故障表的故障原因中，按底事件概率重要度從大到小對故障原因進(jìn)行排序，從而得到排查順序。數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建流程Fig.5 Flowchart of database creation

3.1.1 案例庫模塊

案例庫為高速動車運(yùn)營到目前為止的故障案例，案例庫界面由4 個(gè)搜索框、1 個(gè)數(shù)據(jù)表格控件和3 個(gè)命令按鈕組成。用戶可根據(jù)需要在搜索框內(nèi)輸入相應(yīng)主題進(jìn)行搜索，瀏覽與其類似的案例，獲取分析經(jīng)驗(yàn)；維護(hù)人員也可在該界面添加案例。案例庫界面如圖6所示。

圖6 案例庫界面Fig.6 Case library interface

3.1.2 故障庫模塊

故障庫是基于故障樹分析法得到的動車各系統(tǒng)故障的最小割集的數(shù)據(jù)庫，故障庫界面由4 個(gè)搜索框、3個(gè)命令按鈕和1 個(gè)數(shù)據(jù)表格控件組成。用戶既可在該界面瀏覽所有的故障現(xiàn)象、故障原因及排查順序，也可輸入關(guān)鍵詞搜索故障。故障庫為故障分析的基礎(chǔ)，維護(hù)人員也可在該界面添加和刪除故障庫內(nèi)容。故障庫界面如圖7所示。

圖7 故障庫界面Fig.7 Fault library interface

3.2 故障分析模塊

故障分析模塊是系統(tǒng)的核心，其主要功能為分析動車的故障。故障推理是故障分析的關(guān)鍵，本文利用正向推理策略設(shè)計(jì)推理程序。故障搜索流程如圖8所示。當(dāng)需進(jìn)行故障分析時(shí)，在檢索框中輸入故障的表征，由程序不斷地對上文中建立的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問和檢索。當(dāng)匹配成功，系統(tǒng)將結(jié)合已建好的故障樹對輸入信息進(jìn)行層層推理、逐一判斷，依次將得到的“故障原因”“排查順序”“字段”存儲在表格中［9］，并生成故障分析建議表。若未匹配成功，系統(tǒng)將會提示重新輸入與數(shù)據(jù)庫內(nèi)容匹配的信息，繼續(xù)重復(fù)以上步驟，直到得到分析結(jié)果［10］。

圖8 故障搜索流程Fig.8 Flowchart of fault search

故障庫模塊的窗口由2個(gè)搜索框、1 個(gè)數(shù)據(jù)表格控件和2 個(gè)組合框控件組成。故障分析界面如圖9所示。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫搜索功能代碼如圖10所示。

圖9 故障分析界面Fig.9 Failure analysis interface

圖10 搜索功能代碼Fig.10 Search function codes

3.3 數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊

數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊是技術(shù)人員對故障分析系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)的窗口，完成對曾經(jīng)案例及現(xiàn)有故障、數(shù)據(jù)庫的添加、刪除、修改及維護(hù)等操作，為故障分析提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。數(shù)據(jù)庫維護(hù)流程如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)庫維護(hù)流程Fig.11 Database maintenance process

4 高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)應(yīng)用

高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)自創(chuàng)建以來，已取得較好的應(yīng)用效果。下面通過實(shí)例對高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)的應(yīng)用展開說明。

故障現(xiàn)象：2021年3月16日18時(shí)10分，某動車報(bào)受電弓不可用故障，司機(jī)處理無效后車輛退出運(yùn)營。

4.1 原故障分析過程

若無高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)，技術(shù)員將用原始的診斷方法進(jìn)行故障排除，其過程如下：

（1）查看控制要求說明，研究受電弓工作原理；

（2）對導(dǎo)致受電弓不可用的原因進(jìn)行列舉；

（3）按上述原因進(jìn)行一一排查。

4.2 高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)故障分析過程

技術(shù)員通過高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)對該故障按以下步驟進(jìn)行分析：

（1）登錄故障診斷系統(tǒng)。進(jìn)入故障診斷系統(tǒng)，在故障類型中選擇“受電弓不可用”，在故障現(xiàn)象中選擇“受電弓不可用，無法升弓”，得到診斷建議如圖12所示。

圖12 故障診斷界面Fig.12 Failure diagnosis interface

（2）查看案例庫。點(diǎn)擊案例庫查看曾發(fā)生類似故障的原因，為故障診斷提供分析經(jīng)驗(yàn)，圖13 所示為案例庫界面。

圖13 案例庫界面Fig.13 Case library interface

（3）故障排查。查看故障診斷界面，結(jié)合案例庫的經(jīng)驗(yàn)，對本次故障進(jìn)行分析，依照排查順序依次展開檢查。檢查結(jié)果為列車還處于400 V供電模式狀態(tài)，調(diào)整供電模式后，受電弓可用。

4.3 應(yīng)用效果分析

由上述流程可知，使用原故障診斷方法，技術(shù)人員需要通過分析設(shè)備工作原理及查看電氣圖紙來查找可能導(dǎo)致問題的原因或故障元器件，該過程至少耗費(fèi)0.5 h時(shí)間。采用本文設(shè)計(jì)的故障診斷系統(tǒng)對故障進(jìn)行診斷，導(dǎo)致故障的原因可立即被直接列舉出來，供技術(shù)人員第一時(shí)間排查故障使用，簡化了查看設(shè)備工作原理、分析故障原因的流程，縮短了排查故障時(shí)間，提高了診斷效率。

隨著列車運(yùn)營時(shí)間的增加，各設(shè)備發(fā)生故障的概率會逐漸增大，此時(shí)結(jié)合高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)能使維護(hù)人員更快捷地進(jìn)行故障診斷。

5 結(jié)語

本文通過分析高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及故障形式，對網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的研究，采用基于故障樹的故障分析方法，根據(jù)底事件的重要度及發(fā)生概率對故障原因進(jìn)行排序研究，最終確定故障分析的最優(yōu)方法。在此基礎(chǔ)上，文章結(jié)合VB 編程及Access數(shù)據(jù)庫軟件，以最小割集和案例庫為數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析應(yīng)用系統(tǒng)。高速動車組網(wǎng)絡(luò)故障分析系統(tǒng)的應(yīng)用，可簡化故障診斷流程，快速定位故障，得到故障診斷建議，縮短故障分析時(shí)間。本系統(tǒng)雖然能在故障發(fā)生后提高故障分析效率，但不能提前預(yù)測故障。下一步，我們將在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究故障預(yù)測技術(shù)，并展開應(yīng)用。