高速動(dòng)車組故障診斷專家系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

呂　龍

（中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，130062，長春∥工程師）

高速動(dòng)車組作為中國制造業(yè)的“名片”，如何實(shí)現(xiàn)故障快速診斷及安全導(dǎo)向，保證列車在復(fù)雜多變的環(huán)境下高速持久地安全運(yùn)行，已成為影響中國高速鐵路行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵課題。

工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，故障診斷問題往往非常復(fù)雜，需要專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)才能解決，因此，故障診斷專家系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前故障診斷專家系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)主要有：基于模糊推理的診斷專家系統(tǒng)，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷專家系統(tǒng)，基于推理規(guī)則診斷專家系統(tǒng)。文獻(xiàn)［1-2］將模糊推理應(yīng)用于故障診斷專家系統(tǒng)，通過模糊統(tǒng)計(jì)來判斷異常部位，提高了診斷與維修效率。文獻(xiàn)［3］利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、聯(lián)想和記憶功能，以及非線性映射功能，構(gòu)建了電動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，并論證了系統(tǒng)的全面、準(zhǔn)確和迅速性。文獻(xiàn)［4］將小波變換理論應(yīng)用于故障分析與診斷中。文獻(xiàn)［5］采用C-均值聚類算法進(jìn)行故障診斷與分析。后兩種方法都是利用信號(hào)模型直接分析可測信號(hào)，提取特征值，從而檢測出故障，本質(zhì)上屬于基于信號(hào)處理的分析方法［6］。

然而，模糊推理知識(shí)獲取困難，缺乏自學(xué)習(xí)能力，推理過程中模糊性會(huì)增加；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家診斷系統(tǒng)嚴(yán)重依賴訓(xùn)練樣本，樣本的獲取困難，忽視專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，無法處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；基于信號(hào)處理的分析方法，依賴于信號(hào)模型和信號(hào)處理分析算法，無法兼顧專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，對計(jì)算機(jī)處理能力要求較高［6-8］。綜合考慮以上因素，本文采用基于推理規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行高速列車故障診斷研究，充分利用專家知識(shí)建立故障樹，并將故障樹作為邏輯推理規(guī)則，應(yīng)用到高速動(dòng)車組的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中。

1　高速動(dòng)車組故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)故障快速處理與事故主動(dòng)預(yù)防，保證高速列車安全可靠地運(yùn)營，高速動(dòng)車組普遍采用了故障診斷技術(shù)。其總體架構(gòu)如圖1所示，其中故障診斷對象主要分為3大類。

圖1　高速動(dòng)車組故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

（1）設(shè)備類：主要診斷對象包括各子系統(tǒng)部件、空氣開關(guān)、按鈕、繼電器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)備類故障需診斷到最小可更換單元，以提高檢修維護(hù)效率。

（2）功能類：功能類診斷的目的是確保控制功能的完整性和實(shí)效性。按照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能，此類診斷可分為高壓系統(tǒng)、中壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)故障診斷主要任務(wù)包括絕緣檢測、過壓過流檢測與診斷，高壓系統(tǒng)部件保護(hù)與診斷等；中壓系統(tǒng)故障診斷主要任務(wù)包括接地檢測、功率過載檢測與診斷，負(fù)載啟動(dòng)管理與診斷等；低壓系統(tǒng)故障診斷主要實(shí)現(xiàn)繼電器、空氣開關(guān)和按鈕的狀態(tài)檢測與診斷。

（3）安全類：此類診斷涉及列車運(yùn)行、檢修維護(hù)相關(guān)的安全點(diǎn)，以提高車輛系統(tǒng)的安全性；主要包括安全環(huán)路狀態(tài)檢測、軸承類溫度檢測、轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)檢測、司機(jī)警惕裝置檢測等。

高速動(dòng)車組通過列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）對車輛各子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷（TCMS的設(shè)計(jì)和開發(fā)符合IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)中列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）總線標(biāo)準(zhǔn)）。TCMS將整車所有微機(jī)控制系統(tǒng)，如門、空調(diào)、牽引、制動(dòng)等進(jìn)行總線連接，實(shí)現(xiàn)信息的交互與共享。不具備總線能力的設(shè)備或部件可通過IO采集模塊、A/D采集模塊和PT100溫度采集模塊進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

通過TCN總線將監(jiān)測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入給中央控制單元（CCU）；CCU作為故障診斷的核心部件，將接受到的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和邏輯計(jì)算，獲取當(dāng)前列車故障狀態(tài)信息；并通過列車顯示屏（HMI）進(jìn)行故障顯示，提示司機(jī)和維護(hù)人員采取針對性的故障應(yīng)對措施。

2　專家系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

提出的故障診斷系統(tǒng)專家知識(shí)來源于診斷對象故障樹。故障樹的頂事件決定專家系統(tǒng)要分析和解決的問題；故障樹的每個(gè)最小割集表示診斷對象故障模式，對應(yīng)專家系統(tǒng)推理的最終結(jié)果；故障樹自上而下的邏輯關(guān)系用于專家系統(tǒng)的推理過程；故障樹的樹枝對應(yīng)于專家系統(tǒng)規(guī)則。知識(shí)庫的獲取源于故障樹［9-10］。

2.1　構(gòu)建故障樹模型

高速動(dòng)車組故障診斷是一個(gè)涵蓋運(yùn)行前系統(tǒng)自檢與診斷、運(yùn)行中實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視與診斷，以及定期測試與診斷的系統(tǒng)工程?；诠收显\斷各階段故障樹的一般模式和結(jié)構(gòu)特征，抽象出的故障樹模型如圖2所示。其中：A類事件為頂事件，B類事件為中間事件，C類事件為底事件。對于更加復(fù)雜的故障樹模型，可能底事件較為繁多，中間事件的判斷涉及到底事件的交叉復(fù)用，但仍可抽象出如圖2所示的故障樹模型。

圖2　高速動(dòng)車組典型故障樹模型

故障樹的建立首先要確定頂事件，頂事件決定了故障診斷專家系統(tǒng)要分析和解決的問題。高速動(dòng)車組故障樹頂事件根據(jù)以下3個(gè)方面確定：

（1）從功能危險(xiǎn)分析（FHA）結(jié)果中選擇可能發(fā)生的影響安全的失效狀態(tài)作為頂事件進(jìn)行分析；

（2）從故障模式與影響分析（FMEA）結(jié)果中選擇重要的故障模式作為頂事件進(jìn)行分析；

（3）根據(jù)列車調(diào)試運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，選擇系統(tǒng)部件使用過程中發(fā)生嚴(yán)重故障的事件作為頂事件進(jìn)行分析。

頂事件確定后，根據(jù)設(shè)計(jì)師對診斷對象的專家知識(shí)，確定導(dǎo)致頂事件的所有可能的輸入條件，逐級(jí)分解，并確定中間事件和底事件。

2.2　建立專家診斷系統(tǒng)

高速動(dòng)車組故障診斷專家系統(tǒng)推理是確定性推理，故障診斷條件和結(jié)果是確定和明確的?；谝陨咸攸c(diǎn)，專家診斷系統(tǒng)采用產(chǎn)生式推理規(guī)則。產(chǎn)生式推理規(guī)則的基本思想是：從當(dāng)前故障征兆信息出發(fā)，將對應(yīng)的底事件代入知識(shí)庫，若匹配成功某產(chǎn)生式中間事件為真，則這個(gè)產(chǎn)生式可以作用在這組事件上，即中間事件成立，從而推出新的事實(shí)；以此類推，直到得出故障樹的頂事件為止［11-12］。

基于上述思路，設(shè)計(jì)的故障診斷專家系統(tǒng)如圖3所示。其中：故障征兆或狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取是通過TCMS通信總線獲取的；產(chǎn)生式推理機(jī)是在CCU中預(yù)先設(shè)定的邏輯規(guī)則，主要表現(xiàn)形式是故障征兆或狀態(tài)數(shù)據(jù)的“與”、“或”邏輯運(yùn)算；若經(jīng)過推理機(jī)的邏輯運(yùn)算，滿足故障樹頂事件觸發(fā)條件，即實(shí)現(xiàn)了故障診斷的目的，CCU將執(zhí)行相應(yīng)主動(dòng)防護(hù)動(dòng)作，并將故障信息通過列車顯示器向司機(jī)和維護(hù)人員進(jìn)行解釋說明。

圖3　基于推理機(jī)的故障診斷專家系統(tǒng)流程圖

推理機(jī)依賴于對應(yīng)領(lǐng)域的專家知識(shí)，要求故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對診斷對象的工作原理有深刻認(rèn)知。高速動(dòng)車組故障診斷專家系統(tǒng)推理機(jī)可通過在CCU中進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)。其軟件邏輯示例如圖4所示。

3　結(jié)語

根據(jù)高速動(dòng)車組故障診斷的特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)了基于故障樹的專家診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并完成了：故障樹的確定，故障診斷專家系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程，基于專家知識(shí)的推理機(jī)軟件編程。

圖4　推理機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)邏輯圖

提出的高速動(dòng)車組故障診斷專家系統(tǒng)，無需建立診斷對象的數(shù)學(xué)模型，知識(shí)表達(dá)直接來源于故障樹，表達(dá)直觀簡潔，易于理解，且便于編程實(shí)現(xiàn)，降低了對計(jì)算機(jī)處理能力的要求；推理機(jī)的輸入條件、邏輯關(guān)系以及輸出結(jié)果均具備確定性和明確性。該系統(tǒng)具有迅速響應(yīng)環(huán)境變化的能力，同時(shí)具備執(zhí)行較長動(dòng)作序列的能力，能夠很好地滿足高速動(dòng)車組對故障診斷的需求。

［1］胡琳.汽車故障診斷專家系統(tǒng)軟，的設(shè)計(jì)與研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2000，26（3）：17.

［2］劉超，基于WSN的空壓機(jī)故障模糊診斷專家系統(tǒng)研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

［3］徐玉秀，邢剛，原培新.基于專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成的故障診斷的應(yīng)用研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2001，20（1）：41.

［4］劉小旭.開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器故障診斷研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

［5］石華，畢越寬.基于C-均值聚類算法的列車故障診斷系統(tǒng)［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2014（1）：94.

［6］張燕，鐵路貨車制動(dòng)裝置故障診斷專家系統(tǒng)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［7］陸陸，徐正國，王文海，等.列車運(yùn)行控制系統(tǒng)故障診斷方法研究［J］.鐵道通信信號(hào)，2010，46（5）：44.

［8］安茂春.故障診斷專家系統(tǒng)及其發(fā)展［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2008，16（9）：1217.

［9］段雋喆，李華聰.基于故障樹的故障診斷專家系統(tǒng)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（7）：1914.

［10］張龍，熊國良，何柏琳，等.機(jī)床液壓系統(tǒng)故障樹分析［J］.機(jī)床與液壓，2005（2）：170.

［11］吳明強(qiáng)，李霽紅，曹愛東，等.故障診斷專家系統(tǒng)綜合智能推理技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2004，12（10）：932.

［12］張慶振.地空導(dǎo)彈智能故障診斷專家系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2001.