專利名稱：軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統。
背景技術：
我國鐵路的快速發展，不僅增加了鐵路里程和鐵路運輸總量，也增加了各鐵路局所管轄的機車車輛。隨著各大中城市城軌交通的發展，地鐵輕軌車輛也在迅速增加。這些大量增加的機車車輛型號多樣不僅包括了以前的直流韶山系列，也包括了最近上路的交流和諧各型號機車和CRH各型號動車組，還包括各種城軌地鐵車輛。為了車輛的運行安全，所有車輛在運行一定時間后，都需要進行檢修。現有機車車輛型號眾多，但是檢修單位的現有檢修設備大多都是針對某一車型，某一具體部件。在檢修時，工作人員需要不停的更換測試 裝備，更換各種測試品，大大增加了檢修人員的工作量，增加了檢修單位的檢修費用，同時也影響了檢修的效果，直接威脅到行車和旅客的安全。因此急需一種適應于各種車型，可以對整車所有關鍵部件進行測試的檢測及故障診斷方法及系統。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統，該軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統通用性好，故障診斷速度快。發明的技術解決方案如下一種軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法，將通過數據采集模塊采集的信號輸入到故障診斷模塊中，得到故障診斷結論；所述的故障診斷模塊中設有專家系統規則庫，專家系統規則庫存儲有與故障相關的多條規則；專家系統規則庫采用故障樹表征各條規則的相互關系；故障診斷過程為基于重要度的數據匹配過程；重要度定義為Pe|T=Pe/PT，其中，P。為最小割集C的發生概率，Pt為故障樹頂事件的發生概率；將采集的數據與專家系統規則庫中的規則按照重要度從大到小進行匹配；如果匹配成功，則輸出匹配結果，給出故障結論；如果遍歷整個規則庫均無法匹配成功，則表示未發生故障。匹配的過程為比如某一條規則為“規則M :如果電流值大于閾值K，則過流故障”匹配的過程為采集電流值i，將i與K比較，若i>K，則完成匹配，輸出結論為“過
流故障”。專家系統規則庫的建立方法為專家系統規則庫由多棵故障樹組成，每一棵故障樹分別與一種故障相對應；針對某一故障的故障樹的構建方法為獲取對于某一故障的故障樹的所有最小割集，再將故障樹的每一個最小割集轉換為知識庫中的一條規則，從而形成針對某一故障的一棵故障樹；故障樹中的上下級節點之間的關系為“與”或“或”的邏輯關系。一種軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷系統，采用前述的軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法進行故障診斷；軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷系統包括數據采集模塊和故障診斷模塊。數據采集模塊包括上位機、交流可調電壓源、交流可調電流源和數據采集單元；交流可調電壓源和交流可調電流源的輸入側均通過接觸器或斷路器與交流電源連接，待測設備接交流可調電壓源的輸出端或交流可調電流源的輸出端；數據采集單元用于采集電流傳感器信號、電壓傳感器信號、速度傳感器信號、溫度傳感器信號和壓力傳感器信號，并將采集的信號傳輸給上位機。·有益效果本發明的軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統，打破了以往檢測設備只能針對某一固定車型，某一固定設備進行檢測的傳統。它不僅可以對機車幾乎所有關鍵部件(受電弓、高壓斷路器、高壓電壓互感器、原邊電流互感器、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機、輔助變壓器、輔助變流器、蓄電池充電機)進行測試，還能對系統進行聯合測試，進行故障診斷。而且適用于所有軌道交通車輛，它是一種通用的檢測及故障診斷系統及方法。該系統整體上包括關鍵部件狀態檢測和故障診斷兩部分。關鍵部件狀態檢測可以模擬給出機車運行所需主要狀態信號，并實時采集關鍵部件的信息，通過網絡發送到主機。整車故障診斷從網絡上收集各關鍵部件發送來的數據，通過特定的診斷算法對機車進行故障診斷。本發明的軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統通用性好，故障診斷速度快。


圖I為電源單元整體框圖；圖2為電源單元及檢測部件的具體電路圖；圖3為數據采集單元的結構框圖；圖4為檢測軟件的結構框圖；圖5為基于故障樹和規則專家系統結構框圖；圖6為基于故障樹的規則獲取流程圖；圖7為電流不平衡故障樹不意圖；圖8為電流不平衡故障樹簡化示意圖；圖9為框架示意圖(圖a為框架類別為O的框架圖，圖b為框架類別為I的框架圖);圖10為字典表數據結構圖；圖11為電流不平衡診斷知識框架圖；圖12為規則表示意圖；圖13為規則條件表示意圖14為直接框架表示意圖；圖15為間接框架表示意圖；圖16為框架對應判斷條件表示意圖；圖17為規則推理流程圖；圖18為故障診斷軟件系統的各功能模塊組成圖；圖19為專家系統故障診斷流程圖；圖20為I壓縮機故障樹示意圖；圖21為I壓縮機故障規則庫示意圖；
圖22為I壓縮機故障規則條件庫示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明實施例I :軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷系統的硬件平臺主要由電源單元，信號輸入和輸出單元。電源單元電源單元整體框圖如圖I所示。整個系統采用三相四線制交流供電。依據機車電源特點，電源進線分別為大功率交流電源和大功率直流電源提供電源。大功率交流電源在實際使用環境中，機車供電電源采用單相25kV供電，允許電壓波動范圍為最低19kV最高31kV。因此該大功率交流電源設計為帶多路輸出的調壓變壓器，用戶可根據測試需要通過上位機調節該交流電源的輸出電壓(調壓范圍為(T35kV)，電源內的傳感器將輸出的電壓實時反饋給上位機。該電源不僅可以滿足主變壓器的測試需求，還可以為用戶提供真空斷路器，高壓電壓互感器等高壓電器的檢測。大功率直流電源交流機車中，變流器分為交流環節和直流環節，在檢測中，不僅需要提供交流電源輸入，還需要提供直流電源以供檢測直流環節。機車控制電源由蓄電池充電機供給，由于車型的不同，充電機型號也不一樣，輸入的電源也分為直流和交流，因此需要系統提供直流電源。用戶通過上位機可控制電源電壓的大小，同時電源單元的傳感器也將電壓電流等信號反饋給上位機，實現閉環控制。電源單元的具體電路如圖2所示。其中QFl為主斷路器，PT為電壓傳感器，TA為電流傳感器。兩者采集到的數據都將通過屏蔽線接入PXI機箱進行數據采集，采集到的數據將通過PXI機箱與上位機之間的PCI總線傳輸給上位機，以供檢測軟件和故障診斷軟件調用。為了實現電源的可控，用戶可以通過上位機發送信號給PXI機箱輸出控制信號，控制信號經過輸出調理輸出控制電源電壓。數據輸入輸出單元如圖3所示，數據采集單元由輸入輸出調理單元、PXI機箱(含數據采集卡)和列車網絡通信單元組成。數據輸入輸出的類型主要包括模擬量輸出、數字量輸出(其中包括PWM輸出)、列車通信網絡輸出。主要為電流傳感器信號、電壓傳感器信號、速度傳感器信號、溫度傳感器信號和壓力傳感器信號。機車的各關鍵部件在正常工作時，并不是一個單獨的個體，而是需要與其他的單元進行通信，協調配合。在檢測的時候為了盡量模擬正常工況，需要檢測系統輸出相應的信號給被測部件，模擬與被測設備相關的部件。同時被測設備產生的輸出信號需要系統采集反饋回系統上位機，通過機車固有的控制算法對信號進行處理，形成閉環反饋。同時為了現實檢測過程中對被測部件的控制和故障診斷，需要提供部件檢測時與之相關的數據，因此在檢測時我們還需要利用系統的傳感器采集相關的數據。被測部件輸出的信號和傳感器輸出的信號經過信號調理單元轉換后均轉換為0_5v的直流信號可以直接輸入PXI機箱用數據采集卡采集。PXI機箱采集的數據均通過PCI橋將數據發送到上位機。被測部件如需進行網絡通信，則可以將信號發送到列車通信網絡單元，列車通信網絡單元通過以太網將信號傳輸給上位機。上位機通過模擬列車的控制程序根據輸入的數據，做出決策，并通過列車網絡單元和PXI機箱輸出控制命令和控制信號。由于PXI機箱輸出的信號并不能完全匹配部件所需的信號，因此它輸出的信號還需經過輸出信號調理單元，轉換為和被測部件匹配的信號。整個過程為閉環控制。軟件部分軟件主要由檢測軟件部分和故障診斷部分構成。 檢測軟件采用Iabview和Vc綜合編程。主要包含數據采集配置、數據流程配置、用戶界面配置和測試數據管理。依據試驗進行的步驟，需要先建立測試工程。在工程中，先要進行數據采集卡的各項配置，在配置中應當設置采集卡的采樣率等項目，并將物理通道和信號名對應。根據用戶需要進行測試流程配置，添加試驗步驟，試驗條件，試驗數據。完成配置后，調用測試用戶界面，根據不同的車型，不同的被測部件建立模型并調用相應的配置文件即可進行試驗。如果需要保存實驗測試數據，在實驗前，還需對測試數據存儲規則進行設置。功能說明數據采集配置是用戶完成數據采集卡硬件通道屬性配置，建立與測試程序的對應接口的子模塊。當每次檢測的被測品不同時，用戶可以靈活的對數據采集卡的通道和用戶需要的信號名進行映射，用戶也可通過調用以往的配置文件，修改完成采集任務配置。當用戶配置完成后將在子模塊功能配置區內顯示已有配置文件中的通道配置信息。測試流程配置。在此模塊中用戶可以根據不同車型不同被測部件的檢測實驗大綱設定實驗步驟，通過調用之前設置好的相對應的數據采集通道，選取需要的通道添加到流程測試列表中。用戶界面配置。用戶根據不同車型不同被測部件配置相應的測試界面，用戶可根據車型建立網絡模塊分布模型，顯示各模塊在車上的具體位置。同時保存界面提高界面的可重用性和移植性，并可生成獨立的測試界面。在用戶界面中通過調用配置好的測試流程列表，按照用戶預設的流程進行檢測，用戶也可以通過點擊配置好的車型模型，單獨對某一部件進行測試。同時在此界面還可以調用網絡助手，查看網絡上的實時數據。故障診斷系統整車故障診斷專家系統基本思路故障樹分析以前主要應用于分析系統故障原因，計算系統的可靠度，以優化系統設計，因此，在系統可靠性分析與設計中得到廣泛應用。近年來，利用故障樹模型進行故障源搜尋的研究引起了極大關注。由于故障樹易于分析事件，而基于規則的專家系統匹配推理直觀速快，因此，本方法以故障樹來分析和獲取知識，以規則匹配來進行推理的診斷專家系統，其結構如圖5所示。
I、基于故障樹的規則獲取故障樹定性分析的目標是尋找導致頂事件發生的故障源，即故障樹的底事件組合，識別導致頂事件發生的所有故障模式。最常用的方法是尋找對象故障樹的所有最小割集，再將故障樹的每一個最小割集轉換為知識庫中的一條規則，其基本步驟如圖6。由上可知，求出故障樹最小割集是獲取專家系統規則的關鍵所在。常采用由上而下的故障樹搜尋法來求解故障樹最小割集，其具體操作步驟是因邏輯“與”門增加的是最小割集中底事件個數，對于規則來說，一個與門有多少個輸入，那么相對應的規則的條件數就有多少個。邏輯“或”門增加的是故障樹最小割集個數，即一個或門有多少個輸入，那么就有多少條相對應的規則，因此要通過故障樹獲取最小割集，可采取從上到下遇到“與”門就將“與”門下面所有的輸入事件排成一行，遇到“或”門就把“或”門下面所有事件排成一列。依此類推，直到不能分解。下面以牽引電機電流不平衡故障樹為例來獲取相應故障診斷專家規則。電流不平衡故障樹如圖7所示。其編碼簡化形式如圖8所示。
首先按自上而下搜索法，獲取故障樹的全部最小割集為(B003600010001)，(B003600010002) , (B003600020003) , (B003600020004) , (B003600020005)，(B003600010006) , (B003600030007) , (B003600030008) , (B003600030009)，(B003600020010), (B003600020011)，可以看出，由于在故障樹中，節點之間都是或邏輯關系，所以每一個葉子節點都構成一個最小割集，共11個。因此可得牽引電機電流不平衡專家規則如下(I)IF B003600010001 THEN F0036 ；(2)IF B003600010002 THEN F0036 ；(3)IF B003600010003 THEN F0036 ；.....................(Il)IF B003600020011 THEN R)036 ;共11條。通過同樣的方法，可獲取電力機
車電氣部分其他故障專家規則。本系統的專家規則是利用計算機程序去分析故障樹自動獲取，并保存在規則表中，供故障診斷推理機利用。為了描述故障樹各最小割集對頂事件發生所作的貢獻的大小，可將最小割集重要度定義為Pc1t PC|T = VjV1 (3-1)式(3-1)中P。為最小割集C的發生概率，PtS故障樹頂事件的發生概率。最小割集重要度匕^實際含義是最小割集概率占故障樹頂事件概率的百分比。由于最小割集中各底事件是相互獨立的、互不相容的事件，由概率統計學，可知P。為最小割集中各底事件概率的乘積。現在仍然以牽引電機電流不平衡故障樹為例，詳細介紹如何計算故障樹最小割集的重要度。假設各底事件的概率值如表4。本論文中的概率值的設定有兩種方法一是領域專家通過知識庫管理人機對話界面人為設定；二是通過對故障歷史記錄信息進行統計，計算出各底事件發生的概率。表4底事件概率表
權利要求
1.一種軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法，其特征在于，將通過數據采集模塊采集的信號輸入到故障診斷模塊中，得到故障診斷結論； 所述的故障診斷模塊中設有專家系統規則庫，專家系統規則庫存儲有與故障相關的多條規則；專家系統規則庫采用故障樹表征各條規則的相互關系； 故障診斷過程為基于重要度的數據匹配過程； 重要度定義為Pe|T = Pe/PT，其中，P。為最小割集C的發生概率，Pt為故障樹頂事件的發生概率； 將采集的數據與專家系統規則庫中的規則按照重要度從大到小進行匹配；如果匹配成功，則輸出匹配結果，給出故障結論； 如果遍歷整個規則庫均無法匹配成功，則表示未發生故障。
2.根據權利要求I所述的軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法，其特征在于，專家系統規則庫的建立方法為 專家系統規則庫由多棵故障樹組成，每一棵故障樹分別與一種故障相對應； 針對某一故障的故障樹的構建方法為獲取對于某一故障的故障樹的所有最小割集，再將故障樹的每一個最小割集轉換為知識庫中的一條規則，從而形成針對某一故障的一棵故障樹； 故障樹中的上下級節點之間的關系為“與”或“或”的邏輯關系。
3.—種軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷系統，其特征在于，采用權利要求I或2所述的軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法進行故障診斷； 軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷系統包括數據采集模塊和故障診斷模塊。
4.根據權利要求I所述的軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷系統，其特征在于，數據采集模塊包括上位機、交流可調電壓源、交流可調電流源和數據采集單元； 交流可調電壓源和交流可調電流源的輸入側均通過接觸器或斷路器與交流電源連接，待測設備接交流可調電壓源的輸出端或交流可調電流源的輸出端； 數據采集單元用于采集電流傳感器信號、電壓傳感器信號、速度傳感器信號、溫度傳感器信號和壓力傳感器信號，并將采集的信號傳輸給上位機。
全文摘要
本發明公開了一種軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統。該方法為將通過數據采集模塊采集的信號輸入到故障診斷模塊中，得到故障診斷結論；所述的故障診斷模塊中設有專家系統規則庫，專家系統規則庫存儲有與故障相關的多條規則；專家系統規則庫采用故障樹表征各條規則的相互關系；故障診斷過程為基于重要度的數據匹配過程；將采集的數據與專家系統規則庫中的規則按照重要度從大到小進行匹配；如果匹配成功，則輸出匹配結果，給出故障結論；如果遍歷整個規則庫均無法匹配成功，則表示未發生故障。該軌道交通車輛裝備通用檢測及故障診斷方法及系統通用性好，故障診斷速度快。
文檔編號G01R31/00GK102879680SQ20121036341
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者成庶, 丁榮軍, 付強, 向超群, 陳雅婷, 于天劍, 陳特放, 李蔚 申請人:中南大學