動車組車輛故障診斷系統分析與應用

摘要：列車狀態監測和診斷是鐵路行車重要的安全保障體系，在我國鐵路實施大面積提速的今天，列車安全尤其是動車的安全與故障診斷監測已成為我國鐵路運輸安全領域亟待解決的重要課題。文章簡要介紹了動車組的車輛診斷系統，然后對動車組診斷系統的組成、任務、診斷方法、診斷結構等進行了初步探討。

關鍵詞：動車組；車輛故障；診斷系統；子系統診斷；中央診斷

中圖分類號：TH186 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0046-03

機車車輛診斷系統是機車車輛運行安全的重要保障，它可以對早期故障做出預報，提出對策或建議，避免或減少事故的發生，在機車車輛的安全性、可靠性、維修經濟性和運行效果等方面也發揮了極大的作用。故障診斷技術在鐵道機車車輛中的應用越來越廣泛，尤其是在動車上的運用已日趨成熟。

1 動車組車輛診斷系統

現代設備診斷技術以傳感器技術為基礎，以信息處理技術為手段，能夠實現設備在帶負載、不停機情況下通過先進的技術手段，對設備狀態參數進行監測和分析，判斷設備是否異常或故障、故障部位和原因以及劣化趨勢，確定合理的檢修時間和方案。故障診斷技術最重要的意義在于改革設備維修制度，變傳統的定期檢修為狀態維修。狀態維修可以節約大量的維修費用，能夠減少不必要的維修時間，增加設備正常運行的時間，大幅度提高生產率，增加經濟回報。隨著鐵路向高速重載發展，列車運行控制、行車安全、運行狀態實時監測與故障診斷、列車故障檢修的快速性等問題變得更加重要。列車故障診斷是識別列車運行狀態的科學手段，它研究的是列車運行狀態在診斷信息中的反映，通常包括運行現狀的識別診斷、運行過程中的監測和對發展趨勢的預測。

動車組診斷系統大都是有多個分散控制單元的復雜系統。在所有的操作模式中可能發生的多數錯誤，包括對其他系統的影響，診斷系統都可以進行確認、評估、報告和記錄，并且提供操作指南。診斷系統集成在司機和乘務員人機接口MMI中，稱為“動車組中央診斷系統”，其子系統接口的設計簡單易懂；用補救措施和可調用的聲明，告知司機列車各個車廂的功能限制；帶相應評估軟件的控制單元與PC服務用接口連接。

2 動車組車輛診斷系統介紹

2.1 診斷原理

動車組診斷系統的任務主要是分析動車組三種操作模式下的子系統的可能狀態：第一是開車前任務。子系統的功能監控和動車組開車前必要的功能檢查（制動、緊急制動環、乘客緊急制動、指示器）。這些測試可手動也可自動開啟。測試結果不斷地傳給動車組中央診斷系統并存儲（失電安全）。第二是行駛中任務。子系統和動車組中央診斷系統實時監測與動車組有關的運行參數和數據，并報告可能發生的偏差和錯誤。當檢測到監控數據達到臨界值時，診斷系統會告知列車員并提供相關的補救措施。第三是系統檢查和維修的任務。診斷系統對維修人員的糾錯提供支持，子系統和動車組中央診斷系統提供的診斷信息可被維修人員讀取參考，為此應提供必要的程序，同時診斷系統為糾錯提供方法支持。

在運輸系統，特別是與安全相關的任務中，有必要根據系統和子系統的職責設置診斷。為此，采用基于診斷規則的傳統方法。該方法在可獲取狀態變量的基礎上檢測預期行為的偏差。在故障和故障現象相關知識的幫助下，診斷出故障的位置。為得到這些知識，需要了解系統和它的組件，這稱為故障分析（FMEA）。采用布爾代數分析后，可得到功能限制的規律。

2.2 診斷結構

2.2.1 動車組診斷系統的結構。動車組的診斷系統一般采用模塊化結構設計，分為子系統診斷和動車組中央診斷。子系統診斷監控所有子系統相關的元件和功能，識別故障和故障原因，自身進行存儲并報告給動車組中央診斷系統。參考相對應的動車組的狀態，制止可能出現的連續故障。動車組中央診斷可控制輸出必要的信息，出示給相關人員，存儲子系統報告的功能限制。

診斷系統監視的電氣系統包括：制動（制動控制，制動監視系統，防滑保護）；牽引（牽引控制，牽引監視系統）；門（門控制，門監視設備）；HVAC（HVAC控制，加熱通風和空調設備的監視）；旅客信息系統；列車自動保護系統，可向診斷系統提供診斷信息；輔助變流單元（ACU）；充電機（BC）；中央控制單元（CCU）；人機接口MMI；高壓系統（主斷路器，變壓器）；車載電源：斷路器的監視，車載電氣系統管理；空壓機（壓縮機監視，空氣壓力監視）；火警系統；衛生間系統（WC）；安全環（緊急制動環，門安全環，乘客緊急制動環）；轉向架；內外照明。

與多功能車輛總線MVB沒有直接接口的元件和系統可通過I/O模塊（SIBAS-KLIP）與動車組中央診斷系統中的中央控制單元進行連接。圖1顯示了動車組診斷系統的結構。

2.2.2 子系統診斷和中央診斷。子系統分為兩類：有掉電安全診斷存儲的子系統和沒有診斷存儲的子系統。有數據存儲和智能控制的子系統，可根據外部基礎條件來盡可能地防止連續的故障。故障原因保存在自身的診斷存儲器中，相應的功能限制報告給動車組中央診斷系統。這些子系統有滿足UIC557的RS232接口，允許維修人員用子系統上的診斷工具單獨地讀取和評估存儲內部的信息。沒有數據存儲的子系統或元件（如接觸器、保險、照明等），故障信號是二進制的，這些經過中央控制器CCU報告給動車組中央診斷系統。動車組中央診斷系統可收集、處理、存儲由子系統報告的故障。這些數據顯示給目標組（列車人員、維修人員），并可顯示個別操作條件下的補救辦法。給列車人員的指示可傳到司機和列車員的MMI上。維修指示（維護和維修人員）可經遠程數據傳輸。車載診斷存儲的診斷數據可經子系統的服務接口讀取和評估。診斷信息的確認可在司機和列車員的人機交互MMI上顯示（到達的診斷信息）。

3 動車組診斷系統特點

動車組應具備非常系統全面的故障診斷系統，它的診斷以監測或元件測試的形式集成在動車組中。每個功能都可進行診斷，并報告可能的故障和各自的功能限制給動車組中央診斷系統，以便進行診斷。

動車組診斷系統應具有以下功能：第一，它對整個車幾乎所有的電氣設備的功能都能進行監測，包括車上高壓系統部件、車內電氣設備以及車下大部件和轉向架部分，每個子系統都能進行全面的監測。第二，診斷系統要具有好的人機界面，它對于不同的用戶提供不同的顯示信息，對于司機、乘務員及維修人員可以根據自身不同的工作需要，從診斷系統界面上得到與自己相關的診斷信息，從而有效地提高對列車的維護和運營，避免無用信息的干擾。第三，動車組上搭配的車輛診斷系統應具有良好的冗余特性，診斷系統可分別工作在互為備份的控制單元上，當一個單元發生問題時，另一個單元可立即代替工作，同時，對于診斷信息來說，它對于每個顯示界面也都是共享的。

當前，動車組車輛診斷系統技術越來越先進，智能化程度不斷加強，但不完善的地方也是存在的。比如，列車的診斷系統經常會發生故障誤報情況，經常由于某個系統方面的單個原因產生一個故障信息，而它對于其他系統來說是相對獨立的，所以實際上它的故障描述及解決方案是片面的，往往無法準確描述出故障點，使得維護人員根據故障提示往往找不到故障原因。需要繼續提高車輛診斷系統的故障分析能力，尤其是中央診斷系統的綜合判斷能力，利用各子系統之間的信息源準確提供出故障點。另外，有的動車組車輛診斷系統的故障自動消除功能不是很好，特別是針對各子系統，如外門、制動等系統，當這些子系統發生問題，通常會產生一些故障信息到MMI上，但當這些故障被解決后，有些之前產生的故障信息不能自動消除，需要人為在各子系統上進行清除或通過刷新MMI軟件來實現，這往往就是由于此診斷系統的信息流來源是單向造成的，可使中央診斷系統建立一個定期的回訪請求，要求各子系統對故障信息進行定期答復，以刷新MMI上的故障記錄。

參考文獻

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作者簡介：崔虎山（1978-），男，陜西富平人，唐山軌道客車有限責任公司制造技術中心工程師，研究方向：軌道車輛組裝調試（側重電氣）。

（責任編輯：文森）