轉向架基礎制動裝置的故障診斷專家系統研究

洪 磊，王玉國

(南京工程學院 汽車與軌道交通學院,江蘇 南京 211167)

轉向架基礎制動裝置的故障診斷專家系統研究

洪 磊，王玉國

(南京工程學院 汽車與軌道交通學院,江蘇 南京 211167)

基礎制動裝置是轉向架的重要組成部件，其機械性能直接影響列車運行的安全性。針對轉向架基礎制動裝置故障形式多樣，引起軌道車輛運行安全隱患的問題，設計并開發了基于CLIPS的基礎制動裝置故障診斷專家系統。該專家系統對制動裝置的故障形式和失效原因進行收集整理，并建立了對應的故障樹模型，結合專家系統框架知識與產生式規則，采用正向推理模式構建了專家系統的基本結構，形成了以CLIPS為內核、以VC++為交互平臺的基礎制動裝置故障診斷系統，彌補了傳統CLIPS開發環境交互性的不足。運行結果表明，設計構建的專家系統對基礎制動裝置的故障診斷具有良好的可行性和有效性，為機務人員迅速找到故障并采取相應措施提供了依據，對轉向架其他部件故障診斷系統的開發也具有一定的參考意義。

基礎制動裝置;故障診斷;專家系統;CLIPS

0 引 言

轉向架是承載車體重量和傳遞走行動力的導向部件，是大型養路機械的重要組成部分[1]。基礎制動裝置是轉向架非常重要的組成部件，它承擔著列車的常用制動、緊急制動、停放制動及保持制動等功能；滿足列車按一定運營速度每站停車等條件正常運行一個往返的要求，其機械性能直接影響到列車運行的安全性，基礎制動裝置上關鍵部件的故障會導致車輛制動性能下降、甚至脫軌翻車等嚴重事故，因此開展轉向架基礎制動裝置的故障診斷在實際應用中具有重要的意義[2]。

迄今為止，國內外鐵路科研工作者以不同方法相繼對轉向架故障診斷問題展開了研究[3-8]，并取得了一系列成果，但因算法自身的局限會對診斷結果造成一定的偏差，實用化研究和應用不足。基礎制動裝置作為動態系統，形式多樣、結構復雜，其故障形式具有多樣性、復雜性和隱蔽性的特點，同時，產生的故障還與使用條件具有密切關系，使得基礎制動裝置的故障形式多樣，主要有機械振動、零部件的裂損和磨耗等問題。目前，對基礎制動裝置的故障診斷和維護工作主要由機務人員根據故障失效后特征，依據維修規程進行故障排查。這種方法很大程度上依賴于個人維護經驗，往往需要具備專業知識和豐富實踐經驗的專家才能勝任，缺乏專家知識會導致故障定位的盲目和錯誤，甚至引發其他故障。因此，如何對基礎制動裝置的故障做出有效快速的診斷并恢復系統，是當前亟待解決的主要問題。

為解決上述問題，提出采用專家系統的診斷方法。該專家系統可視為一種具有專業知識和經驗的計算機智能診斷系統，采用人工智能和知識推理技術解決復雜問題，達到具有與專家同等解決問題能力的水平。對于診斷基礎制動裝置故障問題，可以解決經驗分析方法的不足，提高診斷的準確性。

1 基礎制動裝置的專家系統設計

根據專家系統的原理,基礎自動裝置的故障診斷專家系統的總體結構如圖1所示。包括三大部分：

(1)接口部分:故障診斷的人機接口;

(2)知識庫部分:含知識獲取器和知識庫;

(3)推理機部分:推理機、解釋器和動態數據庫。

圖1 故障診斷專家系統總體結構圖

故障診斷專家系統的工作流程為：根據基礎制動裝置出現的故障現象，通過人機接口,用戶將制動裝置的相關故障信息表達成事實,形成故障事實庫。依據相關事實和一定的推理搜索策略，推理機判定提供的故障事實與知識庫中的規則是否匹配,以此來激活規則，被規則激活的事實放入到動態數據庫中，并采用沖突消解策略來解決所選規則的優先級問題，激活的規則由解釋器執行，最終形成故障診斷的執行結果，該結果通過人機接口將專家意見反饋給用戶，以供用戶在實際應用中參考。

2 基礎制動裝置故障診斷知識的獲取

知識獲取是建立一個故障診斷專家系統首先面臨的問題,也就是怎樣從知識源中提煉出用于解決相關問題的專業知識。這一過程需要通過廣泛的專家咨詢、資料整理，抽取領域知識，并形成知識庫。

轉向架制動形式多種多樣，包括踏面閘瓦制動、盤形制動、磁軌制動、渦流制動等。基礎制動裝置的組成包括帶停放制動缸、手柄、閘線等一系列結構，磨耗和裂損是其主要的故障形式,制動裝置中制動梁、推桿或拉桿、閘瓦、閘瓦托等部件一旦發生磨耗和裂損，可能會引發多種事故[9-10]。以下具體來分析基礎制動裝置的主要故障原因。

2.1 基礎制動裝置主要故障分析

2.1.1 制動梁發生脫落

制動梁發生脫落對行車安全性會產生嚴重威脅，該故障發生的可能原因包括：

(1)制動梁閘瓦托的安裝軸在其焊接處出現裂紋，在列車制動時受交變應力的影響，易發生安裝軸折斷;

(2)兩端閘瓦的厚度差超出范圍,閘瓦托安裝軸由于同軸度偏差,不在同一直線，這些可能造成一端制動梁產生局部增大的負荷，導致裂損出現在安裝軸的根部;

(3)過度磨耗或不良材質的軸頭導致折損;

(4)裂損與脫落出現在閘瓦托的開口銷或吊圓銷等易損部件處，造成整個制動梁發生脫落。

2.1.2 推桿或拉桿的折斷

拉桿頭發生裂損脫落,或圓銷磨損后發生折斷脫落，是拉桿頭與推桿折斷的主要故障形式。造成該故障的可能原因包括:

(1)因焊接質量較差,造成拉桿和拉桿頭在其焊接處出現裂損；

(2)因拉桿頭處的圓銷孔存在加工偏差，使圓銷受偏心力的影響，造成圓銷出現折斷；

(3)拉桿頭的開度加工偏差,或開口銷存在過小的開度、或因材質疲勞而折損，造成圓銷的脫落。

2.1.3 閘瓦的偏磨

在使用過程中，閘瓦會產生磨耗，使閘瓦偏磨成為一種常見的故障。引起該故障的可能原因有：

(1)車輪踏面與閘瓦托兩者的弧度存在偏差，使兩面之間的各點不處于等距離的位置；

(2)不合適的傳動杠桿位置，使制動梁在制動時不處于正位，在一端閘瓦輪緣及另一端車輪踏面外側出現磨損，甚至出現閘瓦與車輪踏面不發生摩擦的情況；

(3)閘瓦托仰頭或低頭，閘瓦上、下兩端與車輪踏面不等距，造成閘瓦上、下頭部偏磨。

2.1.4 閘瓦托的裂損

在運用過程中，由于閘瓦托需承受高溫、高壓，使其易于發生裂損。引起該故障的可能原因有：

(1)在制動時,閘瓦承受的沖擊力過大，使閘瓦托出現裂損；

(2)由于長時間下坡道行駛，或分配閥非正常工作，導致長時間抱閘而形成高溫，使得閘瓦托出現裂損；

(3)質量不良的閘瓦托的材質及鑄造過程導致裂損。

2.2 故障診斷知識故障樹的建立

由于基礎制動裝置故障原因復雜多樣，而故障事實表需要清晰的知識表達和明確的因果關系對照，因此使用故障樹的分析方法來分析基礎制動裝置的故障原因。

故障樹分析(Fault Tree Analysis，FTA),也稱為事故樹分析，是故障診斷中最為重要的分析方法之一[11]。故障樹分析通常以一個可能的事故(稱為頂事件)為起點，采用自上而下、層次化的搜索方式查找直接或間接導致頂事件的中間事件，直到搜索到基本原因事件為止，然后用邏輯圖的形式表達所有事件間的邏輯關系。

依據上述建立故障樹的一般方法，結合整理的故障數據，基礎制動裝置的故障樹如圖2所示。

圖2 基礎制動裝置的故障樹示意圖

針對圖2,表1列出了其中各故障事件所代表的具體含義。

雖然基礎制動裝置故障形式復雜多樣，但各種故障之間邏輯關系緊密，采用故障樹建立基礎制動裝置故障信息,具有層次鮮明的特點。

2.3 故障診斷專家經驗知識的獲取

故障診斷專家知識是由知識工程師通過認知理解,結合技術保障一線的機務工作者的經驗,進而確認并表達出來的某領域專業化故障診斷知識。這些知識主要包括：發生故障現象或跡象，能形成對系統故障影響的設計或制造的原因；工作維護對系統故障產生的影響；實施故障診斷時的思路、方法或步驟等[12-13]。

由上述專家知識構建的故障樹成為專家系統知識庫的基礎，下面將以此為基礎，構建以CLIPS為內核的專家系統程序。

表1 基礎制動裝置故障樹事件的含義

3 故障診斷專家系統程序設計

3.1 知識庫構建

對于基礎制動裝置的故障診斷,采用“基于框架的產生式規則”來表達故障信息，構建專家系統知識庫。

對于圖2所示的基礎制動裝置故障樹，故障事實均由各個節點知識表達。采用“框架+產生式規則”的方式來表達事實，首先要通過自定義模板表示事實框架，該自定義模板可用來表示各層的頂事件、中間事件和底事件。CLIPS的事實由關系名(node)和槽(slot)組成，符合專家系統中框架的知識表示方式[14]。利用CLIPS表達的故障事實自定義模板如下：

(deftemplate node

(slot name) (slot type) (slot node1) (slot node2) (slot node3) (slot…))

其中，deftemplate表示故障事實自定義模板；node為關系名；槽name表示該節點的內容；槽type表示該節點的類型，當type的值為decision時，表示該節點為中間事件或頂事件節點，當type的值為answer時，表示該節點為底事件節點；槽node1、node2分別表示第1、2個子節點，以此類推。

根據上述自定義模板，可以把故障信息中間事件“閘瓦偏磨”(事件代號Y3)表示為如下事實：

(node (nameY3)

(type decision)

(node1X8) (node2X9) (node3X10))

該事實表示“閘瓦偏磨”的原因有“閘瓦上下兩端與車輪踏面不等距”、“閘瓦托與車輪踏面弧度不一致”、“傳動桿裝置不合適”等。前者是果，后者是因，且后者之間為或關系，即后者中任意一種或一種以上的現象發生了，那么就會產生“閘瓦偏磨”，符合產生式規則關系。

同樣，底事件故障節點“閘瓦上下兩端與車輪踏面不等距”(事件代號X8)可表示為事實：

(node (nameX8)

(type answer)

(node1“調節左右制動橫拉桿間距，確保閘瓦與踏面接觸位置正確”)

(node2“調節閘瓦仰角調節螺栓，確保閘瓦與踏面間隙均勻”))

該事實表示，如果出現故障X8，可采取node1或node2提供的措施進行維護。

按上述方法完成其他各節點的事實表示，這些事實組成了基礎制動裝置的知識庫，把這些事實存入文件“BrakeRigging_Facts.DAT”以用于推理。

3.2 推理機設計

基礎制動裝置產生的故障是多個原因的綜合，對其故障樹進行推理，需采用合理的推理機制，以提高效率和準確性。對于以該專家系統來說，是根據觀察到的故障現象進行分析推理，同時對故障樹進行逐層搜索，可靠性較強。因此，在專家系統中，采用正向推理方法，廣度優先搜索的推理策略，該推理過程如圖3所示。

在推理機運行過程中,current、layer和compare為產生的事實表,并存儲在動態數據庫中。其中，current用于存放正在或即將進行匹配判定的節點；layer用于存放在當前執行層將要進行推理判定的所有節點；compare用于存放節點與故障匹配的最終結果。采用CLIPS表達上述數據結構為：

(current“節點”)

(layer“節點” “父節點”)

(compare “節點” yes / no)

推理流程如下：

(1)在current中放入故障特征，同時生成全部子節點。如果沒有子節點，將current中的節點清除，并得出結果；反之，在layer中載入所有的子節點，并清除已生成子節點的父節點。

(2)當current中無節點時，說明layer中已存放當前層全部節點。利用廣度優先搜索方法，匹配layer中的節點與故障特征，當成功匹配時，該節點將放入compare中，以yes為標記,反之記為no，再將上述故障特征清除，對layer中每個節點都依次完成上述匹配，并清空layer。

圖3 故障樹的推理流程圖

(3)如果compare中有匹配成功的節點，則在current中載入這些節點，再清空compare；如果沒有，則將所有節點載入current，再清空compare。

(4)當compare和current中都無節點時，表明故障樹的底部已經到達，從而推理出結果，反之繼續返回步驟(1)執行。

(5)如果故障特征與layer中的所有節點都不能匹配，說明采集了不完整故障特征，需重新判斷，否則系統推理失敗而退出。

3.3 人機交互接口設計

由于CLIPS只能在控制臺下以命令行的形式與用戶進行交互，不便于進行輸入和讀取，因此系統采用VC++和CLIPS混合編程的方式，充分發揮CLIPS的推理能力和VC++在用戶人機交互方面的優勢。

3.3.1 CLIPS與VC++交互環境的構建

CLIPS與VC++有兩種基本的交互模式：一種是基于VC++環境,另一種是基于CLIPS環境。第一種模式的特點是，推理功能由CLIPS實現，而其他功能由VC++實現,如人機界面、數據讀寫等，這里CLIPS作為函數被VC++調用，由此推理功能得以實現。該方式使用較多，但不足之處是VC++需替代CLIPS完成許多功能，無法充分利用CLIPS本身的強大功能，同時VC++開發的工作量也相應增加，而且調試需在VC++環境下進行，無法獲取CLIPS的必要調試信息；后一種模式的特點是，人機界面功能由VC++實現，而其他功能由CLIPS實現，在CLIPS環境完成調試，這種方式適合于調試程序，移植較為方便。這種交互的基本組成構架如圖4所示。

圖4 CLIPS與VC++交互示意圖

3.3.2 人機交互界面設計

為便于VC++界面開發和CLIPS專家系統開發可以獨立進行，該專家系統采用動態鏈接庫(DLL)方式使CLIPS嵌入VC++。該方式有利于專家系統的開發、維護和擴充[15]。具體方法為：首先在所建VC工程中加入動態庫文件clips.dll和包裝類文件clipwrap。為使VC++可以調用CLIPS中的類，需在VC++的include文件夾下,添加clipwarp文件夾中的dynclips.h和dyaload.h，并在VC++的工程目錄下放入clips.dll、clips.lib、rsvarcol.cpp和revarcol.h，由此，VC++可調用clips的所有函數。在以CLIPS為內核建立知識庫和推理機的基礎上，開發的基于VC++的專家系統界面如圖5所示。

圖5 轉向架基礎制動裝置故障診斷主界面

4 結束語

利用CLIPS專家系統開發工具創建了轉向架基礎制動裝置故障診斷專家系統，分析了該系統的基本結構和故障形式，建立了基礎制動裝置的故障樹模型。在此基礎上，構建了CLIPS專家系統知識庫和推理機，并最終開發了基于VC++平臺的交互式故障診斷系統。該系統能夠幫助機務人員迅速找到故障并采取相應措施加以解決，該系統的設計方法對轉向架其他部件的故障診斷系統的開發也具有重要的參考價值。

[1] 吳 錕.城市軌道交通車輛轉向架綜述[J].鐵道機車車輛工人,2010(6):1-7.

[2] 李笑梅,賀德強,鄧建新,等.城市軌道交通車輛轉向架故障診斷方法綜述[J].裝備制造技術,2015(12):81-85.

[3] 秦 娜,金煒東,黃 進,等.基于EEMD的高速列車轉向架故障診斷[J].計算機工程,2013,39(12):1-4.

[4] 楊 磊.基于LabVIEW的動車組轉向架狀態監測及故障診斷[D].石家莊:石家莊鐵道大學,2013.

[5] 段旺旺,金煒東.基于AR功率譜的高速列車轉向架故障信號分析[J].噪聲與振動控制,2015,35(2):51-56.

[6] 李 潭,譚獻海.高速列車轉向架振動信號多重分形特征提取與故障診斷[J].工業控制計算機,2015(7):68-69.

[7] Jeon K W,Shin K B,Kim J S.A study on evaluation of fatigue strength of a GFRP composite bogie frame for urban subway vehicles[J].Advances Composite Materials,2013,22(4):213-225.

[8] 劉建強,趙治博,章國平,等.地鐵車輛轉向架軸承故障診斷方法研究[J].鐵道學報,2015,37(1):30-36.

[9] 馮文梅,張養亮.轉向架基礎制動裝置故障探討[J].鐵道車輛,2009,47(1):34-36.

[10] 王剛強.GK1C型機車閘瓦偏磨的原因分析及處理[J].鐵道機車與動車,2015(2):45-46.

[11] Ginarratano J C.Expert systems:principles and programming[M].4th ed.[s.l.]:[s.n.],2004:78-90.

[12] Nalepa G J,Mach M A.Business rules design method for business process management[C]//Proceedings of the international multi conference on computer science and information technology.[s.l.]:[s.n.],2009:165-170.

[13] Forgy C L.Rete:a fast algorithm for the many pattern/many object pattern match problem[J].Artificial Intelligence,1982,19(1):17-37.

[14] 沈大偉,莊 誠,王學雷.基于CLIPS的故障診斷專家系統開發[J].化工自動化及儀表,2012,39(4):450-453.

[15] 常 靜,吳瓊雁,任 戈.基于CLIPS的機載光電跟蹤設備故障診斷專家系統研究[J].計算機測量與控制,2015,23(3):749-751.

Investigation on Fault Diagnosis Expert System of Bogie Foundation Brake Rigging

HONG Lei，WANG Yu-guo

(School of Automotive and Rail Transit，Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

The foundation brake rigging is an important component of the bogie and its mechanical properties directly affect the safety of the vehicle running.With regard to the problem that the various failure mode of bogie foundation brake rigging may cause the hidden trouble of the rail vehicle running safety,the fault diagnosis expert system of the brake rigging in bogie is designed and developed based on CLIPS,in which the fault modes and failure causes of the brake rigging is collected and sorted before the corresponding fault tree model is established.Then the basic structure of expert system is constructed by using the forward reasoning model in combination with the expert system frame knowledge and production rules and eventually the fault diagnosis system of brake rigging is implemented based on CLIPS as the core and VC++ as the interactive platform.It has made up the deficiency of traditional CLIPS development environment and its operation results prove that the expert system has favorable feasibility and validity for the fault diagnosis of the basic brake rigging,which provide a basis for the crew to find the faults and take corresponding measures and that it has reference significance to the development of fault diagnosis for other parts of bogie.

basic brake rigging;fault diagnosis;expert system;CLIPS

2016-09-19

2016-12-23 網絡出版時間：2017-07-05

江蘇省產學研聯合創新基金——前瞻性聯合項目(13Y2014005-09)；南京工程學院科研基金項目(YKJ201333)

洪 磊(1982-),男,博士,講師,研究方向為故障診斷與專家系統技術；王玉國，博士，副教授，研究方向為檢測與故障診斷技術。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170705.1652.064.html

TP391.9;U270.1

A

1673-629X(2017)08-0200-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.08.042