和諧型機(jī)車專家診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/夏忠鍵

1 緒論

近年來，世界范圍內(nèi)信息化水平的提高已成為鐵路信息技術(shù)發(fā)展的源動力。國內(nèi)外鐵路信息化技術(shù)主要體現(xiàn)在機(jī)車實(shí)時(shí)跟蹤、綜合調(diào)度、車地?zé)o線通信、機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷等系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

隨著和諧型機(jī)車批量投入運(yùn)用，TCMS、6A等車載系統(tǒng)的完善，3G/4G無線技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、PHM技術(shù)的發(fā)展，為和諧型機(jī)車車載微機(jī)數(shù)據(jù)自動智能分析提供了技術(shù)支持。和諧型機(jī)車專家診斷系統(tǒng)采用先進(jìn)的信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，將機(jī)車控制系統(tǒng)采集的網(wǎng)絡(luò)、牽引等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行無線轉(zhuǎn)儲與分析預(yù)警，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)開展安全生產(chǎn)規(guī)律性、傾向性、關(guān)聯(lián)性特征分析，深度挖掘設(shè)備質(zhì)量變化趨勢和作業(yè)行為標(biāo)準(zhǔn)，研判風(fēng)險(xiǎn)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患征兆，指導(dǎo)機(jī)務(wù)段對機(jī)車質(zhì)量安全的超前防控。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于CMD系統(tǒng)的和諧型機(jī)車專家診斷系統(tǒng)，由車載數(shù)據(jù)中心、CMD系統(tǒng)、地面專家系統(tǒng)和地面其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成。在車上，通過無線以太網(wǎng)連接牽引變流系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)儲。在機(jī)車入庫后，通過CMD系統(tǒng)自動將數(shù)據(jù)無線下載至地面專家診斷系統(tǒng)服務(wù)器，并自動進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、清洗、診斷、存儲。專家診斷系統(tǒng)客戶端提供界面進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)分析檢索等操作，并與機(jī)車整備系統(tǒng)、機(jī)車檢修管理信息系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)等進(jìn)行信息交互，支撐機(jī)車的運(yùn)用、管理和維修。

各系統(tǒng)相關(guān)功能如下：

2.1 牽引控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其它控制系統(tǒng)

牽引控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其它控制系統(tǒng)（如：LKJ、6A系統(tǒng)等）在本方案中主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和記錄功能，并通過以太網(wǎng)與CMD車載系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)儲。

2.2 CMD系統(tǒng)

CMD車載系統(tǒng)在本方案中主要負(fù)責(zé)接收和處理網(wǎng)絡(luò)控制及相關(guān)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過WLAN轉(zhuǎn)儲至CMD地面系統(tǒng)。CMD地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收和儲存車載記錄文件，并將記錄文件傳輸至專家診斷系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)中心。

2.3 手持無線轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)

手持無線轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)主要針對沒有安裝CMD系統(tǒng)的機(jī)型，此類機(jī)型無法實(shí)現(xiàn)任何數(shù)據(jù)無線自動下載。手持無線轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)在本方案中主要負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)儲網(wǎng)絡(luò)控制及相關(guān)控制系統(tǒng)的記錄文件，通過WLAN轉(zhuǎn)儲到專家診斷系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)中心。

2.4 機(jī)車整備系統(tǒng)

機(jī)車整備系統(tǒng)在本方案中主要負(fù)責(zé)與專家診斷系統(tǒng)進(jìn)行接口，包括通過專家診斷系統(tǒng)將機(jī)車故障報(bào)警信息自動生成“機(jī)統(tǒng)-6”并傳輸至整備系統(tǒng)，整備系統(tǒng)處理完畢后再將處置情況反饋至專家診斷系統(tǒng)等。

2.5 檢修管理信息系統(tǒng)

檢修管理信息系統(tǒng)在本方案中主要負(fù)責(zé)與專家診斷系統(tǒng)進(jìn)行接口，專家診斷系統(tǒng)通過唯一的物料編碼和序列號查詢部件的裝車歷史記錄，以及歷史檢修記錄。

2.6 車號識別系統(tǒng)

車號識別系統(tǒng)在本方案中主要負(fù)責(zé)與專家診斷系統(tǒng)進(jìn)行接口，專家診斷系統(tǒng)通過車號識別系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取機(jī)車出入庫信息，并實(shí)時(shí)推送給CMD地面系統(tǒng)，保證全部入庫機(jī)車數(shù)據(jù)下載的完整性。

3 功能介紹

專家診斷系統(tǒng)主要分為前端業(yè)務(wù)應(yīng)用和后臺處理、算法平臺等部分，其中后臺處理、算法平臺包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲分析、領(lǐng)域知識等，前端業(yè)務(wù)應(yīng)用提供各種業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，同時(shí)支持外部各系統(tǒng)交互。其主要功能包含機(jī)車文件轉(zhuǎn)儲/上傳、數(shù)據(jù)解析存儲、故障數(shù)據(jù)清洗、故障診斷、關(guān)聯(lián)分析、整備提票、故障預(yù)警、壽命預(yù)測、統(tǒng)計(jì)與報(bào)表、知識庫、協(xié)議解釋器、算法共享、用戶/系統(tǒng)管理等功能，全方位提供對機(jī)車數(shù)據(jù)的分析與運(yùn)用支持。

3.1 數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)儲

借助于CMD系統(tǒng)框架，在部署了無線AP的整備場，機(jī)車入段時(shí)與車號識別系統(tǒng)交互進(jìn)行車號識別后，通過地面服務(wù)器發(fā)出下載請求，可以在短時(shí)間內(nèi)將機(jī)車車載記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行快速無線下載。下載的數(shù)據(jù)包括LDP、AT1、6A、ERM、TCU等文件，根據(jù)數(shù)據(jù)類型可以實(shí)現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的自動分發(fā)，支持除專家系統(tǒng)外的各類數(shù)據(jù)無線下載。專家系統(tǒng)后臺服務(wù)程序須實(shí)現(xiàn)自動掃描文件存儲路徑，根據(jù)不同車型、不同類型的數(shù)據(jù)，自動執(zhí)行解壓、解析、處理操作，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲到專家診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心大數(shù)據(jù)平臺、云平臺、數(shù)據(jù)庫。

地面軟件可以查看當(dāng)前正在轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)文件詳情，包括：文件名、文件類型、下載進(jìn)度等信息，也可查詢數(shù)據(jù)歷史轉(zhuǎn)儲記錄信息。

車地?zé)o線傳輸采用UDP協(xié)議，其協(xié)議框架如表1所示。

3.2 故障數(shù)據(jù)清洗

專家診斷系統(tǒng)根據(jù)機(jī)車故障時(shí)刻報(bào)警數(shù)據(jù)以及前后相關(guān)的故障條目，進(jìn)行故障智能識別與清洗，屏蔽次生關(guān)聯(lián)故障信息和庫內(nèi)檢修試驗(yàn)故障信息。部分故障可根據(jù)機(jī)務(wù)段相關(guān)管理規(guī)定自行進(jìn)行清洗或保留。既定的清洗規(guī)則近2000條，清洗率為99.9%，清洗準(zhǔn)確率99%，系統(tǒng)可以快速進(jìn)行識別清洗，提高分析效率，針對機(jī)車趟檢數(shù)據(jù)和臨修數(shù)據(jù)，清洗規(guī)則不同，目前支持的清洗類型如下：

（1）自動開關(guān)故障導(dǎo)致的通信類、隔離類等次生關(guān)聯(lián)故障；

（2）DXM/DIM模塊通信故障導(dǎo)致的開關(guān)斷開、隔離類、相應(yīng)設(shè)備故障等次生關(guān)聯(lián)故障；

（3）變流器器件或電路故障導(dǎo)致的保護(hù)性、隔離類等次生關(guān)聯(lián)故障；

（4）緊急或懲罰等空氣制動導(dǎo)致的牽引封鎖類次生關(guān)聯(lián)故障。

機(jī)車故障數(shù)據(jù)清洗后，可自動展示該故障前后30條清洗之前的完整故障信息，同時(shí)對主故障和次生關(guān)聯(lián)故障信息以顏色加以區(qū)分。故障數(shù)據(jù)清洗分為兩個類別：

（1）后臺自動清洗。包括自動開關(guān)、模塊通信、變流器器件或電路等故障引起的次生關(guān)聯(lián)故障；緊急或懲罰等空氣制動的引起的次生關(guān)聯(lián)故障；機(jī)車檢修整備或機(jī)能試驗(yàn)引發(fā)的次生關(guān)聯(lián)故障。

（2）前端手動清洗。自動清洗之后的故障信息，用戶可以選擇手動進(jìn)行二次清洗。

表1：車地?zé)o線傳輸協(xié)議框架

圖1：濾波電容異常預(yù)警

3.3 故障分析與診斷

針對機(jī)車出現(xiàn)的故障，系統(tǒng)自動進(jìn)行故障分析、定位，確定可能的故障原因，并提示相應(yīng)故障處理措施，指導(dǎo)檢修維護(hù)人員等對故障進(jìn)行處理。同時(shí)，分析人員可根據(jù)需求對機(jī)車故障數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)性深度分析，對故障產(chǎn)生前后的機(jī)車性能狀態(tài)及機(jī)車乘務(wù)員故障應(yīng)急處置過程進(jìn)行分析。

如變流器故障診斷，專家診斷系統(tǒng)完成了259類牽引變流器故障專家診斷規(guī)則開發(fā)應(yīng)用；完成了對10種A類典型故障診斷，牽引系統(tǒng)故障診斷覆蓋面92.3%，準(zhǔn)確率90%；完成接觸器、傳感器等10大類、102小類變流器在線故障診斷項(xiàng)點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用。

3.4 故障預(yù)警

故障預(yù)警的目的是在機(jī)車故障報(bào)警前提前進(jìn)行預(yù)防診斷，是專家診斷系統(tǒng)的核心內(nèi)容，針對地面WLAN自動下載的EVE事件記錄數(shù)據(jù)，專家診斷系統(tǒng)通過大量樣本數(shù)據(jù)，建立機(jī)車電氣、機(jī)械數(shù)學(xué)模型，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)離線故障的預(yù)警，在對數(shù)據(jù)的分析中，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)模型實(shí)現(xiàn)離線故障預(yù)警功能，同時(shí)進(jìn)行預(yù)警結(jié)果推送、相關(guān)故障處理措施推送。

而在車上，基于高速實(shí)時(shí)通訊，通過TCU-PHM板實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)核心部件在線診斷和預(yù)警，實(shí)時(shí)記錄牽引系統(tǒng)全生命周期海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車在線故障預(yù)警功能。

如濾波電容異常預(yù)警，其原理是基于高速us級IGBT開關(guān)信號，在不增加中間電流傳感器情況下，實(shí)現(xiàn)電容器的充放電電流重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直流濾波電容器和二次濾波電容器ESR值實(shí)時(shí)監(jiān)測。如圖1所示。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)集成了和諧型機(jī)車控制系統(tǒng)及部件狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、機(jī)車故障智能診斷等多項(xiàng)功能。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，充分采用了現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、機(jī)車故障專家診斷技術(shù)，為機(jī)車檢修、整備提供了一種全新的、信息化的管理模式以及手段。該系統(tǒng)已經(jīng)在中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司南昌機(jī)務(wù)段部署運(yùn)行，其系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、效果明顯，滿足機(jī)務(wù)檢修運(yùn)用管理部門的電力機(jī)車日常機(jī)車運(yùn)用、管理和維修需求。

南昌機(jī)務(wù)段試用期間，研究利用專家診斷系統(tǒng)對機(jī)車整備作業(yè)機(jī)能試驗(yàn)、修程機(jī)車交驗(yàn)過程進(jìn)行全覆蓋分析，同時(shí)利用該系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)儲下載數(shù)據(jù)功能，在保證機(jī)車數(shù)據(jù)下載成功率的基礎(chǔ)上，正在探索減少機(jī)車數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲分析人員定員的可行性，以實(shí)現(xiàn)減員增效的目的。