基于Petri網的地鐵車輛遠程故障診斷

李晨

摘 要：?針對當前地鐵車輛故障，特別是電氣故障判斷的自動化需求，結合Petri網故障樹判斷方法，對某型號的地鐵車輛故障進行判斷。先對Petri網進行簡單的概述，然后構建電氣系統的Petri網模型，并定義相關的規則，最后搭建Petri網模型驗證平臺，對上述的地鐵車輛傳動系統故障進行判斷，結果通過地面服務器展示出來。

關鍵詞：?模糊Petri網; 故障樹; 地鐵車輛

中圖分類號： TP 311

文獻標志碼： A

Remote Fault Diagnosis of Metro Vehicles Based on Petri Net

LI Chen

（School of Rail Transit， Shanxi College of Communication Technology， Xi an， Shanxi? 710018， China）

Abstract：

In view of the current needs of automation of metro vehicle faults， especially electrical faults judgment， combined with the Petri net fault tree judgment method， faults for a type of metro vehicle are judged. A brief overview of Petri net is given firstly， then the Petri net model of electrical system is constructed， and the relevant rules are defined. Finally， a Petri net model verification platform is built to judge the above-mentioned faults of metro vehicle transmission system， and the results are displayed through the ground server.

Key words：

fuzzy Petri net; fault tree; metro vehicle

0 引言

隨著我國城市地鐵建設步伐的加快，使得我國開始逐步步入地鐵化的時代。地鐵作為現代城市的標志，具有速度快、干擾小等特點，受到城市管理者的歡迎。但是地鐵車輛上，包含各種類型的電氣設備，一旦其中的某個電氣設備出現問題，勢必嚴重影響車輛的運行，嚴重的甚至引發事故。因此，加強對電氣系統的故障診斷，是保障地鐵車輛安全穩定運行的關鍵。本文則在以往研究的基礎上，提出一種基于Petri網的地鐵車輛故障診斷模型，并搭建試驗平臺對其可行性進行驗證。

1 模糊Petri網概述

Petri網是一種數學表示，主要用以對離散并行系統進行表示。Petri網提出于上世紀60年代，由當時著名物理學家卡爾·A·佩特里發明并提出，主要適應于異步、并發計算機模型的描述。傳統Petri網主要包含四元組，分別為庫所、變遷、輸入函數以及輸出函數。在這樣的四元組上，任何圖像都能被成功映射。在此基礎上，Petri網若是能夠與當前先進的人工智能理論進行結合，將會使Petri網能夠描述系統靜態結構與動態性質這一優勢發揮到極致，從而對更加復雜的問題進行解決。模糊Petri網FPN概念是在知識表示不確定性的情況下被提出，目前已成為Petri網研究領域中一大重點研究方向。相較于傳統經典Petri網，模糊Petri網在開展物理系統并行及并發行為的描述與分析時，其思維模式更加貼近于人們的認知方式。同時，模糊Petri網還具備描述結構直觀清晰等優勢。與經典Petri網的四元組不同，模糊Petri網通常被定義為八元組，如式（1）。

在式（1）中，P代表庫所節點的有限集合，P={p1，p2，…，pn};T代表變遷節點的有限集合，T={t1，t2，…，tm};D代表命題的有限集合，D={d1，d2，…，dn};I為輸入函數，主要是對庫所至變遷之間的關系進行映射;O為輸出函數，主要代表變遷與庫所之間的映射;f為關聯函數，是變遷至0，1之間的實數值映射;α為庫所至0，1之間的實數值映射;β代表庫所至命題之間的所有映射。

2 地鐵車輛電氣系統故障模型構建

2.1 研究具體結構

為進一步研究模糊Petri網在地鐵車輛故障診斷問題，本文以該型號地鐵車輛電氣系統為例，通過Petri網實現對地鐵車輛電氣系統故障的診斷。具體結構如圖1所示。

該地鐵車輛結構中，采用6輛編組型式，配置有4M2T的動力分散性裝置。牽引傳動系統主要采用VMF逆變器-異步牽引電動機，構成交流傳動系統。這種牽引傳動系統內部由受電弓、牽引逆變器以及牽引電機等多項設備構成，主要包含了兩個牽引單元，這兩個牽引單元之間的關系為相對獨立。各牽引單元中包含了受電弓1臺、高速斷路器與牽引逆變器各兩臺以及牽引電機8臺。

2.2 電氣系統故障樹表示機制

地鐵車輛牽引傳動系統故障模型的建立必須依靠FTA（故障樹分析）中部分常用符號，將這些符號作為故障模型的建模元語言。由于本文僅選用故障樹分析當中的符號進行地鐵車輛牽引傳動系統故障模型的構建，因此，后續建立起的牽引傳動系統故障模型并非故障樹。筆者之所以選取故障分析符號為建模元語言，主要是出于對故障診斷領域中故障樹應用基礎地位的考慮，其應用目的在于使牽引傳動系統故障模型能夠擺脫各項故障診斷算法。具體建模符號表如表1所示。

2.3 牽引傳動系統故障模型構建

通過觀察圖1顯示的牽引傳動系統內部結構后可以看出，地鐵車輛牽引傳動系統中包含了兩個相對獨立的單元，這兩個單元之間主要依靠跨車電纜進行連接。牽引傳動系統中的受電弓主要從接觸網上對電源進行獲取。具體牽引傳動系統主電路回路如圖2所示。

由圖2顯示內容可以看出，在牽引系統主電路回路當中，接觸網中的DC1500V電壓流首先從受電弓處經過;然后經高壓電氣箱、預充電電阻以及線路點抗器三個部位之后，才能到達VVVF逆變器;最后經過三相逆變器以及制動斬波單元輸出三相交流電，以三相交流電對異步牽引電動機進行驅動。同時，通過觀察牽引系統主電路回路圖還可發現，在地圖車輛牽引傳動系統中，擁有著大量的電壓電流傳感器，這些傳感器主要起到實時監測地鐵車輛牽引傳動系統的作用。其中，電壓傳感器VH1主要是對直流網壓進行檢測;電壓傳感器VH2的檢測對象為逆變器上的電容器電壓;電流傳感器LH1以及LH2是對直流回路電流進行檢測，LH3及LH4則是檢測逆變器輸出電流，LH5及LH6的職責在于對制動電阻斬波電流進行檢測。結合地鐵車輛牽引傳動系統內部結構以及主電路回路，可將牽引傳動系統劃分為五個模塊，分別為高壓電壓模塊、預充電模塊、中間電路模塊、牽引逆變器模塊、電機模塊。基于此，本文所構建起的牽引傳動系統故障模型如圖3所示。

3 基于Petri網的地鐵車輛牽引傳動系統模型

3.1 牽引傳動系統Petri網模型

結合上文中對Petri網基本概念、模糊Petri網基本理論的分析以及構建起的牽引傳動系統故障模型，以下將對地鐵車輛牽引傳動系統Petri網模型進行構建。在開展模型構建工作之前，還需對地鐵車輛牽引傳動系統故障、模糊Petri網以及模糊產生規則三者之間的關系進行掌握。具體三者之間關系如表2所示。

根據表2中給出的牽引傳動系統故障、模糊Petri網與模糊規則三者之間的關系，以及結合上文中構建起的牽引傳動系統故障模型，本文將對牽引傳動系統Petri網模型進行構建。具體牽引傳動系統Petri網模型如圖4所示。

3.2 對應故障事件

牽引傳動系統Petri網模型中各庫所對應的故障事件有所不同，具體牽引傳動系統Petri網各庫所對應故障事件如表3所示。其中，p57為終止庫所，也就是牽引傳動系統故障頂層事件。

4 診斷測試

為進一步驗證上述方法的可行性，搭建在線故障平臺完成對上述方案的測試。

4.1 實驗測試平臺

本文搭建的測試平臺，主要模擬地鐵車輛在運行中通過車載通訊模塊獲取部分地鐵車輛的模擬信號的方式來判斷故障。具體測試平臺見圖5所示。

根據圖5得出，本文搭建的測試平臺其主要是由模擬信號傳輸裝置、控制網絡、地面服務器等部分組成。其中，模擬信號傳輸裝置主要采集地鐵運行中的部分電氣信號;控制網絡主要為地鐵運行中的傳輸網絡;地面服務器主要是對信號進行分析，并結合這些信號，對故障進行判斷，并通過地面服務器的展示界面將結果展示出來。

4.2 測試結果

通過上述的搭建，可以得到圖6所示的故障測試結果。

通過圖6看出，地面服務器接受到部分車載的故障數據，并將故障數據顯示在了標黑的位置。

5 總結

通過上述的故障樹模型構建，并結合Petri網對故障的判斷，清晰的顯示了地鐵車輛在運行過程中所存在的故障信息，從而為當前地鐵車輛運行中出現的電氣故障提供了借鑒與參考。但是本文在Petri網的故障判斷中，未深入的對Petri網對故障的推理進行了簡化，還需要做深一步的研究。

參考文獻

[1] 曾琦. 地鐵車輛轉向架的故障檢修分析[J]. 科技尚品，2016（1）： 239.

[2] 王磊，安剛虎，崔江涵. 基于無線數據采集技術的地鐵車輛地面試驗在線監測系統[J]. 現代交通技術，2016，13（3）：89-91.

[3] 劉志亮，潘登，左明健，等. 軌道車輛故障診斷研究進展[J]. 機械工程學報，2016，52（14）：134-146.

[4] 徐曉璐，吳濤，顧宏. 基于IPSO-SVM的地鐵車輛牽引控制單元故障診斷[J]. 大連理工大學學報，2015，55（1）：67-72.

[5] 盧海明. 地鐵車輛牽引控制單元的故障診斷方法[J]. 電力機車與城軌車輛，2017，40（1）：68-71.

[6] 陳希雋，方恩權，王鋒濤，等. 基于VMD的地鐵車輛平輪狀態監測和診斷[J]. 機車電傳動，2017（3）：87-91.

[7] 高娜，韓曉光，陳增強，等. 基于矩陣方法的有界Petri網系統的能觀性分析[J]. 控制理論與應用，2018，35（1）：71-78.

[8] 石平義，方寧，鄧建勝，等. 基于Petri網的耳機部件自動裝配設備PLC控制系統研究[J]. 電子器件，2018，41（2）：501-506.

[9] 王長瑞，劉軍娜，楊琨，等. 一種基于Petri網模型的配電網故障恢復算法[J]. 電測與儀表，2018，55（13）：25-30.

（收稿日期：2019.05.25）