城市軌道交通地鐵車輛MVB連接器電阻故障診斷方法

任 濤

（寧波中車軌道交通裝備有限公司，浙江 寧波 315113）

0 引 言

隨著列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，城市軌道交通地鐵車輛車輛多功能數(shù)據(jù)（Multifunction Vehicle Bus，MVB）連接器電阻故障是經(jīng)常發(fā)生的問題，因此針對車輛多功能數(shù)據(jù)連接器的檢測，設(shè)計一種診斷速度快、方法使用簡單的十分必要[1]。傳統(tǒng)的MVB連接器電阻故障診斷一般依賴MVB自身機(jī)制進(jìn)行自查自診，或者通過機(jī)器學(xué)習(xí)法建立MVB故障診斷模型進(jìn)行診斷，根據(jù)傅里葉變化將故障的特征參數(shù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)譜圖作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)城市軌道交通車輛MVB連接器電阻故障診斷模型[2，3]。城市軌道交通地鐵車輛智能化發(fā)展，增加了車輛信息傳輸數(shù)據(jù)任務(wù)，而城市通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對城市交通狀態(tài)的監(jiān)視利用。因此，MVB連接器各個點(diǎn)位之間的電阻出現(xiàn)問題時，導(dǎo)致電阻測定發(fā)生錯誤，影響城市軌道交通地鐵車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了保證列車通信的正常運(yùn)行，研發(fā)了一種快速便捷的連接器電阻故障診斷方法。

1 交通地鐵車輛MVB連接器電阻故障診斷方法設(shè)計

1.1 MVB連接器電阻故障數(shù)據(jù)特征提取

一般情況下，MVB連接器電阻是相互關(guān)聯(lián)的，在通信方式和分布方式上也相關(guān)聯(lián)，這就會造成常規(guī)故障的傳播性，容易引發(fā)多個節(jié)點(diǎn)的故障，增加故障位置定位的難度，對后續(xù)診斷有一定的影響。因此本節(jié)采用了具有波形功能的MVB協(xié)議分析儀，針對車輛多功能通信數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理。阻抗不匹配情況下，MVB信號一般呈現(xiàn)多種傳遞方式，其中反射方式是造成故障的有效因素[4]。因此需要采集MVB連接器電阻的網(wǎng)絡(luò)波形信號，確定正常和故障工況。以臨近信號分析儀的MVB節(jié)點(diǎn)為例，發(fā)出的有效信號幀可簡單的看做數(shù)據(jù)源，定義該源節(jié)點(diǎn)位置為x=0。通常多種的因素故障以及不同的故障源，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x會有所不同，數(shù)據(jù)信號從數(shù)據(jù)源出發(fā)傳輸至x=L2位置時，會產(chǎn)生一定的函數(shù)關(guān)聯(lián)，其傳遞函數(shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢。當(dāng)MVB連接器電阻故障發(fā)生于源節(jié)點(diǎn)左側(cè)線路時，設(shè)故障點(diǎn)位于x=-L1。MVB連接器電阻故障會造成一定的網(wǎng)絡(luò)紊亂，網(wǎng)絡(luò)阻抗會產(chǎn)生新的紊亂阻抗出現(xiàn)不匹配問題，將使得信號波在傳遞的過程發(fā)生反射。入射信號以U+表示，反射信號以U-表示，當(dāng)負(fù)載與特征阻抗相匹配時，U=U+(0)e-yl，U+(0)表示入射信號的源節(jié)點(diǎn)位置；l表示特征長度；則入射信號傳播至故障點(diǎn)x=L1時的信號電壓為

式中：e-y表示信號阻抗。當(dāng)阻抗不匹配時，信號將發(fā)生反射，反射系數(shù)Γ在對應(yīng)的故障點(diǎn)處，其有效信號反射強(qiáng)度為

反射信號轉(zhuǎn)而從左至右傳輸，到達(dá)MVB信號分析儀處后為

因此在x=L2處，通過協(xié)議分析儀檢測到的數(shù)據(jù)是故障點(diǎn)位置的信號反射道檢測點(diǎn)的信號疊加，大小為U-(L2)，疊加從源節(jié)點(diǎn)就已經(jīng)發(fā)生，并隨著傳遞信號逐漸增強(qiáng)為U+(L2)，U+(L2)=U+(0)e-yL2。由此可得x=L2處信號為

確定信號后通過協(xié)議分析儀處理信號幅度頻率特性，將波形振幅程度不同、故障位置不同以及阻抗不匹配問題導(dǎo)致的波形變化通過圖的形式顯示出來。設(shè)定L2=2，不同工況下x=L2信號的傳遞幅頻特性不同，阻抗不匹配問題越嚴(yán)重，信號波形的衰減越是明顯。當(dāng)加以負(fù)載時，信號波形呈現(xiàn)正弦波形發(fā)生正向反射，從源點(diǎn)傳遞至檢測點(diǎn)，波形疊加從源節(jié)點(diǎn)開始，當(dāng)遇到協(xié)議分析儀發(fā)出的信號后，發(fā)生共振反應(yīng)波形極值疊加變大；當(dāng)減去負(fù)載時，波形變?yōu)橛嘞野l(fā)生的是反向反射，從源節(jié)點(diǎn)開始，當(dāng)遇到協(xié)議分析儀發(fā)出的信號后，發(fā)生波減反應(yīng)波形極值相減變小。在波形振幅程度不同和故障類型不同時，傳遞信號的相應(yīng)頻率特性發(fā)生變化。在振幅特性變化中，信號的不斷衰減造成波形特性的不同，信號傳遞的位置也會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致不同工況下，信號波形由原來的正弦波形畸變成不同衍生波形[5]。因此，在協(xié)議分析儀中采集到信號為網(wǎng)絡(luò)物理層波形信號，還需要從中提取分離出網(wǎng)絡(luò)特征，才能作為MVB電阻故障診斷、故障定位的依據(jù)。使用MVB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀采樣波形過程中，一般設(shè)定采樣速率為200 MSa/s，在MVB1.5M時，分析儀的通信速率是1個定值，即每個通信位置采集樣點(diǎn)為80個，MVB網(wǎng)絡(luò)波形特征提取如圖1所示。

圖1 MVB網(wǎng)絡(luò)脈沖波形特征提取

在使用儀器測量程中，波形的幅值底部Ubase與幅值頂部Utop會發(fā)生一定程度的畸變，但是傳輸過程中需要穩(wěn)定的波形信號，即波形為穩(wěn)態(tài)或者滿足傳遞函數(shù)的幅值。因此，本文提取特征過程中使用函數(shù)關(guān)系，得到滿足傳遞函數(shù)的幅值，選擇穩(wěn)態(tài)區(qū)域內(nèi)，波形頻率最高的數(shù)據(jù)點(diǎn)Umax作為特征提取最終結(jié)果。

1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

故障線路連接器始端和終端，MVB線路主線與線芯相通，MVB協(xié)議分析儀的數(shù)據(jù)采集板卡，通常具有鏈路狀態(tài)顯示功能以及數(shù)據(jù)指標(biāo)統(tǒng)計功能，可以通過這2項(xiàng)功能將始端和終端的解碼器信號進(jìn)行采集，顯示出鏈路狀態(tài)發(fā)生變化的信號。數(shù)據(jù)指標(biāo)統(tǒng)計模塊可以隨意選擇數(shù)據(jù)，并根據(jù)解碼器說解碼的結(jié)果，統(tǒng)計觸發(fā)狀態(tài)信號的有效數(shù)量，然后統(tǒng)計波形數(shù)據(jù)，將狀態(tài)統(tǒng)計量暫存至存儲區(qū)。數(shù)據(jù)指標(biāo)統(tǒng)計的狀態(tài)統(tǒng)計量有：連接器始端和終端2路起始位個數(shù)、連接器始端和終端2路完整數(shù)據(jù)幀個數(shù)、連接器始端和終端2路幀頭錯誤個數(shù)、連接器始端和終端2路編碼錯誤個數(shù)、連接器始端和終端2路校驗(yàn)錯誤個數(shù)[6]。為避免不同位置的MVB連接器電阻故障特征存在的相似差異性，可以先將模型訓(xùn)練計算次數(shù)提高，再進(jìn)行故障特征的高精度分類。數(shù)據(jù)統(tǒng)計前，對故障特征數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。針對城市軌道交通地鐵車輛MVB連接器電阻故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化選擇了最小值最大值（minmax）標(biāo)準(zhǔn)化，將波形數(shù)據(jù)映射為最小值為0、最大值為1的線性變換，轉(zhuǎn)換函數(shù)為

式中：X為原始交通地鐵車輛MVB連接器電阻故障樣本數(shù)據(jù)值；Xmin為交通地鐵車輛MVB連接器電阻故障樣本數(shù)據(jù)最小值；Xmax為交通地鐵車輛MVB連接器電阻故障樣本數(shù)據(jù)最大值。但這種方法的缺點(diǎn)是當(dāng)樣本更新時，Xmin和Xmax的值隨之發(fā)生變化，因此再測量還需要對其重新定義。原始交通地鐵車輛MVB連接器電阻故障波形數(shù)據(jù)包括正穩(wěn)態(tài)幅值、負(fù)穩(wěn)態(tài)幅值、超調(diào)、上升斜率等特征，樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后可以提升數(shù)據(jù)分類準(zhǔn)確率平均值。

1.3 數(shù)據(jù)集分類進(jìn)行連接器電阻的故障診斷

城市軌道交通地鐵車輛MVB間接器在正常通信情境下，各節(jié)點(diǎn)物理波形數(shù)據(jù)呈現(xiàn)規(guī)律變化，提取的特征信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，形成故障數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集為D={x1,x2,x3,…,xn}，候選樣本作為異常值篩選出來，即完成城市軌道交通地鐵車輛電阻故障診斷。利用密度相連的概念，在故障數(shù)據(jù)集中搜索出位于數(shù)據(jù)集內(nèi)部不同的樣本集，形成訓(xùn)練子集，將原有的樣本約減到所選子集，具體的公式為

式中：v表示在所有訓(xùn)練子集中可約減的范圍，用以約減樣本得到所選訓(xùn)練子集；n表示故障數(shù)據(jù)集樣本個數(shù)；dist(xi,xj)為樣本xi和樣本xj在故障數(shù)據(jù)集中的歐氏距離。計算篩選出邊緣稀疏點(diǎn)，δ鄰域中的樣本點(diǎn)個數(shù)記為Nδ，找出所有與xj密度一致、密度相關(guān)、密度相連的訓(xùn)練子集，并標(biāo)記為約減樣本，直到所有樣本點(diǎn)都被標(biāo)記為異常值或者內(nèi)部樣本。輸出樣本子集，密度越小的樣本被識別出故障的概率越大，對MVB連接器電阻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)周期性的掃描，標(biāo)定出每個節(jié)點(diǎn)傳輸信號的占用率，并按照每個節(jié)點(diǎn)傳輸信號占整個網(wǎng)絡(luò)的帶寬占比作為權(quán)重，加權(quán)獲取整個MVB連接器電阻的故障診斷結(jié)果，并根據(jù)診斷結(jié)果輔助做出維護(hù)決策。

2 測試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計的城市軌道交通地鐵車輛MVB連接器方法的電阻故障診斷處理能力，采用本文設(shè)計的方法和傳統(tǒng)MVB自查自檢的處理方法以及機(jī)器學(xué)習(xí)MVB連接器故障診斷的處理方法同時進(jìn)行城市軌道交通地鐵車輛連接器電阻故障診斷。3種方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，模擬城市軌道MVB網(wǎng)絡(luò)情況，在相同的故障源中對比故障診斷的效果，哪種方法所耗時間最少，證明哪種方法更適合城市軌道交通地鐵車輛MVB連接器的電阻故障診斷。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了還原城市軌道交通地鐵車輛連接情況，實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)備模擬了MVB網(wǎng)絡(luò)。其中，地鐵列車車輛的現(xiàn)地控制單元（Local Control Unit，LCU）分別設(shè)置了2個網(wǎng)關(guān)，地址為網(wǎng)關(guān)215和網(wǎng)關(guān)250。MVB連接器網(wǎng)絡(luò)中接入?yún)f(xié)議分析儀，實(shí)時采集MVB網(wǎng)絡(luò)連接器通信數(shù)據(jù)波形特征。隨機(jī)將MVB連接器故障數(shù)據(jù)劃分為6組，每組樣本容量為2 000個，以3∶7的比例形成測試集，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了正常工況N1和MVB網(wǎng)絡(luò)故障工況，MVB網(wǎng)絡(luò)故障工況包括電路的性能退化將會導(dǎo)致總線的串聯(lián)阻抗增加電阻故障（N2）和并聯(lián)阻抗的減小的電阻故障（N3）；節(jié)點(diǎn)由于機(jī)械振動等原因?qū)е碌碾娮韫收希∟4）；列車通信網(wǎng)絡(luò)端接口電阻缺失故障（N5）。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將3種方法應(yīng)用到同批次MVB連接器電阻進(jìn)行故障診斷，得到的具體時間如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果 （單位：s）

由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3種方法監(jiān)測正常情況的時間相同，但遇到故障區(qū)域本文設(shè)計的方法所耗時間明顯少于其他2種方法，因此可以證明本文設(shè)計的城市軌道交通地鐵車輛MVB電阻故障診斷方法的有效性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計一種MVB連接器電阻故障診斷方法，希望為故障檢修人員提供數(shù)據(jù)依據(jù)，但是研究過程是在實(shí)驗(yàn)室完成的，只能模擬較少的故障類型，因此仍存在待完善之處。希望在今后的研究中，可重新加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)處理的能力。本文能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ǖ罔F車輛MVB電阻故障診斷方向的研究提供參考。