专利名称：轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统。
背景技术：
我国铁路的快速发展，不仅增加了铁路里程和铁路运输总量，也增加了各铁路局所管辖的机车车辆。随着各大中城市城轨交通的发展，地铁轻轨车辆也在迅速增加。这些大量增加的机车车辆型号多样不仅包括了以前的直流韶山系列，也包括了最近上路的交流和谐各型号机车和CRH各型号动车组，还包括各种城轨地铁车辆。为了车辆的运行安全，所有车辆在运行一定时间后，都需要进行检修。现有机车车辆型号众多，但是检修单位的现有检修设备大多都是针对某一车型，某一具体部件。在检修时，工作人员需要不停的更换测试 装备，更换各种测试品，大大增加了检修人员的工作量，增加了检修单位的检修费用，同时也影响了检修的效果，直接威胁到行车和旅客的安全。因此急需一种适应于各种车型，可以对整车所有关键部件进行测试的检测及故障诊断方法及系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统，该轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统通用性好，故障诊断速度快。发明的技术解决方案如下一种轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法，将通过数据采集模块采集的信号输入到故障诊断模块中，得到故障诊断结论；所述的故障诊断模块中设有专家系统规则库，专家系统规则库存储有与故障相关的多条规则；专家系统规则库采用故障树表征各条规则的相互关系；故障诊断过程为基于重要度的数据匹配过程；重要度定义为Pe|T=Pe/PT，其中，P。为最小割集C的发生概率，Pt为故障树顶事件的发生概率；将采集的数据与专家系统规则库中的规则按照重要度从大到小进行匹配；如果匹配成功，则输出匹配结果，给出故障结论；如果遍历整个规则库均无法匹配成功，则表示未发生故障。匹配的过程为比如某一条规则为“规则M :如果电流值大于阈值K，则过流故障”匹配的过程为采集电流值i，将i与K比较，若i>K，则完成匹配，输出结论为“过
流故障”。专家系统规则库的建立方法为专家系统规则库由多棵故障树组成，每一棵故障树分别与一种故障相对应；针对某一故障的故障树的构建方法为获取对于某一故障的故障树的所有最小割集，再将故障树的每一个最小割集转换为知识库中的一条规则，从而形成针对某一故障的一棵故障树；故障树中的上下级节点之间的关系为“与”或“或”的逻辑关系。一种轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断系统，采用前述的轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法进行故障诊断；轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断系统包括数据采集模块和故障诊断模块。数据采集模块包括上位机、交流可调电压源、交流可调电流源和数据采集单元；交流可调电压源和交流可调电流源的输入侧均通过接触器或断路器与交流电源连接，待测设备接交流可调电压源的输出端或交流可调电流源的输出端；数据采集单元用于采集电流传感器信号、电压传感器信号、速度传感器信号、温度传感器信号和压力传感器信号，并将采集的信号传输给上位机。·有益效果本发明的轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统，打破了以往检测设备只能针对某一固定车型，某一固定设备进行检测的传统。它不仅可以对机车几乎所有关键部件(受电弓、高压断路器、高压电压互感器、原边电流互感器、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、辅助变压器、辅助变流器、蓄电池充电机)进行测试，还能对系统进行联合测试，进行故障诊断。而且适用于所有轨道交通车辆，它是一种通用的检测及故障诊断系统及方法。该系统整体上包括关键部件状态检测和故障诊断两部分。关键部件状态检测可以模拟给出机车运行所需主要状态信号，并实时采集关键部件的信息，通过网络发送到主机。整车故障诊断从网络上收集各关键部件发送来的数据，通过特定的诊断算法对机车进行故障诊断。本发明的轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统通用性好，故障诊断速度快。
图I为电源单元整体框图；图2为电源单元及检测部件的具体电路图；图3为数据采集单元的结构框图；图4为检测软件的结构框图；图5为基于故障树和规则专家系统结构框图；图6为基于故障树的规则获取流程图；图7为电流不平衡故障树不意图；图8为电流不平衡故障树简化示意图；图9为框架示意图(图a为框架类别为O的框架图，图b为框架类别为I的框架图);图10为字典表数据结构图；图11为电流不平衡诊断知识框架图；图12为规则表示意图；图13为规则条件表示意图14为直接框架表示意图；图15为间接框架表示意图；图16为框架对应判断条件表示意图；图17为规则推理流程图；图18为故障诊断软件系统的各功能模块组成图；图19为专家系统故障诊断流程图；图20为I压缩机故障树示意图；图21为I压缩机故障规则库示意图；
图22为I压缩机故障规则条件库示意图。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明实施例I :轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断系统的硬件平台主要由电源单元，信号输入和输出单元。电源单元电源单元整体框图如图I所示。整个系统采用三相四线制交流供电。依据机车电源特点，电源进线分别为大功率交流电源和大功率直流电源提供电源。大功率交流电源在实际使用环境中，机车供电电源采用单相25kV供电，允许电压波动范围为最低19kV最高31kV。因此该大功率交流电源设计为带多路输出的调压变压器，用户可根据测试需要通过上位机调节该交流电源的输出电压(调压范围为(T35kV)，电源内的传感器将输出的电压实时反馈给上位机。该电源不仅可以满足主变压器的测试需求，还可以为用户提供真空断路器，高压电压互感器等高压电器的检测。大功率直流电源交流机车中，变流器分为交流环节和直流环节，在检测中，不仅需要提供交流电源输入，还需要提供直流电源以供检测直流环节。机车控制电源由蓄电池充电机供给，由于车型的不同，充电机型号也不一样，输入的电源也分为直流和交流，因此需要系统提供直流电源。用户通过上位机可控制电源电压的大小，同时电源单元的传感器也将电压电流等信号反馈给上位机，实现闭环控制。电源单元的具体电路如图2所示。其中QFl为主断路器，PT为电压传感器，TA为电流传感器。两者采集到的数据都将通过屏蔽线接入PXI机箱进行数据采集，采集到的数据将通过PXI机箱与上位机之间的PCI总线传输给上位机，以供检测软件和故障诊断软件调用。为了实现电源的可控，用户可以通过上位机发送信号给PXI机箱输出控制信号，控制信号经过输出调理输出控制电源电压。数据输入输出单元如图3所示，数据采集单元由输入输出调理单元、PXI机箱(含数据采集卡)和列车网络通信单元组成。数据输入输出的类型主要包括模拟量输出、数字量输出(其中包括PWM输出)、列车通信网络输出。主要为电流传感器信号、电压传感器信号、速度传感器信号、温度传感器信号和压力传感器信号。机车的各关键部件在正常工作时，并不是一个单独的个体，而是需要与其他的单元进行通信，协调配合。在检测的时候为了尽量模拟正常工况，需要检测系统输出相应的信号给被测部件，模拟与被测设备相关的部件。同时被测设备产生的输出信号需要系统采集反馈回系统上位机，通过机车固有的控制算法对信号进行处理，形成闭环反馈。同时为了现实检测过程中对被测部件的控制和故障诊断，需要提供部件检测时与之相关的数据，因此在检测时我们还需要利用系统的传感器采集相关的数据。被测部件输出的信号和传感器输出的信号经过信号调理单元转换后均转换为0_5v的直流信号可以直接输入PXI机箱用数据采集卡采集。PXI机箱采集的数据均通过PCI桥将数据发送到上位机。被测部件如需进行网络通信，则可以将信号发送到列车通信网络单元，列车通信网络单元通过以太网将信号传输给上位机。上位机通过模拟列车的控制程序根据输入的数据，做出决策，并通过列车网络单元和PXI机箱输出控制命令和控制信号。由于PXI机箱输出的信号并不能完全匹配部件所需的信号，因此它输出的信号还需经过输出信号调理单元，转换为和被测部件匹配的信号。整个过程为闭环控制。软件部分软件主要由检测软件部分和故障诊断部分构成。 检测软件采用Iabview和Vc综合编程。主要包含数据采集配置、数据流程配置、用户界面配置和测试数据管理。依据试验进行的步骤，需要先建立测试工程。在工程中，先要进行数据采集卡的各项配置，在配置中应当设置采集卡的采样率等项目，并将物理通道和信号名对应。根据用户需要进行测试流程配置，添加试验步骤，试验条件，试验数据。完成配置后，调用测试用户界面，根据不同的车型，不同的被测部件建立模型并调用相应的配置文件即可进行试验。如果需要保存实验测试数据，在实验前，还需对测试数据存储规则进行设置。功能说明数据采集配置是用户完成数据采集卡硬件通道属性配置，建立与测试程序的对应接口的子模块。当每次检测的被测品不同时，用户可以灵活的对数据采集卡的通道和用户需要的信号名进行映射，用户也可通过调用以往的配置文件，修改完成采集任务配置。当用户配置完成后将在子模块功能配置区内显示已有配置文件中的通道配置信息。测试流程配置。在此模块中用户可以根据不同车型不同被测部件的检测实验大纲设定实验步骤，通过调用之前设置好的相对应的数据采集通道，选取需要的通道添加到流程测试列表中。用户界面配置。用户根据不同车型不同被测部件配置相应的测试界面，用户可根据车型建立网络模块分布模型，显示各模块在车上的具体位置。同时保存界面提高界面的可重用性和移植性，并可生成独立的测试界面。在用户界面中通过调用配置好的测试流程列表，按照用户预设的流程进行检测，用户也可以通过点击配置好的车型模型，单独对某一部件进行测试。同时在此界面还可以调用网络助手，查看网络上的实时数据。故障诊断系统整车故障诊断专家系统基本思路故障树分析以前主要应用于分析系统故障原因，计算系统的可靠度，以优化系统设计，因此，在系统可靠性分析与设计中得到广泛应用。近年来，利用故障树模型进行故障源搜寻的研究引起了极大关注。由于故障树易于分析事件，而基于规则的专家系统匹配推理直观速快，因此，本方法以故障树来分析和获取知识，以规则匹配来进行推理的诊断专家系统，其结构如图5所示。
I、基于故障树的规则获取故障树定性分析的目标是寻找导致顶事件发生的故障源，即故障树的底事件组合，识别导致顶事件发生的所有故障模式。最常用的方法是寻找对象故障树的所有最小割集，再将故障树的每一个最小割集转换为知识库中的一条规则，其基本步骤如图6。由上可知，求出故障树最小割集是获取专家系统规则的关键所在。常采用由上而下的故障树搜寻法来求解故障树最小割集，其具体操作步骤是因逻辑“与”门增加的是最小割集中底事件个数，对于规则来说，一个与门有多少个输入，那么相对应的规则的条件数就有多少个。逻辑“或”门增加的是故障树最小割集个数，即一个或门有多少个输入，那么就有多少条相对应的规则，因此要通过故障树获取最小割集，可采取从上到下遇到“与”门就将“与”门下面所有的输入事件排成一行，遇到“或”门就把“或”门下面所有事件排成一列。依此类推，直到不能分解。下面以牵引电机电流不平衡故障树为例来获取相应故障诊断专家规则。电流不平衡故障树如图7所示。其编码简化形式如图8所示。
首先按自上而下搜索法，获取故障树的全部最小割集为(B003600010001)，(B003600010002) , (B003600020003) , (B003600020004) , (B003600020005)，(B003600010006) , (B003600030007) , (B003600030008) , (B003600030009)，(B003600020010), (B003600020011)，可以看出，由于在故障树中，节点之间都是或逻辑关系，所以每一个叶子节点都构成一个最小割集，共11个。因此可得牵引电机电流不平衡专家规则如下(I)IF B003600010001 THEN F0036 ；(2)IF B003600010002 THEN F0036 ；(3)IF B003600010003 THEN F0036 ；.....................(Il)IF B003600020011 THEN R)036 ;共11条。通过同样的方法，可获取电力机
车电气部分其他故障专家规则。本系统的专家规则是利用计算机程序去分析故障树自动获取，并保存在规则表中，供故障诊断推理机利用。为了描述故障树各最小割集对顶事件发生所作的贡献的大小，可将最小割集重要度定义为Pc1t PC|T = VjV1 (3-1)式(3-1)中P。为最小割集C的发生概率，PtS故障树顶事件的发生概率。最小割集重要度匕^实际含义是最小割集概率占故障树顶事件概率的百分比。由于最小割集中各底事件是相互独立的、互不相容的事件，由概率统计学，可知P。为最小割集中各底事件概率的乘积。现在仍然以牵引电机电流不平衡故障树为例，详细介绍如何计算故障树最小割集的重要度。假设各底事件的概率值如表4。本论文中的概率值的设定有两种方法一是领域专家通过知识库管理人机对话界面人为设定；二是通过对故障历史记录信息进行统计，计算出各底事件发生的概率。表4底事件概率表
权利要求
1.一种轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法，其特征在于，将通过数据采集模块采集的信号输入到故障诊断模块中，得到故障诊断结论； 所述的故障诊断模块中设有专家系统规则库，专家系统规则库存储有与故障相关的多条规则；专家系统规则库采用故障树表征各条规则的相互关系； 故障诊断过程为基于重要度的数据匹配过程； 重要度定义为Pe|T = Pe/PT，其中，P。为最小割集C的发生概率，Pt为故障树顶事件的发生概率； 将采集的数据与专家系统规则库中的规则按照重要度从大到小进行匹配；如果匹配成功，则输出匹配结果，给出故障结论； 如果遍历整个规则库均无法匹配成功，则表示未发生故障。
2.根据权利要求I所述的轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法，其特征在于，专家系统规则库的建立方法为 专家系统规则库由多棵故障树组成，每一棵故障树分别与一种故障相对应； 针对某一故障的故障树的构建方法为获取对于某一故障的故障树的所有最小割集，再将故障树的每一个最小割集转换为知识库中的一条规则，从而形成针对某一故障的一棵故障树； 故障树中的上下级节点之间的关系为“与”或“或”的逻辑关系。
3.—种轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断系统，其特征在于，采用权利要求I或2所述的轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法进行故障诊断； 轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断系统包括数据采集模块和故障诊断模块。
4.根据权利要求I所述的轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断系统，其特征在于，数据采集模块包括上位机、交流可调电压源、交流可调电流源和数据采集单元； 交流可调电压源和交流可调电流源的输入侧均通过接触器或断路器与交流电源连接，待测设备接交流可调电压源的输出端或交流可调电流源的输出端； 数据采集单元用于采集电流传感器信号、电压传感器信号、速度传感器信号、温度传感器信号和压力传感器信号，并将采集的信号传输给上位机。
全文摘要
本发明公开了一种轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统。该方法为将通过数据采集模块采集的信号输入到故障诊断模块中，得到故障诊断结论；所述的故障诊断模块中设有专家系统规则库，专家系统规则库存储有与故障相关的多条规则；专家系统规则库采用故障树表征各条规则的相互关系；故障诊断过程为基于重要度的数据匹配过程；将采集的数据与专家系统规则库中的规则按照重要度从大到小进行匹配；如果匹配成功，则输出匹配结果，给出故障结论；如果遍历整个规则库均无法匹配成功，则表示未发生故障。该轨道交通车辆装备通用检测及故障诊断方法及系统通用性好，故障诊断速度快。
文档编号G01R31/00GK102879680SQ20121036341
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者成庶, 丁荣军, 付强, 向超群, 陈雅婷, 于天剑, 陈特放, 李蔚 申请人:中南大学