高速列车牵引传动控制系统故障注入方法及仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法及仿真系统，属于高 速列车牵引传动控制系统故障注入和信号处理等领域。
【背景技术】
[0002] 高速列车的安全运行是高铁运行与发展的首要问题，关乎国计民生，牵动全国人 民的屯、。我国高速铁路发展迅速，形成了具有中国特色的高铁技术体系，总体技术水平和应 用水平居世界领先，但由于高速列车运行时速高、运行环境恶劣W及长期运行可能导致的 元器件老化等为高铁的安全运行带来严重的安全隐患。
[0003] 高速列车牵引传动控制系统，由牵引变压器、牵引变流器、牵引电机和牵引控制器 等子系统构成，属于高速列车运行安全的关键系统之一，也是高速列车高发故障的主要来 源之一。正因为如此，高速列车牵引传动控制系统的任何故障或安全隐患若不能实时诊断 并得到及时正确的处理，都有可能引发连锁事故，甚至导致灾难性后果，造成严重的社会影 响。因此，高速列车牵引传动控制系统能否实现实时故障诊断是确保高速列车安全运行的 关键。
[0004] 故障诊断是一种重要的复杂系统可靠安全运行的监测技术，其理论研究成果丰 富。但目前针对高速列车牵引传动控制系统故障诊断主要集中在对单个器件或子系统的单 一故障的诊断研究，缺乏对单一故障传播机理、同一器件/子系统的多故障、不同器件/子系 统间并发故障等问题的研究，因此，现有故障诊断理论成果难W直接应用于高速列车牵引 控制系统，无法解决高速列车实际运行时可能出现的传播、并发等复杂故障的实时准确快 速检测与诊断问题。其中关键原因之一，就是缺乏一个面向高速列车牵引传动控制系统能 够实现对系统不同故障类型及其传播、并发等复杂故障模拟的子系统级故障诊断应用验证 平台，致使大多研究成果进行实际车载应用验证时，会出现误报率高、实时性差和技术可移 植性低等问题，而难W成功应用到实际高速列车运行监测中。
[0005] 故障注入作为一种重要的安全测试和故障诊断验证的技术手段，其研究可W追溯 到上世纪70年代，国内外对于故障注入的研究与应用随着技术的成熟逐渐扩展到各个领 域。高速列车牵引传动系统作为一个集成度高、关联性强、多功能的复杂系统，所需电气设 备种类较多，且可能发生的故障类型繁多机理复杂。现有的高速列车应用验证平台大多W 模拟、仿真、验证高速列车正常运行行为为主要目标，可离线、手动简单模拟仿真某些子系 统内或功能模块内的异常工况，W及"故障导向安全"机制下的故障-停车行为，缺少系统 级/子系统级的故障注入和协同仿真机制，无法对各种异常或故障的演变、并发故障及其对 整个牵引传动控制系统/子系统运行状况进行模拟。此外，对同一故障类型所采用故障注入 方法的不尽相同，也给故障诊断技术的应用验证和比较带来了困难。因此，急需建立基于统 一基准的牵引传动控制系统子系统级的故障注入方法及仿真系统。
[0006] 针对上述情况，尚未见到合适的解决方案。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法及仿真系统，能为牵 引传动控制系统各子系统不同类型故障的注入/模拟、诊断和容错等技术研究，提供安全、 可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试。
[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009] -种高速列车牵引传动控制系统的故障注入方法，其特征在于，包括W下步骤：
[0010] 步骤一:根据被测对象发生特定故障时的电气信号特性，生成被测对象所需注入 故障的特定故障信号;确定故障注入点的位置；
[0011] 步骤二:将步骤一所生成的特定故障信号与注入点处的注入前正常信号进行信号 调理;生成故障注入后的信号，即故障注入信号；
[0012] 步骤Ξ:将步骤二所生成的故障注入信号替换注入点处的正常信号，注入到步骤 一确定的故障注入点，实现对被测对象的故障注入/模拟。
[0013] 优选地，所述的步骤一中，生成被测对象所需注入故障的特定故障信号具体为：当 启动故障注入时，由故障注入控制器(FIC)选择故障信号（内部)fiN或故障信号（夕F部)f OUT, 作为特定故障信号f( ·)。
[0014] 优选地，所述的步骤二中，包括W下步骤：
[0015] 步骤1:将步骤一所生成的特定故障信号与注入点处的注入前正常信号进行信号 调理;具体地：
[0016] 1.信号运算
[0017] 根据用户需要，将步骤一所生成的特定故障信号f( ·)与注入点处的注入前正常 信号X。进行信号叠加或信号相乘运算，生成中间故障注入信号为：
[001 引 Xn = X0+f( . ) (1)
[0019] 或者；
[0020] Xf2 = Xo*f( · ) (2)
[00別]2.逻辑运算
[0022]将正常信号X。、特定故障信号f( · )W及中间故障注入信号Xfi，Xf2,进行逻辑运算， 选择所需的故障注入信号χ/f:
[002；3] X'f = sel{Xo，f( · )，Xfi，Xf2} (3)
[0024] 式中sel{}表示在X〇、f( · )、Xfi和中选择任一所需的故障注入信号χ/f作为信号 调理的输出。
[0025] 步骤2:确定生成的故障注入信号χ/f是否需要叠加噪声，并生成故障注入信号Xf作 为最终输出：
[0026] Xf = x'f+(化）（4)
[0027] 式中+ (化)表示可根据实际情况和用户需要，选择是否叠加噪声信号化。
[0028] 优选地，所述的步骤Ξ中，信号调理输出的故障注入信号是通过串行接入的方式 注入到被测对象的故障注入点。
[0029] 作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种高速列车牵引传动控制系统的故障 注入系统，包括基于仿真环境构建的牵引传动控制系统主电路和控制策略，W及故障注入 基准所。其中，故障注入基准由牵引变流器故障注入模块(CFI)、牵引电机故障注入模块 (MFI)、传感器故障注入模块(S巧）、牵引控制器TCU故障注入模块(??Ι)组成。
[0030] 优选地，所述的各故障注入模块均包括故障注入控制器(FIC)、信号调理器和噪声 信号发生器Ξ个部分。具体地：
[0031] (1)故障注入控制器(FIC)
[0032] 包括用户指令分配器、信号选择器和故障信号生成器（内部）。
[0033] 用户指令分配器:根据用户命令，确定故障注入点A，确定生成故障信号的来源，确 定输出端A/的信号来源W及是否在其信号上叠加噪声，提供给信号选择器;如故障信号由 内部生成器产生，则确定所需模拟的故障类型及其调理方式，提供给故障信号生成器。
[0034] 信号选择器:根据用户指令分配器提供的命令，输出控制指令至信号调理器和噪 声信号发生器中，控制信号调理器的故障信号输入通道和中间故障注入信号输出的选择， 控制是否叠加噪声信号。
[0035] 故障信号生成器（内部）：受用户指令分配器和信号选择器控制，确定是否经过信 号调理W及如何生成基于信号调理的特定故障信号（内部)flN( ·)。
[0036] 夕F部故障信号foUT( ·)是用户采用自行开发的故障信号生成器(外部)生成的自定 义特定故障信号。
[0037] (2)信号调理器
[0038] 包括信号运算器和逻辑运算器。信号运算器用于将特定故障信号f( ·)与正常信 号Xo进行信号叠加生成Xfi，或进行信号相乘生成Xf2;逻辑运算器用于选择性输出故障注入 信号X' f。
[0039] (3)噪声信号发生器
[0040] 包括噪声信号选择器和噪声信号生成器。噪声信号选择器用于确定故障注入信号 χ/f是否需要叠加噪声。噪声信号生成器用于生成所需要的噪声信号化。
[0041] 经噪声信号发生器后，故障注入模块输出所需的最终故障注入信号Xf。
[0042] 优选地，所述的牵引变流器故障注入模块（CFI)的故障类型包括，功率器件（如 IGBT模块和可控式晶闽管等)和无源元件(如电阻器和电容器等）的失效故障和电气外特性 衰退现象，对应的故障注入信号Xf主要由信号叠加和恒值输出两种方式生成，具体为：
[0043] (1)对于功率器件失效故障，采用叠加方式生成故障注入信号Xf，即（4)式中χ/f选 择Xfi输出，其中特定故障信号f( ·)为：
[0044]
[0045] 式中門表示第j组故障信号的子周期;表示第j组故障信号的触发时刻；τ^ι表示 第j组第i个故障信号的持续时间占整个第j组故障信号子周期門的百分比;CSj为第j组故障 信号的故障状态，当发生开路故障时csj = 0,当发生短路故障时csj = l;W表示第j组中注入 信号的总个数，且W = ceil(y广μ化1)/門Kceil表示向正无穷大取整）。
[0046] (5)式用于模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号，当时，式 中阶跃函数的差值为无穷大，用于模拟永久型故障信号；当时，用于模拟瞬态型故障 信号；当〇<Tji< 1时，用于模拟间歇型故障信号。
[0047] (2)对于功率器件和无源元件出现电气特性衰退现象，