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摘要:繪制了地鐵牽引控制單元TCU的故障機(jī)理圖,并對(duì)其進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果與TCU系統(tǒng)的特性,建立了以多重復(fù)合函數(shù)為基礎(chǔ)的故障診斷數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)故障診斷過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,提高了診斷效率。根據(jù)該模型建立的專家系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中起到了良好的效果。

關(guān)鍵詞:牽引控制單元;故障診斷;數(shù)學(xué)模型;相對(duì)隸屬度

前言

TCU(牽引控制單元)是一種用于鐵路機(jī)車的模塊化微處理器控制單元。它是SIBAS32系統(tǒng)(Siemens32位微型處理器的列車自動(dòng)系統(tǒng))的重要組成部分。TCU被用來(lái)控制電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備,其作用是實(shí)現(xiàn)合理有效的牽引和制動(dòng)。作為機(jī)車控制的重要組成部分,TCU必須長(zhǎng)期保持安全平穩(wěn)的工作狀態(tài)。因此,對(duì)TCU進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)、迅速排除故障是鐵路機(jī)車公司的重要任務(wù)。這其中,最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是進(jìn)行故障診斷,即在故障發(fā)生之后迅速找到故障癥結(jié)之所在,這樣才能迅速排除故障。

現(xiàn)有的故障診斷方法,概括起來(lái)主要分為三大類:

(1)基于數(shù)學(xué)模型的診斷方法[1],指在建立診斷對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,按一定的數(shù)學(xué)方法對(duì)被測(cè)信息進(jìn)行處理診斷,文獻(xiàn)[1]對(duì)系統(tǒng)建模并作結(jié)構(gòu)分解,將對(duì)系統(tǒng)的診斷置于對(duì)子系統(tǒng)的診斷之上;

(2)基于信號(hào)處理的診斷方法。通常是利用信號(hào)模型,如相關(guān)函數(shù)、頻譜、小波變換等,直接分析可測(cè)信號(hào),提取諸如方差、幅值、頻率等特征值,從而檢測(cè)出故障;

(3)基于人工智能的診斷方法[3-6]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得基于知識(shí)的故障診斷方法應(yīng)運(yùn)而生,文獻(xiàn)[3]提出了綜合模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能化方法,用以故障診斷和監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用遺傳算法構(gòu)造分類學(xué)習(xí)器以進(jìn)行電力傳輸網(wǎng)絡(luò)故障的在線診斷。

文章以牽引控制單元TCU故障機(jī)理圖為出發(fā)點(diǎn),建立其故障診斷的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行診斷優(yōu)化,最后用專家系統(tǒng)的形式把知識(shí)集成地表達(dá)出來(lái)。

1系統(tǒng)分析

TCU系統(tǒng)由軟件部分和硬件部分組成,一般運(yùn)行情況下,軟件部分具有極高的可靠性,所以整個(gè)故障診斷的工作主要集中于硬件部分。SIBAS32系統(tǒng)TCU硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1TCU系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2狀態(tài)監(jiān)測(cè)

SIBAS32系統(tǒng)自帶一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元,在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元提示系統(tǒng)出錯(cuò),給出故障代碼(數(shù)值在1～317之間,表示某個(gè)故障事件的發(fā)生)。同時(shí)監(jiān)測(cè)單元提供7個(gè)邏輯字、2個(gè)控制字和2個(gè)狀態(tài)字,每個(gè)信號(hào)字由4位16進(jìn)制數(shù)表示,表示故障發(fā)生時(shí)機(jī)車的軟硬件輸入輸出的狀態(tài)。故障代碼只能描述故障現(xiàn)象,它和信號(hào)字一樣,對(duì)于故障診斷起到很好的輔助作用,但憑借系統(tǒng)自帶的狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到提供故障診斷所需要的全部信息的要求。

3建立數(shù)學(xué)模型

通過(guò)繪制TCU系統(tǒng)的故障機(jī)理圖,我們可以完整地分析所有可能引起某個(gè)故障事件發(fā)生的全部故障原因,并且可以歸納得到進(jìn)行故障診斷的數(shù)學(xué)模型。下面以代碼為118的故障事件機(jī)理圖為例,分析故障產(chǎn)生的原因并根據(jù)分析建立應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)的診斷數(shù)學(xué)模型。

整張機(jī)理圖由信號(hào)和對(duì)信號(hào)的處理兩部分組成,其中信號(hào)分為原始信號(hào)、中間信號(hào)和最終信號(hào)。原始信號(hào)與硬件直接聯(lián)系,是不可再分割和細(xì)化的。原始信號(hào)的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致中間信號(hào)的錯(cuò)誤,逐層傳遞,導(dǎo)致最終信號(hào)錯(cuò)誤,錯(cuò)誤的最終信號(hào)傳入診斷模塊,輸出故障代碼。原始信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤意味著特定的傳感器失效或者與之聯(lián)系的硬件發(fā)生故障,這就是我們想搜尋的故障原因,找尋到錯(cuò)誤的原始信號(hào)就意味著故障診斷過(guò)程的結(jié)束。

圖2是故障118機(jī)理圖的一部分,分析如下:

＄BFNOTBR信號(hào)代表數(shù)字量,意思為是否執(zhí)行緊急制動(dòng),1代表是,0代表不是,設(shè)為x1;＄HBRANF信號(hào)代表數(shù)字量,意思為系統(tǒng)是否支持制動(dòng)請(qǐng)求,1代表是,0代表不是,設(shè)為x2;＄MBRGEL信號(hào)代表數(shù)字量,意思為是否釋放所有制動(dòng),1代表是,0代表不是,設(shè)為x3;＄VI-ERSX代表模擬量,意思為最大默認(rèn)速度,設(shè)為x4,輸入到信號(hào)處理模塊中與閥值比較后,根據(jù)邏輯結(jié)果輸出數(shù)字量;x1,x2,x3,x4就是前面所說(shuō)的原始信號(hào)。信號(hào)FG-WEI與FG-SCH為中間信號(hào)量,代表系統(tǒng)模塊化狀態(tài),分別設(shè)為y1和y2。x1,x2,x3經(jīng)過(guò)處理過(guò)程P1,輸出y1,即y1=P1(x1,x2,x3)。x4經(jīng)過(guò)處理過(guò)程P2,輸出y2,即y2=p2(x4)。信號(hào)FG-NKL為中間信號(hào),代表該塊子系統(tǒng)是否發(fā)生故障,設(shè)為z1。中間信號(hào)z1可表示為y1,y2的函數(shù),即z1=P′(y1,y2)?！鏤WDN1-A代表電機(jī)1速度監(jiān)測(cè)(dn/dtmonitoringN1-A),設(shè)為x5,UWN1A-KL為中間信號(hào),設(shè)為z2,z2可表示z1和x5的函數(shù),即z2=2P′(z1,x5)。將前述各式代入其中,有:z2=p3(x1,x2,x3,x4,x5)。從機(jī)理圖中可知,如果x1,?,x5發(fā)生故障且故障在015s內(nèi)不能消失,系統(tǒng)將把故障信號(hào)傳遞到。根據(jù)以上對(duì)故障機(jī)理圖的分析,我們把原始信號(hào)看作自變量,把信號(hào)處理模塊看作函數(shù),把中間信號(hào)和最終信號(hào)看作應(yīng)變量。對(duì)于某個(gè)確定的故障,分析其故障機(jī)理圖,設(shè)最終信號(hào)為K,與系統(tǒng)硬件直接聯(lián)系的初始信號(hào)為(x1,x2,x3,?,xn),它們之間的關(guān)系用函數(shù)表示如下:K=F(x1,x2,x3,xn)。由于引起系統(tǒng)故障的原因眾多,故障機(jī)理極其復(fù)雜,事實(shí)上,求得這樣的函數(shù)F既不必要也不現(xiàn)實(shí)。根據(jù)故障的傳遞性和故障機(jī)理圖具有分支結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),借助中間信號(hào)就可以比較容易地解決這個(gè)問(wèn)題。為此構(gòu)造多重復(fù)合函數(shù),設(shè)存在中間變量f1,f2,f3,f4,fm,使得K=F′(f1,f2,f3,f4,?,fm),其中fi(i=1,2,,m)代表第一級(jí)中間信號(hào),而fi=Li(li,1,li,2,li,3,li,j),li,1,li,2,li,3,li4,j代表第二級(jí)中間信號(hào)。依次類推,直到中間信號(hào)全部用初始信號(hào)表示為止,即:Pi=(xi,1,xi,2,?,xi,k)。由于系統(tǒng)分支結(jié)構(gòu)的不確定性,有的時(shí)候中間信號(hào)與原始信號(hào)在同一個(gè)函數(shù)中作為自變量。在這樣的分支結(jié)構(gòu)中,原始信號(hào)的錯(cuò)誤(物理故障的發(fā)生)導(dǎo)致各層中間信號(hào)的錯(cuò)誤,層層傳遞,最終導(dǎo)致故障事件的發(fā)生。故障診斷的過(guò)程是層層逆推的過(guò)程,由于故障事件發(fā)生,最終信號(hào)K的值發(fā)生錯(cuò)誤,則在中間信號(hào)中f1,f2,f3,f4,?fm必然存在fi產(chǎn)生錯(cuò)誤,進(jìn)一步考慮通中間信號(hào)fi所在的分支,進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)與比較,最終可推斷出由于某初始信號(hào)xi的錯(cuò)誤導(dǎo)致了故障事件的發(fā)生。中間信號(hào)可通過(guò)函數(shù)分析的方法得到其在安全無(wú)故障狀態(tài)時(shí)的參考值。有些情況下,完全從數(shù)學(xué)方面

3解釋某信號(hào)處理模塊的作用比較困難,可通過(guò)檢測(cè)正常狀態(tài)下的輸出信號(hào),作為故障檢測(cè)室的參考量,與發(fā)生故障時(shí)的值進(jìn)行比較,中間信號(hào)沒有錯(cuò)誤則可排除整個(gè)該分支發(fā)生故障的可能,中間信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤說(shuō)明該分支必然有故障。

4故障事件的相對(duì)隸屬度

很多時(shí)候,故障事件之間存在著內(nèi)在機(jī)理上的圖2118故障機(jī)理圖截取示意圖聯(lián)系,初始信號(hào)的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致不止一個(gè)故障事件的發(fā)生。所以,綜合考察同一時(shí)候一起發(fā)生的多個(gè)故障事件,優(yōu)先考慮能同時(shí)引起多個(gè)故障事件發(fā)生的故障原因,可以提高診斷效率,起到很好的診斷效果。這里我們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的相對(duì)隸屬度的概念來(lái)說(shuō)明故障事件之間的聯(lián)系。假設(shè)產(chǎn)生故障a的故障原因事件為:x1,x2,x3,?,xj,?,xm-1,xm,產(chǎn)生故障b的故障原因事件為:x1,x2,x3,?,xj,xm+1?,xn-1,xn,設(shè)故障a與故障b的相對(duì)隸屬度為ρa(bǔ)b,令a=mj,b=j+nj-m,取ρa(bǔ)b=max(a,b),當(dāng)故障a與故障b同時(shí)發(fā)生的時(shí)候,首先考察是否因?yàn)楣餐墓收显蚴录i∈(x1,x2,x3,?xj)(i=1,2,?j)導(dǎo)致了故障a與故障b發(fā)生。在多個(gè)故障事件同時(shí)發(fā)生的時(shí)候,兩兩比較故障之間的相對(duì)隸屬度,選擇其中最大的ρ,優(yōu)先進(jìn)行故障診斷。下面以實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常同時(shí)發(fā)生的故障225(線路接觸器關(guān)閉監(jiān)控)和228(運(yùn)行中線路接觸器無(wú)法斷開)為例,說(shuō)明考慮相對(duì)隸屬度進(jìn)行綜合診斷的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)故障邏輯圖的分析,我們發(fā)現(xiàn),故障225與故障228同時(shí)發(fā)生時(shí),主要是因?yàn)橐韵聜鞲衅鞴收匣騻鞲衅鞅O(jiān)控對(duì)象故障產(chǎn)生的:＄RMANNSA(Checkbacksignallinecontactor),代表信號(hào)線路接觸器狀態(tài)核對(duì);＄QTNS-A(Acknowledgelinecontactor),代表應(yīng)答線路接觸器狀態(tài)檢測(cè)。由此得知,在故障225和故障228同時(shí)產(chǎn)生的時(shí)候,最有可能的故障原因是線路接觸器的主觸頭或者輔助觸頭燒結(jié)。

5專家系統(tǒng)

根據(jù)上面建立的數(shù)學(xué)模型和對(duì)各個(gè)故障事件觸發(fā)機(jī)理的分析,我們可以用專家系統(tǒng)的形式把歸納總結(jié)得到的知識(shí)儲(chǔ)存起來(lái)。根據(jù)故障代碼和信號(hào)檢測(cè)情況,通過(guò)專家系統(tǒng),一步步縮小可能的故障范圍,引導(dǎo)維修人員找到故障原因。以機(jī)車一運(yùn)行故障為例,進(jìn)一步說(shuō)明SIBAS32系統(tǒng)牽引控制單元利用以上數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的情況。機(jī)車發(fā)生故障,獲得故障代碼為245,狀態(tài)字為0208H、000BH,控制字為0980H、2000H,邏輯字為0302H、1842H、F309H、0200H、1A00H、0000H、0003H。診斷結(jié)果為車輛總線傳輸故障,模塊RS485C039不能輸送信號(hào),從而有效地排除了故障。

6結(jié)論

(1)通過(guò)繪制并分析牽引控制單元TCU的故障機(jī)理圖,說(shuō)明了故障信號(hào)的傳輸方法,分析了引發(fā)某個(gè)故障事件的可能的故障原因。

(2)根據(jù)分析結(jié)果,建立了以多重復(fù)合函數(shù)為基礎(chǔ)的故障診斷數(shù)學(xué)模型,將實(shí)際的故障診斷問(wèn)題數(shù)學(xué)化、抽象化。根據(jù)數(shù)學(xué)模型,建立了故障診斷專家系統(tǒng),具備可擴(kuò)展性和自適應(yīng)性。

(3)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的有關(guān)理論對(duì)故障診斷過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,提高了診斷效率。

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