基于虛擬技術的CAB型機車制動系統的狀態重演與故障診斷*

任宇杰， 查廣軍，李萬新， 葉柏洪， 林 暉

(1 北京縱橫機電技術開發公司, 北京 100094;2 中國鐵路總公司 科技管理部， 北京 100844；3 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

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基于虛擬技術的CAB型機車制動系統的狀態重演與故障診斷*

任宇杰1， 查廣軍2，李萬新3， 葉柏洪3， 林 暉3

(1 北京縱橫機電技術開發公司, 北京 100094;2 中國鐵路總公司 科技管理部， 北京 100844；3 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

介紹了CAB型機車制動系統(CAB)基于虛擬技術的狀態重演系統，此系統創新性的利用CAB事件記錄模塊存儲的數據進行虛擬的CAB狀態回放，變數據為狀態，變抽象為具體，不僅可以用于CAB的技術培訓和產品升級，同時對CAB的故障診斷以及機車的行車事故分析有重大的意義。由此展開，文中介紹了利用狀態重演系統實現的基于狀態重演的故障診斷、基于故障模擬的故障診斷和基于專家系統的故障診斷3種故障診斷的方法。并特別指出基于專家系統的故障診斷方法構建了CAB故障診斷專家數據庫，極大的降低了CAB故障診斷的門檻，可以及時的處理CAB的常見故障，使鐵路運輸秩序得到快速恢復。

制動系統; 故障診斷; 狀態重演; 虛擬技術

無論是高速列車還是重載列車，列車制動都是最為關鍵的技術之一，如果不能保證制動系統的安全和可靠，那鐵路運輸的安全也就無從談起。在此背景下，北京縱橫機電技術開發公司總結市場上已有機車制動機的經驗和教訓，研制開發了新一代完全具有自主知識產權的CAB型機車制動系統。相比目前市場上的制動機，它擁有更高的集成度，更好的靈敏度，更多的冗余度和更強的魯棒性，實現了標準化、模塊化和信息化，為鐵路行業的快速發展提供了強有力的保障。

機車制動機是機、電、氣相結合的控制系統，結構設計和運行邏輯都十分復雜，同時它所處的環境又十分惡劣，電磁、振動、高溫都對其正常運轉造成一定的威脅，僅僅依靠現行的“五步閘”和“八步閘”兩種運行前的檢測手段[1]，很難真正的保證機車制動機的安全正常運行。在實際應用中，因制動機自身故障而造成的機破等嚴重行車事故的事例時有發生。目前已經研發出了很多制動機的故障診斷方法，比如哈爾濱鐵路局齊齊哈爾研究所研制了制動機便攜式檢測儀[2]；北京交通大學研制了機車制動機測試儀[3]；克諾爾針對其CCB系列制動機，國產的DK系列制動機和JZ系列制動機都有自己的故障診斷方法[4]，但是在實際應用中，這些方法都有其使用的局限性，其中普遍的共性就是它們都是“數據式”的故障診斷，即針對記錄的數據進行分析，判斷故障發生的位置和類型，這種分析方法十分抽象，對故障分析人員的專業技術水平要求非常高，不利于各機務段和檢修部門快速判斷制動機故障，也造成了制動機故障維修費用的高昂和維修周期的漫長。針對這一情況，并結合CAB自身高度信息化的特點，使用虛擬技術研發了CAB狀態重演系統和基于此的故障診斷系統，使“數據式”的故障診斷，變成了“狀態式”的故障診斷，變數據為狀態，變抽象為具體，大大降低了制動機故障診斷的門檻，從而降低維修的費用，縮短維修的周期。同時由于CAB記錄了例如司機手柄操作，機車風缸壓力變化等機車關鍵數據，故狀態重演對機車事故分析也大有裨益。

1 CAB狀態重演

制動機在運行過程中狀態在不停的改變，包括各風缸的壓力，繼電器的開合，自閥和單閥的位置，顯示屏的各種顯示等，然而這些狀態都是“現場直播”的，一旦發生改變，就無法再回到上一狀態。那么如果能把制動機工作的“狀態影像”用“錄像機”錄制下來，之后再通過“放映機”播放出來，就可以完整的再現制動機的工作狀態，這不但對相關技術人員的培訓和制動機的技術革新有積極的意義，更對制動機的故障診斷和機車事故分析有重大的意義。那么 “狀態影像”在CAB中是如何體現的？由于CAB是一套高度信息化、數字化的制動系統，其所有模塊的動作都被轉化為數字信息，在制動機內部的網絡上進行廣播，所以在開發人員的眼中，其機械結構仿佛是“透明的”一樣，CAB制動系統仿佛就是各個網絡節點之間的一串串數字，一條條報文。顯然這些數據就是CAB的靈魂，也就是文中提到的“狀態影像”。“錄制”它們，就可以將制動系統的狀態還原。而“錄像機”在CAB設計之初就已經被架設在制動機的內部了，這就是CAB的事件記錄模塊。只要CAB一上電，它就開始工作，將制動系統所有的“狀態影像”“錄制”下來。這樣的影像顯然不可能通過CAB再將其“放映”出來，故本文中提出利用虛擬技術，采用LabVIEW軟件進行編程，在電腦中虛擬了一臺本身不發信號的，只接收和解析信號的CAB制動機系統，它就像是“放映機”一樣，可以把制動系統的工作狀態按原樣在電腦中的CAB上進行重演，回放出制動機在產生這些數據時是如何工作的。圖1展示了本公司開發的CAB狀態重演系統的主界面。

圖1 CAB狀態重演系統主界面

圖1中所示的狀態重演系統主界面主要有顯示部分和控制部分兩大區域組成。顯示部分包括左側制動控制器(EBV)歷史動作的顯示，并分成A端和B端分別顯示；中間上部顯示器模塊(LCDM)歷史動作的顯示，并分成A端和B端分別顯示；中間中部系統控制模塊(SCM)和MVB歷史信號的顯示和右側列車管控制模塊(EBCM)、制動缸控制模塊(BCCM)和單獨控制模塊(ICCM)3個模塊歷史壓力數據的顯示。控制部分則被集中放置在中間下半部分。

程序運行前，在電腦中有一個固定放置數據的文件夾。將要讀取的CAB事件記錄模塊記錄的數據全部都放置到此文件夾中，在程序打開運行時，會自動讀取文件夾中的所有數據文件，并按照數據實際發送至網絡的時間進行排序。當操作人員點擊狀態重演的按鈕時，整個系統就按照數據實際發送的速度對CAB的運行狀態進行重演。遇到需要重點關注的狀態，操作人員可以選擇2倍速的慢放和4倍速的慢放。當然對于大多數的正常數據，可以選擇2倍速的快進和4倍速的快進，快速的瀏覽制動機的工作狀態。為了狀態分析的方便，本系統還可以選擇狀態重演的方向，即可以從前向后重演，也可以從后向前重演，還可以一鍵全部重演和一步一步的分步重演，做到了將CAB的“狀態影像”360°全方位的重演，使得使用人員和研發人員對CAB狀態有一個非常直觀、詳細和全面的了解。圖1顯示了一段數據狀態重演后的界面。可以看到各個模塊此時各自的狀態，其中EBV的B端是非操縱段，只發心跳信息而不發自閥、單閥的位置信息，所以位置信息的圖中沒有數據。

本系統的另一創新之處在于實現了EBV位置的數字化，即把EBV的各個位置結合此操作位產生的制動缸壓力和在EBV實物上的此操作位的實際位置賦予固定的數值，建立一一對應的關系，這樣就可以利用數字圖表的方式將手柄的位置表示出來，實現了EBV操作位的圖形化顯示，提升了狀態重演系統使用者的用戶體驗。EBV操作位的圖形化顯示如圖2所示。

由圖2中的圖形可以清晰的看出自閥(自動控制閥)和單閥(單獨控制閥)的操作歷史。自閥從運轉位推了初制動位，然后又經過3個制動區的位置，推到了全制動位，拉回運轉位后又推了緊急制動，第2次較第一次在全制位(全制動位)后多推了一個抑制位。單閥則是從全制位拉回運轉位后，經過3個制動區的位置推到了全制位，在制動區還拉了一次單緩。最后又拉了運轉位。而且上下兩個圖形的時間也是一一對應的，對比后可以看出單閥在操作時，自閥一直處于運轉位。

圖2 EBV操作位置的圖形化顯示

2 故障診斷

雖然鐵路客車運行安全監控系統(TCDS)可以對運行中的列車進行數據采集、實時監控和故障診斷[5-6]，但是具體到制動系統，其只采集列車管和制動缸的壓力，很難對制動系統的故障有一個全面和準確的診斷，而狀態重演系統中集中了CAB的所有狀態信息，完全具備對其故障進行預判和診斷的條件。所以本系統還開發了故障診斷的功能，具體故障診斷的方式分為3種，分別為基于狀態重演的故障診斷、基于故障模擬的故障診斷和基于專家系統的故障診斷。

2.1 基于狀態重演的故障診斷

基于狀態重演的故障診斷就是以合適的速度對要分析的數據進行狀態重演，有經驗的技術人員對CAB狀態數據進行實時分析，一些常見的或者邏輯簡單的故障可用此方法便可以進行定位。圖3中便是一個異常數據，可以看出在定壓600 kPa的情況下，自閥從緊急位拉到運轉位穩定后，均衡風缸充風，壓力上升并穩定到了595 kPa，而此時列車管的壓力卻保持503 kPa，不在繼續充風。在CAB制動機的設計中，均衡風缸的壓力是列車管壓力的先導壓力，正常工況下兩者間穩定后的壓差不超過10 kPa，所以此時就可以判斷制動系統出現了某些異常情況，比如中繼閥靈敏度降低等。

圖3 EEBCM故障數據

2.2 基于故障模擬的故障診斷

在故障分析的過程中，經常需要進行故障的復制和重現，但是有時由于故障是通過特定邏輯的操作，許多功能模塊共同影響的結果，所以很難進行重現。這時候就可以使用狀態重演系統來使故障重現。在系統主界面的右下角選擇要重現故障的模塊，并將實際的模塊用線纜連接到系統當中，點擊故障模擬按鈕，系統會自動向測試模塊發送其傳感器的數據和其他模塊的網絡數據，同時接收測試模塊的網絡數據，并將發送的數據和接收的數據都在前面板上進行顯示。這樣就完全模擬了測試模塊在故障發生時的網絡環境，使測試模塊最大可能的出現希望重現的故障，進而對模塊進行改進。本項目在實施過程中，就使用這一功能對SCM的一個偶發故障進行了硬件上的重現，從而找到了故障發生的原因并進行了及時的修正。

2.3 基于專家系統的故障診斷

前兩種故障診斷的方法多用于技術人員定位CAB的具體故障，而各機務段和檢修機構的使用人員則更多的關心發生故障后的處理方法，基于此，我們這套狀態重演系統開發了基于專家系統的故障診斷功能。目前應用較廣的故障診斷理論通常有模式識別、故障樹、專家系統、模糊理論和人工神經網絡[7-8]。它們各有特點，適用于各種不同的場合。而制動機在發生故障時，總是表現為確定的故障現象，并可以用EBV數據和壓力數據進行準確的描述，所以可以形成故障數據庫。這使其特別適合使用專家系統理論進行故障診斷。日本新日鐵公司機車車輛故障診斷系統和美國GE公司的DELTA機車故障診斷系統也都使用了專家系統的模式[9]。

在CAB的開發、試驗和在機車上實際應用時，本項目都很重視對常見故障和其解決方法的歸納和總結。將發生過的和預想到可能發生的故障描述為特定類型和格式的數據，并列舉了可能的原因和解決方法，形成故障診斷專家數據庫。當狀態重演系統重演至疑似故障數據時，操作者便可點擊故障識別按鈕，系統就會自動將此時數據在故障診斷專家數據庫中進行比對，尋找匹配度最高的故障數據，并將可能的原因和解決的方法進行列舉。還以圖3中的異常數據為例，當在此界面點擊故障識別按鈕時，系統判斷的制動機故障和解決方法如圖4所示。

圖4 故障診斷專家系統給出的故障分析和解決方法

通過系統將當前數據與故障診斷專家數據庫進行比對，得出的故障信息是均衡風缸與列車管壓差過大，給出的解決方式是更換EBCM模塊，這樣就可以很方便的指導檢修人員對常見的故障進行及時的處理。

3 結 論

介紹了CAB型機車制動系統基于虛擬技術的狀態重演系統，此系統創新性的利用CAB事件記錄模塊存儲的數據進行虛擬的CAB狀態動態回放，把抽象的數據，變成了直觀的狀態，可以使操作人員明確的看到制動機工作的全過程。還可以像看錄影帶一樣，隨意的快進、慢放、前進、后退或者一幀一幀的觀看，不僅可以用于CAB的技術培訓和產品升級，更對CAB的故障診斷甚至機車事故分析有積極的意義。本系統在EBV數據的處理上將手柄位置信息數字化，實現了手柄位置的圖表化顯示。使用CAB狀態重演系統進行故障診斷主要分為基于狀態重演的故障診斷、基于故障模擬的故障診斷和基于專家系統的故障診斷。前兩種方法適用于有經驗的技術人員進行故障的定位和排查，第3種方法使用專家系統的理論，構建CAB故障診斷專家數據庫，極大的降低了CAB故障診斷的門檻，方便CAB的使用者及時地排除故障，恢復正常地運輸秩序。

[1] 中華人民共和國鐵道部，機車操作規程[S].2000.

[2] 王鳳和. JZ-7型機車制動系統工況檢測技術的研究[J]. 內燃機車，1994，(7)：38-43.

[3] 廖 芳，杜永平. 便攜式機車制動檢測儀的研制[J]. 中國儀器儀表，2003，(5)：18-20.

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[7] 王冬梅，王 黎，張濤. 鐵路機車故障診斷專家系統的設計[J]. 微計算機信息，2006，22(10)：144-152.

[8] 郭其一，烏正康，陳永生. 基于智能技術的機車故障診斷研究[J]. 鐵道學報，1996，18(4)：221-223.

[9] 劉瑞楊，楊 京. 鐵路客車運行安全監控系統(TCDS)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1994.

The Duty Reappearance and Fault Diagnosis of CAB Based on Virtualization Technology

RENYujie1，ZHAGuangjun2,LIWanxin3,YEBaihong3，LINHui3

(1 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China;2 Science and Technology Department, China Railway, Beijing 100844, China;3 Locomotive & Car Reseaarch Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper presents a duty reappearance system of a new locomotive braking system named CAB based on virtualization technology. The running data from record module of CAB is used to carry on this work. The system can playback the data on a virtual CAB in the computer. This innovation is not only beneficial to the production training and technology update of CAB, but also significant meaningful to its fault diagnosis. Based on the duty reappearance system, a fault diagnosis system is developed. It can locate the fault uses three different approaches, includes duty reappearance, fault repeat and expert system. Especially, in the expert system, an expert database of fault diagnosis is established to simplify the maintenance of CAB.

braking system; fault diagnosis; duty reappear; virtualization technology

*中國鐵路總公司科技研究開發項目(2014J003-E)

??)男，助理研究員(

2016-05-13)

1008-7842 (2016) 05-0069-05

U260.35

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.15