淺談CCBⅡ制動系統故障診斷技術

摘 要：以機車制動系統為研究對象，在對常用故障診斷方法進行分析的基礎上，研究基于解析冗余方法的故障診斷技術，確定制動系統故障診斷方案，并以CCBII制動機自動制動功能模型為例，討論基于等價空間解析冗余方法的制動系統故障診斷技術。

關鍵詞：CCBII制動機；故障診斷；解析冗余方法；等價空間方法

引言

制動機是機車運行、制動的執行部件，其性能的優劣直接決定著機車能否安全平穩運行。CCBII制動機是新一代基于網絡的電空制動系統，其控制準確性高、反應靈敏、安全性高，被廣泛應用于中國鐵路重載貨運運輸中。CCBII制動機由電氣控制單元EPCU、中央處理模塊IPM、電子制動閥EBV、繼電器中繼模塊RIM和機車司機顯示模塊LCDM組成，通過模塊間的組合來實現特定功能。為保證制動機的正常運行，其利用網絡對各模塊交換信息，并采用冗余設計實現重要功能。CCBII制動機部件高度集成化的設計思想對其日常維護與保養帶來了一定的挑戰，一旦制動機發生故障，檢修人員單靠日常維修經驗及行車日志等來追尋故障信息，很難快速對故障準確定位，因此，對于CCBII制動機故障診斷策略的研究較為迫切。文章首先分析制動系統故障診斷的方法，然后討論基于解析冗余方法的制動系統故障診斷，最后研究CCBII制動系統故障診斷技術。

1 機車制動系統故障診斷方法

在減小事故風險以及提升系統安全性和可靠性等方面，故障診斷技術是一種行之有效的途徑，該技術可以對系統中所發生的故障進行監測、識別和分離，即在設備運行中判別故障是否發生，如若發生可甄別故障類型，故障所發生的時間、位置等信息。隨著神經網絡技術的發展，自我學習分析能力越來越強，故障診斷應用范圍越來越廣，故障診斷技術也向著多種監測診斷技術相配合、狀態監測和故障預測同時進行的方向發展[1]。

在鐵路行車安全保障體系結構中，機車制動機狀態檢測和診斷系統是重要組成部分之一。對于機車制動系統故障診斷，一方面包括對制動系統的運行狀態進行實時監測，另一方面包括在發生異常情況后對制動系統的故障進行分析診斷，主要通過車載設備和地面設備等實現[2]。在對機車制動系統進行故障監測和診斷過程中，主要跟蹤監測列車制動機運行狀態參數，通過篩選獲得有效數據，從而查找、判別制動系統是否存在故障，若存在故障則及時發出相應預警信息，確保行車安全。故障診斷方法包括基于模型的方法、基于知識的方法和基于信號處理的方法，隨著建模方法的不斷成熟，數學方程可用來描述復雜的制動系統模型，而工程實踐中也越來越多地引入基于模型的故障診斷方法。就機車制動系統而言，基于硬件冗余關系的故障診斷方法和基于解析冗余的診斷方法均能實現基于模型方法的機車制動系統故障診斷，而后者應用軟件即可解析變量之間的關系，診斷成本低，且避免了硬件冗余關系中多傳感器測量的共性故障，可靠性較高。

2 基于解析冗余方法的制動系統故障診斷

對于基于解析冗余診斷方法的機車制動系統故障診斷系統，其基本思想是根據解析冗余關系殘差值對制動系統信息建立觀測特性，將故障特征與觀測特征進行分析，模型系統將產生的信號與實際測量信號的差值生成殘差向量，進而對殘差序列統計分析，實現對制動系統故障的監測和診斷。該診斷方法如圖1所示。

由圖1可知，想要實現基于解析冗余方法的制動系統故障診斷，首先要生成殘差，將系統的實際輸出與數學模型進行比對從而得到制動系統輸出的殘差值；然后對殘差進行評估，利用殘差處理與關聯的殘差邏輯，將系統輸出的殘差值與系統故障建立聯系，經綜合分析以即可得到制動系統的故障診斷信息。

依據不同原理，基于解析冗余的故障診斷可分為三類：等價空間方法、觀測器方法和參數估計方法[3]。對傳感器和執行器故障進行診斷，等價空間方法可同步進行，且無需預先提供針對額外功能的先驗知識，同時可利用多種方式生成基本殘差，設計自由度較強，通過對正交化故障到殘差的轉換矩陣，得到與特定故障對應的殘差序列。該方法下，殘差序列的生成過程不需要擔心濾波器或觀測器等設備帶來的誤差，準確度高、性能較好，因此，等價空間方法得到廣泛應用，對于CCBII制動系統故障診斷，擬采用該方法制定診斷方案。

3 CCBⅡ制動機故障診斷方案

根據以上分析，確定基于等價空間方法的CCBII制動系統故障診斷方案。在已有制動系統數學模型基礎上，分析系統傳感輸出和系統變量之間的解析關系，對系統進行參數估計或狀態評估，進而將診斷系統估計狀態與制動機實際系統信息對比生成殘差信息，最后依據殘差信息作出故障診斷。為了得到CCBII制動系統的數學模型，根據其功能建立三個模型，即后備制動功能模型、單獨制動功能模型和自動制動功能模型，在進行系統故障診斷時，分別對三個模型進行故障診斷。

以自動制動功能模型為例，如圖2所示，在對該功能模型進行故障診斷時，將自動制動功能模型與實際系統輸出比較產生的殘差，進行閾值判斷，得出的故障特征通過系統功能故障特征矩陣表來判斷故障信息，此過程中需要對以下兩點進行關注：

（1）對于自動制動功能的實際檢測，需要將連續的模擬信號經過采樣、AD轉換等手段轉換成數字量進行處理，同時，需要對連續時間進行離散化，離散方式為周期T的等間隔離散采樣，周期T的選取原則遵循Shannon采樣定理[4]。

（2）實際檢測為多輸出系統，在設計殘差生成器時應有所考慮。每路輸出的信息都代表一定的系統信息，為了得到更多的系統故障信息對每路輸出信息進行獨立的分析。因此，為了消除初始的系統狀態影響，為每個輸出設計狀態矩陣，通過對某幾個殘差的異常變化，查找更多的系統故障。

4 結束語

文章首先分析了機車制動系統故障診斷方法，然后對基于解析冗余方法的制動系統故障診斷技術進行了論述，進而將基于等價空間方法的解析冗余故障診斷技術應用到CCBII制動系統故障診斷中，并以自動制動功能模型為例，給出了故障診斷框架及方案制定中的需要考慮的某些因素，對制動系統故障診斷技術的深入研究具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]丁建波，張忠海，歐長勁.機車制動機故障模糊診斷方法研究[J]. 機電工程，2011，28（3）：301-304.

[2]李 .CCBII制動機故障診斷系統的研制[D].長沙：中南大學，2012.

[3]陳莉，鐘麥英.奇異模糊系統基于等價空間的故障檢測[J].控制與決策，2011，26（2）：182-186.

[4]Baojia Chen， Zhengjia He，Xuefeng Chen. A demodulating approach based onlocal mean decomposition and its applications in mechanical fault diagnosis[J].Measurement Science and Technology， 2011（22）：1-13.