和諧型機車專家診斷系統的設計與實現

文/夏忠鍵

1 緒論

近年來，世界范圍內信息化水平的提高已成為鐵路信息技術發展的源動力。國內外鐵路信息化技術主要體現在機車實時跟蹤、綜合調度、車地無線通信、機車遠程監測與故障診斷等系統的研究與應用。

隨著和諧型機車批量投入運用，TCMS、6A等車載系統的完善，3G/4G無線技術、大數據技術、PHM技術的發展，為和諧型機車車載微機數據自動智能分析提供了技術支持。和諧型機車專家診斷系統采用先進的信息技術、大數據技術，將機車控制系統采集的網絡、牽引等關鍵數據進行無線轉儲與分析預警，運用大數據技術開展安全生產規律性、傾向性、關聯性特征分析，深度挖掘設備質量變化趨勢和作業行為標準，研判風險變化，及時發現隱患征兆，指導機務段對機車質量安全的超前防控。

2 系統架構

基于CMD系統的和諧型機車專家診斷系統，由車載數據中心、CMD系統、地面專家系統和地面其他業務系統組成。在車上，通過無線以太網連接牽引變流系統、網絡控制系統等，進行數據采集和轉儲。在機車入庫后，通過CMD系統自動將數據無線下載至地面專家診斷系統服務器，并自動進行數據解析、清洗、診斷、存儲。專家診斷系統客戶端提供界面進行數據展示和數據分析檢索等操作，并與機車整備系統、機車檢修管理信息系統、車號識別系統等進行信息交互，支撐機車的運用、管理和維修。

各系統相關功能如下：

2.1 牽引控制系統、網絡控制系統及其它控制系統

牽引控制系統、網絡控制系統及其它控制系統（如：LKJ、6A系統等）在本方案中主要負責數據采集和記錄功能，并通過以太網與CMD車載系統進行通信，實現實時及歷史數據傳輸和轉儲。

2.2 CMD系統

CMD車載系統在本方案中主要負責接收和處理網絡控制及相關控制系統的實時數據，通過WLAN轉儲至CMD地面系統。CMD地面系統負責接收和儲存車載記錄文件，并將記錄文件傳輸至專家診斷系統后臺數據中心。

2.3 手持無線轉儲系統

手持無線轉儲系統主要針對沒有安裝CMD系統的機型，此類機型無法實現任何數據無線自動下載。手持無線轉儲系統在本方案中主要負責接收和轉儲網絡控制及相關控制系統的記錄文件，通過WLAN轉儲到專家診斷系統后臺數據中心。

2.4 機車整備系統

機車整備系統在本方案中主要負責與專家診斷系統進行接口，包括通過專家診斷系統將機車故障報警信息自動生成“機統-6”并傳輸至整備系統，整備系統處理完畢后再將處置情況反饋至專家診斷系統等。

2.5 檢修管理信息系統

檢修管理信息系統在本方案中主要負責與專家診斷系統進行接口，專家診斷系統通過唯一的物料編碼和序列號查詢部件的裝車歷史記錄，以及歷史檢修記錄。

2.6 車號識別系統

車號識別系統在本方案中主要負責與專家診斷系統進行接口，專家診斷系統通過車號識別系統實時獲取機車出入庫信息，并實時推送給CMD地面系統，保證全部入庫機車數據下載的完整性。

3 功能介紹

專家診斷系統主要分為前端業務應用和后臺處理、算法平臺等部分，其中后臺處理、算法平臺包括數據接入、數據存儲分析、領域知識等，前端業務應用提供各種業務應用模塊，同時支持外部各系統交互。其主要功能包含機車文件轉儲/上傳、數據解析存儲、故障數據清洗、故障診斷、關聯分析、整備提票、故障預警、壽命預測、統計與報表、知識庫、協議解釋器、算法共享、用戶/系統管理等功能，全方位提供對機車數據的分析與運用支持。

3.1 數據的無線轉儲

借助于CMD系統框架，在部署了無線AP的整備場，機車入段時與車號識別系統交互進行車號識別后，通過地面服務器發出下載請求，可以在短時間內將機車車載記錄數據進行快速無線下載。下載的數據包括LDP、AT1、6A、ERM、TCU等文件，根據數據類型可以實現不同來源數據的自動分發，支持除專家系統外的各類數據無線下載。專家系統后臺服務程序須實現自動掃描文件存儲路徑，根據不同車型、不同類型的數據，自動執行解壓、解析、處理操作，并將相應的數據存儲到專家診斷系統數據中心大數據平臺、云平臺、數據庫。

地面軟件可以查看當前正在轉儲的數據文件詳情，包括：文件名、文件類型、下載進度等信息，也可查詢數據歷史轉儲記錄信息。

車地無線傳輸采用UDP協議，其協議框架如表1所示。

3.2 故障數據清洗

專家診斷系統根據機車故障時刻報警數據以及前后相關的故障條目，進行故障智能識別與清洗，屏蔽次生關聯故障信息和庫內檢修試驗故障信息。部分故障可根據機務段相關管理規定自行進行清洗或保留。既定的清洗規則近2000條，清洗率為99.9%，清洗準確率99%，系統可以快速進行識別清洗，提高分析效率，針對機車趟檢數據和臨修數據，清洗規則不同，目前支持的清洗類型如下：

（1）自動開關故障導致的通信類、隔離類等次生關聯故障；

（2）DXM/DIM模塊通信故障導致的開關斷開、隔離類、相應設備故障等次生關聯故障；

（3）變流器器件或電路故障導致的保護性、隔離類等次生關聯故障；

（4）緊急或懲罰等空氣制動導致的牽引封鎖類次生關聯故障。

機車故障數據清洗后，可自動展示該故障前后30條清洗之前的完整故障信息，同時對主故障和次生關聯故障信息以顏色加以區分。故障數據清洗分為兩個類別：

（1）后臺自動清洗。包括自動開關、模塊通信、變流器器件或電路等故障引起的次生關聯故障；緊急或懲罰等空氣制動的引起的次生關聯故障；機車檢修整備或機能試驗引發的次生關聯故障。

（2）前端手動清洗。自動清洗之后的故障信息，用戶可以選擇手動進行二次清洗。

表1：車地無線傳輸協議框架

圖1：濾波電容異常預警

3.3 故障分析與診斷

針對機車出現的故障，系統自動進行故障分析、定位，確定可能的故障原因，并提示相應故障處理措施，指導檢修維護人員等對故障進行處理。同時，分析人員可根據需求對機車故障數據進行專業性深度分析，對故障產生前后的機車性能狀態及機車乘務員故障應急處置過程進行分析。

如變流器故障診斷，專家診斷系統完成了259類牽引變流器故障專家診斷規則開發應用；完成了對10種A類典型故障診斷，牽引系統故障診斷覆蓋面92.3%，準確率90%；完成接觸器、傳感器等10大類、102小類變流器在線故障診斷項點開發應用。

3.4 故障預警

故障預警的目的是在機車故障報警前提前進行預防診斷，是專家診斷系統的核心內容，針對地面WLAN自動下載的EVE事件記錄數據，專家診斷系統通過大量樣本數據，建立機車電氣、機械數學模型，利用大數據挖掘技術，實現離線故障的預警，在對數據的分析中，調用數據庫中的相關模型實現離線故障預警功能，同時進行預警結果推送、相關故障處理措施推送。

而在車上，基于高速實時通訊，通過TCU-PHM板實現牽引系統核心部件在線診斷和預警，實時記錄牽引系統全生命周期海量數據，實現機車在線故障預警功能。

如濾波電容異常預警，其原理是基于高速us級IGBT開關信號，在不增加中間電流傳感器情況下，實現電容器的充放電電流重構，實現直流濾波電容器和二次濾波電容器ESR值實時監測。如圖1所示。

4 總結

該系統集成了和諧型機車控制系統及部件狀態實時監測、機車故障智能診斷等多項功能。系統在設計過程中，充分采用了現代無線網絡通訊技術、機車故障專家診斷技術，為機車檢修、整備提供了一種全新的、信息化的管理模式以及手段。該系統已經在中國鐵路南昌局集團有限公司南昌機務段部署運行，其系統穩定可靠、效果明顯，滿足機務檢修運用管理部門的電力機車日常機車運用、管理和維修需求。

南昌機務段試用期間，研究利用專家診斷系統對機車整備作業機能試驗、修程機車交驗過程進行全覆蓋分析，同時利用該系統自動轉儲下載數據功能，在保證機車數據下載成功率的基礎上，正在探索減少機車數據轉儲分析人員定員的可行性，以實現減員增效的目的。