和諧型電力機車故障診斷專家系統構建與應用

李 豫

(中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038)

引言

為滿足鐵路行業高速化、信息化的發展要求，我國通過對國外先進技術的“引進消化吸收再創新”，逐步完成了鐵路干線電力機車由直流傳動向交流傳動的升級換代，形成了HXD1、HXD2、HXD3三大交流傳動電力機車系列，即和諧型電力機車[1]。不同型號和諧型電力機車控制模式雖然有一定差異，但均構建了以總線為基礎的網絡控制系統[2]，具有網絡化、模塊化和智能化的系統整體性特征。機車運行過程中記錄和存儲大量的實時運行狀態和操控數據、以及非正常狀態數據和故障報警信息，若沒有專門的大數據專家系統對其進行綜合分析處理，就無法真正有效地利用這些數據對電力機車的整備與檢修工作進行指導和預判。另外，以網絡集成為中心的和諧型電力機車，傳統的以拆解和分離部件為基礎的檢修已經不能達到預定的目的[3]。運用現代信息技術，設計與實現和諧型電力機車故障診斷專家系統，對和諧型電力機車的車載數據進行組合、整理、提取、分析與處理，形成符合機務部門準確可靠的故障診斷和機車運用狀態數據，為機車整備運用與檢修作業提供科學合理的技術支持。

1 機車故障診斷專家系統構建主要內容

構建機車故障診斷專家系統主要內容及關聯關系如圖1所示。

圖1 和諧型電力機車故障診斷專家系統主要內容及關聯關系

(1)構建和諧型機車的基本網絡控制模型：在盡可能收集資料的基礎上，積累和諧型電力機車的車載數據的存儲位置、對外接口、數據特征、數據構成和數據量大小等資料。詳細分析和研究和諧型電力機車車載數據對外接口的物理特性、鏈路特性、網絡協議和數據通信模式，歸納其相似性和差異性，實現涵蓋和諧型系列電力機車車載數據的下載基礎模型。

(2)構建車載信息管理大數據庫：根據各類數據在結構組成、數量大小、綜合使用可能性、數據積累速度預測和數據縱向使用可能性等，設計和實現多層目錄索引模式和以時間、車型、車號為軸的分層分類數據排列體系。以多層目錄索引模式和分層分類數據排列體系為基礎，結合數據可能的使用方式，設計和實現數據的分布式存儲模式，進而完成對數據管理架構的設計與實現。

(3)創建基礎專家分析邏輯和判斷分析邏輯計算模型方法：根據不同車型的車載數據組成、數據類型、形成模式、構成和數量等，以機車系統控制和運行機制為基礎，結合機車各組成部件的工作機理，構建各類車載數據內部與相互之間的關聯關系，形成與車型相關的判斷分析邏輯，歸集該領域相關專家在實踐中進行故障診斷和狀態分析的經驗積累，分析其內在的關聯關系，形成專家分析邏輯計算方法。

(4)創建車型相關綜合判斷邏輯：研究不同車型機車的總體控制模式和運行機制，結合機車各部件之間的關聯關系，以機車總體運行的技術狀態為目標，以車型相關基礎專家分析邏輯和判斷分析邏輯為基礎，設計和實現車型相關的綜合判斷邏輯，車型相關的綜合判斷邏輯表現為專家分析邏輯、判斷分析邏輯或專家分析邏輯與判斷分析邏輯的混合體。

(5)創建故障診斷與機車運行的技術狀態判定總體計算控制邏輯：設計和實現與車型相關度低的和諧型電力機車故障診斷與機車運行的技術狀態判定總體計算與控制邏輯框架，為完整實現機車的故障診斷結果輸出與機車運行的技術狀態判定提供整體模型，確保最終判定或判斷結果的一致性、完整性、準確性和可靠性等。

(6)創建專家分析邏輯和判斷分析邏輯的形式化描述體系：在分析和研究的基礎上，建立專家分析邏輯和判斷分析邏輯的形式化描述體系，涵蓋所有類型的專家分析邏輯和判斷分析邏輯，并將描述方式各異的專家分析邏輯和判斷分析邏輯用設計的形式化描述體系統一描述處理，為分布式自主運算的實現奠定基礎。

(7)創建數據預處理和分布式分析運算模型：由于車載數據種類多、構成差異大、目錄索引與組織存儲模式影響以及專家分析邏輯和判斷分析邏輯對數據使用范圍與先后的不同，需要對分析運算使用的數據進行預處理，來提高分布式分析運算的效率。分布式分析運算模型的設計和實現主要完成數據預處理過程控制、數據分布式分發、數據運算任務分發、處理結果分層歸集，處理結果沖突化解和處理結果歸總等功能。

(8)創建和諧型電力機車故障診斷專家系統應用場景分析：分析和研究和諧型電力機車故障診斷專家系統的應用場景及其對應的需求模式，構建和諧型電力機車故障專家系統應用場景及對應的需求體系，為針對性設計和實現和諧型電力機車故障專家系統診斷或判定結果呈現提供依據。

(9)創建和諧型電力機車故障專家系統診斷或判定結果呈現體系：根據和諧型電力機車故障專家系統應用場景以對應的需求，構建完整的和諧型電力機車故障專家系統結果呈現體系。

(10)創建數據互聯互通架構：根據鐵總運〔2015〕211號《關于和諧型機車C4及以下修程工裝設備配置的指導意見》，設計與實現通暢交互的和諧型電力機車故障專家系統基礎數據、中間數據和最終判斷或判定結果數據在國鐵集團范圍內從段內、局內和局間數據交互接口，方便各類數據在國鐵集團內部各種應用與共享。

(11)創建在應用實踐的基礎上升級完善的和諧型電力機車故障診斷專家系統：將設計實施完成的和諧型電力機車故障專家系統投放到一定數量的機務段進行實踐檢驗，分析和諧型電力機車故障專家系統分析結果與實際情況的差異，研究并總結差異原因并不斷升級完善和諧型電力機車故障專家系統。

2 系統核心功能模塊

2.1 數據組織與存儲

系統數據組織與存儲功能模塊主要實現將機車車載數據從控制網絡接口獲取的數據，從原始數據狀態轉換為文件檢索與處理需要的格式組織與存儲。在本系統中，根據各車型各類數據的數據塊構成、數據項復合程度等特征，并融合數據預處理、數據分析和基礎數據檢閱的需要，重新構建文件內部結構、形成具有數據文件類的文件間關聯模型及檢索機制。基本數據組織與存儲設計方案如圖2所示。

圖2 數據組織與存儲設計

2.2 數據預處理

單臺機車單次下載的數據一般在幾百MByte到幾GByte或幾十GByte，機務整備或檢修工作實踐中要求故障診斷專家系統應該在數分鐘內完成分析計算。為了提高數據分析判斷邏輯的執行效率，需要對大量的數據文件進行預處理。為了提高數據預處理的有效性與針對性，首先將數據分析判斷邏輯和專家診斷邏輯運算時序區分數據預處理的時序，并根據邏輯判斷處理的實際運行路徑選擇實際需要的數據預處理任務，排除實際判斷處理不需要的路徑和對應的預處理任務。數據預處理方案如圖3所示。

在大量的邏輯分析判式及其復雜的組合判定條件中，只有所有的判定條件都成立時，完整的數據預處理才有必要，一般情況，都有大量的判斷分支不被調用，完整的數據預處理會造成大量的資源浪費，并拉長處理時間。

圖3 數據預處理方案設計

2.3 邏輯分析判斷模塊

邏輯分析判斷模塊的工作基礎是邏輯診斷庫的表、視圖、數據庫函數和存儲過程，同時也包含了車載數據組織邏輯。

HXD1系列、HXD2系列與HXD3系列三個系列共完成2萬余條基礎判定邏輯、3000余條二級組合邏輯，涵蓋系統包含的專家庫和邏輯診斷庫。表1與表2是部分基礎判斷邏輯和二級判斷邏輯。

表1 基礎判斷邏輯(部分)

表2 二級判斷邏輯(部分)

為保證數據分析的效率，數據分析部分將所有分析判斷邏輯都作為獨立的判斷路徑并發運算，設計時確保分析判斷邏輯系統整體的覆蓋所有分析判斷條件和分析判斷分支。邏輯分析判斷模塊方案如圖4所示。

圖4 邏輯分析判斷模塊設計方案

該設計方案可以根據并行的前序運算結果，消除后序中與實際不匹配的判式，雖然邏輯分組設計復雜，但整體處理效率高。

2.4 專家診斷邏輯方案

專家分析規則是和諧大功率機車專家系統的核心，不斷健全、完備和更新的專家分析規則信息庫是和諧大功率機車專家系統有效性的基本條件。

專家分析規則信息庫主要包括兩方面的分析規則，一是分析規則，直接用來分析機車數據，得出機車運行質量結果；二是學習規則，通過分析機車數據，形成專家分析規則。

歸納起來，專家分析規則來源有兩種：第一種為相關專家理論與實踐總結的結果；第二種為數據學習的結果。

專家分析規則(診斷邏輯)形成路線如圖5所示。

圖5 專家分析規則(診斷邏輯)形成路線

3 系統架構

3.1 系統處理架構

機車基本信息識別：以設計完備并不斷更新的機車控制網絡版本庫為基礎，提取各類機車控制網絡具有身份特征的通信狀態和控制信息或過程。

車載數據下載：不同類型的機車、不同的網絡控制部件或模塊、不同的控制邏輯，對應的機車控制狀態、數據通信格式和通信有效數據串不同。機車狀態與控制數據下載圍繞設計和實現的數據通信格式庫，匹配機車網絡控制過程邏輯并具體識別組成控制過程邏輯的所有數據串，實現完整的機車車載數據下載。

數據整理與轉存：數據轉換處理將原始車載數據轉換成便于分析處理或瀏覽查看的可用性強的數據；數據重組是將捕獲的數據根據數據分析需求，按照基本的數據分析邏輯進行重新組合，并按照數據深度分析的要求進行特定格式的轉儲。數據預處理包括：基礎性數據預處理、過程選擇性數據預處理。系統分析及診斷邏輯結構見圖6。

圖6 系統分析及診斷邏輯結構

3.2 邏輯結構

系統自下而上分為三層，分別是涵蓋物理接口具體實現的物理接口層、代表邏輯運算與處理的邏輯運算與分析層以及代表判定結果呈現的應用呈現層。其功能處理邏輯分為相互支撐的三大模塊：接口規范模塊實現車載數據下載物理接口和交互鏈路邏輯；數據處理模塊實現識別運算邏輯、數據交互邏輯和數據組織邏輯；分析判斷模塊實現分析與預處理邏輯、智能學習與深度分析邏輯和判定結果呈現模型。系統總體邏輯結構如圖7所示。

3.3 物理結構

系統由下載器，WIFI網絡，AC控制器、核心交換機、磁盤陣列、數據服務器組、分析服務器組和終端機組成。通過下載器將各類車載數據下載并通過無線網絡傳至數據服務器，并由數據服務器通過分布式計算完成數據的組織、存儲與管理，分析服務器在分布式計算模式下完成和諧型電力機車的故障診斷，并呈現在終端機上。系統物理結構如圖8所示。

圖7 系統總體邏輯結構

4 運用及運用效果

系統已運用或即將運用在多個機務段，包括：貴陽機務段、呼和機務段、西寧折返段、呼和南機務段、重慶機務段、株洲機務段、新豐鎮機務段、寶雞折返段、西安站(改)機務段、迎水橋機務段、嘉峪關機務段、懷化機務段、西寧機務段、福州機務段鷹潭機務段、南昌機務段、長沙機務段等。涵蓋的機車類型包括：HXD1型(包括HXD1、HXD1B、HXD1C、HXD1D與HXD1F 5個型號)、HXD2型(包括HXD2 30T、HXD2 1000、HXD2B與HXD2F4個型號)、HXD3型(包括HXD3、HXD3B、HXD3C與HXD3D 4個型號)。

圖8 系統物理結構

以正式投入運用超過2年的株洲機務段為例，分析和諧型電力機車故障診斷專家系統的運用效果，運用時間段內共分析機車23 756臺次，分析診斷出故障4 436個，檢出故障比率為15.2%，實際確認故障隱患2 103個，故障維修確認率為48.3%。株洲機務段運用故障診斷專家系統后檢出故障的信息統計見表3。

和諧型電力機車故障診斷專家系統運用前后對比效果如表4所示。

表3 故障診斷專家系統運用后的檢出故障信息統計

表4 故障診斷專家系統運用前后效果對比

5 系統發展趨勢與運用前景

(1)系統發展趨勢

和諧型電力機車網絡化、智能化和模塊化的發展，決定著拆解式檢修已經無法滿足以總線網絡為核心的電力機車整備與檢修的要求。信息技術，特別是以分布式計算、人工智能和大數據處理技術的發展，為和諧型電力機車故障診斷專家系統相關運算邏輯的更新、改進和及時性、完整性、準確性及可靠性的提高奠定基礎，推動和諧型電力機車故障診斷專家系統進一步發展和完善。

(2)系統應用前景

和諧型電力機車整備、檢修和運用實務對C1～C6修程的全面性、精確性和針對性提出了更高要求。同時，不斷更新的機車控制網絡系統軟件也要求標準化的故障診斷流程，來降低對檢修技術人員的技術要求。另外，機車的跨段、跨局運用也要求建立在互聯互通基礎上的機車運用狀態履歷，為機車持續、可靠和安全運用提供技術支撐。新的機務工作需求為和諧型電力機車故障診斷專家系統的運用提供了廣闊的前景。

6 結論

通過對和諧型電力機車車載數據的接口、結構、組成、存儲和分布式車載數據處理技術等進行深入分析研究，在機車關鍵部件不解體情況下，利用專家系統分析判斷邏輯，實現對和諧型電力機車的故障診斷及運行技術狀態判定，提出從不同的角度綜合利用車載數據揭示機車運行性能的方案，設計出多維度分析故障數據、運行數據、智能部件數據的一整套解決方案，構建了具有高效計算效率層疊式預處理模式的和諧型電力機車故障診斷專家系統。