基于規則實例的機車整備作業故障診斷系統

張嘉宇

摘要：隨著時代的發展以及科技的進步，機車上的電力電氣設備越來越復雜，因此對機車的故障判斷越來越困難。故障診斷專家系統是將人類在故障診斷方面的多位專家具有的知識、經驗、推理、技能綜合后編制成的大型計算機程序，它可以利用計算機系統幫助人們分析解決復雜問題。本文介紹了專家系統在故障診斷領域的應用情況，闡述了國內外故障診斷專家系統的發展現狀，針對目前研究較成熟的故障診斷專家系統模型進行了分析，最后結合新技術的發展和應用實現了集成整備作業功能與遠程診斷功能一體的基于規則實例的機車故障診斷系統。

關鍵詞：故障診斷;整備作業;專家系統;便攜式設備

1.研究背景

專家系統在故障診斷領域的應用非常廣泛，長期以來，在航空、航天、電力、機械、化工、船舶等許多領域，故障檢測與診斷技術與專家系統相結合，使工程的安全性與可靠性得到保證。

故障診斷專家系統的發展起始于20世紀70年代末，在電路與數字電子設備、機電設備等各個領域已取得了令人矚目的成就，已成為當今世界研究的熱點之一。

在專家系統己有較深厚基礎的國家中，機械、電子設備的故障診斷專家系統已基本完成了研究和試驗的階段，開始進入廣泛應用。MIT制作了用于模擬電路操作并演繹出故障可能原因的EL系統;美國海軍人工智能中心開發了用于診斷電子設備故障的IN-ATE系統;波音航空公司研制了診斷微波模擬接口MSI的IMA系統等等。

國內在故障診斷專家系統方面起步于20世紀80年代，國內部分高校和科研機構首先在汽車故障診斷領域對專家系統進行了研究，部分文獻已經達到國外同等水平。隨后在其他電子設備領域和電力應用領域相繼進行了故障診斷專家系統的研究，有一些系統已投入了實際運行。華中科技大學研制了用于汽輪機組工況監測和故障診斷的智能系統DEST;哈爾濱工業大學和上海發電設備成套設計研究所聯合研制了汽輪發電機組故障診斷專家系統MMMD-2;清華大學研制了用于鍋爐設備故障診斷的專家系統等等。

對機車的故障診斷目前采用的方法主要為：在機車行進途中根據故障現象，由現場的機車乘務員進行故障分析、判斷，然后采取相應的故障處理措施。由于機車乘務員和對應的機車不固定，造成故障判斷困難。再者電力機車上的電力電氣設備越來越復雜，因此對機車的故障判斷越來越困難。目前一旦機車中途故障停車無法修復時，救援機車就需要帶著維修技術人員前往救援。故障如不能及時處理，對鐵路運輸以及安全生產帶來的損失是巨大的。

針對機務段的機車整備作業，使用便攜設備進行整備試驗的指導，監控機車數據，給出分析報表，并在數據下載及傳輸的同時，在后臺服務器建立機車故障診斷系統，對作業員進行指示。機車故障診斷系統采用知識發現和數據挖掘相結合的技術，忽略機車正常情況下的數據，將機車異常狀態的每一時刻的實時數據儲存起來。這些歷史數據供系統進行知識發現和數據挖掘，即決策規則提取。在決策規則提取之前，首先對決策表進行預處理，大大縮減規則提取所需的時間，提高系統規則提取的效率。然后將提取出的規則作為預先的規則庫，用于系統對未來的機車實時數據進行以規則樹的規則匹配方式進行診斷。對于新的故障診斷數據進行匹配，然后將相似的規則以及對應的實例輸出供作業員參考。最后作業員將最終的診斷結果輸入，形成一個新的實例，然后由系統更新規則庫，實現系統的機器學習能力。

2.系統架構

便攜設備可連接車輛總線，從總線上讀取數據，并實時回傳至服務器。車載數據是故障診斷專家系統的基礎資料。

提供一套軟件，該軟件在機務段/車輛段的服務器上執行。當動車組運行過程中發生故障，待動車組回到機務段/車輛段后將故障數據下載（或者拷貝）到服務器上，利用故障診斷軟件對故障數據進行分析，判斷出具體故障原因及故障處理方法，并生成故障判斷結果，將此結果存儲到數據庫中。

3.故障診斷系統

現階段車輛故障診斷主要針對兩方面內容開發：

（1）故障發生后，通過分析故障數據，給出故障發生的原因及解決故障的方法;

（2）故障發生前，實現一定程度的故障預判。

專家系統的知識庫由規則庫和事實庫組成，規則庫中存放產生式規則的集合;實例庫中存放實例的集合，包括輸人的實例或中間結果（事實）和最后推理所得的一些事實。

屬性約簡可以在不降低數據整體分類能力的情況下去除數據中的冗余屬性，大大減少數據處理所需的時間和系統資源，提高數據的處理效率。將數據表進行屬性約簡過后，然后進行決策規則提取，就可以得到有關該故障的所有決策規則。

依據故障樹依次求出所有故障的決策規則，數據的預處理過程結束。

經過之前的數據預處理過程，我們已經得到了數據分析和檢測所需要的規則集。只需要將便攜設備傳遞到服務器的實時數據進行規則匹配就可以實現遠程診斷和實時監測的功能。

規則匹配的方法主要分為完全匹配和部分匹配方法。我們將兩種方法結合，首先對數據進行完全匹配，如果能夠找到與之完全匹配的規則，則輸出匹配結果;如果找不到與之完全匹配的規則，則對其進行部分匹配。

對于新的故障數據，如果可以完全匹配到某一規則，則不予處理，僅更新規則的支持度;如果無法完全匹配到某一規則，則添加到歷史數據中，更新規則庫。

遠程診斷功能的實現，首先將故障樹模型進行軟件化，并與便攜設備進行軟件故障樹模型交互展示。依靠數據庫內數據文件建立算法模型，根據采集的數據及故障標志，套用算法模型進行比對，以達到故障診斷的效果。

4.總結

本文介紹了一種集成整備作業功能以及遠程診斷功能的基于規則實例的機車遠程診斷系統。設計了一種新型的便攜式設備，可以對司機進行提示逐步進行整備作業，也可以從機車總線上讀取數據傳回服務器端供系統對機車運行狀況進行監測，同時也具備幫助司機進行遠程故障診斷的功能，提示操作員進行故障排除。本系統的核心功能是故障檢測專家系統，可以實現系統自動地識別數據異常，進而判斷出機車的故障，然后將診斷結果以及對應的實例、故障解除操作提示等信息返回給操作員。并且本系統具有自我學習功能，可以不斷完善自己的規則庫。

參考文獻：

[1] 吳明強， 史慧， 朱曉華， 等. 故障診斷專家系統研究的現狀與展望[J]. 計算機測量與控制， 2005， 13（012）： 1301-1304.