（机械电子工程专业论文）远程机车故障诊断系统的研究.pdf

壅 至 迫厶望 亟堂 位迨窒! ! !塞地翌 中文摘要 摘要：随着我国铁路信息化技术的迅速发展，机车系统本身的复杂程度日益提高， 传统的机车故障诊断技术难以完成全路机车的状态维修，因此，人们对机车运行 的可靠性、安全性提出了更高的要求。本文正是在这种情况下，提出了一种以网 络为媒介的远程机车故障诊断系统的设计方法，此系统利用机车领域专家的经验 知识，采用基于知识的诊断推理方法，对机车进行故障诊断，并协助司机与检修 人员诊断、定位并排除故障。在此设计思想下，我们设计了车载机车故障监测装 置，用于记录机车的故障信息数据、累积参数信息数据和状态信息数据，并通过 g p r s 无线网络将数据传输到地面控制系统，从而使工作人员能够在地面控制中心 实时监控机车的运行状况，收集机车相关信息并建立数据库，根据数据库中的信 息对机车进行故障诊断，分析机车性能，预测发生故障的可能性，准确定位故障 发生部位，确定故障发生原因。 本文在对系统故障诊断技术的基本概念与原理理解的基础上，分析了故障树 诊断法、模糊诊断法、神经网络法和专家系统对机车进行故障诊断的可行性，针 对机车本身的特点，提出了远程机车故障诊断系统的主体设想，并建立了机车故 障诊断系统的模型。由于机车分布范围广泛，要对机车相关信息进行采集、存储 并发送到地面控制中心具有定难度，因此本系统在硬件设计时采用了g p r s 无 线通信技术，通过g p r s 模块，车载硬件可以将采集到的机车相关信息实时地传 输到地面控制中心，同时系统具有g p s 定位功能，地面人员可以通过控告软件随 时了解到机车所处的位置。地面控制软件采用d e l p h i 编写，它的功能是发送、接 收机车数据，将数据进行显示，同时将收到的数据分类存储到数据库中，为机车 故障诊断提供依据。 经过反复试验和现场调试，本系统实现了车载硬件和地面软件的功能，机车 相关参数可以实时地传输到地面控制中心，工作人员通过控制软件能够随时了解 到机车的运行状况，所处地理位置以及故障情况。同时地面软件将收到的机车参 数存储到数据库，为进一步研究机车故障诊断提供了重要的依据。 关键词：故障诊断：g p r s ：数据库 分类号：t p 2 0 6 + 3 壅銮适厶至：亟：竺i i 丝塞旦s ! b ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er 印i dd e v e l o p m e mo f c h i n e s er a i l w a yi n f o 肌a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y a n dt h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo fm el o c o m o t i v es y s t e mi t s e l f ，i ti sd i m c u l tf o rt h e t r a d i t i o n a lf a u l td i a 印o s i st oe o m p l e t et 量l er a i l w a yi o c o m o t i v es t a t em a i n t e n a n c e ， t h e r e f o r e ，t h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo fl o c o m o t i v ei sr e q u i r e dh i g h l y u n d e rs u c h c i r c u m s t a n c e s ，t h i sp 印e rp r o p o s ear e m o t el o c o m o t i v e 内u l td i a g n o s i ss y s t e mw h i c h u s e si n t e m e ta sm e d i a ，t h es y s t e mu s e s e x p e n s k n o w l e d g e i n t h i sf i e l da n d k n o w l e d g e b a s e dd i a 盟o s t i co 唱a n o nt oc a i r yo u tl o c o m o t i v ef a u l td i a 鄹o s i s ，a s s i s t i n g d r i v e r sa i l dm a i m e n a n c ep e r s o nt od i a g n o s e ，1 0 c a t ea 1 1 de l i m i n a t et h ef a u l t s u n d e rt h i s d e s i 印i d e a s ，w eh a v ed e v e l o p e da1 0 c o m o t i v e f 孔1 td e t e c t i o nd e v i c et or e c o r d i o c o m o t i v e f a u l ti n f o 肌a t i o n ，a c c u m u i a t e d p a r a m e t e f s i n f 0 册a t i o na n ds t a t e i n f o m l a t i o n ，a i l dt r a l l s m i tt h ed a t at ot h e 孕o u n dc o n t r 0 1s y s t e mt h m u g hm ew i r e l e s s m e m o d st om o n i t o ri o c o m o t i v e sn l l l l l i n gs t a t er e a l t i m e 。a n dc o l l e c ti n f o 珊a t i o na l l d e s l a b l i s hd a t a b a s e ，a c c o r d i n gt ol h ei n f b m l a t i o ni nt h ed a t a b a s et oc a r r yo u tt h e 1 0 c o m o t i v ef h u l td i a g n o s i s ，l o c a t ef 孤1 tp o s i t i o na c c u r a t e l ya n dd e t e n n i n et h ec a u s eo f f a u l t b a s e do nt h eu n d e r s t a l l d i n go f b a s i cc o n c 印t sa i l dp r i n c i p l e so ff a u l td i a g n o s i si n t h i sp a p e r w ea n a l y s e sm ef e a s i b i i i t yo f1 0 c o m o t i v ef h u l td i a g n o s i su s i n gf a u l t1 h e a 1 1 a l y s i s ，f u z z yd i a 弘o s i sm e t l l o d ，n e 哪! n e 狮o r k sm e t h o da 1 1 de x p e ns y s t e m h 1 v i e wo ft h el o c o m o t i v e sc h m c t e r i s t i c s ，w ep u tam a i ni d e ao ft h er e m o t ef a u i t d i a g n o s i ss y s t e mo fl o c o m o t i v ea n de s t a b l i s ham o d e lo ff 各u l td 主a 鄹o s i ss y s t 锄a sa w i d ed i s t r i b u t i o no fl o c o m o t i v e ，i ti sd i 伍c u l tt oc 0 1 1 e c t ，s e n da 1 1 ds t o r ci n f o n n a t i o nt o t h eg r o u n dc o m r o lc e n t e r ，w eu s eg p r sw i r e l e s sc o 咖1 l i l i c a t i o nt e c m o l o g yf o r h a r d w a r ed e s i g n ，h a r d w a r cc a l lt r a n s m i ti n f b 咖a t i o ni m m e d i a t e l yt ot h e 铲o u n dc o n t m l c e n t e rb yg p r sm o d u l e ，m e a n w h i l e ，t h es y s t e mh a sg p sp o s i t i o n i n gf i l n c t i o n ，t h e 可。吼dc o n t r 0 1c e n t e rc a nk n o wm el o c o m o t i v e1 0 c a t i o nb ys o 行w a r e ，t h eg r o u n dc o n t r o l s o f h v a r ei sp r o 鲫m e di nd e 】p h i1 a 1 1 9 u a g e ，t h es o f t w a r c 如n c t i o n si n c i u d es e n d i n 吕 r e c e i v i n g 】o c o m o t i v ed a t aa n dd i s p l a y i n gt h ed a t a 伽t h ec o n t r o li n t e r f a c e ，m e a n w h i i e ， t h es o r w a r ec a i lc l a s s i f i e sd a t aa i l ds t o r ci nd a t a b a s e ，w 撕c hp r o v i d e sa c c o r d a n c ef o rm e f 扎i td i a 印o s i so f l o c o m o t i v e t 1 1 i d u g hs e v e r a lt e s t i n ga n dd e b u g 百n g ，t h es y s t e mr e a l i z e df i l n c t i o n so fh a r d w a r e a r i ds o f 研a r e b ym ec o n t r o ls o f a r e ，m el o c o m o t i v ep a 锄e t e r sc a nb es e n tt ot h e g r o u n dc o n t r o lc e n t e ri m m e d i a t e l y ，c o n t r 0 1 1 e rc a n m a s t e rt h el o c o m o t i v e sm 1 1 i l i n gs t a t e ， h e 立童适厶堂亟：王i ! 逾塞 8sib ! g e o 尊a p h i c a ll o c a t i o na n df a u l ts i t u a t i o n t h e 【o c o m o t i v ep a r a m e t e r sa r es t o r e di n d a t a b a s ew h i c hp r o v i d e sa ni m p o n a n tb a s i sf o rt h ef u n h e rs t u d yo nf a u l td i a g n o s i so f l o c o m o t i v e k e y w o r d s ：f a u l t d i a 印o s i s ；g p r s ；d a t a b a s e c l a s s n o ：t p 2 0 6 + 3 致谢 本学位论文是在导师谭南林教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在攻读硕 士研究生期间，谭老师在学业上的严格要求，在生活中无微不至的关怀，以及他 严谨求实的科研态度、执著的敬业精神、平易近人的工作作风，都给我留下了深 刻的印象。在本论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢和深深的敬意。 在课题研究和论文撰写过程中，也得到了苏树强、张冬泉、张乐乐、吴斌、 焦风川五位老师的细心指导和帮助，他们给了我很多建议，积极为我创造实验条 件，我的论文才能顺利完成。在此也向他们表示真心的感谢。 在攻读硕士的两年多时间里，实验室的各位同学也在日常工作和学习中给了 我极大的帮助，他们是杨亮、李响、于宁、刘永新、李国正等，在此也向他们表 示谢意。 另外，对多年来一直默默支持我完成学业的父母和亲人们表示深深的感谢和 衷心的祝福。 最后，向所有关心和帮助过我的朋友们表示由衷的感谢! 张勇 2 0 0 6 年1 2 月于北京交通大学 塞窑垣厶：羔亟 主位迨塞i l五 l 引言 1 1问题提出 目前，我国机车行业的故障诊断技术基本上还局限在对设备、零部件等方面 有计划的维修，维修过程大都在机务段进行，由于机务段对机车本身及各零部件 的了解有限，给维修带来很大困难，而且维护费用高，对机车本身性能的影响较 严重。本课题基于i n t e r n e t 网络技术，将机车生产厂家、用户和机车车辆通过无 线网络技术连接起来，通过无线技术将机车的相关数据传输给机车生产商，厂家 对数据进行分析、处理后，将诊断结果直接通知用户，同时就现场维护给与指导。 所以，建立机车远程故障诊断系统，能有效地提高机车故障诊断的技术水平，迅 速准确地确定故障发生的部位和原因。 1 2 本文研究的目的和意义 远程机车故障诊断系统将大型机械设备的系统维护技术与计算机网络技术相 结合，通过无线网络技术将生产厂商、用户和机车设备联系起来，通过对机车数 据分析，使生产厂商能够随时远程监控机车及其重要零部件的运行状况，对可能 出现的故障进行预测，并给与用户及时有效的指导，大大提高机车故障诊断效率。 同时系统将远程传输来的数据存储到数据库中，为将来改进机车设计提供更有力、 更可靠的技术支持。 机车远程故障诊断系统的研究具有重要意义。首先它为我们提供了大量的机 车在应用过程中的数据信息，为对机车进行定量分析提供了第一手的数据资料。 第二，专家通过分析数据可以得知机车部件的应用状况，对于部件将要出现的问 题，专家通过电话指导用户采取措施，因此可以降低机破等重大事故发生的概率。 第三，通过对机车整个寿命周期的监控，同时通过对同一批次不同机车各种数据 的比较，从而分析出影响机车寿命的原因，这对于延长机车的寿命周期具有非常 重要的指导意义。第四，该系统的应用不仅提升了整个机车的技术水平，同时还 为机车质量和性能的提高提供了非常重要的数据资料，为用户提供了更加有力、 可靠的技术保障。第五，用户可以通过i n t e r n e t 网络进入诊断系统，查看机车的 历史数据信息，并可通过网络及时获得专家的指导，以便用户可以预先避免敌障 的发生，或是及时有效地排除故障。从而降低了用户用于维修和日常维护的投入， e立窒迪厶：羔亟：空位迨塞i !言 也大大节省了厂家售后服务所需支出的费用。 1 3机车故障诊断系统的国内外研究现状 1 3 1 机车故障诊断系统的国外研究现状 远程机车诊断系统在欧洲、美国和日本均有不同形式的应用。例如：美国g m 公司开发的电传动内燃机车故障检测系统( c a t s ) ，l a r s 机车分析报告系统，基 于商业无线通讯网络的机车远程监测诊断系统等。日本开发了车载监测诊断系统， 并已经在2 0 0 系新干线高速列车上使用。德国为其i c e 高速列车设计了计算机辅 助故障管理系统。现在国际上已经设立了铁路开放系统互联网络( r o s i n ) ，并制 定了标准即铁路开放式维修系统r o 姒in 1 1 。 国外机车车辆信息系统具有如下特点： ( 1 ) 维修管理的必要手段。机车车辆维修信息系统已经成为发达国家机车车 辆管理的必要手段，计算机信息查询和信息输入已经成为维修作业中必不可少的 工序和环节； ( 2 ) 集中管理、分工明确。机车车辆维修信息系统是一项复杂的系统工程，需 要集中管理、统筹安排、分工协作。发达国家维修中的一切重大问题由公司总部 统一决策，权利高度集中，维修信息系统也不例外； ( 3 ) 重视信息处理，分析及决策软件开发。建立机车车辆信息系统的目的主 要是为了提高维修管理水平，为科学决策提供手段和依据； ( 4 ) 重视信息系统方面的基础工作。为了协调工作，避免重复，准确、简炼、 规范文档，各种代码标准化及其他基础工作则显得十分重要。 i 3 2 机车故障诊断系统的国内研究现状 目前，随着技术的进步和无线通信费用的降低，国内许多单位和研究所都开 始致力于机车远程无线信息传输技术的研究，但是远程机车故障诊断系统的研究 还处于初始阶段。尽管从2 0 世纪6 0 年代开始，技术装备的维修己广泛深入地推 行“以可靠性为中心( r c ) ”的维修锖度。但在机车车辆维修领域内，目前仍然是 计划性维修的大框架，整车或大部件定时或定运行里程进行不同等级的维修。 我国机车车辆维修制度非常落后，与发达国家还有相当大的差距，其存在的 问题主要有以下四点： ( 1 ) 目前我国内燃机车大修在厂平均停时为3 5 天左右，而美国为l o l l 天， 2 e塞窑迪 厶：! ：亟 堂垃迨塞! i占 印度为1 8 2 3 天，此组数据说明我国机车车辆在修时间较长，远落后于发达国家。 ( 2 ) 机车故障诊断系统要有效工作，必须依赖于大量的机车、车辆、行车线 路距离和地形等各种信息，但我国现行的维修系统采用的信息量较少。 ( 3 ) 我国铁路运营条件复杂，机车种类和性能各异，线路情况差别很大；致 使我国尚未形成比较完整的机车故障诊断理论体系。 ( 4 ) 机车车辆维修方面的科研投入过少，与国外差距日趋加大。 1 4远程机车故障诊断系统在国内的应用前景 目前，对机车的诊断还停留在现场诊断的模式。在恶劣天气的情况下，维护 人员由于身处极端恶劣的工作环境中，有可能对故障情况存在误判断，造成严重 事故，同时目前还没有很好的机制对故障提出预警。如果能够对机车的运行数据、 设备使用情况等进行记录分析，对其发展趋势进行预测，就可以及早发现潜在故 障隐患，及时报警并提出排除故障的方案，这正是远程机车故障诊断系统的精髓 所在。 机车远程故障诊断系统的开发对解决我国现有机车维修制度中的问题具有非 常重要的意义。首先通过在线诊断技术可以提前预知可能发生的故障，及早采取 防范措施，大大减少了机车停厂维修的时问。第二，它为我们提供了大量的机车 应用过程中的数据信息，为我们对机车进行定量分析提供了第一手的数据资料。 第三，通过对机车整个寿命周期的监控，并且比较同一批次不同机车的各种数据， 从数据中分析得出影响机车运行状况的原因，对于延长机车的寿命周期，建立完 整的故障诊断理论体系都具有非常重要的指导意义。第四，用户可以通过i n t e r n e t 网络进入故障诊断系统，查看机车以往的数据信息，并能在网络上查阅到机车维 护的相关方法。减少了用户维修和日常维护的支出，同时也大大节省了厂家售后 服务所需要支出的费用。因此，远程机车故障诊断系统具有较好的应用前景。 1 5本文研究内容 鉴于以上介绍，本文提出了一种基于网络的远程机车故障诊断系统，即采用 g p r s 技术将机车参数通过无线方式传回到地面控制中心。利用这项技术，可以充 分发挥g p r s 网络永久在线和网络传递信息实时性的特点，以解决一些长期困扰机 车监控系统实际中遇到的闯题，运用这套系统，能够大幅度提高机车运行的稳定 性和可靠性，降低系统的维护费用。 本文主要涉及车载终端的硬件设计和地面控制中心的软件设计，并通过g p r s t 立 窑 堕厶 至： 亟 堂位 迨塞 i !矗 将两者联系起来，形成一套完整的远程机车故障诊断系统。全文共分六个部分。 第一部分引言，对基于网络的机车故障诊断系统作了初步的探讨，系统地介绍了 机车故障诊断系统在国内外的应用状况，并以此为依据，说明机车故障诊断系统 在我国具有广泛的应用前景。第二部分主要介绍了故障诊断技术的基本概念，相 关方法和机车故障诊断的特点。这是本文研究的重要理论基础。第三部分概括的 介绍了系统的总体设计，包括车载硬件部分和地面控制中心的软件部分。第四部 分具体论述了车载硬件部分的组成、设计原则以及调试结果。第五部分详细的论 述了地面控制中心软件的设计和调试，其中包括数据的无线发送与接收、控制界 面的编程以及数据库的建立。第六部分是本文的结论，不仅概述了本文的相关研 究结论，指出了研究过程中存在的不足，而且提出了改进方法，为进一步开展研 究工作打下了基础。 e 瘟窑丝厶至亟望位迨塞二盥出缝迅互丝匠途堑佥近 2 东风内燃机车故障诊断分析 本文的研究对象是东风内燃机车，机车作为大型复杂的机械系统，对它的诊 断涉及控制理论、信号处理、模式识别、计算机等多方面的知识和技术。本系统 主要采用基于知识的故障诊断技术，对机车故障进行预测和定位。诊断流程如图 2 1 所示。 匝匦函哑型鎏夏卜( 堑 l 广一 i 指导司机 至翌垂垂垂塑【 亘垂至) _ 二亘匈指导维修 图2 1 东风内燃机车故障诊断流程图 f 培2 1t h ef a u l td i a g n o s i sf 1 0 wc l l a no f d o n gf e i l gd i e s e l l o c o m o t i v e 由于本系统采用基于网络的故障诊断方式，机车的相关参数( 状态信息和故 障信息) 可以通过无线方式传回到地面控制中心，由相关技术人员对数据进行在 线故障诊断，发现问题及时通知机车司机。同时传回到地面控制中心的数据存储 到数据库，由专家对数据进行分析研究，建立知识库，作为在线故障诊断的依据， 并指导机车维修。 2 1机车系统故障的含义和特征 要进行故障诊断首先要了解什么是系统故障。所谓系统的“故障”【2 1 ，是指系 统的运行处于不正常状态( 劣化状态) ，并可导致系统相应的功能失调，即导致 系统相应的行为( 输出) 超过允许范围，使系统的功能低于规定的水平，这种劣化 状态称为故障。 ( 1 ) 机车故障的产生与传播机理 认清故障的产生与传播机理是故障诊断的基础。机车故障的产生是由多种因 素造成的，在机车运行过程中，系统的固有特性改变或异常输入都会产生异常输 出，这些异常输出又会引起更上一层系统的状态发生变化，这种影响逐级传播， e 丛童迪厶堂亟士：i ：垃迨塞自! 丛凼继丑芏敦睦途堑盆蚯 直到原级系统，致使整个系统的状态发生变化，产生异常输出。以上分析表明， 故障的传播过程实质上是异常输出的传播过程，是一个由低层到高层的传播过程。 应注意到“故障”是系统的固有特性发生了不允许的劣化后，系统所处的一种状 态。 ( 2 ) 系统故障的分类 对于整个机车系统的故障，从其产生的因果关系可分为原发性故障和引发性 故障。原发性故障即故障源，而引发性故障是由其它故障引发的。但当原发性故 障俊引发性故障相应子系统或联系的固有特性发生劣化时，引发性故障也可能成 为原发性故障，其也可能引发其它的故障。从产生性质来分，原发性故障又可分 为结构性故障和参数性故障【2 l 。 ( 3 ) 故障的系统特性 以上通过对系统的故障及其传播机理的分析，可见，机车系统的故障具有如 下的特性： 第一、多样性。这是由于机车上各个部件结构不同，工艺参数各异，而且制 造、安装过程的差异和使用环境不同，在运行期间可能会产生各种各样的故障。 第二、层次性。这是由机车结构的层次性所决定的，高层故障可由低层故障 引起，而低层故障必定引起高层故障。故障的层次性为机车故障诊断提供了一个 有效的策略和合理的模型，即层次诊断策略与层次诊断模型。 第三、多因素和相关性。这是由机车各部件问的相互联系所决定的。当一个 部件发生故障后，势必导致相关部件发生故障。任何一个原发性故障都存在多条 潜在的故障传播途径，因而可能引起多个故障同时并存。因此，多故障并存是机 车故障的重要特征。 第四、延时性。故障的传播机理表明，从原发性故障到系统级故障的发生是 一个由量变到质变的过程，表明故障具有“时间性”，因此故障可以早期诊断， 达到“防患于末然”的目的。 第五、不确定性。不确定性是机车系统的一个重要特性，它给诊断工作带来 了很大的困难。 2 2 机车故障诊断的特点 机车在运行过程中不可避免地会发生各种故障，由于机车发生故障时可能引 起严重后果，造成重大损失，所以对机车进行实时故障诊断对保证机车安全正常 运行是十分必要的。机车是一个复杂的动态系统，其故障诊断的特点为1 4 】： ! 奎堑厶堂亟望位迨堑盆丛出丝女! 芏垫睦途堑佥丘 ( 1 ) 部件繁多，具有一定的层次结构复杂 机车的部件根据功能和连接的紧密程度可以分为若干子系统，而每个子系统 又可分为若干个子系统，子系统又由若干个部件组成，从而形成一个具有一定分 层结构的数形结构。子系统由于各个部件在工作中会产生某些故障，而这些故障 又会引起子系统中其他部件的工作不正常，迸而影响整个机车的工作性能。 ( 2 ) 需要检测的参数多，诊断方法多样 机车作为一个复杂的动态系统，为能比较准确地诊断各个部件的故障，需要 检测很多参数，常用的参数有各个机械部件的振动信号，如柴油机汽缸盖的振动 信号，气缸体的振动信号、罩壳的振动信号等，这些振动信号含有丰富的工况和 故障信息，如振动信号的峰值、频率、能量等，振动信号是机械故障诊断技术所 处理的最常用的信号。此外，机车也包括了很多电气装置，这些电气装置对机车 的控制和调节起到了非常重要的作用，因此对电气参数的检i 1 4 ，如主发电机电压、 主发电机电流、辅发电机电压，辅发电机电流、线圈电压等参数的检测和处理在 机车故障诊断中也占有重要地位。 为了能更准确的诊断故障，可以采用多种方法对信号进行特征提取和分析。 ( 3 ) 联合故障、交叉故障多 机车的各个部件具有一定的层次结构，划分到各个子系统中具有一定的独立 性，但在一个子系统中的部件常会相互影响，并且各子系统之间也常会相互影响。 例如，若机油滤清器的滤芯没有按时更换，不能滤清机油，常会导致调节系统的 柱塞犯卡，从而造成柴油机出现飞车、游车故障，或使得调节器不能正常调节功 率，使燃烧不充分，从而使燃油管道结垢，影响燃油压力。因此在诊断过程中， 对某个部件的诊断必须要结合其他部件的工况和诊断结构进行综合判断。 ( 4 ) 对故障诊断的实时性要求高 机车经常在野外行使，工作条件非常恶劣，一旦发生故障将会造成严重损失， 因此对机车故障诊断的实时性要求很高，在机车的运行过程中能够及时地发现故 障的征兆，在故障发生的初期就提醒司机进行处理，并给出故障的定位和机理分 析，是司机和维修人员能迅速地排除故障。 2 3机车故障诊断的基本思想 故障诊断【”，是指系统在定工作环境下查明导致系统某些功能失调的原因或 性质，判断劣化状态发生部位或部件，以及预测状态劣化的发展趋势。在工程技 术领域，根据设备各种可测量的物理现象和技术参数的检测来推断设备是否正常 运转，判断发生故障的原因与部件，预测潜在故障的发生等。故障诊断的基本思 7 e 盛窒适厶堂亟堂位迨塞筮丛出丝扭至丝瞳生堑佥蚯 想为：检测对象全部可能发生的状态，组成状态空f 日js ，它的可观测量特征的取值 范围构成特征空间j ，当系统处于某一状态j 时，系统具有确定的特征y ，即存在 映射g ： g ：s y ( 2 1 ) 反之，一定的特征也对应确定的状态，即存在映射，： ，：y 专s ( 2 - 2 ) 状态空间与特征空间的关系可用图2 2 表示。 ， g 图2 - 2 故障诊断表述 f j 吕2 2n od 。s c j 鲥o no f f a u l d i a 萨o s i s 如果厂和g 是双射函数，即特征空间和状态空间存在一对一的单满射，则由特 征向量可唯一确定系统的状态，反之亦然。故障诊断的目的在于根据可测量的特 征量来判断系统处于何种状态，也就是找出映射。若系统可能发生的状态是有 限的，故障诊断就成为按特征量对被测系统进行分类的问题，或去对特征量进行 状态的模式识别问题。因此故障诊断实质上是一类模式分类问题。 2 4机车故障诊断方法的选择 对机车进行故障监测的目的就是要识别设备运行是正常还是异常，如果认为 已出现了故障，则要判断属于哪一类故障，故障的原因、性质和程度如何，因此 机车的故障诊断过程实际上是对机车运行状态的识别过程。从故障征兆识别故障 原因，一般需要从学习和研究故障形成的理论和机理着手，利用领域专家的经验 和知识，探求故障原因和征兆之间的关系。由于机车产生的故障具有多样性、层 次性、多因素、相关性以及模糊性等特征，因此它在诊断过程中是属于最困难的 一项工作。为了在这些多因素的复杂关系中提高故障的识别能力，增加诊断的准 确率，需要采用些有效的故障诊断方法。目前正在应用和研究的诊断方法有以 知识和经验为基础，有按一定的学习、推理方法提出来的，也有按不确定的方式 来描述的。在远程机车故障诊断系统中，主要应用故障树分析法、模糊诊断法、 e 峦奎适厶堂亟堂i 童迨塞女；丛出丝扭至丝睦途堑坌逝 神经网络法和专家系统等方法对整个机车系统进行故障诊断。 2 4 1 故障树分析诊断法 故障树分析( f a u i tt r e ea n a l y s i s ) 简称f t a 法1 5 f 6 1 ，它是以研究系统中最不希 望发生的故障状态( 结果) 出发，按照一定的逻辑关系从总体到部件一层层地进 行逐级细化，推理分析故障形成的原因，最终确定故障发生的最基本原因、影响 程度和发生频率。 故障树分析方法是一种由果到因的分析过程，它把最不希望发生的事件称为 顶事件，从顶事件出发，找出导致发生顶事件的必要和充分的直接原因( 包括部 件中的硬件失效、人为差错、环境因索及其它有关事件) ，把它们作为故障树的 第二级，依次再找出导致第二级故障事件发生的直接原因作为第三级。如此一级 一级地展开，一直追溯到不能再展开或不必再深究的最基本原因为止。这些最基 本的故障原因就称为底事件，介于顶事件于底事件之间的其他故障事件称为中间 事件。把顶事件、中闽事件和底事件用适当的逻辑符号自上丽下地逐级连接起来， 所构成的逻辑结构就像一棵倒置的“树”，称为“故障树”，如图2 - 3 所示。 图2 3 故障树模型 f i g 2 3f a u l tt r e em o d e l 用矢量 = 以。f 】 ( 2 3 ) 描述故障树中正节点( 故障事件) ，其中f 。，l ，一，f 。为系统监控信号的状态值。 若t 发生，则相对应的监控信号状态值会发生某些变化。对顶节点兀通过规则： i f ( 与五有关的放障现象出现) t h e n ( 瓦发生) 来判断；对其余节点使用下面规则来判断： 9 e 宝窒堑厶堂亟翌色迨塞盔区凼丝巫芏蛰匝堡堑金近 i f ( r 父节点发生a n d 与f 有关的故障现象出现) t h e n ( r 发生) 故障树搜索的实质是寻找初始节点( 故障原始征兆) 到目标节点( 故障直接 原因) 之间的规则序列，即寻找规则序列： 厂= 石五 ( 2 4 ) 使得 i = 五( 工一，( ( 工( t ) ) ) ) ( 2 - 5 ) 故障树神所谓“事件”，是指描述系统状态、部件状态( 所谓“部件”，是指 产生故障事件的元件、子系统、设备、人和环境条件) 的改变过程。如果系统或 元件不能按规定要求完成其功能，就称为故障事件【7 】。 以柴油机温度故障为例建立故障树 机车作为一个复杂、庞大的非线性系统，要完整地建立其故障树工作量是非 常大。而且如前所述，最好有机车系统设计、运行操作和可靠性等方面的专家密 切合作来建树。因为，无论从精力上，还是从知识经验上来说，单凭一个人的力 量是远远不够的。本文在上节故障分析的基础上，根据机车现场维修技术人员的 经验，归纳总结，以柴油机温度故障为例建立了故障树，可能不尽完善。但目的 是将故障树分析法的原理应用至机车系统的故障诊断，为今后的进一步完善工作 起到抛砖引玉的作用。 图2 4 柴油机温度故障故障树模型 f 嘻2 4 1 1 1 ef a u l t1 r e em o d e lo f t h ed i e s e le n 百n ct e n l p e m n 胛f a u l t o e 壅塞适厶堂亟：i ! ：迨塞苤丛凼缕垫堑丝臣途逝筮近 从上述故障树的建立可以看出，机车柴油机故障树有如下特点： ( 1 ) 经简化后，故障树以或关系居多： ( 2 ) 根据故障典型征兆的不同，可分为高温水系统故障和低温水系统故障两 棵子树。 由生成的故障树对故障原因进行搜索的步骤如下： ( 1 ) 把起始节点( 根节点) 放入o p e n 表中； ( 2 ) 把o p e n 表中的第一个节点移出，并把它放入c l o s 即表中，称这个节点 为节点娌； ( 3 ) 利用与节点月有关的规则判断节点”所描述的故障事件是否发生，如果 不发生，从c l o s e d 表中删除节点月，并进一步判断0 p e n 表是否为一空 表。如果是，则失败退出：如不是，则转向步骤( 2 ) ；如果节点描述 的故障事件发生，则继续下列过程； ( 4 ) 如果节点”为故障树的叶节点，则故障树搜索成功，机车电路故障实现 定位，否则继续以下步骤： ( 5 ) 扩展节点野，产生其全部后裔节点，并把它们放入o p e n 表的前头，转向 步骤( 2 ) 。 在采用这种方法进行搜索时，要应用的诊断规则太多，所消耗的时间较大， 在实际应用中，人们常常利用与搜索任务有关的经验法则、原则以及有关具体问 题领域内的原理知识来简化搜索过程，并称此类信息为启发信息，而这种利用启 发信息的搜索过程被称为启发式搜索方法。在本系统中正是采用故障树对机车进 行故障分析，建立知识库，并为机车的维修提供参考依据。 2 4 2 模糊诊断法 机器故障诊断在技术上的难度是故障因素的多样性、不确定性和各种故障之 问联系的复杂性，故障的原因和故障症状之间没有明确的规律可循。这样，在判 别机器的工作状态或诊断产生故障的原因时，经常会遇到“彳故障征兆可能是b 故 障原因”或者“b 故障原因可能会引发爿故障征兆”这样一些不确切的模糊结论。 这种判别事物的不确定性( 即可能性或模糊性) 在数学上处理就不是简单的“是” 与“非”( 0 与1 ) 的二值逻辑关系，而需要在o 与l 之间用另一种隶属函数来描 述，使事物的不明确概念在形式上可用数学方法进行运算。模糊诊断过程，就是 对故障征兆所给出的数据，组成征兆向量爿的隶属函数。、，用经验、统计或实 验数据建立故障征兆和故障原因之间的模糊关系矩阵r ，然后通过模糊关系方程 和逻辑运算求得故障原因b 。其诊断过程如图2 。5 所示。 e 密窑堑厶堂亟堂垃迨塞丛凰出毯皿芏墼腔迨堑盆逝 图2 5 模糊诊断过程 f i g 2 - 51 1 1 e g i b i i i t yd i a g n o s i sp r o c e s s 模糊诊断过程包含如下内容： ( 1 ) 确定故障原因和征兆论域 故障原因论域 矿= 暇，岛，色， ( 2 6 ) 且，b ，岛，为故障原因论域内元素 故障征兆论域 u = ，彳2 ，以，】 ( 2 7 ) 4 ，4 ，4 ，为故障征兆论域内元素 对于柴油机温度过高，故障原因论域： 矿= 增压器1 故障，管道1 故障，柴油机风扇故障，增压器2 故障，管 道2 故障，中冷风扇故障 故障征兆论域： u = 高温水温度过高，高温水系统不循环，中冷水温度过高，中冷水系 统部循环 ( 2 ) 确定两论域中元素的隶属度 确定两论域中元素的隶属度即定出故障原因论域矿中各元素e 相对于某种故 障特征的隶属度历，组成模糊向量垦： 宣= 如1 ，心2 ，以3 ，l ( 2 - 8 ) 定出故障征兆域( ，中各元素4 相对于有故障的隶属度一f ，组成模糊向量4 ： 4 = 【心l ，以2 ，心3 ，】。 ( 2 9 ) ( 3 ) 建立模糊关系矩阵 由于故障因果之间存在模糊关系，需要建立起某一故障原因可能会产生哪些 故障征兆，某种征兆出现可能存在哪些故障原因，彼此之间的关系程度有多大的 关系矩阵。即需要建立征兆参数爿，相对于故障原因口，的隶属度： ，；，5 厩。( 4 ) ( 2 1 0 ) r 。的取值范围为 0 ，1 ，由各个o i 构成了论域u 和论域矿之间的模糊关系矩 阵 e 塞塞适厶堂亟堂位迨塞丕丛凼缝扭互丝匝途堑坌近 尺= 吒i ，2 ， 吒l ，2 ， ，2 ， ( 2 1 1 ) 模糊关系矩阵中的每一行为征兆集的隶属度，每一列维原因集的隶属度。矩阵 中每一元素的大小表明了4 和毋之间相互关系的密切程度。模糊关系矩阵是从大 量分析、试验、测试和现场实践经验的总结中得到，一般可由有经验的专家、技 术人员和现场操作分析人员来确定，也可参考有关国外资料提供的经验数据总结。 在柴油机温度过高故障中，假设 r = l2 乞i吒2 l吒2 1 3 吒3眨4 34 56 吒5吒6 吒5匕6 ，= 1 56 ( 2 1 2 ) ( 4 ) 模糊综合评判 故障诊断的目的，就是要从故障征兆论域( ，中各元素给出的数据4 ，求出故 障原因论域v 中的故障b ，。通过下面的方程求解： 堡= 星0 4 ( 2 1 3 ) 式中，“。”称为模糊逻辑算子；星为模糊关系矩阵【8 】。此式表示，如果征兆 向量4 和模糊关系矩阵星已知，则故障原因向量垦即可由此求出，从向量旦中元 素的隶属度值确定机器发生了某一种故障。 假设出现的故障征兆向量有4 ( 高温水温度过高) ，以( 高温水系统不循环) ， 以( 中冷水温度过高) ，由式( 2 一1 2 ) 得 b = ( 1 1 1 o ) 。 |巧2 吒i吒2 弓l石2 12 34 吒3吒4 吒4 56 吒5 ( 2 1 4 ) = ( 吒i + 吒l + 吩i吒2 + ，五十嵋23 + 7 b + 嵋34 + 吒4 + 弓4s + 吒5 + 巧5，i 6 + 巴6 + 吩6 ) 上式即为故障原因向量中各元素的隶属度，找出最大的一项，它所对应的向量 就是柴油机温度过高的故障原因。 2 4 3 神经网络诊断法 人工神经网络是人工智能领域内的一个分支，它的工作原理是模仿人的大脑 ； e 盛窒迪厶鲎亟堂位迨塞女：丛出丝丑笙丝睦途堑佥近 结构和功能，利用计算机仿真，并行处理信息，对人脑在学习、记忆和归纳功能 上的一些基本特性作最简单的模拟。某些基于神经网络的诊断专家系统，由于它 具有知识表达、推理及很强的学习能力，因而在故障诊断领域内具有极好的应用 前景。 ( 1 ) 人工神经网络的基本组成 神经元，人工神经网络【5 1 是以神经元节点来模拟人大脑的神经细胞，因此神经 元是神经网络的基本计算单元。神经元有多个输入信息x f ，一个输出信息i 。输 入信息通过加权处理( 为处理单元的权重值) 、阀值岛判别和非线性特征性函 数( 激励函数) 呶) 的变化，得到输出信息巧，如图2 6 所示，图中墨为内部反馈 信息。 图2 6 神经元模型 f i g 2 - 6t h en e u r o nm o d e l 神经元之间的连接，对于某个神经元来说，它是否能被激活而有信息输出， 取决于输入信息的大小。有些输入信息对神经元起到兴奋作用，表示其连接强度 的权值是正的，而另外一些输入信息对神经元起抑制作用，其连接强度的权值是 负的。一个神经元的输入信息可能是多个，当这些输入信息的加权之和超过阀值 时，该神经元就被激活而有信息输入到下一层神经元。输入和输出信息可用下面 的公式表示： 厂、 y = 妒i t 一岛l ( 2 _ 1 5 ) 神经网络结构，单个神经元的信息处理功能十分有限，如果将很多个神经元 相互连接形成神经网络后，其处理信息的功能就可大大增强。网络有单层和多层， 单层网络只有输入层和输出层，各层内有若干神经元组成的单元节点，层间节点 通过作用强度和激励函数实现信息的连接和传播。输入层的信息经过变换传到输 出层，输出层变换为最终结果输出。多层网络是在输入层和输出层之间增加一个 或几个中间层( 称为隐层) ，信息从输入层输入后经过加权和变换，一次通过各 1 4 j t 塞窒堑厶竺亟堂位迨塞丕凰出燮扭堑垫睦丝堑坌置 个隐层，最后到达输出层输出。从信息的传递方式上看，如果每一层神经元只接 收前一层神经元的输出作为输入的结构称为前馈型网络。如果神经元之间输入和 输出的每一个连接都是双向的( 隐层节点或输出层节点的输出信息可以再反馈到 隐层或输入层) ，称为反馈型网络，反馈型网络具有丰富的动态特性【9 】。 ( 2 ) 诊断方法 神经网络的特点就是具有良好的自学习功能，通过系统不断的学习，便其性 能不断提高。系统的学习方式有：死记式学习、6 学习律、自组织学习和相近学习。 学习的样本可以是：设备正常状态样本，设备故障状态样本或专家经验构造的样 本。 由于机车本身的复杂性，很多故障现象没有现成的规律可寻，而通过神经网 络的自学习功能，可以解决那些太复杂或没有专家指导或没有规则可参考的问题。 由于神经网络需要大量数据作为输入，目前本系统所采集到的数据量还远远不够， 还需要一定时间的数据积累，才能发挥神经网络的功能，从而为知识库的建立提 供有力的支持。 2 4 4 机车故障诊断专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) 1 1 0 】产生于2 0 世纪6 0 年代中期，是人工智 能研究的一个分支。故障诊断是专家系统最成功的一个应用领域，早期的专家系 统很多都是关于医