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(电子科学与技术专业论文)基于petri网的机车故障诊断方法研究.pdf.pdf 免费下载
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a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fr a i lt r a n s p o r tt e c h n o l o g y i ti s i n e v i t a b l ef o re l e c t r i c1 0 c o m o t i v et ov a r i o u sf a u l t a n ds e r i o u sr e s u l t m i g h tb ec a u s e db y i t sf a u l t s s oo n l i n ef a u l td i a g n o s i si sav e r y i m p o r t a n tp r o o fo f i t s r u n i n gs a f e t y i n t h i s p a p e r a c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i c so fl o c o m o t i v ef a i l u r e s m a d ep e t r in e tl o c o m o t i v ef a u l t d i a g n o s i s t h i sp a p e ri sb a s e dt h et h e o r yo fp e t r in e t a n dm a d eam a j o rs t u d yo f t h ep e t r in e ti nf a u l td i a g n o s i s i nr e g a r dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a i l u r e f o rt h el o c o m o t i v e m a d et h et r a d i t i o n a lp e t r in e tm o d e li se x t e n d e dt ot h e f i e l do ff a u l t d i a g n o s i s p e t r in e tm o d e l d e r i v e di t sm a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n g i v e nt h ea n a l y s i so ft h es y n t h e s i so ff u z z yp r o d u c t i o nr u l e s o ft h ep e t r in e tm e a n sa n dt h ef u z z yp e t r in e td e f i n i t i o n f i n a l l y p e t r i n e t b a s e d d i a g n o s t i ci n f e r e n c e a n d t h ee s t a b l i s h m e n to faf a u l t d i a g n o s t i c t h ea l g o r i t h mh a sp a r a l l e lr e a s o n i n g t h a tt h ed y n a m i c c a l c u l a t i o no fc o n f i d e n c el e v e la n dt h ei g n i t i o nm e c h a n i s m d y n a m i c r e a s o n i n g g r e a t l ye n h a n c et h es p e e d a n de f f i c i e n c yo f r e a s o n i n g a r t i c l eb a s e dt h e s y s t e m a t i ca n a l y s i s o ft h es s 4l o c o m o t i v e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc i r c u i t w i t h f a u l tt r e e a n a l y s i st oe s t a b l i s ht h el o c o m o t i v ew e r et h em a i nc i r c u i tf a u l tm o d e l f a u l tm o d e lp o w e rs u p p l ys y s t e m t r a c t i o n b r a k i n gs y s t e mf a i l u r em o d e l a c c o r d i n gt ot h ef a u l to fd i s c r e t ed y n a m i ct r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e d y n a m i cc o n c u r r e n tp e t r in e td e s c r i p t i o no faf u z z yp e t r in e tr e a s o n i n g a l g o r i t h mt of a u l td i a g n o s i so ft h el o c o m o t i v es y s t e m t h em a i nc i r c u i t w e r ee s t a b l i s h e dl o c o m o t i v e s y s t e m p o w e rs u p p l ys y s t e m t r a c t i o n b r a k i n gs y s t e mf a u l td i a g n o s i ss y s t e mo ff u z z yp e t r in e ta n di t s f a u l td i a g n o s i s d i a g n o s t i cr e s u l t so b t a i n e d a n df i n a l l yi n t e g r a t e dt h e v a r i o u ss u b s y s t e m so ft h el o c o m o t i v es y s t e mf a u l td i a g n o s i s a c c o r d i n g i i t ot h ef a i l u r eo fd i s c r e t ed y n a m i ct r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed y n a m i c c o n c u r r e n tp e t r in e t s p e t r in e t sp r o p o s e df u z z yr e a s o n i n ga l g o r i t h m st o f a u l t d i a g n o s i s o ft h el o c o m o t i v e s y s t e m t h e e s t a b l i s h m e n to f l o c o m o t i v ew e r et h em a i nc i r c u i tf a u l td i a g n o s i ss y s t e m p o w e rs u p p l y s y s t e m t r a c t i o n b r a k i n gs y s t e mf a u l td i a g n o s i ss y s t e mo ff u z z yp e t r i n e t s a n dt h e i rf a u l t d i a g n o s i s d i a g n o s t i cr e s u l t so b t a i n e d f i n a l l y i n t e g r a t e ds u b s y s t e m s a n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mo fl o c o m o t i v e b e e n v a l i d a t e d i tc a nb ec o n c l u d e d t h a tt h ep r o p o s e df u z z yp e t r in e ta p p r o a c h f o rl o c o m o t i v ef a u l td i a g n o s i si ss u c c e s s f u l k e y w o r d s p e t r in e t f a u l td i a g n o s i s f u z z yp r o d u c t i o nr u l e s l o c o m o t i v e i i i 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 本论文是以国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 基于无线传感器网络的 重载铁路货运车辆危险状态监测系统研究与应用 为背景 以机车为研究对象 展开对机车故障诊断方法的研究 提出新的故障诊断方法 以对故障诊断进一步 的探索与研究 铁路是我国重要的基础设施 机车是铁路运输的主要载体 机车良好的运行 状态是确保铁路安全行车的关键 在我国每年由机车故障引起的经济负担是很大 的 为了确保车辆的设备正常运转 而花在维护设备的费用在铁路运输总经费中 的比例是很大的 为使设备维修工作更加高效 更有科学性 就必须对机车故障 状态 部件的劣化 故障部位及其根本原因有全方位的了解和认识 因此 如何 来提高机车设备的安全性 可靠性 以及预防设备故障的发生和发展成为了一个 急需解决的问题 故障诊断技术在各国专家 学者和广大工程技术人员的共同努力下 不论是 在广度方面还是在深度方面都取得了长足的进展 新的诊断技术不断涌现出 诊 断技术方法和手段也不断完善 我国在铁路电力机车故障诊断领域 中国铁道科 学研究院 西南交通大学牵引动力国家重点实验室等一些科研院所做了非常深入 而富有成效的研究 但是我国在设备诊断的可靠性方面与国际先进水平还有不小 的差距 尤其是在机车的在线故障诊断方面还处于探索阶段 本文利用p e t r i 网 理论应用到机车的故障诊断中 对机车诊断技术提出新的方法 做出新的探索1 1 2 故障诊断技术现有方法 故障诊断 f d d f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s 是指根据一定的诊断方法 诊断 策略来对被诊断的系统进行检测 通过对其检测来的信号进行分析以获取诊断对 象的故障模式 故障征兆 故障特征 然后根据先前预制定的推理原则 判断系 统的子系统或元素是否发生故障 再进行分析查明引起那些子系统或元素偏离正 常状态或正常功能失效的根本原因和相关的性质 同时预发判断状态的趋势 故障诊断主要包括以下两个过程 即工作状态检测与故障诊断分析 工作状 态检测过程的主要任务是检测和采集系统工作时的相关信号 故障诊断过程是对 采集到的故障信号进行分析以提取故障特征属性 再根据故障特性来判断该系统 硕七学位论文第一章绪论 是否有故障发生 并迸一步确定发生故障的部位 性质及故障原因 然后结合现 场知识应用和经验 提出相应的故障解决方案和办法 目前 在故障诊断领域所 应用和研究的诊断方法中 大部分是以知识和经验为基础 也有部分是按一定的 学习 推理方法提出来的 也有极其少数部分的按不确定的方式来描述的瞳 4 在机车故障诊断领域中 对整个机车系统进行全方位的故障诊断 目前几种 常见的方法 故障树分析法 模糊诊断法 神经网络法和专家系统等方法 1 故障树分析诊断法 故障树分析法 f a u l t t r e e a n a l y s i s 简称f t a 它是以研究系统中发生的故障 状态 结果 为出发点 根据相应的逻辑关系从系统整体到各个部件各层次之间进 行逐级细化 推导和分析产生故障的原因 最后找出该故障发生的最基本原因 可能发生的概率以及对系统的影响程度 从分析推理的角度 故障树分析方法逆向的分析过程畸1 从果及因 把系统 中最不希望发生的事件 即故障状态 称为顶事件 从顶事件出发 找出产生顶 事件的直接充要原因 把它们作为建立系统故障树的次级 或第二级 再根据 寻找顶级事件的次级事件的方法追索导致次级事件的下一级 即第三级 遵循 此方法一级一级地展开 一直追溯到系统故障事件没有下一级为止 那么此时就 寻找到了导致顶级事件的最基本源因 我们将这些最底层的事件 即最基本的故 障原因 称为底事件 那些位于顶事件和底事件之间的故障事件则称为中间事件 用形象恰当的逻辑符号将顶事件 中间事件和底事件按照顺序逐级的连接起来得 到一个逻辑结构图 此逻辑结构图形状就像一棵倒置的 树 故称之为 故障 树 陋1 如图卜1 所示 用矢量 互 t o t i j 卜1 来说明故障树中z 节点 故障事件 其中 乞为系统监控信号的状态值 若z 发生 则相对应的监控信号状态值会发生变化 对顶节点瓦通过规则 i f 与r o 有关的故障现象发生 t h e n 乃发生 来判断 而对余下的节点使用以下规则进行判断 i f z 父节点发生a n d 与z 有关的故障现象出现 t h e n z 发生 故障树诊断法就是搜索寻找初始节点 故障初始征兆 到目标节点 故障直接原因 之间的规则有向序列 即寻找规则序列 f l l l n 使得它满足以下方程式 2 1 2 硕士学位论文第一章绪论 z f c f 一 彳 巧 1 3 在故障树诊断中的 事件 就是指描述系统的状态 部件状态的改变过程 如果系统或元部件不能正常工作或完成正常的功能 我们就称之为故障事件哺1 图1 1 故障树模型 2 模糊诊断法 机车故障诊断技术之所以如此困难 就是在于机车故障存在故障因素的多样 性 故障的不确定性 同时各种故障相互之间存在复杂的关联性 故障的原因和 故障症状之间的联系是模糊不清的 没有明确的规律可循 因此 在判断部件的 工作状态或在诊断产生故障的原因时 常常会遇到这样的问题 a 故兆可能是b 故障原因 或 b 故障原因可能会引发a 故障 这样一些不明确而又有模糊性的 结论 诸如此类判别不确定性 即模糊性 的事物在数学上不能简单处理 也不能简 明的用 是 与 非 的逻辑关系来描述 通常需要在0 与l 之间加上一种函数来 更形象的说明描述此类问题 使在形式上不明确的事物概念可以运用数学方法进 行相对精确的运算n 删 然而模糊诊断法就是将故障征兆用数据的形式表达出来 再对所给出的数据进行整理 组合成故障征兆向量a 的隶属函数p b 然后通过 现场经验或实验数据来建立征兆与故障原因之间的模糊关系 用矩阵r 来表示 最后通过逻辑运算以及模糊关系方程求解故障原因向量b 其诊断过程如图卜2 所示 3 硕 学位论文 第一章绪论 医 图卜2 模糊诊断模型 3 神经网络诊断法 人工神经网络的工作原理是模仿人的大脑结构和功能 利用先进的计算机仿 真技术 同时综合并行处理信息等技术 模拟人脑是在如何进行学习 如何记忆 以及如何归纳 对这些功能上基本特性进行分析比较再作出简单的模仿阳3 目前 有些学者将神经网络和专家系统相融合得到的基于神经网络的诊断专家系统 他 综合了专家系统和神经网络的优点 因此它具有知识表达 推理及学习能力很强 的特点 因而神经网络诊断法在故障诊断领域内具有良好的应用前景n 0 1 人工神经网络的基本组成 人工神经网络是用神经元节点来模拟人大脑的神经细胞 那么神经网络的基 本计算单元就是神经元 单个的神经元有多个输入信息端口x 一个输出信息 端i 3 y 在神经元中输入信息通过加权处理 阈值臼判别以及非线性特征性函 数的变化 最后得到输出信息y 如图1 3 所示 图中s 为内部反馈信息 x l x 2 一 x n 图卜3 神经元模型 对于神经元之间的连接 而就单个的神经元 它是否能起到信息处理的作用 并且有信息输出 主要取决于输入信息的特征 有的输入信息能够刺激神经元而 起到正向发挥作用 那么表示该连接的权值为正 而另外有些输入信息不能够刺 激神经元而起到逆向抑制作用 其连接的权值为负 对于一个神经元的输入端口 有多个的输入信息时 那么在这些输入信息的权值总和大于阈值时 该神经元就 能被激活 就能处理其输入信息并有信息输出 同时将其输入到下一层神经元 在此过程中可用下面的公式表示输入和输出信息 4 l l 硕十学位论文 第一章绪论 y 缈 嘉誓彬 够 产i 1 4 神经网络结构 如果就单个神经元来处理信息其能力是非常有限的 要完成 强大的信息处理能力 就得将很多个神经元相互连接成网络才能实现 这样其处 理信息的吞吐量也大大加强 从结构上看神经网络分为两种 单层网和多层网 单层网络只有两个层面 即输入层和输入层 若干神经元组成一个单元节点构成 个层面 同样各层面之间要通过节点强度来连接 通过激励函数作为载体来实 现信息的传播 输入层主要是用于信息处理 经过一系列的函数变换后传到输出 层 输出层再做出相应的变换后最终将结果输出 多层网是在输入与输出两层面 之问增加多个中间层 信息通过输入层经过加权求和的相关变换 再依次通过各 个中间层 最后从输出层输出 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网络结构称之为前馈型网络 若神经元之间输 入和输出的每个连接都是双向的 输出层节点的输出信息可以再反馈到输入层 称为反馈型网络 反馈型网络具有丰富的动态特性 2 诊断方法 神经网络的显著特点就是具有较强的自学能力 能够通过系统不断自我学 习 使其性能得到大幅提高 从目前的研究状态来看 系统常用的学习方法有 死记式学习 万学习律 自组织式学习和以及相近相关学习 常见的学习样本 正常状态样本 专家系统构造样本或设备故障状态样本 根据机车本身的特性 大部分的故障症状的诊断没有现成的规律可循 结合 神经网络的自学能力强的特点 一般可以解决比较复杂或没有专家临场指导或没 有规则可求的问题 由于神经网络输入端口较多 需要大量数据作为输入来验证 其完整性 而本系统所采集到的数据量还远远不够 还需要一定时间进行积累数 据 才能发挥神经网络优势 为知识库的建立提供有力的支持 4 专家系统诊断法 专家系统 e s e x p e r ts y s t e m n 出现于2 0 世纪6 0 年代中期 也是人工智能衍 生出来的一种研究方法 就目前的研究状态来看 故障诊断领域中专家系统算作 是比较成功的一个研究方法 专家系统最早出现在医疗诊断方面 随后专家系统 被应用到工程领域的故障诊断 并开发了很多相关设备的故障诊断专家系统 如 汽轮发电机组故障诊断系统d i v a 目前 在航天 电力 冶金和石化等领域专 家系统己得到广泛应用 并受到工程界的普遍重视 1 专家系统的基本概念 为了准确说明专家系统 首先来了解 专家 的含义 专家通常是指某一特 定领域的行家 他们具备了大量的专业技能 能够解决大多数人所不能解决的复 5 硕士学位论文第一章绪论 杂问题 舶 一个专家所具备如下两个基本条件 第一 拥有丰富的专业知识 第二 具有独特的分析问题和解决问题的方法 在本课题中 主要是指有经验的机车领域的专家 相关技术人员和机车司机 等 在解决实际问题中 将领域专家解决问题使用的专业知识以适当的结构形式 存入计算机 让计算机模拟领域专家分析问题和解决问题并进行推理 判断和推 测 这样计算机系统具有像人类专家那样有很高的问题求解能力 这就是建立专 家系统的基本思想 2 机车故障诊断专家系统的基本结构n 3 1 专家系统诊断其实是一种计算机程序而已 它是采用推理的方式 处理信息 的模糊性和不完整性 它能解释其信息含义 因此与我们常用的应用程序还是有 不小的区别 普通的常规应用程序的处理对象是往往是数据 依照算法的思想对 数据进行处理达到实现的目的 那么它的应用领域主要是在数值计算和信息检 索 因此 专家系统侧重于知识结构的表达方式和推理分析方法 而常规应用程 序则注重数据结构形式及算法思想 用结构图表示常规应用程序如下所示 数据结构 算法 程序 1 5 专家系统的结构图如下所示 知识十推理 专家系统 卜6 目前专家系统已经应用到各个领域 通常在不同领域所采用的系统结构描述往往 是不同的 但不管怎么变化其系统组成还是不变的 专家系统都必备以下三种结 构 知识库 推理机和人机接口 这三个部分构成专家系统 如图卜4 所示 图1 4 专家系统的基本结构 综上所述 随着技术的不断发展与更新 故障诊断技术己经推出了多种理论 和方法 但无论采用哪种方法 哪种策略 故障诊断技术 f 涉及了多种信息和 6 立 硕士学位论文 第一章绪论 知识的学科 在对系统进行故障诊断过程中 针对不同系统的特点 采用不同的 诊断方法 或是综合多种方法结合使用 彼此取长补短 以获得最佳效果 1 3 机车故障诊断特点及发展现状 1 3 1 机车故障诊断特点 电力机车在野外行驶 条件相当的恶劣从而不可避免地随时会发生各种故 障 机车发生故障后所引起的后果是无法估量的 所造成的损失是重大的 为了 尽量的降低损失 那么就对机车所发生的故障及时地排除 同时也要在机车的运 行过程中能够及时地发现故障 最好是在故障即将发生或发生的初期就提醒相关 修理人员 并给出故障的位置和机理缘故 使其能迅速地排除故障恢复正常状态 对机车进行故障诊断 首先必须对其进行信号检测以获得故障信号 然后分 析其信号特征对照正常的质量状态参数 找出故障源 但是一个棘手的问题就是 大部分的质量状态参数必须在机车运行的动态过程中才能体现出来 才能获得比 较真实的数据 而且有部分故障只能在机车长时问运行后 在特殊的条件下才有 可能发生 机车在运行途中发生了质量故障 必须在现场就地进行诊断 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 电力机车是一个 复杂的动态系统 其故障诊断特点为u 4 1 层次结构复杂 部件繁多 监测点多 检测参数多 方法多样性 故障交叉重叠 非常复杂 对故障诊断需要较高的实时性 由机车的各部分的功能和部件之间的关联程度 可以将其设备系统可分为若 干个子系统 同时每个子系统又可以根据其相关性可分为若干子系统 每个子系 统又是由许多部件组成 那么从结构上来讲 整个系统形成一个具有层次的树状 结构 这样当某子系统中一个或几个部件产生了故障就会产生一连串的反应 该 故障就会引起其他子系统中部件的工作状况 进而使整个机车系统的工作性能都 会受到很大的影响 机车是一个复杂的动态系统 如果要对各个部件的故障进行准确诊断 就必 须检测许多的相关参数进行全方位的测试 那么在实践中维修人员常需检测的参 数有 各类电气设备的状态信号 用二进制表示 和电气设备的参数信号 譬如 中央电器柜中各种电器的状态信号和感应电机的电流 电压 频率等参数信号 另外 在机车的各个机械部件也是不可忽略的检测部件 尤其是机械部件的振动 信号的检测 其信号在处理机车机械部件的故障中也占有举足轻重的作用 通常 采用的办法是 利用多种方法对采集来的信号进行分析 提取其特征然后加以利 用以达到对其更精确的诊断 7 硕士学位论文 第一章绪论 此外 由于机车的各部件或多或少的具有结构层次性 如果将其划分为各个 子系统时 它又具有一定的独立性 可是同一个子系统中的各部件之间又会有相 互关联性 它们常会相互影响互相左右 也有可能子系统之间也有相互影响 因 此对机车的诊断复杂性不言而喻 对某单个部件的故障诊断时就必须要综合其它 部件的工作状况来进行综合判断 作出最终的诊断 1 3 2 国内外机车故障诊断技术发展现状 1 机车故障诊断技术的国外研究现状 在2 0 世纪6 0 年代 美国开始利用现代技术手段开展设备状态检测和故障诊 断 其后英国和同本也投入大量的研究与应用 随着社会经济日益的发展和科技 不断的进步 故障诊断已经开始走向全局化 网络化和在线诊断方向 现在 在发达国家里故障诊断系统比较成熟的有 美国g m 公司开发c a t s 其主要用于的电传动内燃机车故障检测 l a r s 系统 但这些都是利用无线通讯 网络来对机车进行远程监测和现场诊断n 胡 日本在上个世纪已经开发了车载监测 诊断系统 现已经应用n s o o 系新干线高速列车上 并取得非常好的效果 德国 针对其i c e 高速列车已经研究开发出计算机故障管理系统 能及时更新系统数据 获取最佳效果 目前 国际上己经制定了铁路维修系统的标准r o m a i n n6 同时 也设立了统一的铁路开放系统互联网络 r o s i n 对比于国内的研究现状 国外 机车车辆维修管理信息系统具有如下特点 1 必要的维修管理手段 目i i 根据技术的发展 机车维修信息化 机车维 修信息系统势必已经成为其维修的必要手段 利用计算机的信息处理能力 可以 将现场的故障进行信息查询和信息输入 因此信息化已经成不可少的工序和环 节 2 管理集中化 权力集中化 分工明确化 因为机车维修信息统计是一项 非常复杂的工程系统 需要采用现代化的管理模式 高精度的数据统筹 分工明 确且协作 在车辆维修中所遇到的一切问题都是由维修公司总部统一决策 权力 高度集中化 3 重视科学技术 注重信息处理 利用计算机技术对问题分析及决策和对 软件的开发 建立机车车辆信息系统积累原始数据 总结经验以达到提高维修管 理水平 同时为科学决策提供可靠性 4 重视信息基础工作 规范化各种代码 文档标准及基础工作 目的是为 了协调工作 避免重复 使得工作更为准确 简炼 2 机车故障诊断技术的国内研究现状 相对于国外 我国的机车诊断技术起步算作是比较晚的 在2 0 世纪8 0 年代 8 硕十学位论文第一章绪论 在铁道部运输局装备部的积极大力推动下 国内的许多科研单位及研究所才开始 着手于诊断技术研究 开发和应用 从目前的状态来看 在技术上取得了不小的 进步 同时也获得比较明显的经济效益 我们常用的故障诊断方法主要有以下几 方面 电气参数检测 温度探测 光谱分析 动念压力检测及振动诊断等 在新 的理论 方法和技术方面有 模式识别 模糊数学 专家系统 小波包变换 神 经网络诊断 遗传算法等 进入2 0 世纪9 0 年代后 我国铁路机车车辆的故障诊断技术突破了很多的难 关 取得到了空前的发展和壮大 相继研发出了一系列新的故障诊断设备系统 譬如中国铁道科学院研究院开发的 j s c 一2 0 6 主要用于机车车辆轴承诊断 j l 6 0 1 主要用于机车走行部检测 另外航空工业公司第6 0 8 研究所研发的 j k 9 9 4 2 9 a j k 9 9 4 2 9 b 等系统 它们主要用于铁路机车轴承齿轮故障监控 以上设 备现在己经大量投入了使用并取得了良好的使用效果n 7 1 9 1 在铁道部的领导下 虽然我国科研工作者几十年的辛勤努力 使得我国的机 车诊断技术取得较大的进步 但是与实际中的现场故障检测需求还是有蛮大的差 距 产生差距的主要问题有以下四点 1 原始资料的积累比较困难 其数据的真实性也不可靠 系统数学模型难 以建立 没有充分利用现在比较成熟的诊断方法结合技术方法进行联合故障诊 断 另外在体制上面有可能影响其成果等原因 有些必需的原始数据和资料一直 没有给与充分的重视 2 要使故障诊断系统能够有效工作 必须考虑其工作时的外界条件 如行 车线路距离和地形等各种信息 但是在我国现阶段所采用的维修系统很少考虑这 方面的因素 但可用的信息量比较少 3 我国铁路路线比较广 运营条件不同 加上运营的机车类型和性能有很 大的差异 线路的外界情况差别很大 致使我国建立完善的诊断理论体系有很大 的困难 4 受我国经济发展的限制 投入到机车车辆维修方面的科研过少 对科学 研究的重视还有待加强 另外运用科学的机车安全运行状态评价方法还有待完 善 人机交流手段也还不够完善 并且还没有统一的标准来提示司机安全驾驶行 车 从而使得与国外差距日趋加大 1 3 3 机车故障诊断技术的发展方向 综合国内外电力机车故障诊断技术的发展史 从现有的诊断技术及发展方向 看 电力机车故障诊断技术未来趋势有可能从以下几方面来突破啪1 1 检测和诊断技术相结合 9 硕士学位论文 第一章绪论 由于机车上电气设备非常之多 而且结构非常复杂 如果只在机车上取少数 状态和设备进行测量很难取得比较完整的数据 对其诊断的结果也很难达到预期 的效果 所以有必要对机车上的各种设备特征参数和他们之间的联系进行深入研 究 同时在此研究的基础上 灵活巧妙的运用各种检测及故障诊断技术 实行多 点测量在进行综合分析 处理检测信息 最终达到有效的诊断结果 2 在线诊断与离线诊断相结合 什么是在线诊断 在线诊断通常是指将诊断系统作为机车的一个设备系统 只要是机车在运行 诊断系统就像其他电气设备一样开始工作 这样就能够实时 准确的探测状态 只要机车有故障发生 那么诊断系统就会迅速的对故障信息进 行处理 传送给车上的工作人员以便及时排除故障 从而保证机车不受到影响而 正常运行 而离线诊断是指当机车停在车库后 检修人员借助诊断工具或系统对 机车进行快速全面地检修和维护 这样可以节省时间而且能全方位的检修 不会 遗漏设备的检查 达到提高效率 保证检修效果 3 智能诊断技术的应用 随着科技的不断发展 智能诊断技术已成为当今以及将来机车故障诊断技术 发展的主流方向 近些年来 专家系统 人工神经网络等相关技术的故障诊断方 法日趋成熟 逐渐取代早些年的传统方法 成为机车故障诊断技术新的突破点和 研究方向 融合多种智能诊断方法的故障诊断技术开始逐渐成为故障诊断领域的 热点进行研究 1 4 论文的主要内容 目前 为了保障机车安全行驶 机车故障检测技术的自动化已成为保障其安 全的一项必要措施 在实践中也得到大量的证实 然而 设备的故障诊断技术的 自动化是以研究故障机理 信号处理分析 传感器技术 计算机技术以及人工智 能技术为基础的多学科综合技术 其中 故障诊断方法要作为核心问题进行研究 本课题以提出的机车故障诊断方法的理论研究为主要目的 以建立故障模型 和故障诊断方法的研究为主要任务 应用p e t r i 网理论对以故障树为基础的故障 模型的诊断方法进行改进 建立基于p e t r i 网模型及其故障诊断方法 为此而展 开详细认真的工作 本学位论文的选题来自实际工程项目 主要针对机车这一实体进行研究 从 理论和实践两个方面对基于p e t r i 网故障诊断方法展开详细认真的研究 其主要 内容及本文的结构如下 第一章简要介绍机车故障诊断技术的发展现状 对目i i 常用的诊断方法做 简单的介绍 1 0 硕士学位论文第一章绪论 第二章介绍p e t r i 网的基础理论 给出p e t r i 网的基本定义基本性质 在 此基础上结合模糊控制理论 将p e t r i 网转化为模糊p e t r i 网 并提出基于模糊 p e t r i 网的机车故障诊断算法 第三章主要研究机车各种常见的故障系统 简述其故障诊断的特点 借用故 障树元语言完成对主电路系统 供电系统 牵引 制动系统的故障模型的建立 对各个子系统的故障进行详细的分析 第四章根据机车故障模型及模糊p e t r i 网故障诊断算法 利用模糊p e t r i 网对主电路系统 供电系统 牵引 制动系统的故障模型的建立 并分别进行详 细分析 得出各模块的诊断结果 最后完成机车系统故障诊断结果 第五章综合前一章节各个子系统故障诊断 建立机车系统故障模型 再利 用模糊p e t r i 网的故障诊断方法进行模糊推理分析 然后对模糊p e t r i 网推理策 略进行优化改进 最后将传统的专家系统与模糊p e t r i 网的故障诊断从结构组织 上进行比较分析 第六章总结本文工作 对其下一步工作的展望 硕士学位论文 第二章基于p e t r i 网的故障诊断理论基础 第二章基于p e t r i 网的故障诊断理论基础 p e t r i 网是一种用于离散事件建模的数学工具 用图形的形式来描述和分析 离散事件或者离散系统 它主要侧重于系统中离散事件发生的状态变化以及各种 变化之间的联系 从而能够动态描述系统的变化过程 p e t r i 网作为一种图形化 数学描述工具 最早用于信息流和数据流图的通讯辅助方法中 p e t r i 网作为一 种数学化工具可以建立状态方程 代数方程和其它描述系统行为的数学模型 2 1p e t ri 网的简介 p e t r i 网是1 9 6 2 年由德国c a p e t r i 在他的博士论文 c o m m u n i c a t i o nw i t h a u t o m a t a 中首次提出的网状结构的信息流模型 随后引起美国和欧洲一些科学 家的重视 经过几十年的发展p e t r i 网逐渐成熟 现在p e t r i 网已经广泛应用于许 多领域 p e t r i 网通常以研究系统的模型结构和系统的动态行为变化为目标 注重于 系统中可能发生的各种变化与各类变化之间的关联性 通常用于描述系统中事件 之间的依赖关系 如顺序 并发等相关性乜 根据其特性它更适用于描述有规则 流动行为的系统 例如物流 信息流等 一个最简单的p e t r i 网结构 一般由以下几个元素组成 库所 p l a c e 变迁 t r a n s i t i o n 和有向弧 a r c 库所表示系统中基本事件的状态 例如 故障系统中 的故障征兆 故障症状 计算机信息处理中的队列 缓冲等 变迁表示修改系统 事件状态的动作 如计算机信息处理队列中的信息处理 发送等 有向弧用于连 接库所和变迁 它描述系统事件状态变化的发展方向 在p e t r i 网模型中 标记通常是包含在库所中 标记的动态变化化表示系统 中的事件有着不同状态 譬如库所可以表示一种资源 一个命题 库所中标记表 示资源的数量 命题的真 1 和假 0 z 2 o 如图2 1 所示 库所用圆圈表示 变迁 用窄棒条表示 有向弧用有向线段表示 标记是由库所中的黑点表示 p 1 p 2 n 一p 3 1 u 图2 1p e t r i 网 1 2 硕士学位论文第二章基于p e t r i 网的故障诊断理论基础 我们之所以称p e t r i 网具有动态特性 那么究竟怎样表现出动态特性呢 接 下来了解p e t r i 网的点火规则 由其点火规则将其特性表现出来 如图2 1 所示 t 为变迁 p 1 p 2 p 3 为库所 其中p 1 p 2 为变迁t 的输入库所 p 3 为变迁t 的输 出库所 在此图中默认所有弧的权值都为l 假设此时图中的各个条件都满足点 火条件 即此图中变迁的所有输入库所都含有标记 满足点火时的t o k e n 数目 那么这个变迁是可以点火的 变迁点火后 变迁输入库所中的t o k e n 将减少权值 相应的t o k e n 个数 并在它的输出库所中增加相应的新标记 值得注意的是 在 此系统中变迁的点火后系统事件状态发生变化 但那只是局部的变化 它只与此 变迁的输入库所与输出库所的状态变化有联系 与其他不相干的库所不相干 这 是p e t r i 网模型的重要的特性 正是由于p e t r i 网具有这个特性 p e t r i 网可以很形 象的描述那些并行 分布式系统 2 1 1p e t r i 网的基础知识 定义2 1 一个3 元组n p t f 是一个 p e t r i 网的充要条件是心2 3 1 p n r o 二元性 2 p u t o 网非空 3 尸 p x r u r 尸 流关系仅存在于p 与t 的元素之间 只能从p 专丁或r 专p 不能p 寸p r 一丁 4 d o m f u c o d f 尸u 丁 其中 尸 协 岛 p n 是n 的有穷的库所集合 t t i t 乙 是n 的有穷的变 迁集合 f 为流关系 是网n 中的p 元素和t 元素组成的有序偶的集合 d o m f x 砂 亿y f c o d f xi3 y x y f 分别为f 流关系的定义 域和值域 一个p e t r i l 网也可以用有向二分图表示 库所p 通常用小圆圈表示表示 变迁t 用一段黑线表示 用有向线段表示从x 到y 的流关系 x y 其描述如图2 2 所示 x y f s x t x y f s 丁尸 l x y 图2 2 流关系图 另外定义中p u t a 表示要求网n 中至少含有一个元素 p nt o 库所和 1 3 j 1 y x 彳 硕士学位论文 第二章基y p e t r i 网的故障诊断理论基础 变迁要属于不同的两类元素 d o m f u c o d f p u t 强制规定网n 不能有孤立 元素 必须成有序对 另外p t 和f 均不能为空集 定义2 2 前置集和后置集瞳 对于网n p t f 设x x 为n 的任一元素 那么 x yi x y f 叫做x 的前集或输入集 x yi 五y f 叫做x 的后集或输出集 图2 1 中变迁t 的前集和后集如下 t p 1 p 2 t p 3 如果库所p p 和变迁t t 能够使s 广n t 那么当t 点火时库所p 中同 时会失去又会得到在数目上不一定相同的t o k e n 这样结果的产生表明库所p 中 的资源对变迁t 起着与化学反应中的催化剂相同的催化作用 定义2 3 单纯网与简单网 1 如果v x 尸u t x n x a 那么称n 为单纯网 2 如果v x y p u 丁 z y z y x y 那么称n 为简单网 2 1 2 库所 变迁系统 库所 变迁系统简称p t 系统 此类系统最为显著的特征就是库所中的资源表 现出流动的特性 从p e t r i l 网的基本定义出发就会发现出 p e t r i 网和p e t r i 网系统不 是同一个的概念 p e t r i 网仅由下列元素构成 库所 变迁和弧集合 而p e t r i 网系统是指p e t r i 网和相关的初始标识结合的整体 如果不作特殊说明的情况下 本文中一般所讲述的p e t r i 网就等同于p e t r i 网系统 接下来将详细的讲述p t 系 统定义及其相关概念乜1 2 3 1 定义2 4 设 p t f k w m 为网系统 m 为基网上的一个标识 t t 为任一变迁 则 若t t 则称 t u t 叫做t 的外延 变迁t 在m 下的点火 f i r a b l e 的条件是 对所有的p p p fjm p w p f p f 膨 p w p t k p 这是也说m 授权t 引 发 记作m t 若t 在m 下有效 即变迁t 就可以电火执行 那么点火后得到的结果是m 变成新 标识肘 m 的定义是 对任何p p m p m p w p f 若p o t t o m p w p f 若p t 一i t m p w p f w t p 若p o t f t o 肘 p 若p 萑o t u t 1 4 硕十学位论文第二章基丁p e t r i 网的故障诊断理论基础 t 的点火将标识变成m 称该事件记作m t m 或m 专膨 并将m 叫做 m 的后继标识 定义2 5 网系统 p t f k 形 m 的可达标识集合 用 m 表示 那 么满足可达集合的条件的最小集合 1 m m o 2 若m m o 存在t t 使m t m 则m m o 定义2 6 点火序列 设 p t f k 形 m 是一个p t 系统 仃 m o t m t 2 tm 是 的一个有限点火序列 那么v i f n m f i m f 盯的长度i 仃l 刀 乞 厶称为变迁t 的点火序列 2 2 p e t ri 网故障模型 故障p e t r i 网是在综合故障传播特性和纯p e t r i 网理论的基础上衍生得到的 故障p e t r i 网模型势必就与传统的p e t r i 网有所不同 它能适应于设备的故障演变 和故障传播特点 故障p e t r i 网是对传统p e t r i 网进行了重新定义 是对p e t r i 网 的一种扩展 故障的传播过程用有向网表示 变迁点火时不能表示系统的资源流 动 而是故障传递或衍生 传统的p e t r i 网中存在资源竞争与冲突 而故障传播 就不存在资源竞争的问题 故障的传播过程是确定唯一的 所以异常信息可做为 资源共享 供多个变迁同时使用 也可以进行简单的相互叠加口3 1 2 2 1 故障p e t ri 网的定义 定义2 7 故障p e t r i 网基网可以是一个三元组口引 p r f 其中 1 尸表示库所集 但该集合为有限不能为空集 表示系统中部件的行为状 态 若j pcp 有 p o 则称库所p 为底层库所或者起始库所 在同一个系 统中的由起始库所构成的集合称为系统的起始库所集 若了pcp 使得p a 则称库所p 为顶库所或者目标库所 在同一个系统中由目标所构成的集合称为目 标库所集 在故障p e t r i 网系统中 通常设备部件的原发性故障现象或故障症状用 初始库所表示 如压力泵输出压力不够 换向阀卡位等 目标库所一般用来表示 系统的最终状态 即部件故障或系统故障 如缸体磨损 电磁铁烧毁等 2 t 表示变迁集合 该集合为有限不能为空集合 表示系统中某个部件的行 为动作或该部件的工作状态变化 3 有向弧f 集合表示流关系 用来连接库所和变迁节点 表示系统中某个部 件状态的变化趋势或完成此动作的过程 1 5 硕士学位论文 第二章基于p e t r i 网的故障诊断理论基础 4 是基网 5 其余与定义2 1 相同 定义2 8 设七元组 五 k 形 为基于p t 网的故障传播网系统嘶 其中 坼 p t f 为故障基网 正 变迁集合 用于表示已点火过的变迁 主要是标识故障的传播路径 以免 变迁的重复发生 k p 一 0 1 p e t r i 网的容量函数 表示库所的容量 为权函数 v w w l 2 1 m 为p e t r i 网的初始标识 p e t r i 网库所中标识的组成元素只有两种 即库所 中托肯数量只能为 0 或 1 库所中托肯数量为 l 时通常表示该部件有 故障 0 通常表示设备状态正常 没有故障发生 2 2 2 故障p e t ri 网的动态特性 传统的p e t r i 网能表现出动态特性 同样故障p e t r i 网也能表现出动态特性 根据故障p e t r i 网点火规则 库所中的t o k e n 将不断地向下一级的库所衍生 此过程 正好表达了故障p e t f i 网的动态特性 它也反映了故障信息在系统
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