基于虚拟技术的CAB型机车制动系统的状态重演与故障诊断*

任宇杰， 查广军，李万新， 叶柏洪， 林 晖

(1 北京纵横机电技术开发公司, 北京 100094;2 中国铁路总公司 科技管理部， 北京 100844；3 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)



基于虚拟技术的CAB型机车制动系统的状态重演与故障诊断*

任宇杰1， 查广军2，李万新3， 叶柏洪3， 林 晖3

(1 北京纵横机电技术开发公司, 北京 100094;2 中国铁路总公司 科技管理部， 北京 100844；3 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

介绍了CAB型机车制动系统(CAB)基于虚拟技术的状态重演系统，此系统创新性的利用CAB事件记录模块存储的数据进行虚拟的CAB状态回放，变数据为状态，变抽象为具体，不仅可以用于CAB的技术培训和产品升级，同时对CAB的故障诊断以及机车的行车事故分析有重大的意义。由此展开，文中介绍了利用状态重演系统实现的基于状态重演的故障诊断、基于故障模拟的故障诊断和基于专家系统的故障诊断3种故障诊断的方法。并特别指出基于专家系统的故障诊断方法构建了CAB故障诊断专家数据库，极大的降低了CAB故障诊断的门槛，可以及时的处理CAB的常见故障，使铁路运输秩序得到快速恢复。

制动系统; 故障诊断; 状态重演; 虚拟技术

无论是高速列车还是重载列车，列车制动都是最为关键的技术之一，如果不能保证制动系统的安全和可靠，那铁路运输的安全也就无从谈起。在此背景下，北京纵横机电技术开发公司总结市场上已有机车制动机的经验和教训，研制开发了新一代完全具有自主知识产权的CAB型机车制动系统。相比目前市场上的制动机，它拥有更高的集成度，更好的灵敏度，更多的冗余度和更强的鲁棒性，实现了标准化、模块化和信息化，为铁路行业的快速发展提供了强有力的保障。

机车制动机是机、电、气相结合的控制系统，结构设计和运行逻辑都十分复杂，同时它所处的环境又十分恶劣，电磁、振动、高温都对其正常运转造成一定的威胁，仅仅依靠现行的“五步闸”和“八步闸”两种运行前的检测手段[1]，很难真正的保证机车制动机的安全正常运行。在实际应用中，因制动机自身故障而造成的机破等严重行车事故的事例时有发生。目前已经研发出了很多制动机的故障诊断方法，比如哈尔滨铁路局齐齐哈尔研究所研制了制动机便携式检测仪[2]；北京交通大学研制了机车制动机测试仪[3]；克诺尔针对其CCB系列制动机，国产的DK系列制动机和JZ系列制动机都有自己的故障诊断方法[4]，但是在实际应用中，这些方法都有其使用的局限性，其中普遍的共性就是它们都是“数据式”的故障诊断，即针对记录的数据进行分析，判断故障发生的位置和类型，这种分析方法十分抽象，对故障分析人员的专业技术水平要求非常高，不利于各机务段和检修部门快速判断制动机故障，也造成了制动机故障维修费用的高昂和维修周期的漫长。针对这一情况，并结合CAB自身高度信息化的特点，使用虚拟技术研发了CAB状态重演系统和基于此的故障诊断系统，使“数据式”的故障诊断，变成了“状态式”的故障诊断，变数据为状态，变抽象为具体，大大降低了制动机故障诊断的门槛，从而降低维修的费用，缩短维修的周期。同时由于CAB记录了例如司机手柄操作，机车风缸压力变化等机车关键数据，故状态重演对机车事故分析也大有裨益。

1 CAB状态重演

制动机在运行过程中状态在不停的改变，包括各风缸的压力，继电器的开合，自阀和单阀的位置，显示屏的各种显示等，然而这些状态都是“现场直播”的，一旦发生改变，就无法再回到上一状态。那么如果能把制动机工作的“状态影像”用“录像机”录制下来，之后再通过“放映机”播放出来，就可以完整的再现制动机的工作状态，这不但对相关技术人员的培训和制动机的技术革新有积极的意义，更对制动机的故障诊断和机车事故分析有重大的意义。那么 “状态影像”在CAB中是如何体现的？由于CAB是一套高度信息化、数字化的制动系统，其所有模块的动作都被转化为数字信息，在制动机内部的网络上进行广播，所以在开发人员的眼中，其机械结构仿佛是“透明的”一样，CAB制动系统仿佛就是各个网络节点之间的一串串数字，一条条报文。显然这些数据就是CAB的灵魂，也就是文中提到的“状态影像”。“录制”它们，就可以将制动系统的状态还原。而“录像机”在CAB设计之初就已经被架设在制动机的内部了，这就是CAB的事件记录模块。只要CAB一上电，它就开始工作，将制动系统所有的“状态影像”“录制”下来。这样的影像显然不可能通过CAB再将其“放映”出来，故本文中提出利用虚拟技术，采用LabVIEW软件进行编程，在电脑中虚拟了一台本身不发信号的，只接收和解析信号的CAB制动机系统，它就像是“放映机”一样，可以把制动系统的工作状态按原样在电脑中的CAB上进行重演，回放出制动机在产生这些数据时是如何工作的。图1展示了本公司开发的CAB状态重演系统的主界面。

图1 CAB状态重演系统主界面

图1中所示的状态重演系统主界面主要有显示部分和控制部分两大区域组成。显示部分包括左侧制动控制器(EBV)历史动作的显示，并分成A端和B端分别显示；中间上部显示器模块(LCDM)历史动作的显示，并分成A端和B端分别显示；中间中部系统控制模块(SCM)和MVB历史信号的显示和右侧列车管控制模块(EBCM)、制动缸控制模块(BCCM)和单独控制模块(ICCM)3个模块历史压力数据的显示。控制部分则被集中放置在中间下半部分。

程序运行前，在电脑中有一个固定放置数据的文件夹。将要读取的CAB事件记录模块记录的数据全部都放置到此文件夹中，在程序打开运行时，会自动读取文件夹中的所有数据文件，并按照数据实际发送至网络的时间进行排序。当操作人员点击状态重演的按钮时，整个系统就按照数据实际发送的速度对CAB的运行状态进行重演。遇到需要重点关注的状态，操作人员可以选择2倍速的慢放和4倍速的慢放。当然对于大多数的正常数据，可以选择2倍速的快进和4倍速的快进，快速的浏览制动机的工作状态。为了状态分析的方便，本系统还可以选择状态重演的方向，即可以从前向后重演，也可以从后向前重演，还可以一键全部重演和一步一步的分步重演，做到了将CAB的“状态影像”360°全方位的重演，使得使用人员和研发人员对CAB状态有一个非常直观、详细和全面的了解。图1显示了一段数据状态重演后的界面。可以看到各个模块此时各自的状态，其中EBV的B端是非操纵段，只发心跳信息而不发自阀、单阀的位置信息，所以位置信息的图中没有数据。

本系统的另一创新之处在于实现了EBV位置的数字化，即把EBV的各个位置结合此操作位产生的制动缸压力和在EBV实物上的此操作位的实际位置赋予固定的数值，建立一一对应的关系，这样就可以利用数字图表的方式将手柄的位置表示出来，实现了EBV操作位的图形化显示，提升了状态重演系统使用者的用户体验。EBV操作位的图形化显示如图2所示。

由图2中的图形可以清晰的看出自阀(自动控制阀)和单阀(单独控制阀)的操作历史。自阀从运转位推了初制动位，然后又经过3个制动区的位置，推到了全制动位，拉回运转位后又推了紧急制动，第2次较第一次在全制位(全制动位)后多推了一个抑制位。单阀则是从全制位拉回运转位后，经过3个制动区的位置推到了全制位，在制动区还拉了一次单缓。最后又拉了运转位。而且上下两个图形的时间也是一一对应的，对比后可以看出单阀在操作时，自阀一直处于运转位。

图2 EBV操作位置的图形化显示

2 故障诊断

虽然铁路客车运行安全监控系统(TCDS)可以对运行中的列车进行数据采集、实时监控和故障诊断[5-6]，但是具体到制动系统，其只采集列车管和制动缸的压力，很难对制动系统的故障有一个全面和准确的诊断，而状态重演系统中集中了CAB的所有状态信息，完全具备对其故障进行预判和诊断的条件。所以本系统还开发了故障诊断的功能，具体故障诊断的方式分为3种，分别为基于状态重演的故障诊断、基于故障模拟的故障诊断和基于专家系统的故障诊断。

2.1 基于状态重演的故障诊断

基于状态重演的故障诊断就是以合适的速度对要分析的数据进行状态重演，有经验的技术人员对CAB状态数据进行实时分析，一些常见的或者逻辑简单的故障可用此方法便可以进行定位。图3中便是一个异常数据，可以看出在定压600 kPa的情况下，自阀从紧急位拉到运转位稳定后，均衡风缸充风，压力上升并稳定到了595 kPa，而此时列车管的压力却保持503 kPa，不在继续充风。在CAB制动机的设计中，均衡风缸的压力是列车管压力的先导压力，正常工况下两者间稳定后的压差不超过10 kPa，所以此时就可以判断制动系统出现了某些异常情况，比如中继阀灵敏度降低等。

图3 EEBCM故障数据

2.2 基于故障模拟的故障诊断

在故障分析的过程中，经常需要进行故障的复制和重现，但是有时由于故障是通过特定逻辑的操作，许多功能模块共同影响的结果，所以很难进行重现。这时候就可以使用状态重演系统来使故障重现。在系统主界面的右下角选择要重现故障的模块，并将实际的模块用线缆连接到系统当中，点击故障模拟按钮，系统会自动向测试模块发送其传感器的数据和其他模块的网络数据，同时接收测试模块的网络数据，并将发送的数据和接收的数据都在前面板上进行显示。这样就完全模拟了测试模块在故障发生时的网络环境，使测试模块最大可能的出现希望重现的故障，进而对模块进行改进。本项目在实施过程中，就使用这一功能对SCM的一个偶发故障进行了硬件上的重现，从而找到了故障发生的原因并进行了及时的修正。

2.3 基于专家系统的故障诊断

前两种故障诊断的方法多用于技术人员定位CAB的具体故障，而各机务段和检修机构的使用人员则更多的关心发生故障后的处理方法，基于此，我们这套状态重演系统开发了基于专家系统的故障诊断功能。目前应用较广的故障诊断理论通常有模式识别、故障树、专家系统、模糊理论和人工神经网络[7-8]。它们各有特点，适用于各种不同的场合。而制动机在发生故障时，总是表现为确定的故障现象，并可以用EBV数据和压力数据进行准确的描述，所以可以形成故障数据库。这使其特别适合使用专家系统理论进行故障诊断。日本新日铁公司机车车辆故障诊断系统和美国GE公司的DELTA机车故障诊断系统也都使用了专家系统的模式[9]。

在CAB的开发、试验和在机车上实际应用时，本项目都很重视对常见故障和其解决方法的归纳和总结。将发生过的和预想到可能发生的故障描述为特定类型和格式的数据，并列举了可能的原因和解决方法，形成故障诊断专家数据库。当状态重演系统重演至疑似故障数据时，操作者便可点击故障识别按钮，系统就会自动将此时数据在故障诊断专家数据库中进行比对，寻找匹配度最高的故障数据，并将可能的原因和解决的方法进行列举。还以图3中的异常数据为例，当在此界面点击故障识别按钮时，系统判断的制动机故障和解决方法如图4所示。

图4 故障诊断专家系统给出的故障分析和解决方法

通过系统将当前数据与故障诊断专家数据库进行比对，得出的故障信息是均衡风缸与列车管压差过大，给出的解决方式是更换EBCM模块，这样就可以很方便的指导检修人员对常见的故障进行及时的处理。

3 结 论

介绍了CAB型机车制动系统基于虚拟技术的状态重演系统，此系统创新性的利用CAB事件记录模块存储的数据进行虚拟的CAB状态动态回放，把抽象的数据，变成了直观的状态，可以使操作人员明确的看到制动机工作的全过程。还可以像看录影带一样，随意的快进、慢放、前进、后退或者一帧一帧的观看，不仅可以用于CAB的技术培训和产品升级，更对CAB的故障诊断甚至机车事故分析有积极的意义。本系统在EBV数据的处理上将手柄位置信息数字化，实现了手柄位置的图表化显示。使用CAB状态重演系统进行故障诊断主要分为基于状态重演的故障诊断、基于故障模拟的故障诊断和基于专家系统的故障诊断。前两种方法适用于有经验的技术人员进行故障的定位和排查，第3种方法使用专家系统的理论，构建CAB故障诊断专家数据库，极大的降低了CAB故障诊断的门槛，方便CAB的使用者及时地排除故障，恢复正常地运输秩序。

[1] 中华人民共和国铁道部，机车操作规程[S].2000.

[2] 王凤和. JZ-7型机车制动系统工况检测技术的研究[J]. 内燃机车，1994，(7)：38-43.

[3] 廖 芳，杜永平. 便携式机车制动检测仪的研制[J]. 中国仪器仪表，2003，(5)：18-20.

[4] 刘豫湘. 我国机车制动机的现状与发展[J]. 电力机车与城轨车辆，2005，28(1)：6-9.

[5] 刘瑞杨. 客车运行安全监控系统[J]. 中国铁道科学，2007，28(2)：126-131.

[6] 池 海，田 军，覃桂菊. 单片机在铁路客车制动机监控系统应用的研究[J]. 铁路计算机应用，2005，14(1)：28-30.

[7] 王冬梅，王 黎，张涛. 铁路机车故障诊断专家系统的设计[J]. 微计算机信息，2006，22(10)：144-152.

[8] 郭其一，乌正康，陈永生. 基于智能技术的机车故障诊断研究[J]. 铁道学报，1996，18(4)：221-223.

[9] 刘瑞杨，杨 京. 铁路客车运行安全监控系统(TCDS)[M]. 北京：中国铁道出版社，1994.

The Duty Reappearance and Fault Diagnosis of CAB Based on Virtualization Technology

RENYujie1，ZHAGuangjun2,LIWanxin3,YEBaihong3，LINHui3

(1 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China;2 Science and Technology Department, China Railway, Beijing 100844, China;3 Locomotive & Car Reseaarch Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

This paper presents a duty reappearance system of a new locomotive braking system named CAB based on virtualization technology. The running data from record module of CAB is used to carry on this work. The system can playback the data on a virtual CAB in the computer. This innovation is not only beneficial to the production training and technology update of CAB, but also significant meaningful to its fault diagnosis. Based on the duty reappearance system, a fault diagnosis system is developed. It can locate the fault uses three different approaches, includes duty reappearance, fault repeat and expert system. Especially, in the expert system, an expert database of fault diagnosis is established to simplify the maintenance of CAB.

braking system; fault diagnosis; duty reappear; virtualization technology

*中国铁路总公司科技研究开发项目(2014J003-E)

��)男，助理研究员(

2016-05-13)

1008-7842 (2016) 05-0069-05

U260.35

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.15