和谐型电力机车故障诊断专家系统构建与应用

李 豫

(中国铁路经济规划研究院有限公司,北京 100038)

引言

为满足铁路行业高速化、信息化的发展要求，我国通过对国外先进技术的“引进消化吸收再创新”，逐步完成了铁路干线电力机车由直流传动向交流传动的升级换代，形成了HXD1、HXD2、HXD3三大交流传动电力机车系列，即和谐型电力机车[1]。不同型号和谐型电力机车控制模式虽然有一定差异，但均构建了以总线为基础的网络控制系统[2]，具有网络化、模块化和智能化的系统整体性特征。机车运行过程中记录和存储大量的实时运行状态和操控数据、以及非正常状态数据和故障报警信息，若没有专门的大数据专家系统对其进行综合分析处理，就无法真正有效地利用这些数据对电力机车的整备与检修工作进行指导和预判。另外，以网络集成为中心的和谐型电力机车，传统的以拆解和分离部件为基础的检修已经不能达到预定的目的[3]。运用现代信息技术，设计与实现和谐型电力机车故障诊断专家系统，对和谐型电力机车的车载数据进行组合、整理、提取、分析与处理，形成符合机务部门准确可靠的故障诊断和机车运用状态数据，为机车整备运用与检修作业提供科学合理的技术支持。

1 机车故障诊断专家系统构建主要内容

构建机车故障诊断专家系统主要内容及关联关系如图1所示。

图1 和谐型电力机车故障诊断专家系统主要内容及关联关系

(1)构建和谐型机车的基本网络控制模型：在尽可能收集资料的基础上，积累和谐型电力机车的车载数据的存储位置、对外接口、数据特征、数据构成和数据量大小等资料。详细分析和研究和谐型电力机车车载数据对外接口的物理特性、链路特性、网络协议和数据通信模式，归纳其相似性和差异性，实现涵盖和谐型系列电力机车车载数据的下载基础模型。

(2)构建车载信息管理大数据库：根据各类数据在结构组成、数量大小、综合使用可能性、数据积累速度预测和数据纵向使用可能性等，设计和实现多层目录索引模式和以时间、车型、车号为轴的分层分类数据排列体系。以多层目录索引模式和分层分类数据排列体系为基础，结合数据可能的使用方式，设计和实现数据的分布式存储模式，进而完成对数据管理架构的设计与实现。

(3)创建基础专家分析逻辑和判断分析逻辑计算模型方法：根据不同车型的车载数据组成、数据类型、形成模式、构成和数量等，以机车系统控制和运行机制为基础，结合机车各组成部件的工作机理，构建各类车载数据内部与相互之间的关联关系，形成与车型相关的判断分析逻辑，归集该领域相关专家在实践中进行故障诊断和状态分析的经验积累，分析其内在的关联关系，形成专家分析逻辑计算方法。

(4)创建车型相关综合判断逻辑：研究不同车型机车的总体控制模式和运行机制，结合机车各部件之间的关联关系，以机车总体运行的技术状态为目标，以车型相关基础专家分析逻辑和判断分析逻辑为基础，设计和实现车型相关的综合判断逻辑，车型相关的综合判断逻辑表现为专家分析逻辑、判断分析逻辑或专家分析逻辑与判断分析逻辑的混合体。

(5)创建故障诊断与机车运行的技术状态判定总体计算控制逻辑：设计和实现与车型相关度低的和谐型电力机车故障诊断与机车运行的技术状态判定总体计算与控制逻辑框架，为完整实现机车的故障诊断结果输出与机车运行的技术状态判定提供整体模型，确保最终判定或判断结果的一致性、完整性、准确性和可靠性等。

(6)创建专家分析逻辑和判断分析逻辑的形式化描述体系：在分析和研究的基础上，建立专家分析逻辑和判断分析逻辑的形式化描述体系，涵盖所有类型的专家分析逻辑和判断分析逻辑，并将描述方式各异的专家分析逻辑和判断分析逻辑用设计的形式化描述体系统一描述处理，为分布式自主运算的实现奠定基础。

(7)创建数据预处理和分布式分析运算模型：由于车载数据种类多、构成差异大、目录索引与组织存储模式影响以及专家分析逻辑和判断分析逻辑对数据使用范围与先后的不同，需要对分析运算使用的数据进行预处理，来提高分布式分析运算的效率。分布式分析运算模型的设计和实现主要完成数据预处理过程控制、数据分布式分发、数据运算任务分发、处理结果分层归集，处理结果冲突化解和处理结果归总等功能。

(8)创建和谐型电力机车故障诊断专家系统应用场景分析：分析和研究和谐型电力机车故障诊断专家系统的应用场景及其对应的需求模式，构建和谐型电力机车故障专家系统应用场景及对应的需求体系，为针对性设计和实现和谐型电力机车故障专家系统诊断或判定结果呈现提供依据。

(9)创建和谐型电力机车故障专家系统诊断或判定结果呈现体系：根据和谐型电力机车故障专家系统应用场景以对应的需求，构建完整的和谐型电力机车故障专家系统结果呈现体系。

(10)创建数据互联互通架构：根据铁总运〔2015〕211号《关于和谐型机车C4及以下修程工装设备配置的指导意见》，设计与实现通畅交互的和谐型电力机车故障专家系统基础数据、中间数据和最终判断或判定结果数据在国铁集团范围内从段内、局内和局间数据交互接口，方便各类数据在国铁集团内部各种应用与共享。

(11)创建在应用实践的基础上升级完善的和谐型电力机车故障诊断专家系统：将设计实施完成的和谐型电力机车故障专家系统投放到一定数量的机务段进行实践检验，分析和谐型电力机车故障专家系统分析结果与实际情况的差异，研究并总结差异原因并不断升级完善和谐型电力机车故障专家系统。

2 系统核心功能模块

2.1 数据组织与存储

系统数据组织与存储功能模块主要实现将机车车载数据从控制网络接口获取的数据，从原始数据状态转换为文件检索与处理需要的格式组织与存储。在本系统中，根据各车型各类数据的数据块构成、数据项复合程度等特征，并融合数据预处理、数据分析和基础数据检阅的需要，重新构建文件内部结构、形成具有数据文件类的文件间关联模型及检索机制。基本数据组织与存储设计方案如图2所示。

图2 数据组织与存储设计

2.2 数据预处理

单台机车单次下载的数据一般在几百MByte到几GByte或几十GByte，机务整备或检修工作实践中要求故障诊断专家系统应该在数分钟内完成分析计算。为了提高数据分析判断逻辑的执行效率，需要对大量的数据文件进行预处理。为了提高数据预处理的有效性与针对性，首先将数据分析判断逻辑和专家诊断逻辑运算时序区分数据预处理的时序，并根据逻辑判断处理的实际运行路径选择实际需要的数据预处理任务，排除实际判断处理不需要的路径和对应的预处理任务。数据预处理方案如图3所示。

在大量的逻辑分析判式及其复杂的组合判定条件中，只有所有的判定条件都成立时，完整的数据预处理才有必要，一般情况，都有大量的判断分支不被调用，完整的数据预处理会造成大量的资源浪费，并拉长处理时间。

图3 数据预处理方案设计

2.3 逻辑分析判断模块

逻辑分析判断模块的工作基础是逻辑诊断库的表、视图、数据库函数和存储过程，同时也包含了车载数据组织逻辑。

HXD1系列、HXD2系列与HXD3系列三个系列共完成2万余条基础判定逻辑、3000余条二级组合逻辑，涵盖系统包含的专家库和逻辑诊断库。表1与表2是部分基础判断逻辑和二级判断逻辑。

表1 基础判断逻辑(部分)

表2 二级判断逻辑(部分)

为保证数据分析的效率，数据分析部分将所有分析判断逻辑都作为独立的判断路径并发运算，设计时确保分析判断逻辑系统整体的覆盖所有分析判断条件和分析判断分支。逻辑分析判断模块方案如图4所示。

图4 逻辑分析判断模块设计方案

该设计方案可以根据并行的前序运算结果，消除后序中与实际不匹配的判式，虽然逻辑分组设计复杂，但整体处理效率高。

2.4 专家诊断逻辑方案

专家分析规则是和谐大功率机车专家系统的核心，不断健全、完备和更新的专家分析规则信息库是和谐大功率机车专家系统有效性的基本条件。

专家分析规则信息库主要包括两方面的分析规则，一是分析规则，直接用来分析机车数据，得出机车运行质量结果；二是学习规则，通过分析机车数据，形成专家分析规则。

归纳起来，专家分析规则来源有两种：第一种为相关专家理论与实践总结的结果；第二种为数据学习的结果。

专家分析规则(诊断逻辑)形成路线如图5所示。

图5 专家分析规则(诊断逻辑)形成路线

3 系统架构

3.1 系统处理架构

机车基本信息识别：以设计完备并不断更新的机车控制网络版本库为基础，提取各类机车控制网络具有身份特征的通信状态和控制信息或过程。

车载数据下载：不同类型的机车、不同的网络控制部件或模块、不同的控制逻辑，对应的机车控制状态、数据通信格式和通信有效数据串不同。机车状态与控制数据下载围绕设计和实现的数据通信格式库，匹配机车网络控制过程逻辑并具体识别组成控制过程逻辑的所有数据串，实现完整的机车车载数据下载。

数据整理与转存：数据转换处理将原始车载数据转换成便于分析处理或浏览查看的可用性强的数据；数据重组是将捕获的数据根据数据分析需求，按照基本的数据分析逻辑进行重新组合，并按照数据深度分析的要求进行特定格式的转储。数据预处理包括：基础性数据预处理、过程选择性数据预处理。系统分析及诊断逻辑结构见图6。

图6 系统分析及诊断逻辑结构

3.2 逻辑结构

系统自下而上分为三层，分别是涵盖物理接口具体实现的物理接口层、代表逻辑运算与处理的逻辑运算与分析层以及代表判定结果呈现的应用呈现层。其功能处理逻辑分为相互支撑的三大模块：接口规范模块实现车载数据下载物理接口和交互链路逻辑；数据处理模块实现识别运算逻辑、数据交互逻辑和数据组织逻辑；分析判断模块实现分析与预处理逻辑、智能学习与深度分析逻辑和判定结果呈现模型。系统总体逻辑结构如图7所示。

3.3 物理结构

系统由下载器，WIFI网络，AC控制器、核心交换机、磁盘阵列、数据服务器组、分析服务器组和终端机组成。通过下载器将各类车载数据下载并通过无线网络传至数据服务器，并由数据服务器通过分布式计算完成数据的组织、存储与管理，分析服务器在分布式计算模式下完成和谐型电力机车的故障诊断，并呈现在终端机上。系统物理结构如图8所示。

图7 系统总体逻辑结构

4 运用及运用效果

系统已运用或即将运用在多个机务段，包括：贵阳机务段、呼和机务段、西宁折返段、呼和南机务段、重庆机务段、株洲机务段、新丰镇机务段、宝鸡折返段、西安站(改)机务段、迎水桥机务段、嘉峪关机务段、怀化机务段、西宁机务段、福州机务段鹰潭机务段、南昌机务段、长沙机务段等。涵盖的机车类型包括：HXD1型(包括HXD1、HXD1B、HXD1C、HXD1D与HXD1F 5个型号)、HXD2型(包括HXD2 30T、HXD2 1000、HXD2B与HXD2F4个型号)、HXD3型(包括HXD3、HXD3B、HXD3C与HXD3D 4个型号)。

图8 系统物理结构

以正式投入运用超过2年的株洲机务段为例，分析和谐型电力机车故障诊断专家系统的运用效果，运用时间段内共分析机车23 756台次，分析诊断出故障4 436个，检出故障比率为15.2%，实际确认故障隐患2 103个，故障维修确认率为48.3%。株洲机务段运用故障诊断专家系统后检出故障的信息统计见表3。

和谐型电力机车故障诊断专家系统运用前后对比效果如表4所示。

表3 故障诊断专家系统运用后的检出故障信息统计

表4 故障诊断专家系统运用前后效果对比

5 系统发展趋势与运用前景

(1)系统发展趋势

和谐型电力机车网络化、智能化和模块化的发展，决定着拆解式检修已经无法满足以总线网络为核心的电力机车整备与检修的要求。信息技术，特别是以分布式计算、人工智能和大数据处理技术的发展，为和谐型电力机车故障诊断专家系统相关运算逻辑的更新、改进和及时性、完整性、准确性及可靠性的提高奠定基础，推动和谐型电力机车故障诊断专家系统进一步发展和完善。

(2)系统应用前景

和谐型电力机车整备、检修和运用实务对C1～C6修程的全面性、精确性和针对性提出了更高要求。同时，不断更新的机车控制网络系统软件也要求标准化的故障诊断流程，来降低对检修技术人员的技术要求。另外，机车的跨段、跨局运用也要求建立在互联互通基础上的机车运用状态履历，为机车持续、可靠和安全运用提供技术支撑。新的机务工作需求为和谐型电力机车故障诊断专家系统的运用提供了广阔的前景。

6 结论

通过对和谐型电力机车车载数据的接口、结构、组成、存储和分布式车载数据处理技术等进行深入分析研究，在机车关键部件不解体情况下，利用专家系统分析判断逻辑，实现对和谐型电力机车的故障诊断及运行技术状态判定，提出从不同的角度综合利用车载数据揭示机车运行性能的方案，设计出多维度分析故障数据、运行数据、智能部件数据的一整套解决方案，构建了具有高效计算效率层叠式预处理模式的和谐型电力机车故障诊断专家系统。