基于故障树的信号继电器电气特性故障诊断系统

张婉

(广深股份公司广州电务段，广东广州 510610)

0 引言

检测技术是一门既古老又年轻的学科，它起源于上个世纪，随着科学技术的进步而不断自我更新。利用各种检测技术来查找故障，称为“故障检测技术”或称为“故障诊断”。故障诊断系统来自理论与实践经验的紧密结合，是提高检修质量的有效方法。在电力变压器[1]、汽车发动机[2]、轴承[3]和电源电网[4]等方面，故障诊断系统都发挥了很大的作用。

幅员辽阔的中国拥有公路、铁路、水运、航空、管道构成的发达交通网，其中高速铁路营业里程世界第一[5]。信号继电器是高速铁路自动控制、远程控制信号设备的主要控制元件之一，其重要性不言而喻[6]。信号继电器检修的目的是排除继电器在运行中产生的故障，恢复其电气、机械特性，确保其可靠、安全的工作。

信号继电器电气特性故障的诱因很多，包括：可动部分磨损、线圈因受潮而绝缘降低、金属零件的龟裂或变形、永久磁铁的变化等。这些都会引起电气特性的变化。信号继电器的电气特性故障，其故障模式来源于底层的故障机理。同样的故障模式在不同型号的信号继电器中有不一样的故障机理，这就给故障点的定位带来了困难。信号继电器电气特性故障的多样性和复杂性导致故障诊断在逻辑和细节上的不确定性。通过人的感官或简单仪表，获得故障现象，根据经验、继电器检修标准来判断当前的故障模式。当出现故障现象时，需要参考相关操作手册和以往案例结合检修人员的经验进行处理。新接触信号继电器检修和调试的人员，往往对其电气特性故障感到困惑。即使有一定经验的人员，也难以全面掌握不同信号继电器的故障。将故障诊断系统与信号继电器检修工作相结合可以快速准确地发现故障并定位到故障点，从而提高信号继电器检修工作的效率。

1 信号继电器电气特性故障诊断方案设计

故障诊断系统分为离线设计模块和在线诊断模块，图1为信号继电器电气特性故障诊断流程图。

1.1 离线设计

1.1.1 知识获取与故障树的建立

本方法采用专家系统的框架结构，收集信号继电器电气特性故障的专家诊断并整合相关技术资料，选用故障树通过演绎分析法，对种类繁杂的继电器电气特性故障信息进行获取。对不同型号的信号继电器电气特性故障建立对应的故障树，增加了知识库的完整度，进一步提高了故障诊断的精确度。实现了对继电器电气特性故障的快速诊断和分析提示。故障诊断系统按信号继电器的型号例如：JWXC型无极继电器、JZXC型整流式继电器、JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器、JY(J)XC型极性保持(加强接点)继电器、JPXC-1000型偏极继电器、JDBXC-1100型单闭磁继电器、JSBXC-850型半导体时间继电器等，分为若干个故障树子集。本文以JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器故障为例，分析其故障信息，构建了20个基础事件、6个中间事件和一个顶事件的故障树。故障树如图2所示，顶事件为T，中间事件为M，基础事件为X，如表1、表2、表3所示。

图2 JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器故障树

1.1.2 故障机理建模与诊断规则表

在单元系统设计中引入故障机理模型，考虑到故障模式和特征参量单一，所以模型结构相对简单。基于故障树分析，并结合信号继电器的故障模式、机理进行建模。故障树分析为建模提供可靠的数据支撑，而模型的建立可以更好地明确故障逻辑。由于故障树使用的逻辑门为“或门”，因此规则式产生式使用“if......，then......”。如表4所示，不同的故障模式激活相应的故障规则，对应不同的故障原因。其中故障模式M4下还有M1、M2两个子故障模式，分别激活Rule3、Rule4两条故障规则。

1.1.3 统计分析与故障特征

采用模式匹配法，在故障机理研究和工作经验总结基础上，确定故障现象与对应的特征参量构成参考模式。在信号继电器检修过程中，选择某个电气特性故障，跟踪其变化规律并与参考模式相结合，定位故障点和故障原因。

1.2 在线诊断

具有解释程序的人机界面是连接用户和诊断系统的桥梁。它向用户解释推理步骤，让用户容易接受系统的推理结果和决策。信号继电器电气特性的主要性能指标有：工作值、释放值、缓放时间、缓吸时间、定位吸气值、反位打落值、电阻。对同一故障现象，通过人机界面与用户的信息交换，逐级定位故障点并给出有效的维修建议。在系统启动后，用户根据实际情况选择对应的故障信息，系统根据规则进行推理，将推理结论和维修建议通过人机界面展示给用户。用户无需查找相关操作手册或咨询专业技术人员，只需按照提示检查和尝试克服故障，缩短了故障处理的时间，提高了问题的解决效率。模式匹配推理过程如下：

(1)根据故障现象和给定信息，选定对应选项；

(2)进入下一级子故障列表，依次逐级进行匹配，在完成最后一级的事件的匹配后，结合定位的故障点在解释表(如表5所示)中标记故障结论和维修建议；

表1 顶事件故障信息

表2 中间事件故障信息表

表3 基本故障事件信息表

表4 规则参数表

(3)通过人机接口将信号继电器的电气特性故障诊断结论、故障原因和维修建议等信息推送给用户。

2 测试用例分析

本文以“JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器”的电气特性故障为例，进一步验证所提方法的有效性。故障诊断系统根据故障树展开故障点定位和故障原因查找。

操作系统：Windows 10专业版64位；处理器：Inter(R)Corem3-6Y30；内存：4GB。

2.1 初始化界面

系统初始化如图3所示，标题为“信号继电器电气特性故障诊断系统”，对话框提示“请选择信号继电器类型”，下方对话框里显示六种信号继电器名。例如：JWXC型无极型继电器、JZXC型整流式继电器、JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器等。由于测试用例为JWJXC(H)型，所以选择“JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器”。

图3 初始化界面

2.2 推理界面

诊断系统如图4所示，根据用户对信号继电器型号的选择推送一级中间事件(具体的电气特性故障现象)：工作值大、释放值小、缓放时间不够。并且对话框标题已更新为“JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器常见电气特性故障诊断系统”。用户观察信号继电器现象反馈给系统，点击“缓放时间不够”。

图4 推理界面Ⅰ

图5 推理界面Ⅱ

表5 诊断结果及维修建议解释表

如图5所示，标题已更新为“电气特性故障：缓放时间不够”。界面提示用户检查释放值、电磁系统的情况，并且考虑二级中间事件：释放值大、电磁系统有缺陷。通过检查，用户确定电磁系统正常但释放值大，故障属于前者，所以选择第一个。

图6 推理界面Ⅲ

图7 诊断结论界面

如图6所示，由于用例中的JWJXC(H)型无极加强接点(缓放)继电器释放值大则建议用户检查前接点压力、动接点预压力和止片厚度。推导至基础事件选项：前接点压力过大、动接点预压力大、止片太厚。

2.3 诊断结论界面

如图7所示，在用户确认故障的基础事件为前接点压力过大后，系统搜索给出减少前接点压力的解决方案，同时给出缓放时间不够，释放值大的故障描述。

3 结语

针对信号继电器电气特性故障诊断的迫切需求，本文研究了常见信号继电器的电气特性故障状态及其故障原因，给出了故障的故障树分析的流程，提出了基于模式匹配的信号继电器电气特性故障诊断方法。并在此基础上，设计出故障诊断系统。以智能故障诊断系统取代原有的人工检测，帮助用户快速地定位故障点，确定故障原因并给出对应的维修建议，提高了信号继电器检修工作的智能化程度。经过试验用例的测试，证明该系统具有良好的通用性和广阔的应用前景。