摘要：建立和谐型电力机车故障诊断专家系统，通过对和谐型电力机车车载数据的整合、提炼、分析与综合等转化成面向机车不同等级，检修部门可直接、便捷使用的诊断信息，从而实现和谐型电力机车运行状态信息快速获取、动态跟踪、分级预警、全过程监控机车运行质量管控。
关键词：和谐型电力机车；故障诊断；专家系统
引言：文章针对和谐型电力机车故障诊断专家系统进行了分析，希望切实提高机车运行稳定性的同时，也能够为相关人士提供重要的参考价值。
1.系统功能模块的设计
1.1数据采集
车载数据是故障诊断专家系统的基础资料。不同系列的和谐型电力机车（HXD1、HXD2和HXD3系列）、相同系列不同车型（如HXD3、HXD3B、HXD3C、HXD3D型）和同系列同车型的不同部件（如中心控制部件、主变流器等）在数据下载接口、数据通信协议、数据组织形式及构成等都存在较大差异，忽略和谐型电力机车不同车型间的相似性，强调其差异性，对本系统的推广会带来障碍。因而，充分考虑各车型在接口模型、数据构成和处理模式的相似性，强化智能识别技术的应用，构建软件和硬件识别体系，形成一整套涵盖所有车型的软硬件技术模型，实现统一的数据下载、数据组织和存储。针对和谐系列机车技术平台各不相同，数据存储和下载接口等存在较大差异的特点，设计了如下数据采集方案：针对多种接口类型（RJ45、RS232、USB等），设计统一的物理接口和软件平台，实现所有和谐系列机车网络控制部件相对统一的数据采集与控制逻辑。在上述方案中，数据采集操作者在作业时，即使不断变换下载机车的车型，也不必切换软件，仅需要设计多层负载的软件架构，操作者操作简单。
1.2数据预处理
由于单台机车所有网络控制部件可采集的数据总量较大，为了提高数据分析的效率，能够在可承受的时间内完成分析结果呈现，需要对数据进行预处理，主要按照数据分析要求对数据进行预处理。根据实际需求，设计了伴随分析过程进行数据预处理的方案，先将规程式专家分析和逻辑判断需要的数据进行预处理，伴随着分析过程的演进，对后续分析逻辑涉及的数据进行预处理。在数据分析处理过程中，只有所有的故障判断条件都出现时，才需要将所有数据整体预处理。多数情况下，规程式分析就可以判定机车状态是否正常。使用整体预处理方案，大量预处理数据并不需要被调入使用，形成处理资源浪费。在实际工作中，大量故障判断分支不会被实际调用，综合而言，本设计方案的处理效率会更高。
1.3数据组织与存储
按照和谐型电力机车故障诊断专家系统诊断逻辑，需要将数据进行拆解与整合，以满足诊断逻辑快速运算的目的。本系统按照机车工况和故障点两个维度拆解数据。数据组织主要实现将从机车网络控制部件采集的原始字节流文件原始状态、功能复合度、数据块特征和数据深度分析模式，设计采集的各类数据文件的内部结构、文件之间的关联架构和数据项与文件索引模式等。
1.4数据分析
数据分析部分利用专家分析逻辑和判断逻辑对预处理完成的数据进行规程式的专家分析和逻辑判断，形成机车状态分析判断结果。由于每一种具体型号的机车的分析判断逻辑路线繁多，为保证数据分析的效率，数据分析部分采用层叠式分析模式方案，层叠式分析模式方案可以根据前序分析结果，筛除后序中无需继续处理的分析判断逻辑，整体处理效率高，但逻辑分组设计复杂；并行分析模式方案前期设计简单，实际运行时处理效率较低，模拟实验表明该方案不能保证在可容忍的时间内获得最终分析结果，因而本系统优选层叠式分析模式方案。
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1.5检测结果呈现
检测结果呈现部分主要实现分级分类呈现，满足不同部门在不同场景下的检测结果呈现需求，由于检测结果呈现与不同的数据需求者直接相关，因而本部分的最终设计方案是检测结果包括基本检测报告、分项详细检测报告，以及基础检测数据来源的分级分类呈现。
2.系统核心逻辑
2.1和谐型电力机车故障诊断逻辑基本模式
和谐型电力机车的运行状态及各部件的工作状态与机车的工况（正常行驶、过分相区、行车制动、库内行车、停车制动等）密切相关。同时，故障诊断逻辑融合诊断模式和自动诊断模式。融合诊断逻辑融合了先验性故障信息，即机车显示屏提报的故障或异常及机车司机提报的故障或异常。自动诊断逻辑则是在无外在故障或异常信息的情况下，故障诊断逻辑自主运作的模式。基本诊断逻辑在故障诊断模式图中，重点突出了和谐型电力机车故障诊断逻辑特殊性，忽略了前面部分已经详细描述的整体数据处理架构中的其他内容。以下将用具体示例展示和谐型电力机车故障诊断专家系统的诊断逻辑[1]。
2.2制动系统诊断逻辑处理示例
为了便于描述，将信息处理领域形式化描述的内容进行了转化。5.2.1数据含义大闸位置：0—未激活；1—运转位；2—初制动；3—制动区间；4—全制动；5—抑制位；6—重联位；7—紧急位。小闸位置：0—未激活；1—运转位；2—制动区间；3—全制动。5.2.2工况分析和断定数据来源：运行数据记录（机车的主控单元每秒记录一次）。分析和断定逻辑：列车管减压过程（数据分析检测到小闸在1位置，大闸从1到2位或从1到4位）；列车管升压过程（数据分析检测到小闸在1位置，大闸从2到1位或从4到1位）；制动缸升压过程（数据分析检测到大闸在1位置，小闸从1到3位）；制动缸降压过程（数据分析检测到大闸在1位置，小闸从3到1位）。其他条件：如机车是重联机车，分析A节机车则要求A节在激活状态，分析B节机车则要求B节在激活状态。数据处理模式：全记录数据扫描。
3.系统应用
和谐型电力机车故障诊断专家系统研发完成至今，已经正式投入使用和即将投入使用的机务段有23个，其中呼和机务段、包头西机务段、呼和南机务段、重庆机务段、贵阳机务段、新丰镇机务段、西宁折返段、宝鸡折返段、迎水桥机务段、嘉峪关机务段、西宁机务段、鹰潭机务段、长沙机务段、怀化机务段、株洲机务段、福州机务段已经投入使用，成都机务段、柳州机务段、南昌机务段、向塘、向塘西机务段、西安站（改）机务段、昆明机务段即将投入使用。完成实际运行和现场试验运行的机车类型涵盖了当前HXD1、HXD2和HXD3三大系列机车的几乎所有车型，HXD1F、HXD1G、HXD2F和HXD3G等测试运营或只有极少台数运营车辆的车型除外。以投入运行超过6个月的某机务段为例，呈现系统的应用效果：应用期间共下载并分析机车数据7365台次，分析诊断出故障1089个，占分析数据台次总数比率达到15.3%，上车检查确认故障隐患525个，报活（故障）确认率48.2%[2]。
结论
简而言之，通过故障诊断专家系统的推广运用，建立基于本系统的和谐型电力机车故障诊断数据中心，通过对数据中心大数据的分析，为机车运用、检修提供数据支撑；同时为部件厂商提供零部件可靠性相关数据，进一步促使设备厂商改进产品质量，从而不断提高整车质量；通过对数据中心大数据的分析，逐步实现部件的状态修，减少部件拆解及检修次数，降低备品数量。
参考文献：
[1]吴明强，史慧，朱晓华，等.故障诊断专家系统研究的现状与展望[J].计算机测量与控制，2018（12）：1301-1304.
[2]许云，樊孝忠.在专家系统中利用关系数据库来表达知识[J].计算机工程与应用，2019（22）：91-93.
论文作者:曹廷民
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/2/3
标签：数据论文; 机务段论文; 机车论文; 电力机车论文; 逻辑论文; 专家系统论文; 故障诊断论文; 《基层建设》2019年第28期论文;