摘 要：以機車制動系統(tǒng)為研究對象，在對常用故障診斷方法進行分析的基礎(chǔ)上，研究基于解析冗余方法的故障診斷技術(shù)，確定制動系統(tǒng)故障診斷方案，并以CCBII制動機自動制動功能模型為例，討論基于等價空間解析冗余方法的制動系統(tǒng)故障診斷技術(shù)。

關(guān)鍵詞：CCBII制動機；故障診斷；解析冗余方法；等價空間方法

引言

制動機是機車運行、制動的執(zhí)行部件，其性能的優(yōu)劣直接決定著機車能否安全平穩(wěn)運行。CCBII制動機是新一代基于網(wǎng)絡(luò)的電空制動系統(tǒng)，其控制準確性高、反應(yīng)靈敏、安全性高，被廣泛應(yīng)用于中國鐵路重載貨運運輸中。CCBII制動機由電氣控制單元EPCU、中央處理模塊IPM、電子制動閥EBV、繼電器中繼模塊RIM和機車司機顯示模塊LCDM組成，通過模塊間的組合來實現(xiàn)特定功能。為保證制動機的正常運行，其利用網(wǎng)絡(luò)對各模塊交換信息，并采用冗余設(shè)計實現(xiàn)重要功能。CCBII制動機部件高度集成化的設(shè)計思想對其日常維護與保養(yǎng)帶來了一定的挑戰(zhàn)，一旦制動機發(fā)生故障，檢修人員單靠日常維修經(jīng)驗及行車日志等來追尋故障信息，很難快速對故障準確定位，因此，對于CCBII制動機故障診斷策略的研究較為迫切。文章首先分析制動系統(tǒng)故障診斷的方法，然后討論基于解析冗余方法的制動系統(tǒng)故障診斷，最后研究CCBII制動系統(tǒng)故障診斷技術(shù)。

1 機車制動系統(tǒng)故障診斷方法

在減小事故風(fēng)險以及提升系統(tǒng)安全性和可靠性等方面，故障診斷技術(shù)是一種行之有效的途徑，該技術(shù)可以對系統(tǒng)中所發(fā)生的故障進行監(jiān)測、識別和分離，即在設(shè)備運行中判別故障是否發(fā)生，如若發(fā)生可甄別故障類型，故障所發(fā)生的時間、位置等信息。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自我學(xué)習(xí)分析能力越來越強，故障診斷應(yīng)用范圍越來越廣，故障診斷技術(shù)也向著多種監(jiān)測診斷技術(shù)相配合、狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測同時進行的方向發(fā)展[1]。

在鐵路行車安全保障體系結(jié)構(gòu)中，機車制動機狀態(tài)檢測和診斷系統(tǒng)是重要組成部分之一。對于機車制動系統(tǒng)故障診斷，一方面包括對制動系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，另一方面包括在發(fā)生異常情況后對制動系統(tǒng)的故障進行分析診斷，主要通過車載設(shè)備和地面設(shè)備等實現(xiàn)[2]。在對機車制動系統(tǒng)進行故障監(jiān)測和診斷過程中，主要跟蹤監(jiān)測列車制動機運行狀態(tài)參數(shù)，通過篩選獲得有效數(shù)據(jù)，從而查找、判別制動系統(tǒng)是否存在故障，若存在故障則及時發(fā)出相應(yīng)預(yù)警信息，確保行車安全。故障診斷方法包括基于模型的方法、基于知識的方法和基于信號處理的方法，隨著建模方法的不斷成熟，數(shù)學(xué)方程可用來描述復(fù)雜的制動系統(tǒng)模型，而工程實踐中也越來越多地引入基于模型的故障診斷方法。就機車制動系統(tǒng)而言，基于硬件冗余關(guān)系的故障診斷方法和基于解析冗余的診斷方法均能實現(xiàn)基于模型方法的機車制動系統(tǒng)故障診斷，而后者應(yīng)用軟件即可解析變量之間的關(guān)系，診斷成本低，且避免了硬件冗余關(guān)系中多傳感器測量的共性故障，可靠性較高。

2 基于解析冗余方法的制動系統(tǒng)故障診斷

對于基于解析冗余診斷方法的機車制動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，其基本思想是根據(jù)解析冗余關(guān)系殘差值對制動系統(tǒng)信息建立觀測特性，將故障特征與觀測特征進行分析，模型系統(tǒng)將產(chǎn)生的信號與實際測量信號的差值生成殘差向量，進而對殘差序列統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對制動系統(tǒng)故障的監(jiān)測和診斷。該診斷方法如圖1所示。

由圖1可知，想要實現(xiàn)基于解析冗余方法的制動系統(tǒng)故障診斷，首先要生成殘差，將系統(tǒng)的實際輸出與數(shù)學(xué)模型進行比對從而得到制動系統(tǒng)輸出的殘差值；然后對殘差進行評估，利用殘差處理與關(guān)聯(lián)的殘差邏輯，將系統(tǒng)輸出的殘差值與系統(tǒng)故障建立聯(lián)系，經(jīng)綜合分析以即可得到制動系統(tǒng)的故障診斷信息。

依據(jù)不同原理，基于解析冗余的故障診斷可分為三類：等價空間方法、觀測器方法和參數(shù)估計方法[3]。對傳感器和執(zhí)行器故障進行診斷，等價空間方法可同步進行，且無需預(yù)先提供針對額外功能的先驗知識，同時可利用多種方式生成基本殘差，設(shè)計自由度較強，通過對正交化故障到殘差的轉(zhuǎn)換矩陣，得到與特定故障對應(yīng)的殘差序列。該方法下，殘差序列的生成過程不需要擔心濾波器或觀測器等設(shè)備帶來的誤差，準確度高、性能較好，因此，等價空間方法得到廣泛應(yīng)用，對于CCBII制動系統(tǒng)故障診斷，擬采用該方法制定診斷方案。

3 CCBⅡ制動機故障診斷方案

根據(jù)以上分析，確定基于等價空間方法的CCBII制動系統(tǒng)故障診斷方案。在已有制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)傳感輸出和系統(tǒng)變量之間的解析關(guān)系，對系統(tǒng)進行參數(shù)估計或狀態(tài)評估，進而將診斷系統(tǒng)估計狀態(tài)與制動機實際系統(tǒng)信息對比生成殘差信息，最后依據(jù)殘差信息作出故障診斷。為了得到CCBII制動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)其功能建立三個模型，即后備制動功能模型、單獨制動功能模型和自動制動功能模型，在進行系統(tǒng)故障診斷時，分別對三個模型進行故障診斷。

以自動制動功能模型為例，如圖2所示，在對該功能模型進行故障診斷時，將自動制動功能模型與實際系統(tǒng)輸出比較產(chǎn)生的殘差，進行閾值判斷，得出的故障特征通過系統(tǒng)功能故障特征矩陣表來判斷故障信息，此過程中需要對以下兩點進行關(guān)注：

（1）對于自動制動功能的實際檢測，需要將連續(xù)的模擬信號經(jīng)過采樣、AD轉(zhuǎn)換等手段轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行處理，同時，需要對連續(xù)時間進行離散化，離散方式為周期T的等間隔離散采樣，周期T的選取原則遵循Shannon采樣定理[4]。

（2）實際檢測為多輸出系統(tǒng)，在設(shè)計殘差生成器時應(yīng)有所考慮。每路輸出的信息都代表一定的系統(tǒng)信息，為了得到更多的系統(tǒng)故障信息對每路輸出信息進行獨立的分析。因此，為了消除初始的系統(tǒng)狀態(tài)影響，為每個輸出設(shè)計狀態(tài)矩陣，通過對某幾個殘差的異常變化，查找更多的系統(tǒng)故障。

4 結(jié)束語

文章首先分析了機車制動系統(tǒng)故障診斷方法，然后對基于解析冗余方法的制動系統(tǒng)故障診斷技術(shù)進行了論述，進而將基于等價空間方法的解析冗余故障診斷技術(shù)應(yīng)用到CCBII制動系統(tǒng)故障診斷中，并以自動制動功能模型為例，給出了故障診斷框架及方案制定中的需要考慮的某些因素，對制動系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的深入研究具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]丁建波，張忠海，歐長勁.機車制動機故障模糊診斷方法研究[J]. 機電工程，2011，28（3）：301-304.

[2]李 .CCBII制動機故障診斷系統(tǒng)的研制[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[3]陳莉，鐘麥英.奇異模糊系統(tǒng)基于等價空間的故障檢測[J].控制與決策，2011，26（2）：182-186.

[4]Baojia Chen， Zhengjia He，Xuefeng Chen. A demodulating approach based onlocal mean decomposition and its applications in mechanical fault diagnosis[J].Measurement Science and Technology， 2011（22）：1-13.