李 豫

(中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)

引言

為滿足鐵路行業(yè)高速化、信息化的發(fā)展要求，我國通過對國外先進(jìn)技術(shù)的“引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新”，逐步完成了鐵路干線電力機(jī)車由直流傳動(dòng)向交流傳動(dòng)的升級換代，形成了HXD1、HXD2、HXD3三大交流傳動(dòng)電力機(jī)車系列，即和諧型電力機(jī)車[1]。不同型號和諧型電力機(jī)車控制模式雖然有一定差異，但均構(gòu)建了以總線為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[2]，具有網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和智能化的系統(tǒng)整體性特征。機(jī)車運(yùn)行過程中記錄和存儲(chǔ)大量的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和操控?cái)?shù)據(jù)、以及非正常狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障報(bào)警信息，若沒有專門的大數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)對其進(jìn)行綜合分析處理，就無法真正有效地利用這些數(shù)據(jù)對電力機(jī)車的整備與檢修工作進(jìn)行指導(dǎo)和預(yù)判。另外，以網(wǎng)絡(luò)集成為中心的和諧型電力機(jī)車，傳統(tǒng)的以拆解和分離部件為基礎(chǔ)的檢修已經(jīng)不能達(dá)到預(yù)定的目的[3]。運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)，對和諧型電力機(jī)車的車載數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、整理、提取、分析與處理，形成符合機(jī)務(wù)部門準(zhǔn)確可靠的故障診斷和機(jī)車運(yùn)用狀態(tài)數(shù)據(jù)，為機(jī)車整備運(yùn)用與檢修作業(yè)提供科學(xué)合理的技術(shù)支持。

1 機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)建主要內(nèi)容

構(gòu)建機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)主要內(nèi)容及關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)主要內(nèi)容及關(guān)聯(lián)關(guān)系

(1)構(gòu)建和諧型機(jī)車的基本網(wǎng)絡(luò)控制模型：在盡可能收集資料的基礎(chǔ)上，積累和諧型電力機(jī)車的車載數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置、對外接口、數(shù)據(jù)特征、數(shù)據(jù)構(gòu)成和數(shù)據(jù)量大小等資料。詳細(xì)分析和研究和諧型電力機(jī)車車載數(shù)據(jù)對外接口的物理特性、鏈路特性、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)據(jù)通信模式，歸納其相似性和差異性，實(shí)現(xiàn)涵蓋和諧型系列電力機(jī)車車載數(shù)據(jù)的下載基礎(chǔ)模型。

(2)構(gòu)建車載信息管理大數(shù)據(jù)庫：根據(jù)各類數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)組成、數(shù)量大小、綜合使用可能性、數(shù)據(jù)積累速度預(yù)測和數(shù)據(jù)縱向使用可能性等，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多層目錄索引模式和以時(shí)間、車型、車號為軸的分層分類數(shù)據(jù)排列體系。以多層目錄索引模式和分層分類數(shù)據(jù)排列體系為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)可能的使用方式，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)模式，進(jìn)而完成對數(shù)據(jù)管理架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

(3)創(chuàng)建基礎(chǔ)專家分析邏輯和判斷分析邏輯計(jì)算模型方法：根據(jù)不同車型的車載數(shù)據(jù)組成、數(shù)據(jù)類型、形成模式、構(gòu)成和數(shù)量等，以機(jī)車系統(tǒng)控制和運(yùn)行機(jī)制為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)車各組成部件的工作機(jī)理，構(gòu)建各類車載數(shù)據(jù)內(nèi)部與相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成與車型相關(guān)的判斷分析邏輯，歸集該領(lǐng)域相關(guān)專家在實(shí)踐中進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)分析的經(jīng)驗(yàn)積累，分析其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成專家分析邏輯計(jì)算方法。

(4)創(chuàng)建車型相關(guān)綜合判斷邏輯：研究不同車型機(jī)車的總體控制模式和運(yùn)行機(jī)制，結(jié)合機(jī)車各部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以機(jī)車總體運(yùn)行的技術(shù)狀態(tài)為目標(biāo)，以車型相關(guān)基礎(chǔ)專家分析邏輯和判斷分析邏輯為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)車型相關(guān)的綜合判斷邏輯，車型相關(guān)的綜合判斷邏輯表現(xiàn)為專家分析邏輯、判斷分析邏輯或?qū)＜曳治鲞壿嬇c判斷分析邏輯的混合體。

(5)創(chuàng)建故障診斷與機(jī)車運(yùn)行的技術(shù)狀態(tài)判定總體計(jì)算控制邏輯：設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)與車型相關(guān)度低的和諧型電力機(jī)車故障診斷與機(jī)車運(yùn)行的技術(shù)狀態(tài)判定總體計(jì)算與控制邏輯框架，為完整實(shí)現(xiàn)機(jī)車的故障診斷結(jié)果輸出與機(jī)車運(yùn)行的技術(shù)狀態(tài)判定提供整體模型，確保最終判定或判斷結(jié)果的一致性、完整性、準(zhǔn)確性和可靠性等。

(6)創(chuàng)建專家分析邏輯和判斷分析邏輯的形式化描述體系：在分析和研究的基礎(chǔ)上，建立專家分析邏輯和判斷分析邏輯的形式化描述體系，涵蓋所有類型的專家分析邏輯和判斷分析邏輯，并將描述方式各異的專家分析邏輯和判斷分析邏輯用設(shè)計(jì)的形式化描述體系統(tǒng)一描述處理，為分布式自主運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

(7)創(chuàng)建數(shù)據(jù)預(yù)處理和分布式分析運(yùn)算模型：由于車載數(shù)據(jù)種類多、構(gòu)成差異大、目錄索引與組織存儲(chǔ)模式影響以及專家分析邏輯和判斷分析邏輯對數(shù)據(jù)使用范圍與先后的不同，需要對分析運(yùn)算使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，來提高分布式分析運(yùn)算的效率。分布式分析運(yùn)算模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)主要完成數(shù)據(jù)預(yù)處理過程控制、數(shù)據(jù)分布式分發(fā)、數(shù)據(jù)運(yùn)算任務(wù)分發(fā)、處理結(jié)果分層歸集，處理結(jié)果沖突化解和處理結(jié)果歸總等功能。

(8)創(chuàng)建和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)用場景分析：分析和研究和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)的應(yīng)用場景及其對應(yīng)的需求模式，構(gòu)建和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)應(yīng)用場景及對應(yīng)的需求體系，為針對性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)診斷或判定結(jié)果呈現(xiàn)提供依據(jù)。

(9)創(chuàng)建和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)診斷或判定結(jié)果呈現(xiàn)體系：根據(jù)和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)應(yīng)用場景以對應(yīng)的需求，構(gòu)建完整的和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)結(jié)果呈現(xiàn)體系。

(10)創(chuàng)建數(shù)據(jù)互聯(lián)互通架構(gòu)：根據(jù)鐵總運(yùn)〔2015〕211號《關(guān)于和諧型機(jī)車C4及以下修程工裝設(shè)備配置的指導(dǎo)意見》，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)通暢交互的和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和最終判斷或判定結(jié)果數(shù)據(jù)在國鐵集團(tuán)范圍內(nèi)從段內(nèi)、局內(nèi)和局間數(shù)據(jù)交互接口，方便各類數(shù)據(jù)在國鐵集團(tuán)內(nèi)部各種應(yīng)用與共享。

(11)創(chuàng)建在應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上升級完善的和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)：將設(shè)計(jì)實(shí)施完成的和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)投放到一定數(shù)量的機(jī)務(wù)段進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，分析和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)分析結(jié)果與實(shí)際情況的差異，研究并總結(jié)差異原因并不斷升級完善和諧型電力機(jī)車故障專家系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)核心功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)功能模塊主要實(shí)現(xiàn)將機(jī)車車載數(shù)據(jù)從控制網(wǎng)絡(luò)接口獲取的數(shù)據(jù)，從原始數(shù)據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為文件檢索與處理需要的格式組織與存儲(chǔ)。在本系統(tǒng)中，根據(jù)各車型各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊構(gòu)成、數(shù)據(jù)項(xiàng)復(fù)合程度等特征，并融合數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢閱的需要，重新構(gòu)建文件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形成具有數(shù)據(jù)文件類的文件間關(guān)聯(lián)模型及檢索機(jī)制?；緮?shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

單臺機(jī)車單次下載的數(shù)據(jù)一般在幾百M(fèi)Byte到幾GByte或幾十GByte，機(jī)務(wù)整備或檢修工作實(shí)踐中要求故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)該在數(shù)分鐘內(nèi)完成分析計(jì)算。為了提高數(shù)據(jù)分析判斷邏輯的執(zhí)行效率，需要對大量的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理。為了提高數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效性與針對性，首先將數(shù)據(jù)分析判斷邏輯和專家診斷邏輯運(yùn)算時(shí)序區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理的時(shí)序，并根據(jù)邏輯判斷處理的實(shí)際運(yùn)行路徑選擇實(shí)際需要的數(shù)據(jù)預(yù)處理任務(wù)，排除實(shí)際判斷處理不需要的路徑和對應(yīng)的預(yù)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理方案如圖3所示。

在大量的邏輯分析判式及其復(fù)雜的組合判定條件中，只有所有的判定條件都成立時(shí)，完整的數(shù)據(jù)預(yù)處理才有必要，一般情況，都有大量的判斷分支不被調(diào)用，完整的數(shù)據(jù)預(yù)處理會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)，并拉長處理時(shí)間。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理方案設(shè)計(jì)

2.3 邏輯分析判斷模塊

邏輯分析判斷模塊的工作基礎(chǔ)是邏輯診斷庫的表、視圖、數(shù)據(jù)庫函數(shù)和存儲(chǔ)過程，同時(shí)也包含了車載數(shù)據(jù)組織邏輯。

HXD1系列、HXD2系列與HXD3系列三個(gè)系列共完成2萬余條基礎(chǔ)判定邏輯、3000余條二級組合邏輯，涵蓋系統(tǒng)包含的專家?guī)旌瓦壿嬙\斷庫。表1與表2是部分基礎(chǔ)判斷邏輯和二級判斷邏輯。

表1 基礎(chǔ)判斷邏輯(部分)

表2 二級判斷邏輯(部分)

為保證數(shù)據(jù)分析的效率，數(shù)據(jù)分析部分將所有分析判斷邏輯都作為獨(dú)立的判斷路徑并發(fā)運(yùn)算，設(shè)計(jì)時(shí)確保分析判斷邏輯系統(tǒng)整體的覆蓋所有分析判斷條件和分析判斷分支。邏輯分析判斷模塊方案如圖4所示。

圖4 邏輯分析判斷模塊設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)方案可以根據(jù)并行的前序運(yùn)算結(jié)果，消除后序中與實(shí)際不匹配的判式，雖然邏輯分組設(shè)計(jì)復(fù)雜，但整體處理效率高。

2.4 專家診斷邏輯方案

專家分析規(guī)則是和諧大功率機(jī)車專家系統(tǒng)的核心，不斷健全、完備和更新的專家分析規(guī)則信息庫是和諧大功率機(jī)車專家系統(tǒng)有效性的基本條件。

專家分析規(guī)則信息庫主要包括兩方面的分析規(guī)則，一是分析規(guī)則，直接用來分析機(jī)車數(shù)據(jù)，得出機(jī)車運(yùn)行質(zhì)量結(jié)果；二是學(xué)習(xí)規(guī)則，通過分析機(jī)車數(shù)據(jù)，形成專家分析規(guī)則。

歸納起來，專家分析規(guī)則來源有兩種：第一種為相關(guān)專家理論與實(shí)踐總結(jié)的結(jié)果；第二種為數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的結(jié)果。

專家分析規(guī)則(診斷邏輯)形成路線如圖5所示。

圖5 專家分析規(guī)則(診斷邏輯)形成路線

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)處理架構(gòu)

機(jī)車基本信息識別：以設(shè)計(jì)完備并不斷更新的機(jī)車控制網(wǎng)絡(luò)版本庫為基礎(chǔ)，提取各類機(jī)車控制網(wǎng)絡(luò)具有身份特征的通信狀態(tài)和控制信息或過程。

車載數(shù)據(jù)下載：不同類型的機(jī)車、不同的網(wǎng)絡(luò)控制部件或模塊、不同的控制邏輯，對應(yīng)的機(jī)車控制狀態(tài)、數(shù)據(jù)通信格式和通信有效數(shù)據(jù)串不同。機(jī)車狀態(tài)與控制數(shù)據(jù)下載圍繞設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信格式庫，匹配機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制過程邏輯并具體識別組成控制過程邏輯的所有數(shù)據(jù)串，實(shí)現(xiàn)完整的機(jī)車車載數(shù)據(jù)下載。

數(shù)據(jù)整理與轉(zhuǎn)存：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理將原始車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成便于分析處理或?yàn)g覽查看的可用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)重組是將捕獲的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)分析需求，按照基本的數(shù)據(jù)分析邏輯進(jìn)行重新組合，并按照數(shù)據(jù)深度分析的要求進(jìn)行特定格式的轉(zhuǎn)儲(chǔ)。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)預(yù)處理、過程選擇性數(shù)據(jù)預(yù)處理。系統(tǒng)分析及診斷邏輯結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 系統(tǒng)分析及診斷邏輯結(jié)構(gòu)

3.2 邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)自下而上分為三層，分別是涵蓋物理接口具體實(shí)現(xiàn)的物理接口層、代表邏輯運(yùn)算與處理的邏輯運(yùn)算與分析層以及代表判定結(jié)果呈現(xiàn)的應(yīng)用呈現(xiàn)層。其功能處理邏輯分為相互支撐的三大模塊：接口規(guī)范模塊實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)下載物理接口和交互鏈路邏輯；數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)識別運(yùn)算邏輯、數(shù)據(jù)交互邏輯和數(shù)據(jù)組織邏輯；分析判斷模塊實(shí)現(xiàn)分析與預(yù)處理邏輯、智能學(xué)習(xí)與深度分析邏輯和判定結(jié)果呈現(xiàn)模型。系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.3 物理結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由下載器，WIFI網(wǎng)絡(luò)，AC控制器、核心交換機(jī)、磁盤陣列、數(shù)據(jù)服務(wù)器組、分析服務(wù)器組和終端機(jī)組成。通過下載器將各類車載數(shù)據(jù)下載并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，并由數(shù)據(jù)服務(wù)器通過分布式計(jì)算完成數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)與管理，分析服務(wù)器在分布式計(jì)算模式下完成和諧型電力機(jī)車的故障診斷，并呈現(xiàn)在終端機(jī)上。系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)

4 運(yùn)用及運(yùn)用效果

系統(tǒng)已運(yùn)用或即將運(yùn)用在多個(gè)機(jī)務(wù)段，包括：貴陽機(jī)務(wù)段、呼和機(jī)務(wù)段、西寧折返段、呼和南機(jī)務(wù)段、重慶機(jī)務(wù)段、株洲機(jī)務(wù)段、新豐鎮(zhèn)機(jī)務(wù)段、寶雞折返段、西安站(改)機(jī)務(wù)段、迎水橋機(jī)務(wù)段、嘉峪關(guān)機(jī)務(wù)段、懷化機(jī)務(wù)段、西寧機(jī)務(wù)段、福州機(jī)務(wù)段鷹潭機(jī)務(wù)段、南昌機(jī)務(wù)段、長沙機(jī)務(wù)段等。涵蓋的機(jī)車類型包括：HXD1型(包括HXD1、HXD1B、HXD1C、HXD1D與HXD1F 5個(gè)型號)、HXD2型(包括HXD2 30T、HXD2 1000、HXD2B與HXD2F4個(gè)型號)、HXD3型(包括HXD3、HXD3B、HXD3C與HXD3D 4個(gè)型號)。

圖8 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

以正式投入運(yùn)用超過2年的株洲機(jī)務(wù)段為例，分析和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)的運(yùn)用效果，運(yùn)用時(shí)間段內(nèi)共分析機(jī)車23 756臺次，分析診斷出故障4 436個(gè)，檢出故障比率為15.2%，實(shí)際確認(rèn)故障隱患2 103個(gè)，故障維修確認(rèn)率為48.3%。株洲機(jī)務(wù)段運(yùn)用故障診斷專家系統(tǒng)后檢出故障的信息統(tǒng)計(jì)見表3。

和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)運(yùn)用前后對比效果如表4所示。

表3 故障診斷專家系統(tǒng)運(yùn)用后的檢出故障信息統(tǒng)計(jì)

表4 故障診斷專家系統(tǒng)運(yùn)用前后效果對比

5 系統(tǒng)發(fā)展趨勢與運(yùn)用前景

(1)系統(tǒng)發(fā)展趨勢

和諧型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)化、智能化和模塊化的發(fā)展，決定著拆解式檢修已經(jīng)無法滿足以總線網(wǎng)絡(luò)為核心的電力機(jī)車整備與檢修的要求。信息技術(shù)，特別是以分布式計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，為和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)算邏輯的更新、改進(jìn)和及時(shí)性、完整性、準(zhǔn)確性及可靠性的提高奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展和完善。

(2)系統(tǒng)應(yīng)用前景

和諧型電力機(jī)車整備、檢修和運(yùn)用實(shí)務(wù)對C1～C6修程的全面性、精確性和針對性提出了更高要求。同時(shí)，不斷更新的機(jī)車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件也要求標(biāo)準(zhǔn)化的故障診斷流程，來降低對檢修技術(shù)人員的技術(shù)要求。另外，機(jī)車的跨段、跨局運(yùn)用也要求建立在互聯(lián)互通基礎(chǔ)上的機(jī)車運(yùn)用狀態(tài)履歷，為機(jī)車持續(xù)、可靠和安全運(yùn)用提供技術(shù)支撐。新的機(jī)務(wù)工作需求為和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)的運(yùn)用提供了廣闊的前景。

6 結(jié)論

通過對和諧型電力機(jī)車車載數(shù)據(jù)的接口、結(jié)構(gòu)、組成、存儲(chǔ)和分布式車載數(shù)據(jù)處理技術(shù)等進(jìn)行深入分析研究，在機(jī)車關(guān)鍵部件不解體情況下，利用專家系統(tǒng)分析判斷邏輯，實(shí)現(xiàn)對和諧型電力機(jī)車的故障診斷及運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)判定，提出從不同的角度綜合利用車載數(shù)據(jù)揭示機(jī)車運(yùn)行性能的方案，設(shè)計(jì)出多維度分析故障數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、智能部件數(shù)據(jù)的一整套解決方案，構(gòu)建了具有高效計(jì)算效率層疊式預(yù)處理模式的和諧型電力機(jī)車故障診斷專家系統(tǒng)。