8K型电力机车电气故障诊断系统

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２００４年第３期 ２００４年５月１０日

机
ＥＬＥＣＴＲＩＣ

车

电

ＤＲＩＶＥ ＦＯＲ

传 动 ＬｏＣＯＭＯＴＩＶＥＳ

№３．２００４
Ｍａｙ １０，２００４

试验检测
作者同介：黄志武（１％６一

）， 男，１９９０毕业于北京科技 大学，，在读博士生，副教

摘要：介绍以逻辑控制单元（ＬＣＵ）、数据采集盒、车载计算机及４８５通信总线为核心设计的集 机车运行状态显示、故障分析和诊断、故障处理办法提示以及故障信息转储为一体的８Ｋ机车电气在线 故障诊断系统，就系统硬件结构、推理机制及模块化软件设计（ＭＳＤ）等方面的内容作了重点说明。现 场运行表明，系统达到了设计要求，性能稳定可靠。 关键词：电力机车；诊断系统；模块化软件设计 中图分类号：Ｕ２６９．３２＊２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．１２８Ｘ（２００４）０３．００４４．０３
、

謦，主孝研究方向为故障
车传动与控制。

诊断、智能控制、电力机

Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆａｉｌｕｒｅ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ８Ｋ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ
ＨＵＡＮＧ

Ｚｈｉ－ｗｕ，ＷＡＮＧ

Ｚｈｉ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１００７５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｃｏｍｐｕｔｅｒ
ａｓ

ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ８Ｋ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ＬＣＵ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｂｏｘ ａｎｄ ｏｎ－ｂｏａｒｄ
ｓｔａｔｕｓ

ｉｔｓ ｃｏｒｅ，ｉｓ ｎａｒｒａｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｒｕｎｎｉｎｇ

ｄｉｓｐｌａｙ，ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｈａｎｄｌｉｎｇ

ｍｅｔｈｏｄ

ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

ｄｏｗｎｌｏａｄ．Ｔｈｅ

ｓｙｓｔｅｍ

ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｍｏｄｕｌａｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ

ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ．Ｔｈｅ

ｆｉｅｌｄ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ

ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ；ＭＳＤ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ；ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ

１概述
８Ｋ型电力机车是我国上世纪８０年代中期从欧洲进 口的一种技术较先进的交直电力机车¨１。随着使用时间 的不断延长，机车故障率明显提高，而机车原有的故障 提示措施已远远不能满足目前对机车故障诊断的需要。 ８Ｋ电力机车故障诊断系统是在对８Ｋ电力机车进行无触 点改造之后，以逻辑控制单元（ＬＣＵ）、数据采集盒、车 载计算机及ＲＳ４８５通信总线为核心所设计的一套集机车 运行状态显示、故障分析和诊断、故障处理办法提示以 及故障信息转储为一体的在线故障诊断系统。安装在 机车上的逻辑控制单元和数据采集盒等设备存储着大 量的机车状态信息，是机车故障诊断系统原始信息的 提供者；车载计算机记录了大量专家知识和推理规则 的知识库和推理机，是机车故障诊断系统的执行机构。 系统采用了基于产生式规则的专家系统方法进行诊断。

２系统硬件结构
８Ｋ型电力机车故障诊断系统的硬件设备主要由连 接在ＲＳ４８５总线上的２台计算机（每节机车ｌ台）、２１＇ＬＣＵ （逻辑控制单元，每节机车１台）数据传送节点、２个速度 检测节点和２个模拟数据采集盒（每节机车１个）组成。 硬件网络拓扑结构采用终端匹配的总线型结构犯１。 系统采用令牌方式对网络进行管理。２台车载计算 机中一台为主机即网络管理员；另一台为从机即网络 监督员。主机担当了网络上最重要的角色，控制网络上 各节点的数据传输，即控制令牌的归属及其传递方向。 当主机接收到从某个节点传送的数据时，便开始 对数据进行校验计算，判断所接收的数据是否正确。如 果校验正确，则表示数据包接收正确，主机就会将令牌 转移。如果校验错误，则表示接收到的数据包有错误， 此数据包被丢弃，网络管理员会重传令牌给该节点，要 求其重发。 如果主机在规定的超时时间（约５０ ｍｓ）内没有收 到数据，会重传令牌给节点；如果连续３次重传后主机

收稿日期：２００４．０２—１７

万 　 方数据

墨！塑 重查堕：至塑！！鉴型皇垄翌！王皇玉墼堕堡堑墨篓 仍没有收到正确的数据包，则令牌转到下一节点或数 一的，而是多层次的、错综复杂的，系统对这些复杂故 据段。 主机和从机在运行时都会对网络进行实时检测， 当网络上某一节点通信不正常时，主机和从机都会报 警。从机在运行期间虽然不会发送令牌，但它会实时监 督主机工作，如主机工作不正常，从机会自动升为主 机。通常情况下，司机所在操作端的计算机为主机；当 机车两端都不是操作端时，２台计算机进行延时竞争， 胜的一方升为主机。 连接在网络上的２个ＬＣＵ数据传送节点在接到令牌 后会将ＬＣＵ的输入输出信息以及ＬＣＵ自身产生的中间 变量信息等机车的二进制开关量信号传送给车载计算 机；网络上的速度检测节点和模拟数据采集节点等设 备会将机车速度、机车电机电流、励磁电流和网压等模 拟信号传送给车载计算机。 障采用反向推理方法。这种推理方式，通常是先根据原 始信息，提出一个结论，然后，再用反向推理倒过来查 找支持这个结论的证据，反复这个过程，直到得出结 果。 这样就很好地解决了故障诊断的准确性与系统运 行的高效性之间的矛盾。

４系统软件设计悔，
８Ｋ型电力机车电气故障诊断系统的系统软件在 ＴＣ３环境下用Ｃ语言编写。为了增强系统软件的可移植 性和可扩展性，运用了模块化的设计思想进行系统软 件的设计和开发。系统软件分为五大功能模块，如图１
所示。

３故障诊断
本系统的故障诊断方法采用了人工智能中的专 家系统知识，运用知识库和推理机对机车进行故障诊 断‘３１。 知识库用于存储完成任务所需要的各种知识，是 专家知识和推理规则的集合。本系统选用的知识表示 方法是采用基于规则的产生式表示法。规则是表示知 识的基本单位，用产生式规则表示的知识所构成的系 统称为产生式系统。产生式系统的主要优点有：模块性 强，易于增加、修改信息，能有效表达启发式知识。 产生式规则的一般形式为【３１：
ＩＦ……ＴＨＥＮ……

界面显示模块的功能是为乘务员使用系统提供友 好的人机界面。 系统通信模块的功能是采集网络上各节点的数据 并将其存储到动态数据库中。 基于知识库和推理机的故障诊断模块的功能是将 动态数据库作为数据源，运用正、反向推理方法对机车 电气设备进行故障诊断。 故障信息记录模块的功能是将系统诊断出的电气 设备故障和异常信息及故障发生时机车上重要设备的 状态信息记录到故障文件中。 故障信息转储模块的功能是待机车回到机务段后， 将系统在机车运行期间记录的故障信息及异常信息文 件通过无线通信网络传输到地面的数据库服务器上， 以便地勤人员查看机车运行时的故障信息。 系统软件的各模块之间并非完全独立，而是通过 全局变量、全局指针和全局数组进行彼此之间数据交 换。系统软件的５大模块中，系统通信模块和故障诊断 模块是８Ｋ型电力机车电气故障诊断系统软件的核心模 块，这２个模块设计的优劣直接关系到系统故障诊断的 实时性和可靠性。 为了提高故障诊断的实时性，系统通信模块被设 计成底层运行模式，即采用中断方式实现通信网络上 各节点之间数据的传输。这样对系统软件的其他模块 来说，网络通信可以被看成是透明的。其他模块任何时 候都不需要考虑此时网络上哪２个节点在通信，所要做 的就是在它们需要的时候从动态数据库中提取所需要

整个知识库就是由若干规则序列构成的。 在系统中知识库并不作为主程序的部分，而是以 内部子程序或数据结构的形式存在，系统可根据具体 情况需要进行调用。这样可使搜索的目的性增强，从而 提高系统工作效率。 机车是一个复杂的大动态系统，故障识别的复杂 程度不能一概而论。有些故障只需一二条规则就能表 达清楚，而另外一些故障可能要十几甚至几十条规则 来表达，所以在进行故障推理诊断时，就不能只采用一 种方法，必须将几种推理方法结合起来考虑，针对某一 类故障选择最适合的推理方法和策略Ｈ】。 针对一些只需少数规则就能表达清楚的故障，系 统采用正向推理的方法，即系统将数据库中已有的信 息与规则的前提条件进行匹配，再把匹配成功的规则 对应的结论作为新的事实进行下一轮的规则匹配，直 到推导出最终结论；如果推导出机车故障，则在知识库 的专家诊断经验模块中搜索出与结论相对应的诊断结 果并将它们一起输出到屏幕上。在判断机车电气设备 是否过载时，都是采用正向推理的方法。 在很多情况下，机车内部产生的故障往往并非单

万 　 方数据

机

车

电

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动

２００４正

的数据。系统通信模块程序框图如图２所示。

据，应用正向推理和反向推理相结合的方法实时地检 测是否有故障信息或不正常信息。一旦检测到机车出 现故障或异常现象，此故障信息会被记录到故障记录 数据库中；待诊断程序的一个运行周期结束之后，故障 提示子程序开始提取故障记录数据库中的故障信息， 并在知识库的专家诊断经验模块中搜索与之相匹配的 故障解决方案或解释程序，将它们显示在系统界面上。 整个故障诊断过程就是一个检测、推理、搜索、匹配的 循环。

５系统特点
８Ｋ型电力机车电气故障诊断系统具有以下特点： （１）系统主要是为乘务人员设计的，系统的故障提示非 常简单直观，有利于乘务人员快速处理故障和异常信 息。（２）系统是一套集机车状态显示、故障提示、故障诊 断等于一体的功能较完善的系统。（３）系统在对机车进 行推理诊断时，采用正向推理与反向推理相结合的办 法，既保证了故障推理的准确性又保证了系统运行的 在设计故障诊断模块时，需要将机车的各种电气 故障和异常类型进行简单故障和复杂故障的分类。用 正向推理方法诊断简单故障，用反向推理方法诊断复 杂故障。由于程序运行环境及编程语言的限制，各子程 序无法实现多线程并行运行，因此在实际系统中，先运 行正向推理机制，再运行反向推理机制。故障诊断模块 程序框图如图３所示。 高效性。（４）系统不仅能对机车运行过程中出现的各种 电气故障及异常状态进行诊断和提示，而且还能对这 些故障和异常信息及故障发生时机车的重要状态信息 进行记录。待机车回到机务段后，系统会通过无线网络 将所记录的信息传送到地面的服务器中。工作人员通 过浏览服务器上的信息就可以对机车在运行期间出现 的故障情况进行全面了解。这为技术人员对机车进行 检修提供了一定的参考信息。

６结束语
８Ｋ型电力机车电气故障诊断系统已经在大同西电 力机务段的６４号和８７号８Ｋ型电力机车上试运行。从目 前运行的情况看，８Ｋ型电力机车电气故障诊断系统通 信网络运行情况良好、故障诊断和提示准确到位、故障 信息和异常操作信息记录准确，完全达到了设计目标。 参考文献：
［１］郑树选．８Ｋ型电力机车［Ｍ］．北京：中国铁道出版社．１９９４． ［２］江正战．现场总线与工业控制网络［Ｊ］．微型机与应用， １９９５．（１１）． ［３］蔡自兴．人工智能及其应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，
１９９６． Ｅｘｐｅｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆａｕｌｔ

［４］Ｈｙｕｎ—Ｊｏｏｎ Ｃｈｏ，Ｊｏｎｇ—Ｋｅｕｎ

Ｐａｒｋ．Ａｎ

故障诊断模块的工作过程是：根据从ＬＣＵ、模拟数 据采集盒等设备获得的存入到动态数据库中的原始数

Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎ

Ｐｏｗｅｒ

Ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｚｚｙ Ｒｄａｔｉｏｎｓ

ｌ Ｊ ｊ．

Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９７，１２（１）．

［５］严蔚敏．数据结构［Ｍ］．北京：清华大学出版社，ｌ ９９７．

万 　 方数据

8K型电力机车电气故障诊断系统
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 黄志武， 王智 中南大学,信息科学与工程学院,湖南,长沙,410075 机车电传动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES 2004，(3) 4次

参考文献(5条) 1.郑树选 8K型电力机车 1994 2.江正战 现场总线与工业控制网络 1995(11) 3.蔡自兴 人工智能及其应用 1996 4.Hyun-Joon Cho.Jong-Keun Park An Expert System for Fault Section Diagnosis of Power Systems using Fuzzy Relations 1997(01) 5.严蔚敏 数据结构 1997

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