一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的電力機車故障診斷系統(tǒng)

許瑩瑩

(華東交通大學，江西南昌 330013)

近年來，隨著我國鐵路科技的飛速發(fā)展，電力機車的科技含量、復雜程度也是越來越高?；诖?，目前常用的電力機車故障分析、診斷與檢測技術(shù)將難以滿足日益復雜的電力機車的檢修需要。因此，如何快速、準確地檢測到電力機車的故障所在并及時、安全地加以排除成為廣大鐵路機車檢修人員亟待解決的問題［1］。目前，國內(nèi)對電力機車的故障檢修還停留在現(xiàn)場診斷的模式。即入段(機務段)檢修和在線(運營過程中)司機排除故障，前者主要針對中、小規(guī)模的故障，后者僅僅針對微小故障，同時還要依賴司機的經(jīng)驗和專業(yè)知識，而一般的司機在故障檢修方面的專業(yè)知識往往比較欠缺。對于較大的故障，通常是把整車返廠維修，這要占用很長的時間，浪費較大的人力、物力和財力。

此外，如果遇到惡劣的天氣條件，電力機車故障檢修人員處在極度惡劣的工作環(huán)境中，再加上受外界自然條件的干擾，就非常有可能會對機車故障點判斷失誤，這將直接造成嚴重后果，甚至是重大安全事故。同時，目前也還沒有一套切實可行的電力機車故障預警系統(tǒng)對運營中的機車進行在線故障預測［2］。而本文所研究的電力機車遠程故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崟r對鐵路線上運營中的電力機車進行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析，并依據(jù)分析結(jié)果及時對電力機車可能產(chǎn)生的故障點進行推測預判，這樣做就能夠提前發(fā)現(xiàn)機車運行過程中潛藏的故障點，從而對正在線上運行的電力機車及時發(fā)出報警并向司機給出相應的故障處理預案。本文研究一種新型的基于3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電力機車遠程故障診斷系統(tǒng)，采用目前先進的基于知識的機車故障診斷推理方法，對在鐵路線上運行的電力機車進行遠程的故障診斷、分析，再利用3G網(wǎng)絡(luò)及時將故障解決方案傳送回電力機車控制主機并通過車載顯示器實時顯現(xiàn)給司機，從而協(xié)助、指導司機與機車檢修人員進行故障診斷、定位，最終快速地排除故障。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在業(yè)務上、功能上、頻寬上能將所有無線服務聯(lián)合起來，并能在任何地方接入互聯(lián)網(wǎng)，具備衛(wèi)星通訊、定位定時、數(shù)據(jù)收集、遠程控制等綜合功能。其最主要的特征是可提供移動寬帶多媒體業(yè)務。基于此，如果將3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電力機車遠程故障診斷系統(tǒng)結(jié)合起來，將會突破遠程故障診斷技術(shù)存在的帶寬等瓶頸問題，實現(xiàn)遠程電力機車數(shù)據(jù)的傳輸管理與控制，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，再結(jié)合強大的故障診斷專家系統(tǒng)就能實時完成遠程電力機車的運行監(jiān)控與故障定位及處理。

目前，我國的3G網(wǎng)絡(luò)支持三個無線接口標準:CDMA2000(中國電信)，WCDMA(中國聯(lián)通)，TD －SCDMA(中國移動)［3］。新構(gòu)建的系統(tǒng)采用TD－SCDMA標準，由電力機車上安裝的車載終端和電力機車維修基站兩部分組成，如圖1所示。該系統(tǒng)采用TD－SCDMA作為通信基礎(chǔ)，將電力機車與地面維修基站遠程對接，通過無線網(wǎng)絡(luò)將車載終端采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到地面維修基站，其中電力機車的故障信息數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)信息數(shù)據(jù)存入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，作為后期故障分析、診斷的參照依據(jù)。同時，電力機車的運行狀態(tài)信息則直接顯示在維修基站的監(jiān)視屏上，以便工作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控電力機車的運行狀況。

圖1 電力機車遠程故障診斷系統(tǒng)的組成

2 電力機車遠程故障診斷方案設(shè)計

本系統(tǒng)的研究對象是國產(chǎn)韶山型電力機車(以SS9為例)，電力機車作為復雜的大型機電產(chǎn)品，要對它進行故障診斷分析所涉及到的領(lǐng)域比較多，主要包括計算機模式識別、系統(tǒng)控制理論、信號處理等多方面的知識。該系統(tǒng)主要采用基于知識推理的故障診斷方法，對電力機車的故障進行預測、定位。機車故障診斷流程如圖2所示［2］。

圖2 電力機車遠程故障診斷流程

由于該系統(tǒng)采用基于3G網(wǎng)絡(luò)的故障診斷模式，電力機車的運行狀態(tài)信息、故障信息可通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳送到地面維修基站，由工作人員對數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)控、分析，若發(fā)現(xiàn)異常則及時反饋給司機。同時，傳回到地面維修基站的機車數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，由電力機車專家對數(shù)據(jù)進行分析、研究，建立專家系統(tǒng)知識庫，作為在線故障診斷處理的參考依據(jù)，并協(xié)助、指導維修基站對機車進行檢修。

3 電力機車車載終端設(shè)計

目前，電力機車多采用先進的列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN，該網(wǎng)絡(luò)是在列車分布式控制系統(tǒng)之上發(fā)展起來的列車控制、診斷信息數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)［4］，它又細分為:列車級通信網(wǎng)絡(luò)WTB(絞線式列車總線)和車輛通信網(wǎng)絡(luò)MVB(多功能列車總線)［5］。在該系統(tǒng)中，要完成電力機車控制主機(車載機車運行監(jiān)控系統(tǒng))與3G網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊就必須打通二者之間的通訊網(wǎng)關(guān)，這是所設(shè)計的車載終端的重要功能之一。此外，車載終端作為鏈接電力機車控制主機和3G網(wǎng)絡(luò)的中間環(huán)節(jié)，它還要具備以下功能:實時接收地面維修基站發(fā)來的指令，并依據(jù)指令采集電力機車的運行狀態(tài)信息、故障信息、GPS信息，并把這些信息通過3G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)降孛婢S修基站。

車載終端主要由四個基本模塊組成:3G通訊模塊、3G-MVB網(wǎng)卡及處理器模塊、GPS模塊和電力機車控制主機，如圖3所示。其中，3G-MVB網(wǎng)卡及處理器模塊作為系統(tǒng)主要的中央處理器單元完成各種機車數(shù)據(jù)的通訊、處理等功能，并將數(shù)據(jù)實時傳送到其它模塊。車載終端安裝在電力機車上，它受地面維修基站控制，能夠接收維修基站發(fā)來的指令，依據(jù)指令采集電力機車的各種參數(shù)信息數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到地面維修基站。

3G通訊模塊是系統(tǒng)中的重要組成部分，該模塊與3G－MVB網(wǎng)卡及處理器模塊通過串口進行全雙工數(shù)據(jù)通訊，它的主要功能包括:(1)接收地面維修基站發(fā)來的指令，并依據(jù)指令采集、發(fā)送相應的機車信息數(shù)據(jù);(2)根據(jù)維修基站發(fā)來的指令，與電力機車控制主機進行數(shù)據(jù)交換。

圖3 車載終端結(jié)構(gòu)

4 維修基站控制軟件設(shè)計

維修基站的控制軟件設(shè)計是決定整個系統(tǒng)成敗與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。車載設(shè)備的初始化、運作、停止，電力機車各種數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收、存儲、顯示都是由系統(tǒng)控制軟件來控制實現(xiàn)的。其功能主要包括以下幾個方面:(1)建立無線網(wǎng)絡(luò)鏈接通道，完成PC機與車載終端3G通訊模塊的數(shù)據(jù)交換;(2)數(shù)據(jù)接收，通過3G網(wǎng)絡(luò)實時接收傳送來的各種相關(guān)的機車數(shù)據(jù);(3)數(shù)據(jù)顯示，將電力機車的運行狀態(tài)信息實時顯示在維修基站的監(jiān)視屏上，可在線監(jiān)控遠程電力機車的運行狀態(tài);(4)數(shù)據(jù)存儲，將機車信息數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，為故障分析、預測和診斷提供參考依據(jù)。

本系統(tǒng)采用Delphi2010對軟件部分進行程序編寫，實現(xiàn)電力機車狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、存儲、分析及顯示等功能。同時采用“SQL Server 2008+Visual Studio 2010”的組合方式作為故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，完成知識庫的構(gòu)建以及推理機的設(shè)計。

5 結(jié)語

基于3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電力機車遠程故障診斷系統(tǒng)將電力機車控制主機與地面維修基站及機車廠售后服務遠程對接，這樣維修基站及機車廠售后服務人員可聯(lián)合監(jiān)控機車的運行，將微小的故障消除在萌芽狀態(tài)，而較大的故障也可利用強大的故障診斷專家系統(tǒng)聯(lián)合會診，最后將解決方案通過網(wǎng)絡(luò)及時反饋給司機，遠程指導司機排除故障。這樣做大大削減了機車入段、入廠維修的時間，提高了運行效率，并實時保證了電力機車的運行安全。

［1］丁福焰，杜永平.機車車輛故障診斷技術(shù)的發(fā)展［J］.鐵道機車車輛，2004(4):24 －29.

［2］張勇.遠程機車故障診斷系統(tǒng)的研究［D］.北京:北京交通大學，2006.

［3］李蘭學.新技術(shù)在校園網(wǎng)中的應用［J］.電子世界，2008(16):120－121.

［4］楊子亮，王月明.高速列車通信與控制網(wǎng)絡(luò)的應用探討［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008(6):155－157.

［5］王磊，何正友.高速列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點及其應用［J］.城市軌道交通研究，2008(2):57－60.