淺談CCBⅡ制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

摘 要：以機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在對(duì)常用故障診斷方法進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)故障診斷方案，并以CCBII制動(dòng)機(jī)自動(dòng)制動(dòng)功能模型為例，討論基于等價(jià)空間解析冗余方法的制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)。

關(guān)鍵詞：CCBII制動(dòng)機(jī)；故障診斷；解析冗余方法；等價(jià)空間方法

引言

制動(dòng)機(jī)是機(jī)車運(yùn)行、制動(dòng)的執(zhí)行部件，其性能的優(yōu)劣直接決定著機(jī)車能否安全平穩(wěn)運(yùn)行。CCBII制動(dòng)機(jī)是新一代基于網(wǎng)絡(luò)的電空制動(dòng)系統(tǒng)，其控制準(zhǔn)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(yùn)運(yùn)輸中。CCBII制動(dòng)機(jī)由電氣控制單元EPCU、中央處理模塊IPM、電子制動(dòng)閥EBV、繼電器中繼模塊RIM和機(jī)車司機(jī)顯示模塊LCDM組成，通過模塊間的組合來實(shí)現(xiàn)特定功能。為保證制動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，其利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)各模塊交換信息，并采用冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)重要功能。CCBII制動(dòng)機(jī)部件高度集成化的設(shè)計(jì)思想對(duì)其日常維護(hù)與保養(yǎng)帶來了一定的挑戰(zhàn)，一旦制動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，檢修人員單靠日常維修經(jīng)驗(yàn)及行車日志等來追尋故障信息，很難快速對(duì)故障準(zhǔn)確定位，因此，對(duì)于CCBII制動(dòng)機(jī)故障診斷策略的研究較為迫切。文章首先分析制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)故障診斷，最后研究CCBII制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)。

1 機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷方法

在減小事故風(fēng)險(xiǎn)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(duì)系統(tǒng)中所發(fā)生的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別和分離，即在設(shè)備運(yùn)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(shí)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(qiáng)，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(cè)診斷技術(shù)相配合、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)同時(shí)進(jìn)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(jī)車制動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)和診斷系統(tǒng)是重要組成部分之一。對(duì)于機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷，一方面包括對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，另一方面包括在發(fā)生異常情況后對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析診斷，主要通過車載設(shè)備和地面設(shè)備等實(shí)現(xiàn)[2]。在對(duì)機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和診斷過程中，主要跟蹤監(jiān)測(cè)列車制動(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)是否存在故障，若存在故障則及時(shí)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(shí)的方法和基于信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)模型，而工程實(shí)踐中也越來越多地引入基于模型的故障診斷方法。就機(jī)車制動(dòng)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(shí)現(xiàn)基于模型方法的機(jī)車制動(dòng)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(cè)量的共性故障，可靠性較高。

2 基于解析冗余方法的制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷

對(duì)于基于解析冗余診斷方法的機(jī)車制動(dòng)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(duì)制動(dòng)系統(tǒng)信息建立觀測(cè)特性，將故障特征與觀測(cè)特征進(jìn)行分析，模型系統(tǒng)將產(chǎn)生的信號(hào)與實(shí)際測(cè)量信號(hào)的差值生成殘差向量，進(jìn)而對(duì)殘差序列統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)故障的監(jiān)測(cè)和診斷。該診斷方法如圖1所示。

由圖1可知，想要實(shí)現(xiàn)基于解析冗余方法的制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷，首先要生成殘差，將系統(tǒng)的實(shí)際輸出與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比對(duì)從而得到制動(dòng)系統(tǒng)輸出的殘差值；然后對(duì)殘差進(jìn)行評(píng)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(dòng)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(jià)空間方法、觀測(cè)器方法和參數(shù)估計(jì)方法[3]。對(duì)傳感器和執(zhí)行器故障進(jìn)行診斷，等價(jià)空間方法可同步進(jìn)行，且無需預(yù)先提供針對(duì)額外功能的先驗(yàn)知識(shí)，同時(shí)可利用多種方式生成基本殘差，設(shè)計(jì)自由度較強(qiáng)，通過對(duì)正交化故障到殘差的轉(zhuǎn)換矩陣，得到與特定故障對(duì)應(yīng)的殘差序列。該方法下，殘差序列的生成過程不需要擔(dān)心濾波器或觀測(cè)器等設(shè)備帶來的誤差，準(zhǔn)確度高、性能較好，因此，等價(jià)空間方法得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于CCBII制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷，擬采用該方法制定診斷方案。

3 CCBⅡ制動(dòng)機(jī)故障診斷方案

根據(jù)以上分析，確定基于等價(jià)空間方法的CCBII制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷方案。在已有制動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)或狀態(tài)評(píng)估，進(jìn)而將診斷系統(tǒng)估計(jì)狀態(tài)與制動(dòng)機(jī)實(shí)際系統(tǒng)信息對(duì)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(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)其功能建立三個(gè)模型，即后備制動(dòng)功能模型、單獨(dú)制動(dòng)功能模型和自動(dòng)制動(dòng)功能模型，在進(jìn)行系統(tǒng)故障診斷時(shí)，分別對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行故障診斷。

以自動(dòng)制動(dòng)功能模型為例，如圖2所示，在對(duì)該功能模型進(jìn)行故障診斷時(shí)，將自動(dòng)制動(dòng)功能模型與實(shí)際系統(tǒng)輸出比較產(chǎn)生的殘差，進(jìn)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(duì)以下兩點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注：

（1）對(duì)于自動(dòng)制動(dòng)功能的實(shí)際檢測(cè)，需要將連續(xù)的模擬信號(hào)經(jīng)過采樣、AD轉(zhuǎn)換等手段轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理，同時(shí)，需要對(duì)連續(xù)時(shí)間進(jìn)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(shí)際檢測(cè)為多輸出系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)殘差生成器時(shí)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(duì)每路輸出信息進(jìn)行獨(dú)立的分析。因此，為了消除初始的系統(tǒng)狀態(tài)影響，為每個(gè)輸出設(shè)計(jì)狀態(tài)矩陣，通過對(duì)某幾個(gè)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(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷方法，然后對(duì)基于解析冗余方法的制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷技術(shù)進(jìn)行了論述，進(jìn)而將基于等價(jià)空間方法的解析冗余故障診斷技術(shù)應(yīng)用到CCBII制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷中，并以自動(dòng)制動(dòng)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(duì)制動(dòng)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(xiàn)

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