一种基于无线网络的电力机车故障诊断系统

许莹莹

(华东交通大学，江西南昌 330013)

近年来，随着我国铁路科技的飞速发展，电力机车的科技含量、复杂程度也是越来越高。基于此，目前常用的电力机车故障分析、诊断与检测技术将难以满足日益复杂的电力机车的检修需要。因此，如何快速、准确地检测到电力机车的故障所在并及时、安全地加以排除成为广大铁路机车检修人员亟待解决的问题［1］。目前，国内对电力机车的故障检修还停留在现场诊断的模式。即入段(机务段)检修和在线(运营过程中)司机排除故障，前者主要针对中、小规模的故障，后者仅仅针对微小故障，同时还要依赖司机的经验和专业知识，而一般的司机在故障检修方面的专业知识往往比较欠缺。对于较大的故障，通常是把整车返厂维修，这要占用很长的时间，浪费较大的人力、物力和财力。

此外，如果遇到恶劣的天气条件，电力机车故障检修人员处在极度恶劣的工作环境中，再加上受外界自然条件的干扰，就非常有可能会对机车故障点判断失误，这将直接造成严重后果，甚至是重大安全事故。同时，目前也还没有一套切实可行的电力机车故障预警系统对运营中的机车进行在线故障预测［2］。而本文所研究的电力机车远程故障诊断系统能够实时对铁路线上运营中的电力机车进行状态数据采集、存储、分析，并依据分析结果及时对电力机车可能产生的故障点进行推测预判，这样做就能够提前发现机车运行过程中潜藏的故障点，从而对正在线上运行的电力机车及时发出报警并向司机给出相应的故障处理预案。本文研究一种新型的基于3G网络技术的电力机车远程故障诊断系统，采用目前先进的基于知识的机车故障诊断推理方法，对在铁路线上运行的电力机车进行远程的故障诊断、分析，再利用3G网络及时将故障解决方案传送回电力机车控制主机并通过车载显示器实时显现给司机，从而协助、指导司机与机车检修人员进行故障诊断、定位，最终快速地排除故障。

1 系统构建

3G网络技术在业务上、功能上、频宽上能将所有无线服务联合起来，并能在任何地方接入互联网，具备卫星通讯、定位定时、数据收集、远程控制等综合功能。其最主要的特征是可提供移动宽带多媒体业务。基于此，如果将3G网络技术与电力机车远程故障诊断系统结合起来，将会突破远程故障诊断技术存在的带宽等瓶颈问题，实现远程电力机车数据的传输管理与控制，提高数据传输质量，再结合强大的故障诊断专家系统就能实时完成远程电力机车的运行监控与故障定位及处理。

目前，我国的3G网络支持三个无线接口标准:CDMA2000(中国电信)，WCDMA(中国联通)，TD －SCDMA(中国移动)［3］。新构建的系统采用TD－SCDMA标准，由电力机车上安装的车载终端和电力机车维修基站两部分组成，如图1所示。该系统采用TD－SCDMA作为通信基础，将电力机车与地面维修基站远程对接，通过无线网络将车载终端采集到的数据实时传送到地面维修基站，其中电力机车的故障信息数据、状态参数信息数据存入到系统数据库，作为后期故障分析、诊断的参照依据。同时，电力机车的运行状态信息则直接显示在维修基站的监视屏上，以便工作人员能够实时监控电力机车的运行状况。

图1 电力机车远程故障诊断系统的组成

2 电力机车远程故障诊断方案设计

本系统的研究对象是国产韶山型电力机车(以SS9为例)，电力机车作为复杂的大型机电产品，要对它进行故障诊断分析所涉及到的领域比较多，主要包括计算机模式识别、系统控制理论、信号处理等多方面的知识。该系统主要采用基于知识推理的故障诊断方法，对电力机车的故障进行预测、定位。机车故障诊断流程如图2所示［2］。

图2 电力机车远程故障诊断流程

由于该系统采用基于3G网络的故障诊断模式，电力机车的运行状态信息、故障信息可通过3G无线网络传送到地面维修基站，由工作人员对数据进行在线监控、分析，若发现异常则及时反馈给司机。同时，传回到地面维修基站的机车数据存储到系统数据库，由电力机车专家对数据进行分析、研究，建立专家系统知识库，作为在线故障诊断处理的参考依据，并协助、指导维修基站对机车进行检修。

3 电力机车车载终端设计

目前，电力机车多采用先进的列车通信网络TCN，该网络是在列车分布式控制系统之上发展起来的列车控制、诊断信息数据通信网络［4］，它又细分为:列车级通信网络WTB(绞线式列车总线)和车辆通信网络MVB(多功能列车总线)［5］。在该系统中，要完成电力机车控制主机(车载机车运行监控系统)与3G网络之间的数据通讯就必须打通二者之间的通讯网关，这是所设计的车载终端的重要功能之一。此外，车载终端作为链接电力机车控制主机和3G网络的中间环节，它还要具备以下功能:实时接收地面维修基站发来的指令，并依据指令采集电力机车的运行状态信息、故障信息、GPS信息，并把这些信息通过3G网络无线传输到地面维修基站。

车载终端主要由四个基本模块组成:3G通讯模块、3G-MVB网卡及处理器模块、GPS模块和电力机车控制主机，如图3所示。其中，3G-MVB网卡及处理器模块作为系统主要的中央处理器单元完成各种机车数据的通讯、处理等功能，并将数据实时传送到其它模块。车载终端安装在电力机车上，它受地面维修基站控制，能够接收维修基站发来的指令，依据指令采集电力机车的各种参数信息数据，并把采集到的数据实时传送到地面维修基站。

3G通讯模块是系统中的重要组成部分，该模块与3G－MVB网卡及处理器模块通过串口进行全双工数据通讯，它的主要功能包括:(1)接收地面维修基站发来的指令，并依据指令采集、发送相应的机车信息数据;(2)根据维修基站发来的指令，与电力机车控制主机进行数据交换。

图3 车载终端结构

4 维修基站控制软件设计

维修基站的控制软件设计是决定整个系统成败与否的关键环节。车载设备的初始化、运作、停止，电力机车各种数据的采集、传输、接收、存储、显示都是由系统控制软件来控制实现的。其功能主要包括以下几个方面:(1)建立无线网络链接通道，完成PC机与车载终端3G通讯模块的数据交换;(2)数据接收，通过3G网络实时接收传送来的各种相关的机车数据;(3)数据显示，将电力机车的运行状态信息实时显示在维修基站的监视屏上，可在线监控远程电力机车的运行状态;(4)数据存储，将机车信息数据存储到数据库，为故障分析、预测和诊断提供参考依据。

本系统采用Delphi2010对软件部分进行程序编写，实现电力机车状态数据的发送、接收、存储、分析及显示等功能。同时采用“SQL Server 2008+Visual Studio 2010”的组合方式作为故障诊断专家系统的开发环境，完成知识库的构建以及推理机的设计。

5 结语

基于3G网络技术的电力机车远程故障诊断系统将电力机车控制主机与地面维修基站及机车厂售后服务远程对接，这样维修基站及机车厂售后服务人员可联合监控机车的运行，将微小的故障消除在萌芽状态，而较大的故障也可利用强大的故障诊断专家系统联合会诊，最后将解决方案通过网络及时反馈给司机，远程指导司机排除故障。这样做大大削减了机车入段、入厂维修的时间，提高了运行效率，并实时保证了电力机车的运行安全。

［1］丁福焰，杜永平.机车车辆故障诊断技术的发展［J］.铁道机车车辆，2004(4):24 －29.

［2］张勇.远程机车故障诊断系统的研究［D］.北京:北京交通大学，2006.

［3］李兰学.新技术在校园网中的应用［J］.电子世界，2008(16):120－121.

［4］杨子亮，王月明.高速列车通信与控制网络的应用探讨［J］.机电产品开发与创新，2008(6):155－157.

［5］王磊，何正友.高速列车通信网络技术特点及其应用［J］.城市轨道交通研究，2008(2):57－60.