基于规则实例的机车整备作业故障诊断系统

张嘉宇

摘要：随着时代的发展以及科技的进步，机车上的电力电气设备越来越复杂，因此对机车的故障判断越来越困难。故障诊断专家系统是将人类在故障诊断方面的多位专家具有的知识、经验、推理、技能综合后编制成的大型计算机程序，它可以利用計算机系统帮助人们分析解决复杂问题。本文介绍了专家系统在故障诊断领域的应用情况，阐述了国内外故障诊断专家系统的发展现状，针对目前研究较成熟的故障诊断专家系统模型进行了分析，最后结合新技术的发展和应用实现了集成整备作业功能与远程诊断功能一体的基于规则实例的机车故障诊断系统。

关键词：故障诊断;整备作业;专家系统;便携式设备

1.研究背景

专家系统在故障诊断领域的应用非常广泛，长期以来，在航空、航天、电力、机械、化工、船舶等许多领域，故障检测与诊断技术与专家系统相结合，使工程的安全性与可靠性得到保证。

故障诊断专家系统的发展起始于20世纪70年代末，在电路与数字电子设备、机电设备等各个领域已取得了令人瞩目的成就，已成为当今世界研究的热点之一。

在专家系统己有较深厚基础的国家中，机械、电子设备的故障诊断专家系统已基本完成了研究和试验的阶段，开始进入广泛应用。MIT制作了用于模拟电路操作并演绎出故障可能原因的EL系统;美国海军人工智能中心开发了用于诊断电子设备故障的IN-ATE系统;波音航空公司研制了诊断微波模拟接口MSI的IMA系统等等。

国内在故障诊断专家系统方面起步于20世纪80年代，国内部分高校和科研机构首先在汽车故障诊断领域对专家系统进行了研究，部分文献已经达到国外同等水平。随后在其他电子设备领域和电力应用领域相继进行了故障诊断专家系统的研究，有一些系统已投入了实际运行。华中科技大学研制了用于汽轮机组工况监测和故障诊断的智能系统DEST;哈尔滨工业大学和上海发电设备成套设计研究所联合研制了汽轮发电机组故障诊断专家系统MMMD-2;清华大学研制了用于锅炉设备故障诊断的专家系统等等。

对机车的故障诊断目前采用的方法主要为：在机车行进途中根据故障现象，由现场的机车乘务员进行故障分析、判断，然后采取相应的故障处理措施。由于机车乘务员和对应的机车不固定，造成故障判断困难。再者电力机车上的电力电气设备越来越复杂，因此对机车的故障判断越来越困难。目前一旦机车中途故障停车无法修复时，救援机车就需要带着维修技术人员前往救援。故障如不能及时处理，对铁路运输以及安全生产带来的损失是巨大的。

针对机务段的机车整备作业，使用便携设备进行整备试验的指导，监控机车数据，给出分析报表，并在数据下载及传输的同时，在后台服务器建立机车故障诊断系统，对作业员进行指示。机车故障诊断系统采用知识发现和数据挖掘相结合的技术，忽略机车正常情况下的数据，将机车异常状态的每一时刻的实时数据储存起来。这些历史数据供系统进行知识发现和数据挖掘，即决策规则提取。在决策规则提取之前，首先对决策表进行预处理，大大缩减规则提取所需的时间，提高系统规则提取的效率。然后将提取出的规则作为预先的规则库，用于系统对未来的机车实时数据进行以规则树的规则匹配方式进行诊断。对于新的故障诊断数据进行匹配，然后将相似的规则以及对应的实例输出供作业员参考。最后作业员将最终的诊断结果输入，形成一个新的实例，然后由系统更新规则库，实现系统的机器学习能力。

2.系统架构

便携设备可连接车辆总线，从总线上读取数据，并实时回传至服务器。车载数据是故障诊断专家系统的基础资料。

提供一套软件，该软件在机务段/车辆段的服务器上执行。当动车组运行过程中发生故障，待动车组回到机务段/车辆段后将故障数据下载（或者拷贝）到服务器上，利用故障诊断软件对故障数据进行分析，判断出具体故障原因及故障处理方法，并生成故障判断结果，将此结果存储到数据库中。

3.故障诊断系统

现阶段车辆故障诊断主要针对两方面内容开发：

（1）故障发生后，通过分析故障数据，给出故障发生的原因及解决故障的方法;

（2）故障发生前，实现一定程度的故障预判。

专家系统的知识库由规则库和事实库组成，规则库中存放产生式规则的集合;实例库中存放实例的集合，包括输人的实例或中间结果（事实）和最后推理所得的一些事实。

属性约简可以在不降低数据整体分类能力的情况下去除数据中的冗余属性，大大减少数据处理所需的时间和系统资源，提高数据的处理效率。将数据表进行属性约简过后，然后进行决策规则提取，就可以得到有关该故障的所有决策规则。

依据故障树依次求出所有故障的决策规则，数据的预处理过程结束。

经过之前的数据预处理过程，我们已经得到了数据分析和检测所需要的规则集。只需要将便携设备传递到服务器的实时数据进行规则匹配就可以实现远程诊断和实时监测的功能。

规则匹配的方法主要分为完全匹配和部分匹配方法。我们将两种方法结合，首先对数据进行完全匹配，如果能够找到与之完全匹配的规则，则输出匹配结果;如果找不到与之完全匹配的规则，则对其进行部分匹配。

对于新的故障数据，如果可以完全匹配到某一规则，则不予处理，仅更新规则的支持度;如果无法完全匹配到某一规则，则添加到历史数据中，更新规则库。

远程诊断功能的实现，首先将故障树模型进行软件化，并与便携设备进行软件故障树模型交互展示。依靠数据库内数据文件建立算法模型，根据采集的数据及故障标志，套用算法模型进行比对，以达到故障诊断的效果。

4.总结

本文介绍了一种集成整备作业功能以及远程诊断功能的基于规则实例的机车远程诊断系统。设计了一种新型的便携式设备，可以对司机进行提示逐步进行整备作业，也可以从机车总线上读取数据传回服务器端供系统对机车运行状况进行监测，同时也具备帮助司机进行远程故障诊断的功能，提示操作员进行故障排除。本系统的核心功能是故障检测专家系统，可以实现系统自动地识别数据异常，进而判断出机车的故障，然后将诊断结果以及对应的实例、故障解除操作提示等信息返回给操作员。并且本系统具有自我学习功能，可以不断完善自己的规则库。

参考文献：

[1] 吴明强， 史慧， 朱晓华， 等. 故障诊断专家系统研究的现状与展望[J]. 计算机测量与控制， 2005， 13（012）： 1301-1304.