摘 要：由于目前的機(jī)車(chē)自動(dòng)檢測(cè)、故障診斷技術(shù)還沒(méi)有形成完善體系。設(shè)計(jì)以專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合檢測(cè)中心的實(shí)際情況的故障檢測(cè)系統(tǒng)，具體給出了系統(tǒng)的理論根據(jù)及設(shè)計(jì)方法，提出了基于專家知識(shí)庫(kù)、診斷推理及知識(shí)獲取機(jī)制的診斷方法，能較好完成鐵路機(jī)車(chē)的檢測(cè)與診斷的要求。

1.引言

　　目前,內(nèi)燃機(jī)車(chē)在我國(guó)鐵路運(yùn)輸中是主要牽引動(dòng)力之一，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系著鐵路運(yùn)輸組織狀況的好壞。因此，幾十年來(lái)提高機(jī)車(chē)質(zhì)量和運(yùn)用效率，同時(shí)降低維修成本，一直是機(jī)務(wù)工作的重要組成部分。本系統(tǒng)是一套鐵路機(jī)車(chē)故障診斷專家系統(tǒng)（RLFDES- Railway Locomotive Fault Diagnose Expert System）。該系統(tǒng)以專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合檢測(cè)中心的實(shí)際情況展開(kāi)研究與探討，將故障診斷技術(shù)與專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理緊密結(jié)合起來(lái)，將故障診斷的實(shí)踐與計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，理論聯(lián)系實(shí)際，基本上形成了一套完整的、可行的設(shè)計(jì)方案。

2.機(jī)車(chē)故障的基本特點(diǎn)

　　內(nèi)燃機(jī)車(chē)是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng),數(shù)萬(wàn)個(gè)零部件工作中相互耦合，呈現(xiàn)出復(fù)雜的對(duì)外輸出信號(hào)，機(jī)車(chē)工作過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程、隨機(jī)過(guò)程，在不同時(shí)刻的任何觀測(cè)數(shù)據(jù)是不可重復(fù)的，從系統(tǒng)理論特性看，機(jī)車(chē)故障具有以下一些特點(diǎn)。

　　（1） 層次性：機(jī)車(chē)數(shù)萬(wàn)個(gè)零件共同工作，元件之間相互耦合，決定著機(jī)車(chē)故障的層次性，一種故障由多層次原因構(gòu)成。

　　（2） 突發(fā)性及緩變性： 突發(fā)性故障發(fā)生在瞬間，無(wú)明顯癥狀，難以預(yù)測(cè)，而緩變性故障具有漸進(jìn)性和局部功能失效的特點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)。

　　（3） 模糊性：機(jī)車(chē)故障和征兆信息并不是一一對(duì)應(yīng)的，具有隨機(jī)性，征兆之間界限是模糊的，并且某些信息具有不確知性。

　　（4） 趨勢(shì)性：機(jī)車(chē)大部分故障有隨時(shí)間變化的一種趨勢(shì)，即從微小征兆向顯著征兆發(fā)展的趨勢(shì)。以上各點(diǎn)只是從某一側(cè)面去分析而作出判斷，實(shí)際應(yīng)用應(yīng)該以隨機(jī)過(guò)程為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用各種現(xiàn)代的科學(xué)分析工具，綜合判斷機(jī)車(chē)故障現(xiàn)象的屬性、構(gòu)成與發(fā)展。

3.鐵路機(jī)車(chē)故障診斷系統(tǒng)

　　3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　鐵路機(jī)車(chē)故障診斷系統(tǒng)由兩大模塊組成：內(nèi)燃機(jī)車(chē)故障診斷系統(tǒng)和電力機(jī)車(chē)故障診斷系統(tǒng)。針對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)故障診斷系統(tǒng)作以簡(jiǎn)要說(shuō)明。

　　1）數(shù)據(jù)載入。

　　該功能可以將目前內(nèi)燃機(jī)車(chē)的全部檢測(cè)儀器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)通信，傳遞到故障診斷系統(tǒng)中。

　　2）參數(shù)設(shè)置。

　　主要完成內(nèi)燃機(jī)車(chē)設(shè)備門(mén)限值參數(shù)的確定。

　　3）故障診斷。

　　通過(guò)檢測(cè)儀器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和專家系統(tǒng)，來(lái)確定機(jī)車(chē)設(shè)備的性能，得出診斷結(jié)果，并依此來(lái)決定設(shè)備是否維護(hù)或維修。

　　4）查詢打印。

　　完成檢測(cè)數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果的查詢與打印。

　　5）走勢(shì)分析。

　　通過(guò)對(duì)走勢(shì)分析條件的設(shè)定，全面了解機(jī)車(chē)的運(yùn)行情況。

　　3.2 鐵路機(jī)車(chē)故障診斷系統(tǒng)專家系統(tǒng)的組成

　　鐵路機(jī)車(chē)設(shè)備的故障直接關(guān)系到機(jī)車(chē)乃至鐵路系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。故障診斷是一項(xiàng)復(fù)雜的、經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的技術(shù)工作，機(jī)車(chē)設(shè)備故障的原因很多，要求快速、有效、準(zhǔn)確地識(shí)別故障并采取有效措施及時(shí)排除故障。利用專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷并給出處理措施，輔助維修人員進(jìn)行事故處理，提高機(jī)車(chē)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，是專家系統(tǒng)在鐵路機(jī)車(chē)故障診斷系統(tǒng)中的一個(gè)具體應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)、推理執(zhí)行機(jī)構(gòu)、解釋機(jī)構(gòu)、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)、人機(jī)接口等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的基本組成部分，它擁有知識(shí)的數(shù)量和質(zhì)量是衡量專家系統(tǒng)性能好壞及問(wèn)題求解能力大小的重要因素。推理執(zhí)行機(jī)構(gòu)是專家系統(tǒng)的另一個(gè)基本組成部分，它在一定的控制策略下針對(duì)搜索黑板中的當(dāng)前信息，對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的故障現(xiàn)象在知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行識(shí)別或選取，得出相應(yīng)的產(chǎn)生該組故障的原因及處理方法。用戶通過(guò)人機(jī)接口輸入一組出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，推理執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，確定故障及發(fā)生的原因。如果規(guī)則庫(kù)中沒(méi)有該規(guī)則，則調(diào)用知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)，在規(guī)則庫(kù)中產(chǎn)生新的規(guī)則。

　　3.2.1 知識(shí)庫(kù)

　　知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心部分，它的完善與否決定了專家系統(tǒng)的工作能力及效率。

　　1.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

　　系統(tǒng)在線診斷時(shí)要使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。庫(kù)中存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，包括機(jī)車(chē)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)。建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法是:用PB的定時(shí)器（Timer）加上觸發(fā)器機(jī)制，把PB的內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)Sybase SQL Anywhere改造成主動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，定時(shí)地刷新庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

　　2.知識(shí)的表示形式

　　本系統(tǒng)用產(chǎn)生式表示方法來(lái)表示知識(shí)，產(chǎn)生式的一般形式為:P→Q，其含義是:如果P滿足則可能推出Q;P表示故障發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的一組現(xiàn)象，Q表示由該組現(xiàn)象得出的發(fā)生故障的原因和處理方法。

　　例如，內(nèi)燃機(jī)車(chē)設(shè)備主要有控制電路、主回路、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、軸承、變壓器和電動(dòng)機(jī)等。其中發(fā)電機(jī)組常見(jiàn)的故障有機(jī)組軸承過(guò)熱、機(jī)組劇烈振動(dòng)、發(fā)電機(jī)著火、機(jī)組過(guò)速、機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)聲音異常、發(fā)電機(jī)失磁、發(fā)電機(jī)運(yùn)行中勵(lì)磁機(jī)極性反向、勵(lì)磁機(jī)著火、電液轉(zhuǎn)換器控制失靈、測(cè)頻回路故障等。變壓器常見(jiàn)故障有鐵心片間絕緣損壞、鐵心局部熔毀、鐵心與接地片間接觸不良、鐵心松動(dòng)、線圈斷線、繞組對(duì)地?fù)舸⒗@組相間短路、分接開(kāi)關(guān)故障、三相電壓不平衡、油質(zhì)變壞、油面升高、油面降低、過(guò)負(fù)荷、空負(fù)荷、鐵心振動(dòng)、內(nèi)部接觸不良或擊穿等。故障和現(xiàn)象間的關(guān)系比較復(fù)雜，每一種故障的發(fā)生均伴隨著一個(gè)或多個(gè)故障現(xiàn)象的出現(xiàn)，而一個(gè)故障現(xiàn)象也可能是由發(fā)生的多個(gè)故障引起的。將所有可能出現(xiàn)的現(xiàn)象和故障以及它們間的對(duì)應(yīng)規(guī)則存放在知識(shí)庫(kù)中，供專家系統(tǒng)使用。

　　本系統(tǒng)歸納總結(jié)了幾百條規(guī)則，在此舉一簡(jiǎn)單例子說(shuō)明如何表示現(xiàn)象與故障間的對(duì)應(yīng)規(guī)則（見(jiàn)表1和表2）。

　　現(xiàn)象與故障間的對(duì)應(yīng)規(guī)則用P→Q的形式表示為:

　　R1:[（X1）→（H1）]

　　R2:[（X2）→（H1）]

　　R3:[（X3）→（H1）]

　　R4:[（X1）（X2）（X3）→（H1）]

　　R5:[（X1）（X3）（X4）（X5）→（H1）]

　　R6:[（Y1）→（H3）]

　　R7:[（Y1）→（H4）]

　　3、知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)

　　由于上面的分析可知，用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)是比較合適的，大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（RDBMS）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，查詢速度快，易于修改、擴(kuò)充，可靠性高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)用PB7.0內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù)Sybase SQL Anywhere實(shí)現(xiàn)。

　　3.2.2 推理執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　1 故障推理與算法

　　故障搜索算法直接影響故障辨識(shí)的速度與準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)提出功能級(jí)搜索和信號(hào)源傳輸通路搜索，兩者沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，前者是以功能模塊為搜索對(duì)象，建立模塊特征數(shù)據(jù)向量和傳導(dǎo)函數(shù)與上級(jí)模塊的關(guān)系;后者以信號(hào)傳輸通路為搜索尋跡對(duì)象，對(duì)有故障的通路實(shí)行優(yōu)化分割，逐級(jí)查找故障信號(hào)源，從而對(duì)故障實(shí)施定位。這實(shí)質(zhì)上是一種面向?qū)ο蟮牟呗浴?/FONT>