浅谈CCBⅡ制动系统故障诊断技术

摘 要：以机车制动系统为研究对象，在对常用故障诊断方法进行分析的基础上，研究基于解析冗余方法的故障诊断技术，确定制动系统故障诊断方案，并以CCBII制动机自动制动功能模型为例，讨论基于等价空间解析冗余方法的制动系统故障诊断技术。

关键词：CCBII制动机；故障诊断；解析冗余方法；等价空间方法

引言

制动机是机车运行、制动的执行部件，其性能的优劣直接决定着机车能否安全平稳运行。CCBII制动机是新一代基于网络的电空制动系统，其控制准确性高、反应灵敏、安全性高，被广泛应用于中国铁路重载货运运输中。CCBII制动机由电气控制单元EPCU、中央处理模块IPM、电子制动阀EBV、继电器中继模块RIM和机车司机显示模块LCDM组成，通过模块间的组合来实现特定功能。为保证制动机的正常运行，其利用网络对各模块交换信息，并采用冗余设计实现重要功能。CCBII制动机部件高度集成化的设计思想对其日常维护与保养带来了一定的挑战，一旦制动机发生故障，检修人员单靠日常维修经验及行车日志等来追寻故障信息，很难快速对故障准确定位，因此，对于CCBII制动机故障诊断策略的研究较为迫切。文章首先分析制动系统故障诊断的方法，然后讨论基于解析冗余方法的制动系统故障诊断，最后研究CCBII制动系统故障诊断技术。

1 机车制动系统故障诊断方法

在减小事故风险以及提升系统安全性和可靠性等方面，故障诊断技术是一种行之有效的途径，该技术可以对系统中所发生的故障进行监测、识别和分离，即在设备运行中判别故障是否发生，如若发生可甄别故障类型，故障所发生的时间、位置等信息。随着神经网络技术的发展，自我学习分析能力越来越强，故障诊断应用范围越来越广，故障诊断技术也向着多种监测诊断技术相配合、状态监测和故障预测同时进行的方向发展[1]。

在铁路行车安全保障体系结构中，机车制动机状态检测和诊断系统是重要组成部分之一。对于机车制动系统故障诊断，一方面包括对制动系统的运行状态进行实时监测，另一方面包括在发生异常情况后对制动系统的故障进行分析诊断，主要通过车载设备和地面设备等实现[2]。在对机车制动系统进行故障监测和诊断过程中，主要跟踪监测列车制动机运行状态参数，通过筛选获得有效数据，从而查找、判别制动系统是否存在故障，若存在故障则及时发出相应预警信息，确保行车安全。故障诊断方法包括基于模型的方法、基于知识的方法和基于信号处理的方法，随着建模方法的不断成熟，数学方程可用来描述复杂的制动系统模型，而工程实践中也越来越多地引入基于模型的故障诊断方法。就机车制动系统而言，基于硬件冗余关系的故障诊断方法和基于解析冗余的诊断方法均能实现基于模型方法的机车制动系统故障诊断，而后者应用软件即可解析变量之间的关系，诊断成本低，且避免了硬件冗余关系中多传感器测量的共性故障，可靠性较高。

2 基于解析冗余方法的制动系统故障诊断

对于基于解析冗余诊断方法的机车制动系统故障诊断系统，其基本思想是根据解析冗余关系残差值对制动系统信息建立观测特性，将故障特征与观测特征进行分析，模型系统将产生的信号与实际测量信号的差值生成残差向量，进而对残差序列统计分析，实现对制动系统故障的监测和诊断。该诊断方法如图1所示。

由图1可知，想要实现基于解析冗余方法的制动系统故障诊断，首先要生成残差，将系统的实际输出与数学模型进行比对从而得到制动系统输出的残差值；然后对残差进行评估，利用残差处理与关联的残差逻辑，将系统输出的残差值与系统故障建立联系，经综合分析以即可得到制动系统的故障诊断信息。

依据不同原理，基于解析冗余的故障诊断可分为三类：等价空间方法、观测器方法和参数估计方法[3]。对传感器和执行器故障进行诊断，等价空间方法可同步进行，且无需预先提供针对额外功能的先验知识，同时可利用多种方式生成基本残差，设计自由度较强，通过对正交化故障到残差的转换矩阵，得到与特定故障对应的残差序列。该方法下，残差序列的生成过程不需要担心滤波器或观测器等设备带来的误差，准确度高、性能较好，因此，等价空间方法得到广泛应用，对于CCBII制动系统故障诊断，拟采用该方法制定诊断方案。

3 CCBⅡ制动机故障诊断方案

根据以上分析，确定基于等价空间方法的CCBII制动系统故障诊断方案。在已有制动系统数学模型基础上，分析系统传感输出和系统变量之间的解析关系，对系统进行参数估计或状态评估，进而将诊断系统估计状态与制动机实际系统信息对比生成残差信息，最后依据残差信息作出故障诊断。为了得到CCBII制动系统的数学模型，根据其功能建立三个模型，即后备制动功能模型、单独制动功能模型和自动制动功能模型，在进行系统故障诊断时，分别对三个模型进行故障诊断。

以自动制动功能模型为例，如图2所示，在对该功能模型进行故障诊断时，将自动制动功能模型与实际系统输出比较产生的残差，进行阈值判断，得出的故障特征通过系统功能故障特征矩阵表来判断故障信息，此过程中需要对以下两点进行关注：

（1）对于自动制动功能的实际检测，需要将连续的模拟信号经过采样、AD转换等手段转换成数字量进行处理，同时，需要对连续时间进行离散化，离散方式为周期T的等间隔离散采样，周期T的选取原则遵循Shannon采样定理[4]。

（2）实际检测为多输出系统，在设计残差生成器时应有所考虑。每路输出的信息都代表一定的系统信息，为了得到更多的系统故障信息对每路输出信息进行独立的分析。因此，为了消除初始的系统状态影响，为每个输出设计状态矩阵，通过对某几个残差的异常变化，查找更多的系统故障。

4 结束语

文章首先分析了机车制动系统故障诊断方法，然后对基于解析冗余方法的制动系统故障诊断技术进行了论述，进而将基于等价空间方法的解析冗余故障诊断技术应用到CCBII制动系统故障诊断中，并以自动制动功能模型为例，给出了故障诊断框架及方案制定中的需要考虑的某些因素，对制动系统故障诊断技术的深入研究具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]丁建波，张忠海，欧长劲.机车制动机故障模糊诊断方法研究[J]. 机电工程，2011，28（3）：301-304.

[2]李 .CCBII制动机故障诊断系统的研制[D].长沙：中南大学，2012.

[3]陈莉，钟麦英.奇异模糊系统基于等价空间的故障检测[J].控制与决策，2011，26（2）：182-186.

[4]Baojia Chen， Zhengjia He，Xuefeng Chen. A demodulating approach based onlocal mean decomposition and its applications in mechanical fault diagnosis[J].Measurement Science and Technology， 2011（22）：1-13.