洪 磊，王玉國

(南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院,江蘇 南京 211167)

轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置的故障診斷專家系統(tǒng)研究

洪 磊，王玉國

(南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院,江蘇 南京 211167)

基礎(chǔ)制動裝置是轉(zhuǎn)向架的重要組成部件，其機械性能直接影響列車運行的安全性。針對轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置故障形式多樣，引起軌道車輛運行安全隱患的問題，設(shè)計并開發(fā)了基于CLIPS的基礎(chǔ)制動裝置故障診斷專家系統(tǒng)。該專家系統(tǒng)對制動裝置的故障形式和失效原因進行收集整理，并建立了對應(yīng)的故障樹模型，結(jié)合專家系統(tǒng)框架知識與產(chǎn)生式規(guī)則，采用正向推理模式構(gòu)建了專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，形成了以CLIPS為內(nèi)核、以VC++為交互平臺的基礎(chǔ)制動裝置故障診斷系統(tǒng)，彌補了傳統(tǒng)CLIPS開發(fā)環(huán)境交互性的不足。運行結(jié)果表明，設(shè)計構(gòu)建的專家系統(tǒng)對基礎(chǔ)制動裝置的故障診斷具有良好的可行性和有效性，為機務(wù)人員迅速找到故障并采取相應(yīng)措施提供了依據(jù)，對轉(zhuǎn)向架其他部件故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)也具有一定的參考意義。

基礎(chǔ)制動裝置;故障診斷;專家系統(tǒng);CLIPS

0 引 言

轉(zhuǎn)向架是承載車體重量和傳遞走行動力的導(dǎo)向部件，是大型養(yǎng)路機械的重要組成部分[1]。基礎(chǔ)制動裝置是轉(zhuǎn)向架非常重要的組成部件，它承擔著列車的常用制動、緊急制動、停放制動及保持制動等功能；滿足列車按一定運營速度每站停車等條件正常運行一個往返的要求，其機械性能直接影響到列車運行的安全性，基礎(chǔ)制動裝置上關(guān)鍵部件的故障會導(dǎo)致車輛制動性能下降、甚至脫軌翻車等嚴重事故，因此開展轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置的故障診斷在實際應(yīng)用中具有重要的意義[2]。

迄今為止，國內(nèi)外鐵路科研工作者以不同方法相繼對轉(zhuǎn)向架故障診斷問題展開了研究[3-8]，并取得了一系列成果，但因算法自身的局限會對診斷結(jié)果造成一定的偏差，實用化研究和應(yīng)用不足。基礎(chǔ)制動裝置作為動態(tài)系統(tǒng)，形式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其故障形式具有多樣性、復(fù)雜性和隱蔽性的特點，同時，產(chǎn)生的故障還與使用條件具有密切關(guān)系，使得基礎(chǔ)制動裝置的故障形式多樣，主要有機械振動、零部件的裂損和磨耗等問題。目前，對基礎(chǔ)制動裝置的故障診斷和維護工作主要由機務(wù)人員根據(jù)故障失效后特征，依據(jù)維修規(guī)程進行故障排查。這種方法很大程度上依賴于個人維護經(jīng)驗，往往需要具備專業(yè)知識和豐富實踐經(jīng)驗的專家才能勝任，缺乏專家知識會導(dǎo)致故障定位的盲目和錯誤，甚至引發(fā)其他故障。因此，如何對基礎(chǔ)制動裝置的故障做出有效快速的診斷并恢復(fù)系統(tǒng)，是當前亟待解決的主要問題。

為解決上述問題，提出采用專家系統(tǒng)的診斷方法。該專家系統(tǒng)可視為一種具有專業(yè)知識和經(jīng)驗的計算機智能診斷系統(tǒng)，采用人工智能和知識推理技術(shù)解決復(fù)雜問題，達到具有與專家同等解決問題能力的水平。對于診斷基礎(chǔ)制動裝置故障問題，可以解決經(jīng)驗分析方法的不足，提高診斷的準確性。

1 基礎(chǔ)制動裝置的專家系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)專家系統(tǒng)的原理,基礎(chǔ)自動裝置的故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括三大部分：

(1)接口部分:故障診斷的人機接口;

(2)知識庫部分:含知識獲取器和知識庫;

(3)推理機部分:推理機、解釋器和動態(tài)數(shù)據(jù)庫。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

故障診斷專家系統(tǒng)的工作流程為：根據(jù)基礎(chǔ)制動裝置出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，通過人機接口,用戶將制動裝置的相關(guān)故障信息表達成事實,形成故障事實庫。依據(jù)相關(guān)事實和一定的推理搜索策略，推理機判定提供的故障事實與知識庫中的規(guī)則是否匹配,以此來激活規(guī)則，被規(guī)則激活的事實放入到動態(tài)數(shù)據(jù)庫中，并采用沖突消解策略來解決所選規(guī)則的優(yōu)先級問題，激活的規(guī)則由解釋器執(zhí)行，最終形成故障診斷的執(zhí)行結(jié)果，該結(jié)果通過人機接口將專家意見反饋給用戶，以供用戶在實際應(yīng)用中參考。

2 基礎(chǔ)制動裝置故障診斷知識的獲取

知識獲取是建立一個故障診斷專家系統(tǒng)首先面臨的問題,也就是怎樣從知識源中提煉出用于解決相關(guān)問題的專業(yè)知識。這一過程需要通過廣泛的專家咨詢、資料整理，抽取領(lǐng)域知識，并形成知識庫。

轉(zhuǎn)向架制動形式多種多樣，包括踏面閘瓦制動、盤形制動、磁軌制動、渦流制動等?；A(chǔ)制動裝置的組成包括帶停放制動缸、手柄、閘線等一系列結(jié)構(gòu)，磨耗和裂損是其主要的故障形式,制動裝置中制動梁、推桿或拉桿、閘瓦、閘瓦托等部件一旦發(fā)生磨耗和裂損，可能會引發(fā)多種事故[9-10]。以下具體來分析基礎(chǔ)制動裝置的主要故障原因。

2.1 基礎(chǔ)制動裝置主要故障分析

2.1.1 制動梁發(fā)生脫落

制動梁發(fā)生脫落對行車安全性會產(chǎn)生嚴重威脅，該故障發(fā)生的可能原因包括：

(1)制動梁閘瓦托的安裝軸在其焊接處出現(xiàn)裂紋，在列車制動時受交變應(yīng)力的影響，易發(fā)生安裝軸折斷;

(2)兩端閘瓦的厚度差超出范圍,閘瓦托安裝軸由于同軸度偏差,不在同一直線，這些可能造成一端制動梁產(chǎn)生局部增大的負荷，導(dǎo)致裂損出現(xiàn)在安裝軸的根部;

(3)過度磨耗或不良材質(zhì)的軸頭導(dǎo)致折損;

(4)裂損與脫落出現(xiàn)在閘瓦托的開口銷或吊圓銷等易損部件處，造成整個制動梁發(fā)生脫落。

2.1.2 推桿或拉桿的折斷

拉桿頭發(fā)生裂損脫落,或圓銷磨損后發(fā)生折斷脫落，是拉桿頭與推桿折斷的主要故障形式。造成該故障的可能原因包括:

(1)因焊接質(zhì)量較差,造成拉桿和拉桿頭在其焊接處出現(xiàn)裂損；

(2)因拉桿頭處的圓銷孔存在加工偏差，使圓銷受偏心力的影響，造成圓銷出現(xiàn)折斷；

(3)拉桿頭的開度加工偏差,或開口銷存在過小的開度、或因材質(zhì)疲勞而折損，造成圓銷的脫落。

2.1.3 閘瓦的偏磨

在使用過程中，閘瓦會產(chǎn)生磨耗，使閘瓦偏磨成為一種常見的故障。引起該故障的可能原因有：

(1)車輪踏面與閘瓦托兩者的弧度存在偏差，使兩面之間的各點不處于等距離的位置；

(2)不合適的傳動杠桿位置，使制動梁在制動時不處于正位，在一端閘瓦輪緣及另一端車輪踏面外側(cè)出現(xiàn)磨損，甚至出現(xiàn)閘瓦與車輪踏面不發(fā)生摩擦的情況；

(3)閘瓦托仰頭或低頭，閘瓦上、下兩端與車輪踏面不等距，造成閘瓦上、下頭部偏磨。

2.1.4 閘瓦托的裂損

在運用過程中，由于閘瓦托需承受高溫、高壓，使其易于發(fā)生裂損。引起該故障的可能原因有：

(1)在制動時,閘瓦承受的沖擊力過大，使閘瓦托出現(xiàn)裂損；

(2)由于長時間下坡道行駛，或分配閥非正常工作，導(dǎo)致長時間抱閘而形成高溫，使得閘瓦托出現(xiàn)裂損；

(3)質(zhì)量不良的閘瓦托的材質(zhì)及鑄造過程導(dǎo)致裂損。

2.2 故障診斷知識故障樹的建立

由于基礎(chǔ)制動裝置故障原因復(fù)雜多樣，而故障事實表需要清晰的知識表達和明確的因果關(guān)系對照，因此使用故障樹的分析方法來分析基礎(chǔ)制動裝置的故障原因。

故障樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA),也稱為事故樹分析，是故障診斷中最為重要的分析方法之一[11]。故障樹分析通常以一個可能的事故(稱為頂事件)為起點，采用自上而下、層次化的搜索方式查找直接或間接導(dǎo)致頂事件的中間事件，直到搜索到基本原因事件為止，然后用邏輯圖的形式表達所有事件間的邏輯關(guān)系。

依據(jù)上述建立故障樹的一般方法，結(jié)合整理的故障數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)制動裝置的故障樹如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)制動裝置的故障樹示意圖

針對圖2,表1列出了其中各故障事件所代表的具體含義。

雖然基礎(chǔ)制動裝置故障形式復(fù)雜多樣，但各種故障之間邏輯關(guān)系緊密，采用故障樹建立基礎(chǔ)制動裝置故障信息,具有層次鮮明的特點。

2.3 故障診斷專家經(jīng)驗知識的獲取

故障診斷專家知識是由知識工程師通過認知理解,結(jié)合技術(shù)保障一線的機務(wù)工作者的經(jīng)驗,進而確認并表達出來的某領(lǐng)域?qū)I(yè)化故障診斷知識。這些知識主要包括：發(fā)生故障現(xiàn)象或跡象，能形成對系統(tǒng)故障影響的設(shè)計或制造的原因；工作維護對系統(tǒng)故障產(chǎn)生的影響；實施故障診斷時的思路、方法或步驟等[12-13]。

由上述專家知識構(gòu)建的故障樹成為專家系統(tǒng)知識庫的基礎(chǔ)，下面將以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建以CLIPS為內(nèi)核的專家系統(tǒng)程序。

表1 基礎(chǔ)制動裝置故障樹事件的含義

3 故障診斷專家系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 知識庫構(gòu)建

對于基礎(chǔ)制動裝置的故障診斷,采用“基于框架的產(chǎn)生式規(guī)則”來表達故障信息，構(gòu)建專家系統(tǒng)知識庫。

對于圖2所示的基礎(chǔ)制動裝置故障樹，故障事實均由各個節(jié)點知識表達。采用“框架+產(chǎn)生式規(guī)則”的方式來表達事實，首先要通過自定義模板表示事實框架，該自定義模板可用來表示各層的頂事件、中間事件和底事件。CLIPS的事實由關(guān)系名(node)和槽(slot)組成，符合專家系統(tǒng)中框架的知識表示方式[14]。利用CLIPS表達的故障事實自定義模板如下：

(deftemplate node

(slot name) (slot type) (slot node1) (slot node2) (slot node3) (slot…))

其中，deftemplate表示故障事實自定義模板；node為關(guān)系名；槽name表示該節(jié)點的內(nèi)容；槽type表示該節(jié)點的類型，當type的值為decision時，表示該節(jié)點為中間事件或頂事件節(jié)點，當type的值為answer時，表示該節(jié)點為底事件節(jié)點；槽node1、node2分別表示第1、2個子節(jié)點，以此類推。

根據(jù)上述自定義模板，可以把故障信息中間事件“閘瓦偏磨”(事件代號Y3)表示為如下事實：

(node (nameY3)

(type decision)

(node1X8) (node2X9) (node3X10))

該事實表示“閘瓦偏磨”的原因有“閘瓦上下兩端與車輪踏面不等距”、“閘瓦托與車輪踏面弧度不一致”、“傳動桿裝置不合適”等。前者是果，后者是因，且后者之間為或關(guān)系，即后者中任意一種或一種以上的現(xiàn)象發(fā)生了，那么就會產(chǎn)生“閘瓦偏磨”，符合產(chǎn)生式規(guī)則關(guān)系。

同樣，底事件故障節(jié)點“閘瓦上下兩端與車輪踏面不等距”(事件代號X8)可表示為事實：

(node (nameX8)

(type answer)

(node1“調(diào)節(jié)左右制動橫拉桿間距，確保閘瓦與踏面接觸位置正確”)

(node2“調(diào)節(jié)閘瓦仰角調(diào)節(jié)螺栓，確保閘瓦與踏面間隙均勻”))

該事實表示，如果出現(xiàn)故障X8，可采取node1或node2提供的措施進行維護。

按上述方法完成其他各節(jié)點的事實表示，這些事實組成了基礎(chǔ)制動裝置的知識庫，把這些事實存入文件“BrakeRigging_Facts.DAT”以用于推理。

3.2 推理機設(shè)計

基礎(chǔ)制動裝置產(chǎn)生的故障是多個原因的綜合，對其故障樹進行推理，需采用合理的推理機制，以提高效率和準確性。對于以該專家系統(tǒng)來說，是根據(jù)觀察到的故障現(xiàn)象進行分析推理，同時對故障樹進行逐層搜索，可靠性較強。因此，在專家系統(tǒng)中，采用正向推理方法，廣度優(yōu)先搜索的推理策略，該推理過程如圖3所示。

在推理機運行過程中,current、layer和compare為產(chǎn)生的事實表,并存儲在動態(tài)數(shù)據(jù)庫中。其中，current用于存放正在或即將進行匹配判定的節(jié)點；layer用于存放在當前執(zhí)行層將要進行推理判定的所有節(jié)點；compare用于存放節(jié)點與故障匹配的最終結(jié)果。采用CLIPS表達上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

(current“節(jié)點”)

(layer“節(jié)點” “父節(jié)點”)

(compare “節(jié)點” yes / no)

推理流程如下：

(1)在current中放入故障特征，同時生成全部子節(jié)點。如果沒有子節(jié)點，將current中的節(jié)點清除，并得出結(jié)果；反之，在layer中載入所有的子節(jié)點，并清除已生成子節(jié)點的父節(jié)點。

(2)當current中無節(jié)點時，說明layer中已存放當前層全部節(jié)點。利用廣度優(yōu)先搜索方法，匹配layer中的節(jié)點與故障特征，當成功匹配時，該節(jié)點將放入compare中，以yes為標記,反之記為no，再將上述故障特征清除，對layer中每個節(jié)點都依次完成上述匹配，并清空layer。

圖3 故障樹的推理流程圖

(3)如果compare中有匹配成功的節(jié)點，則在current中載入這些節(jié)點，再清空compare；如果沒有，則將所有節(jié)點載入current，再清空compare。

(4)當compare和current中都無節(jié)點時，表明故障樹的底部已經(jīng)到達，從而推理出結(jié)果，反之繼續(xù)返回步驟(1)執(zhí)行。

(5)如果故障特征與layer中的所有節(jié)點都不能匹配，說明采集了不完整故障特征，需重新判斷，否則系統(tǒng)推理失敗而退出。

3.3 人機交互接口設(shè)計

由于CLIPS只能在控制臺下以命令行的形式與用戶進行交互，不便于進行輸入和讀取，因此系統(tǒng)采用VC++和CLIPS混合編程的方式，充分發(fā)揮CLIPS的推理能力和VC++在用戶人機交互方面的優(yōu)勢。

3.3.1 CLIPS與VC++交互環(huán)境的構(gòu)建

CLIPS與VC++有兩種基本的交互模式：一種是基于VC++環(huán)境,另一種是基于CLIPS環(huán)境。第一種模式的特點是，推理功能由CLIPS實現(xiàn)，而其他功能由VC++實現(xiàn),如人機界面、數(shù)據(jù)讀寫等，這里CLIPS作為函數(shù)被VC++調(diào)用，由此推理功能得以實現(xiàn)。該方式使用較多，但不足之處是VC++需替代CLIPS完成許多功能，無法充分利用CLIPS本身的強大功能，同時VC++開發(fā)的工作量也相應(yīng)增加，而且調(diào)試需在VC++環(huán)境下進行，無法獲取CLIPS的必要調(diào)試信息；后一種模式的特點是，人機界面功能由VC++實現(xiàn)，而其他功能由CLIPS實現(xiàn)，在CLIPS環(huán)境完成調(diào)試，這種方式適合于調(diào)試程序，移植較為方便。這種交互的基本組成構(gòu)架如圖4所示。

圖4 CLIPS與VC++交互示意圖

3.3.2 人機交互界面設(shè)計

為便于VC++界面開發(fā)和CLIPS專家系統(tǒng)開發(fā)可以獨立進行，該專家系統(tǒng)采用動態(tài)鏈接庫(DLL)方式使CLIPS嵌入VC++。該方式有利于專家系統(tǒng)的開發(fā)、維護和擴充[15]。具體方法為：首先在所建VC工程中加入動態(tài)庫文件clips.dll和包裝類文件clipwrap。為使VC++可以調(diào)用CLIPS中的類，需在VC++的include文件夾下,添加clipwarp文件夾中的dynclips.h和dyaload.h，并在VC++的工程目錄下放入clips.dll、clips.lib、rsvarcol.cpp和revarcol.h，由此，VC++可調(diào)用clips的所有函數(shù)。在以CLIPS為內(nèi)核建立知識庫和推理機的基礎(chǔ)上，開發(fā)的基于VC++的專家系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置故障診斷主界面

4 結(jié)束語

利用CLIPS專家系統(tǒng)開發(fā)工具創(chuàng)建了轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置故障診斷專家系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和故障形式，建立了基礎(chǔ)制動裝置的故障樹模型。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了CLIPS專家系統(tǒng)知識庫和推理機，并最終開發(fā)了基于VC++平臺的交互式故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠幫助機務(wù)人員迅速找到故障并采取相應(yīng)措施加以解決，該系統(tǒng)的設(shè)計方法對轉(zhuǎn)向架其他部件的故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)也具有重要的參考價值。

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Investigation on Fault Diagnosis Expert System of Bogie Foundation Brake Rigging

HONG Lei，WANG Yu-guo

(School of Automotive and Rail Transit，Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

The foundation brake rigging is an important component of the bogie and its mechanical properties directly affect the safety of the vehicle running.With regard to the problem that the various failure mode of bogie foundation brake rigging may cause the hidden trouble of the rail vehicle running safety,the fault diagnosis expert system of the brake rigging in bogie is designed and developed based on CLIPS,in which the fault modes and failure causes of the brake rigging is collected and sorted before the corresponding fault tree model is established.Then the basic structure of expert system is constructed by using the forward reasoning model in combination with the expert system frame knowledge and production rules and eventually the fault diagnosis system of brake rigging is implemented based on CLIPS as the core and VC++ as the interactive platform.It has made up the deficiency of traditional CLIPS development environment and its operation results prove that the expert system has favorable feasibility and validity for the fault diagnosis of the basic brake rigging,which provide a basis for the crew to find the faults and take corresponding measures and that it has reference significance to the development of fault diagnosis for other parts of bogie.

basic brake rigging;fault diagnosis;expert system;CLIPS

2016-09-19

2016-12-23 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-07-05

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金——前瞻性聯(lián)合項目(13Y2014005-09)；南京工程學(xué)院科研基金項目(YKJ201333)

洪 磊(1982-),男,博士,講師,研究方向為故障診斷與專家系統(tǒng)技術(shù)；王玉國，博士，副教授，研究方向為檢測與故障診斷技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170705.1652.064.html

TP391.9;U270.1

A

1673-629X(2017)08-0200-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.08.042