專利名稱：基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種軌道交通技術領域的系統，具體是一種基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統。
背景技術：
電力機車已經日益成為廣泛使用的地鐵列車牽引動力車，機車內部的電力電子裝置是地鐵機車的核心部件，機車運行故障的發生概率絕大部分都集中于電力電子裝置上，同時，相關運營機構需要實時掌握機車的無故障運行周期，還必須定期對其中的電力電子裝置進行預測分析，因此，對地鐵機車牽引電路中的電力電子電路及其器件的實時檢測與故障診斷自然成為確保地鐵機車安全運行所必須的關鍵技術。
由于電力電子裝置在牽引系統中通常作為電源或執行機構出現，對整個系統的可靠性具有重要乃至決定性的作用。地鐵機車中的電力電子裝置又極具特殊性，因為它所傳動的對象為大功率直流電動機或者交流電動機。對于如此大功率的傳動對象在拖動龐大的機械系統時所產生的動態效應是非常復雜的，因此電力電子裝置可能出現的故障類型與性質也是多樣性的。
通常所說的電力電子裝置故障一般系指其主電路的故障，它可分為參數性故障和結構性故障。參數性故障指由于電路參數(如電感值、電容值等)偏離正常值一定范圍而導致的故障，它通常采用參數辨識進行診斷。結構性故障指由于電力電子器件出現短路、斷路或觸發信號丟失而導致電路拓撲發生變化的故障。一般情況下，運行人員很難在從發生故障到停電的短時間里判斷出故障元件和/或位置，即使是經驗豐富的人員也可能會受到外界因素影響而誤診。
就當前的研究狀況來看，針對電力電子裝置的故障診斷均局限于個別具體電路，因此難以滿足實時診斷的需要，而且通用性不強，更難以推廣應用。
經對現有技術文獻的檢索發現，文獻“通用電力電子設備遠程監控與故障診斷系統設計研究”(馬皓、應葑蔚《計算機工程與應用》2004年第8期)介紹了作者采用網絡通信的方式實現對遠程電力電子系統工作狀態性能及其故障的檢測與診斷的設計思路。其中，對系統故障診斷的基本思路是，認為大多數電力電子系統的故障，表現在采集信號狀態上，即為模擬量的越限(如過壓、欠壓、過流、過溫等)和開關量的變位(如跳閘等)；故障特征是指反映故障征兆的信號經過加工處理后所得的反映設備與系統的故障種類、部位、與程度的綜合量。系統采取了二級診斷的結構方式，即在現場端進行數據信號實時報警和在線實時診斷的基礎上，將可能的故障數據進行記錄并上傳至中心服務器，以供異地用戶下載，調用離線診斷程序進行異地離線診斷，實現本地在線診斷和遠程離線診斷的結合。上述系統設計有一定的可行性與有效性，但是，從系統所實現功能可以看出1、僅對電力電子系統的工作狀態與故障進行檢測與故障診斷，尚不具備對電力電子電路內部故障進行診斷的能力；2、診斷功能極為有限，對于復雜故障尚需依靠二級調用離線診斷程序進行異地離線診斷；3、通過網絡實現遠程數據傳輸，這是一項十分成熟的技術，并非電力電子電路故障診斷的關鍵之所在。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統。使其實現對輸出波形的全信息分析只需檢測其輸出波形，無需其它附加參數，運算過程極為簡化，故障判定準確、故障定位準確。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括被測地鐵機車牽引電路、標準負載、嵌入式工控機，被測地鐵機車牽引電路的輸出加載與標準負載，嵌入式工控機從標準負載的兩端拾取電壓輸入。
所述嵌入式工控機包含數據采集器、A/D轉換器、數據緩存器、中央處理器、被測電路故障數據庫模塊、記錄標志緩存、基于波形識別算法軟件包模塊、顯示輸出器。標準負載的端電壓輸入至嵌入式工控機中最前沿的數據采集器數據輸入端口，數據采集器的輸出端與A/D轉換器輸入端連接，A/D轉換器的輸出端與數據緩存器的寫入口連接，數據緩存器的讀出口與中央處理器的讀入口連接，被測電路故障數據庫模塊、記錄標志緩存、基于波形識別算法軟件包模塊均通過數據總線與中央處理器實現數據與指令的雙向交互，中央處理器的輸出通過VGA與顯示輸出器連接。
所述的標準負載，作為被測地鐵機車牽引電路的檢測負載，按照標準的工作環境對被測地鐵機車牽引電路上電，嵌入式工控機從標準負載的兩端檢測獲得被測地鐵機車牽引電路的輸出電壓波形。輸出電壓波形首先由數據采集器予以采集，經A/D轉換器后轉入數據緩存器，在數據采集器采集輸出波形全部結束后，中央處理器已經調用基于波形識別算法軟件包，并從數據緩存器中讀取輸出波形數據進行集中處理。基于波形識別算法軟件包模塊將輸出電壓波形與被測電路故障數據庫模塊中的故障波形進行匹配，在確定的相似度允許范圍內，計算獲得相似度最大者，即認定被測地鐵機車牽引電路此時出現的故障屬于數據庫中該記錄所顯示的故障類型和性質，并準確指出故障點的位置(包括器件與線路)。當利用本發明進行現場實施檢測時，標準負載即為列車原型負載；當利用模擬實驗臺對被測地鐵機車牽引電路進行檢測時，標準負載為半實物模擬仿真負載，依據機械慣性與電機傳動特性的相似原理制作而成，利用半實物模擬仿真標準負載能夠全模擬被測地鐵機車牽引電路在列車運行工況下的工作狀態。
所述的數據采集器，承擔對信號的調理與濾波以獲得高信噪比的被測電壓波形信號。在對運行現場進行在線檢測時，數據采集器并行輸入接口，直接接受來自機車被測電路的輸出信號。
所述數據緩存器，是為了將數據采集與波形識別運算分開進行，即，將含信號調理與濾波的數據采集與A/D轉換作為信號前處理，波形識別作為后處理程序運行，因此能夠大大提高數據采集的速度，保證了列車運行工況下信息拾取的完整性，進而提高波形識別與故障診斷的準確率。
所述的被測電路故障數據庫模塊，其數據結構包含字段變量輸出波形、故障類型與性質、故障定位。事先根據被測地鐵機車牽引電路的研發機構和生產廠家所積累的該電路特性及其故障檢測參數、曲線與波形進行整理、數字化與特征值提取，按照上述數據結構存放被測地鐵機車牽引電路的所有已經故障特征參數。同時，被測電路故障數據庫模塊具有記錄空間自動擴容功能，能夠使得在使用該軟件包的過程中通過自學習功能在專家系統的輔助下增添與充實被測電路故障數據庫的記錄。
所述的記錄標志緩存，是為識別過程臨時存放記錄標志而使用的緩沖存儲器。一般來說，地鐵機車牽引電路的故障具有多樣性與復雜性。使用等步長采樣逐一將被測輸出波形與數據庫中的所有記錄進行識別匹配，將會耗費大量的運算時間，這是不現實的，也是不適用的，因此需要采用變步長的方式進行運算，即“先粗后細”。每當進行一次大步長粗篩選后，將符合該次篩選所對應的記錄“打上標志”，即將這些記錄序列號存入記錄標志緩存中，以便在下一次調小步長時，對“打上標志”的記錄進一步篩選，以避免不必要的重復計算。
所述的波形識別算法軟件包模塊，包括故障識別模塊、標記模塊、彌補模塊、顯示模塊，這些模塊之間的連接與信號處理關系為故障識別模塊專施對被測電壓波形的識別，一旦被測電壓波形被認為可能屬于某記錄故障，則通知標記模塊，標記模塊即將該記錄“打上標志”，即將該記錄號寫入記錄標志緩存，接著轉入下一輪識別運算(即，細選鑒別，對故障予以準確判定與定位)；否則(在現有數據庫中沒有相似故障時)，故障識別模塊輸出運算轉移指令，將運算任務移交彌補模塊，由彌補模塊對未知信號特征實施判定；故障識別模塊、標記模塊、彌補模塊與顯示模塊采用并行鏈接，顯示模塊可以實時跟蹤前三者的運算過程與結果，將結果按顯示輸出協議輸出至顯示輸出器。
具體運算過程以被測輸出電壓波形為模板，首次識別時，以大步長采樣對數據庫中的所有故障記錄進行快速粗選，將相似度最高者記錄“打上標志”；其次，變小步長對“打上標志”記錄進行再次采樣篩選，再將新的相似度最高者記錄“打上標志”，并更新記錄標志緩存中存儲；余類推，直至找到唯一的相似度最高者，因此確認當前被測電路的故障類型與性質，以及故障所發生的位置與器件；倘若，在現有故障數據庫中尚未找到任何一條記錄，則進入功能彌補程序；所謂彌補程序，即，對被測輸出電壓波形自身對稱性識別(包括相鄰周期波形比較與旋轉對稱比較)，進而判斷被測波形是否無故障或出現新型故障，再將該新型故障采用彌補程序中的專家系統對原有故障數據庫進行記錄添加。
基于波形識別算法軟件包模塊的工作過程進一步說明如下(1)以被測輸出電壓波形為模板，首次識別時，以大步長采樣對數據庫中的所有故障記錄進行快速粗選，將相似度最高者記錄“打上標志”；(2)變小步長對“打上標志”記錄進行再次采樣篩選，再將新的相似度最高者記錄“打上標志”，并更新記錄標志緩存；(3)余類推，直至找到唯一的相似度最高者，因此確認當前被測電路的故障類型與性質，以及故障所發生的位置與器件。
(4)一旦被測電路存在故障，經以上循環結果，能夠確認故障性質及故障定位的概率＞98％以上；只有＜2％的概率在現有故障數據庫中無法找到任何一條記錄，此時，則進入功能彌補程序。
(5)彌補程序啟動對被測輸出電壓波形自身對稱性進行識別(包括相鄰周期波形比較與旋轉對稱比較)，做出無故障或新型故障的判斷，一旦判定出現未知類型(性質)故障，即將新型故障對原有故障數據庫進行記錄添加。
(6)結論的顯示輸出。
本發明與背景技術比較的顯著優點和有益效果在于(1)被測電路的輸出數據非常簡單，只需檢測其輸出波形，無需其它附加參數，實現對輸出波形的全信息分析；(2)相對人工神經網絡等算法來說，本發明避免了復雜的網絡結構設計及其運算方法，使得運算過程極為簡化，整個識別過程占用CPU時間短到毫秒級；(3)故障判定準確、故障定位準確；(4)具有自學習功能，能運用專家系統補充與完善未知故障的類型與性質等認知知識庫。
圖1本發明系統結構圖具體實施方式
如圖1所示，本發明包括被測地鐵機車牽引電路1、標準負載2、嵌入式工控機3。當利用本發明進行現場實施檢測時，標準負載2即為列車原型負載；當利用模擬實驗臺對被測地鐵機車牽引電路1進行檢測時，標準負載2為半實物模擬仿真負載，依據機械慣性與電機傳動特性的相似原理制作而成，被測地鐵機車牽引電路1只有連接上標準負載2的情況下才能真實模擬其原有的工況。標準負載2兩端的電壓輸出經信號導線傳輸至嵌入式工控機3，供信號處理與分析。
嵌入式工控機3包括數據采集器4、A/D轉換器5、數據緩存器6、中央處理器7、被測電路故障數據庫模塊8、記錄標志緩存9、基于波形識別算法軟件包模塊10、顯示輸出器11。輸出電壓波形首先由數據采集器4予以采集，經A/D轉換器5后轉入數據緩存器6，在數據采集器4采集輸出波形全部結束后，中央處理器7已經調用基于波形識別算法軟件包模塊10，并從數據緩存器6中讀取輸出波形數據進行集中處理。基于波形識別算法軟件包模塊10將輸出電壓波形與被測電路故障數據庫模塊8中的故障波形進行匹配，在確定的相似度允許范圍內，計算獲得相似度最大者，即認定被測地鐵機車牽引電路1此時出現的故障屬于數據庫中該記錄所顯示的故障類型和性質，并準確指出故障點的位置(包括器件與線路)。
基于波形識別算法軟件包模塊10由故障識別模塊、標記模塊、彌補模塊、顯示模塊組成運算內核，故障識別模塊專施對被測電壓波形的識別，一旦被測電壓波形被認為可能屬于某記錄故障，則通知標記模塊，標記模塊即將該記錄號寫入記錄標志緩存，接著轉入下一輪識別運算(對故障予以準確判定與定位)；否則，故障識別模塊輸出運算轉移指令，將運算任務移交彌補模塊，由彌補模塊對未知信號特征實施判定；顯示模塊實時跟蹤故障識別模塊、標記模塊、彌補模塊的運算過程與結果，將結果按顯示輸出協議輸出至顯示輸出器11。
實施例上海地鐵一號線DC-01直流電動機車主電路測試該主電路包含的主要模板牽引控制單元、斬波器及其觸發脈沖電路。
實施條件(1)采用半實物仿真技術與虛擬儀器技術相結合的方法，建立主控系統綜合測試平臺，達到主控系統在離線狀態下全程模擬機車運行工況，進而實現對主控系統靜動態特性的全面測試；建立完整的大規模被測電路故障數據庫模塊。
(2)將未知性能狀況而需要測定的被測電路接入主控系統綜合測試平臺進行測試。
具體過程如下(1)被測地鐵機車牽引電路1插入綜合測試平臺的測試槽，自動與標準負載2及嵌入式工控機3的輸入通道連接；(2)各部分上電，開啟電腦并進入運行測試與故障診斷程序；(3)根據綜合測試平臺所具有的地鐵機車全模擬工況，使被測地鐵機車牽引電路1工作于所有可能的列車運行工況；(4)數據采集器4實時地將被測地鐵機車牽引電路1在不同的列車運行工況下的輸出波形通過A/D轉換器5輸入至數據緩存器6；(5)在數據采集器4采集輸出波形全部結束時，中央處理器7已經調用基于波形識別算法軟件包模塊10，并從數據緩存器6中讀取輸出波形數據進行集中處理；(6)基于波形識別算法軟件包模塊10逐一將輸出電壓波形與被測電路故障數據庫模塊8中的故障波形進行匹配，在確定的相似度允許范圍內，計算獲得相似度最大者，即認定被測地鐵機車牽引電路1此時出現的故障屬于數據庫中該記錄所顯示的故障類型和性質，并準確指出故障點的位置(包括器件與線路)。
具體實施結果數據采樣周期τ＜1μs；數據前處理周期T0＜1ms；設定工況下的輸出波形識別與故障診斷周期T1＜30ms；五種工況(起動、加速、怠速、制動、緊急剎車)下的輸出波形識別與故障診斷總計算周期T＝nT1＝5T1＜150ms，當n＝5時；測試結果故障診斷準確率＞98％。
權利要求
1.一種基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統，包括被測地鐵機車牽引電路、標準負載，其特征在于，還包括嵌入式工控機，嵌入式工控機包含數據采集器、A/D轉換器、數據緩存器、中央處理器、被測電路故障數據庫模塊、記錄標志緩存、基于波形識別算法軟件包模塊、顯示輸出器，被測地鐵機車牽引電路的輸出加載與標準負載，嵌入式工控機從標準負載的兩端拾取電壓輸入，標準負載的端電壓輸入至嵌入式工控機中最前沿的數據采集器數據輸入端口，數據采集器的輸出端與A/D轉換器輸入端連接，A/D轉換器的輸出端與數據緩存器的寫入口連接，數據緩存器的讀出口與中央處理器的讀入口連接，被測電路故障數據庫模塊、記錄標志緩存、基于波形識別算法軟件包模塊均通過數據總線與中央處理器實現數據與指令的雙向交互，中央處理器的輸出通過VGA與顯示輸出器連接。
2.根據權利要求1所述的基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統，其特征是，所述的標準負載，作為被測地鐵機車牽引電路的檢測負載，按照標準的工作環境對被測地鐵機車牽引電路上電，嵌入式工控機從標準負載的兩端檢測獲得被測地鐵機車牽引電路的輸出電壓波形，輸出電壓波形首先由數據采集器予以采集，經A/D轉換器后轉入數據緩存器，在數據采集器采集輸出波形全部結束后，中央處理器已經調用基于波形識別算法軟件包，并從數據緩存器中讀取輸出波形數據進行集中處理。
3.根據權利要求1或者2所述的基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統，其特征是，所述數據緩存器，為了將數據采集與波形識別運算分開進行，將含信號調理與濾波的數據采集與A/D轉換作為信號前處理，波形識別作為后處理程序運行。
4.根據權利要求1或者2所述的基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統，其特征是，所述的波形識別算法軟件包模塊，包括故障識別模塊、標記模塊、彌補模塊、顯示模塊，故障識別模塊對被測電壓波形的識別，一旦被測電壓波形被認為可能屬于某記錄故障，則通知標記模塊，標記模塊即將該記錄號寫入記錄標志緩存，接著轉入下一輪對故障予以準確判定與定位識別運算；否則，故障識別模塊輸出運算轉移指令，將運算任務移交彌補模塊，由彌補模塊對未知信號特征實施判定；顯示模塊實時跟蹤故障識別模塊、標記模塊、彌補模塊的運算過程與結果，將結果按顯示輸出協議輸出至顯示輸出器。
全文摘要
一種基于波形識別的地鐵機車牽引電路故障診斷系統，被測地鐵機車牽引電路的輸出加載與標準負載，嵌入式工控機從標準負載的兩端拾取電壓輸入，標準負載的端電壓輸入至嵌入式工控機中最前沿的數據采集器數據輸入端口，數據采集器的輸出端與A/D轉換器輸入端連接，A/D轉換器的輸出端與數據緩存器的寫入口連接，數據緩存器的讀出口與中央處理器的讀入口連接，被測電路故障數據庫模塊、記錄標志緩存、基于波形識別算法軟件包模塊均通過數據總線與中央處理器實現數據與指令的雙向交互，中央處理器的輸出通過VGA與顯示輸出器連接。本發明實現對輸出波形的全信息分析只需檢測其輸出波形，無需其它附加參數，運算過程極為簡化，故障判定準確、故障定位準確。
文檔編號G01R31/28GK1912930SQ20061003032
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月24日 優先權日2006年8月24日
發明者陳鞍龍, 張秀彬, 杜曉紅, 吳浩, 周炯, 許振華, 張峰 申請人:上海地鐵運營有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
