動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)傳感器故障診斷的方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)傳 感器故障診斷的方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)主要采用微機(jī)控制直通電空制動(dòng)方式，其核心部件為制 動(dòng)控制單元BCU。BCU的主要作用是將司機(jī)制動(dòng)控制器及列車制動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出的制動(dòng)指 令通過充氣電磁閥和排氣電磁閥（二者合稱為電空轉(zhuǎn)換閥，即EP閥）或緊急閥轉(zhuǎn)換為相應(yīng) 的預(yù)控壓力，進(jìn)而控制中繼閥產(chǎn)生制動(dòng)缸的控制壓力，控制基礎(chǔ)制動(dòng)裝置進(jìn)行制動(dòng)的施加 和緩解。因此，BCU的性能直接決定著制動(dòng)系統(tǒng)能否準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的控制。
[0003]作為mj獲取壓力信息的源頭，傳感器在控制系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著"眼睛"的重要角色， 其測(cè)量結(jié)果將直接影響B(tài)CU的控制性能。BCU中的壓力傳感器分為兩類，分別為處于閉環(huán)控 制外的測(cè)量傳感器和處于閉環(huán)控制中的測(cè)量傳感器。傳感器測(cè)量精度的下降或者發(fā)生故障 都將使得其測(cè)量值與實(shí)際值具有一定偏差。其中，若處于閉環(huán)控制外的測(cè)量傳感器發(fā)生故 障，會(huì)使得控制系統(tǒng)對(duì)被測(cè)量的監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的動(dòng)作而影 響制動(dòng)性能。若處于閉環(huán)控制中的傳感器發(fā)生故障，會(huì)使得實(shí)際預(yù)控壓力值無法達(dá)到設(shè)定 值，進(jìn)而影響下游的制動(dòng)缸的壓力，動(dòng)車組無法準(zhǔn)確及時(shí)地完成要求的制動(dòng)任務(wù)。因此，對(duì) BCU的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷具有重要意義。
[0004]目前，空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)主要采用簡(jiǎn)單的超限報(bào)警機(jī)制來判斷傳感器的被測(cè)量是 否發(fā)生異常，或基于硬件電路判斷傳感器是否發(fā)生短路或斷路等失效故障，很少涉及對(duì)這 些傳感器本身軟故障的診斷。而在實(shí)際使用過程中，由于受到外界復(fù)雜多變環(huán)境以及電子 器件本身的特性的影響，傳感器通常會(huì)發(fā)生緩慢漂移以及測(cè)量偏差等本身的軟故障。雖然 這些故障在短時(shí)間內(nèi)并不會(huì)引起制動(dòng)系統(tǒng)的失效，但是會(huì)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的性能造成不良影 響，從而給制動(dòng)系統(tǒng)造成潛在的安全隱患。另外，現(xiàn)有技術(shù)中還采用基于信號(hào)處理和模式 分類相結(jié)合的方法進(jìn)行傳感器的故障診斷，但是，這類方法存在建模數(shù)據(jù)難以獲得、實(shí)時(shí)性 差、復(fù)雜度高等缺點(diǎn)，不利于實(shí)際應(yīng)用。
[0005] 綜上，亟需一種新的診斷方法來對(duì)動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的 在線監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是提供一種新的診斷方法來對(duì)動(dòng)車組空氣制動(dòng) 控制系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)的實(shí)施例首先提供了一種動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系 統(tǒng)傳感器故障診斷方法，包括：采集正常工況下動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)作 為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的主元分析模型；根據(jù)所 述主元分析模型計(jì)算并存儲(chǔ)故障檢測(cè)指標(biāo)的控制限；采集實(shí)時(shí)工況下動(dòng)車組空氣制動(dòng)控 制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，并利用所述主元分析模型對(duì)所述測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分 析；若故障分析的結(jié)果為有故障發(fā)生，則利用重構(gòu)貢獻(xiàn)圖的方法進(jìn)行故障分離以確定發(fā)生 故障的傳感器。
[0008]優(yōu)選地，在根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的主元分析模型的步 驟中包括：將所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為二維的數(shù)據(jù)矩陣，并對(duì)所述數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理； 利用標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)矩陣計(jì)算協(xié)方差矩陣，并對(duì)所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行分解以得到特征向 量矩陣與特征值矩陣；基于累計(jì)方差貢獻(xiàn)率選取主元個(gè)數(shù)，并根據(jù)選取的主元個(gè)數(shù)對(duì)所述 特征向量矩陣與所述特征值矩陣進(jìn)行劃分以建立主元分析模型。
[0009]優(yōu)選地，在利用所述主元分析模型對(duì)所述測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析的步驟中包括： 根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)所述測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；基于所述主元分析模 型計(jì)算經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)的故障檢測(cè)指標(biāo)；根據(jù)計(jì)算得到的測(cè)試數(shù)據(jù)的故障檢測(cè) 指標(biāo)與所述故障檢測(cè)指標(biāo)的控制限判斷是否有故障發(fā)生。
[0010] 優(yōu)選地，在利用重構(gòu)貢獻(xiàn)圖的方法進(jìn)行故障分離以確定發(fā)生故障的傳感器的步驟 中包括：利用重構(gòu)貢獻(xiàn)圖的方法計(jì)算與每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的變量的貢獻(xiàn)值；在假設(shè)只有一個(gè) 傳感器發(fā)生故障的前提下，將所述貢獻(xiàn)值最大的變量所對(duì)應(yīng)的傳感器確定為發(fā)生故障的傳 感器。
[0011] 優(yōu)選地，根據(jù)以下表達(dá)式計(jì)算所述貢獻(xiàn)值RBC(/ :
[0012]
[0013] 式中，的下標(biāo)j表示第j個(gè)變量的貢獻(xiàn)值；上標(biāo)Q表示RBC方法采用的故障 檢測(cè)指標(biāo)SPE、T2或者巾；矩陣M分別為與SPE、T2和巾相對(duì)應(yīng)的0、D和〇，且， D=PA中1，# = 其中，P為主元的負(fù)載矩陣，f為殘差的負(fù)載矩陣，A為主元特征 %" 值矩陣，s2和T2分別為SPE和T2的控制限；| ,表示m維單位矩陣的第j列；X'為標(biāo)準(zhǔn) 化后的測(cè)試數(shù)據(jù)。
[0014]本申請(qǐng)的實(shí)施例還提供了一種動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)傳感器故障診斷系統(tǒng)，包 括：模型訓(xùn)練模塊，其采集正常工況下動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù) 據(jù)，并根據(jù)所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的主元分析模型；參數(shù)存儲(chǔ)模塊，其 根據(jù)所述主元分析模型計(jì)算并存儲(chǔ)故障檢測(cè)指標(biāo)的控制限；在線檢測(cè)模塊，其采集實(shí)時(shí)工 況下動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，并利用所述主元分析模型對(duì)所 述測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析；故障分離模塊，若故障分析的結(jié)果為有故障發(fā)生，其利用重構(gòu)貢 獻(xiàn)圖的方法進(jìn)行故障分離以確定發(fā)生故障的傳感器。
[0015]優(yōu)選地，模型訓(xùn)練模塊根據(jù)以下步驟建立動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的主元分析模 型：將所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為二維的數(shù)據(jù)矩陣，并對(duì)所述數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；利用標(biāo) 準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)矩陣計(jì)算協(xié)方差矩陣，并對(duì)所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行分解以得到特征向量矩陣 與特征值矩陣；基于累計(jì)方差貢獻(xiàn)率選取主元個(gè)數(shù)，并根據(jù)選取的主元個(gè)數(shù)對(duì)所述特征向 量矩陣與所述特征值矩陣進(jìn)行劃分以建立主元分析模型。
[0016] 優(yōu)選地，在線檢測(cè)模塊根據(jù)以下步驟對(duì)所述測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析：根據(jù)所述訓(xùn) 練數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)所述測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；基于所述主元分析模型計(jì)算經(jīng)標(biāo) 準(zhǔn)化處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)的故障檢測(cè)指標(biāo)；根據(jù)計(jì)算得到的測(cè)試數(shù)據(jù)的故障檢測(cè)指標(biāo)與所述 故障檢測(cè)指標(biāo)的控制限判斷是否有故障發(fā)生。
[0017] 優(yōu)選地，故障分離模塊根據(jù)以下步驟確定發(fā)生故障的傳感器：利用重構(gòu)貢獻(xiàn)圖的 方法計(jì)算與每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的變量的貢獻(xiàn)值；在假設(shè)只有一個(gè)傳感器發(fā)生故障的前提下， 將所述貢獻(xiàn)值最大的變量所對(duì)應(yīng)的傳感器確定為發(fā)生故障的傳感器。
[0018] 優(yōu)選地，故障分離模塊根據(jù)以下表達(dá)式計(jì)算所述貢獻(xiàn)值RBC(/:
[0019]
[0020] 式中，的下標(biāo)j表示第j個(gè)變量的貢獻(xiàn)值；上標(biāo)Q表示RBC方法采用的故障 檢測(cè)指標(biāo)SPE、T2或者巾；矩陣M分別為與SPE、T2和巾相對(duì)應(yīng)的亡、D和〇，且g= T， D=PA中1，# = +-D;-，其中，P為主元的負(fù)載矩陣，f為殘差的負(fù)載矩陣，A為主元特征 值矩陣，S2和t2分別為SPE和T2的控制限；| ,表示m維單位矩陣的第j列；x'為標(biāo)準(zhǔn) 化后的測(cè)試數(shù)據(jù)。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效 果：
[0022] 通過采用主元分析PCA方法和重構(gòu)貢獻(xiàn)圖RBC方法分別進(jìn)行故障檢測(cè)和故障分 離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感器故障的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，該方法具有較強(qiáng) 的實(shí)時(shí)性，同時(shí)算法復(fù)雜度低，易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)?？梢杂行У貙?duì)動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)中 的傳感器發(fā)生的緩慢漂移和偏差故障進(jìn)行診斷，提高現(xiàn)有的動(dòng)車組空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)傳感 器故障診斷水平。
[0023] 本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)，和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并 且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書，權(quán)利要 求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0024] 附圖用來提供對(duì)本申