一种故障诊断装置、列车控制系统及列车的制作方法

1.本发明涉及列车控制领域，特别涉及一种故障诊断装置、列车控制系统及列车。


背景技术：

2.在轨道交通领域，牵引系统是一个信号繁多、控制复杂的系统，包括整流器、传动控制系统、电阻电容、接触器、变压器、各类传感器等部件，这些部件运行在高压环境中，电磁环境复杂，同时基于各部件固有的失效率，牵引系统在运行过程中存在不可避免的故障隐患，影响列车的正常运行，因此牵引系统的故障诊断和定位，对提高列车的可用性和可维护性具有重要的意义。
3.传统的牵引系统故障诊断，通常采用第三方设备进行，牵引系统将数据发送到第三方设备，第三方设备对数据进行分析和处理后得到故障诊断结果。这种方式下，数据只能由牵引系统通过以太网传输给第三方设备，以太网的数据带宽受限，很难在极短的时间内传递出大量的数据，牵引系统通常只将关键的数据有效值发送到第三方设备，第三方设备由于收到数据存在实时性低、数据量有限的问题，难以做出准确、可靠的故障诊断。
4.因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种故障诊断装置、列车控制系统及列车。其具体方案如下：
6.一种故障诊断装置，设置于列车内部，包括：信息接口和故障处理模块，所述信息接口包括：
7.第一信息接口，所述第一信息接口的外部连接端用于接收所有传感器对应的传感器信息；
8.第二信息接口，所述第二信息接口的外部连接端用于接收变流器对应的脉冲信息；
9.第三信息接口，所述第三信息接口的外部连接端用于接收所述列车对应的运行工况信息；
10.所述故障处理模块与所有所述信息接口的内部连接端均连接，用于根据所有所述信息接口接收到的信息生成故障分析结果。
11.优选的，所述第一信息接口的外部连接端与模拟信号板连接，所述第一信息接口用于通过所述模拟信号板接收所述传感器信息；
12.所述第二信息接口的外部连接端与脉冲转换板连接，所述第二信息接口用于通过所述脉冲转换板接收所述脉冲信息；
13.所述第三信息接口的外部连接端与列车主控板连接，所述第三信息接口用于通过所述列车主控板接收所述运行工况信息。
14.优选的，所述故障诊断装置以集成板的形式插设于所述列车内部的空余插槽中。
15.优选的，所述第三信息接口具体为以太网接口；
16.所述故障诊断装置还包括以太网交换芯片和第四信息接口，其中：
17.所述以太网交换芯片的两个以太网连接端分别连接所述第三信息接口的内部连接端和所述第四信息接口的内部连接端，所述以太网交换芯片用于传递所述第三信息接口和所述第四信息接口之间的信息；
18.第四信息接口，所述第四信息接口的外部连接端与整车以太网连接，所述第四信息接口用于传递所述以太网交换芯片与所述整车以太网之间的信息。
19.优选的，所述传感器包括：
20.多个电流传感器、和/或多个电压传感器、和/或多个温度传感器、和/或压力传感器、和/或速度传感器。
21.优选的，所述运行工况信息包括：
22.接触器状态信息和/或指令控制信息。
23.优选的，所述故障分析结果包括故障诊断结果和/或故障预测结果。
24.优选的，所述故障处理模块包括：第一处理单元、第二处理单元和存储单元，其中：
25.所述第一处理单元与所述存储单元、一个或多个所述信息接口的内部连接端连接，所述第二处理单元与所述存储单元、未与所述第一处理单元连接的剩余所述信息接口的内部连接端连接。
26.优选的，所述第一处理单元与所述第二处理单元均用于：
27.将连接的所述信息接口发送的信息写入所述存储单元；
28.和/或，读取所述存储单元中的信息；
29.和/或，根据连接的所述信息接口发送的信息和/或所述存储单元中的信息生成部分故障分析结果；
30.和/或，将所述部分故障分析结果写入所述存储单元；
31.所述第二处理单元还用于根据所述部分故障分析结果生成所述故障分析结果。
32.优选的，所述部分故障分析结果包括特征值计算结果和/或部件故障分析结果。
33.优选的，所述第一处理单元为高速处理单元，所述第二处理单元为低速处理单元；
34.所述高速处理单元与所述第一信息接口的内部连接端、所述第二信息接口的内部连接端连接，所述低速处理单元与所述第三信息接口的内部连接端连接。
35.优选的，所述高速处理单元的运行周期为微秒级，所述低速处理单元的运行周期为毫秒级。
36.优选的，所述低速处理单元用于通过高速轮询机制读取所述存储单元中的信息。
37.相应的，本技术还公开了一种列车控制系统，包括如上文任一项所述故障诊断装置。
38.相应的，本技术还公开了一种列车，包括如上文所述一种列车控制系统。
39.本技术通过在列车内部设置一个故障诊断装置，通过多个特定的信息接口实现尽可能多的具有高实时性的信息的获取，并通过故障处理模块根据这些信息生成故障分析结果，在不改变现有控制系统的硬件架构和整车网络拓扑的前提条件下，实现了对列车中牵引系统的故障分析，能够及时发现故障和隐患，提高运行可靠性。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
41.图1为本发明实施例中一种故障诊断装置的结构分布图；
42.图2为本发明实施例中一种故障诊断装置的接线示意图；
43.图3为本发明实施例中一种故障处理门口的结构分布图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.传统的牵引系统故障诊断，通常采用第三方设备进行，牵引系统将数据发送到第三方设备，第三方设备对数据进行分析和处理后得到故障诊断结果。这种方式下，数据只能由牵引系统通过以太网传输给第三方设备，以太网的数据带宽受限，很难在极短的时间内传递出大量的数据，牵引系统通常只将关键的数据有效值发送到第三方设备，第三方设备由于收到数据存在实时性低、数据量有限的问题，难以做出准确、可靠的故障诊断。
46.本技术通过在列车内部设置一个故障诊断装置，通过多个特定的信息接口实现尽可能多的具有高实时性的信息的获取，并通过故障处理模块根据这些信息生成故障分析结果，在改变现有控制系统的硬件架构和整车网络拓扑的前提条件下，实现了对列车中牵引系统的故障分析，能够及时发现故障和隐患，提高运行可靠性。
47.本发明实施例公开了一种故障诊断装置1，设置于列车内部，参见图1所示，包括：信息接口和故障处理模块20，信息接口包括：
48.第一信息接口p1，第一信息接口p1的外部连接端用于接收所有传感器对应的传感器信息；
49.第二信息接口p2，第二信息接口p2的外部连接端用于接收变流器对应的脉冲信息；
50.第三信息接口p3，第三信息接口p3的外部连接端用于接收列车对应的运行工况信息；
51.故障处理模块20与所有信息接口的内部连接端均连接，用于根据所有信息接口接收到的信息生成故障分析结果。
52.在一些具体的实施例中，第一信息接口p1对应的传感器包括：多个电流传感器、和/或多个电压传感器、和/或多个温度传感器、和/或压力传感器、和/或速度传感器。
53.在一些具体的实施例中，第三信息接口p3对应接收的运行工况信息包括：
54.接触器状态信息和/或指令控制信息。
55.在一些具体的实施例中，故障分析结果包括故障诊断结果和/或故障预测结果。可以理解的是，故障处理门口20的故障分析对象包括传感器、接触器、变流器，对于不同的故
障分析对象，可针对性根据收到的信息进行相应的诊断和/或预测。
56.可以理解的是，列车内部本身存在关于各种信息的采集发送部位，因此将信息接口与相关的采集发送部位连接，故障诊断装置1即可获取对应的信息，具体的，第一信息接口p1的外部连接端与模拟信号板连接，第一信息接口p1用于通过模拟信号板接收传感器信息；第二信息接口p2的外部连接端与脉冲转换板连接，第二信息接口p2用于通过脉冲转换板接收脉冲信息；第三信息接口p3的外部连接端与列车主控板连接，第三信息接口p3用于通过列车主控板接收运行工况信息。
57.进一步的，第三信息接口p3具体为以太网接口；
58.故障诊断装置1还包括以太网交换芯片30和第四信息接口p4，其中：
59.以太网交换芯片30的两个以太网连接端分别连接第三信息接口p3的内部连接端和第四信息接口p4的内部连接端，以太网交换芯片30用于传递第三信息接口p3和第四信息接口p4之间的信息；
60.第四信息接口p4，第四信息接口p4的外部连接端与整车以太网连接，第四信息接口p4用于传递以太网交换芯片30与整车以太网之间的信息。
61.可以理解的是，列车主控板上设有以太网接口，该以太网接口的外部连接端原本用于与整车以太网连接，从而实现整车以太网和列车主控板之间的信息传递。本实施例中故障诊断装置1的出现，由第三信息接口p3的外部连接端连接列车主控板的以太网接口，使得列车主控板无法与整车以太网连接，因此为了避免列车主控板额外增设分接口，可在故障诊断装置1上增设以太网交换芯片30和第四信息接口p4，通过第四信息接口p4与整车以太网的连接，实现整车以太网通过第四信息接口p4、以太网交换芯片30、第三信息接口p3与列车主控板之间的信息传递。
62.进一步的，故障处理模块20既可以通过在列车内部新增硬件实现，也可以利用列车内部闲置的计算资源来实现。具体的，当故障处理模块20以新增硬件的形式实现时，整个故障诊断装置1可以集成板的形式插设于列车内部的空余插槽中，此时各板的排列和接线可以如图2所示，集成板之间以背板绕线的形式建立连接关系。
63.进一步的，参见图3所示，故障处理模块20包括：第一处理单元21、第二处理单元22和存储单元23，其中：
64.第一处理单元21与存储单元23、一个或多个信息接口的内部连接端连接，第二处理单元22与存储单元23、未与第一处理单元21连接的剩余信息接口的内部连接端连接。
65.进一步的，第一处理单元21与第二处理单元22均用于：
66.将连接的信息接口发送的信息写入存储单元23；
67.和/或，读取存储单元23中的信息；
68.和/或，根据连接的信息接口发送的信息和/或存储单元23中的信息生成部分故障分析结果；
69.和/或，将部分故障分析结果写入存储单元23；
70.第二处理单元22还用于根据部分故障分析结果生成故障分析结果。
71.进一步的，部分故障分析结果包括特征值计算结果和/或部件故障分析结果。
72.可以理解的是，本实施例中故障处理模块20将计算分析的任务分配给两个处理单元：第一处理单元21和第二处理单元22，为了保证信息的时序一致性、避免产生时序混乱的
问题，本实施例中设置了每个信息接口只与一个处理单元连接，每个处理单元将接收到的信息写入存储单元23以供另一个处理单元读取并执行处理任务，进一步的，每个处理单元可根据信息接口直接发送的信息和/或从存储单元23中读取的信息进行信息处理和分析，生成部分故障分析结果，部分故障分析结果也可存入存储单元23为另一个处理单元提供故障分析的依据。也就是说，第一处理单元21和第二处理单元22结合存储单元23形成了双处理单元的协同工作，共同完成了最后故障分析结果的生成。
73.可以理解的是，存储单元23具有两侧处理单元均可读取的特性，因此存储单元23可选择dpram(dual-ported ram，双埠随机存取内存)实现。
74.进一步的，除了两个处理单元之间的存储单元23，还可为每个处理单元各自设置独立的存储区域，此处不再赘述。
75.进一步的，本实施例中关于处理任务如何分配到两个处理单元，存在多种思路，一种是可根据任务需求的处理能力和信息速度的差异进行分配，第二种是可根据信息接收的路径进行安排，例如传感器信息和脉冲信息均需要通过置于处理单元之前的fpga芯片进行采集后才能由处理单元接收，因此将第一信息接口p1和第二信息接口p2通过fpga芯片与第一处理单元21连接，第二处理单元22只连接第三信息接口p3；第三种是可根据故障诊断结果和故障预测结果对应的算法不同将这两类算法对应处理任务相应分配到两个处理单元上。具体的对于处理任务的分配可根据实际工况进行设定。
76.具体的，考虑到本实施例中接收到的信息的变化特征不同，有慢速信息，如接触器状态信息，也有变化缓慢的信息，如传感器信息中的温度信息、压力信息，还有快速变化的信息，如传感器信息中的电压、电流，又比如脉冲信息，同时对于信息的处理方式、需要的处理速率也存在差异，因此可将所有的处理任务分配到两个处理级别不同的处理单元。
77.在一种具体的实施例中，第一处理单元21可用于接收所有的传感器信息和运行工况信息，同时对传感器信息和运行工况信息进行处理分析，例如对变化缓慢的信息的特征值计算得到特征在技术结果、根据传感器信息对各传感器进行故障诊断得到传感器的部件故障分析结果、根据运行工况信息进行接触器的故障诊断和预测得到接触器的部件故障分析结果等；此时第二处理单元22用于接收信息接口发送的信息、信息接口通过第一处理单元21写入到存储单元23的信息、第一处理单元21写入到存储单元23的部分故障分析结果，并根据收到的信息和部分故障分析结果完成其他部件的故障分析，包括牵引电机的故障诊断、中间回路支持电容的故障诊断、变流器的故障诊断，其中牵引电机的故障诊断主要包括电机的绝缘诊断和匝间短路诊断等。
78.在另一种具体的实施例中，根据信息的处理方式、需要的处理速率，得出下表1中关于故障分析的计算资源的需求，可确定第一处理单元21为高速处理单元，第二处理单元22为低速处理单元；高速处理单元与第一信息接口p1的内部连接端、第二信息接口p2的内部连接端连接，低速处理单元与第三信息接口p3的内部连接端连接。
79.表1故障分析的计算资源的需求
[0080][0081]
进一步的，高速处理单元的运行周期为微秒级，低速处理单元的运行周期为毫秒级。可以理解的是，该方案可以列车内部限制的计算资源来实现，例如高速处理单元可采用dsp，低速处理单元可采用cpu，其中：
[0082]
高速处理单元对传感器信息进行特征值计算后将特征值计算结果发送到低速处理单元；
[0083]
存储单元23中可设置多个高速数据缓存区域，供高速处理单元缓存传感器信息等高速数据，缓存满一个缓存区域后，通知低速处理单元取数据，同时在另一个缓存区域缓存新数据，两个高速数据缓存区域即可实现轮流缓存数据的效果；
[0084]
相应的，低速处理单元用于通过高速轮询机制读取存储单元23中的信息，以避免高速数据缓存区域中的信息丢包；
[0085]
进一步的，低速处理单元还用于进行接触器、传感器的故障诊断，并在读取完存储单元23的信息后进行电机的故障诊断。
[0086]
可以理解的是，本实施例中故障处理模块20既可以通过在列车内部新增硬件实现，也可以利用列车内部闲置的计算资源来实现，除了上文中提到的硬件实现方式外，还可以选择其他soc芯片或多核处理器。故障处理模块20中对于处理单元及其内部处理任务的分配，除了上文中提到的两个处理单元、按高低速分配处理任务、按任务类型分配处理任务外，还可根据实际情况灵活调整，此处不再赘述。
[0087]
本技术通过在列车内部设置一个故障诊断装置，通过多个特定的信息接口实现尽可能多的具有高实时性的信息的获取，并通过故障处理模块根据这些信息生成故障分析结果，在不改变现有控制系统的硬件架构和整车网络拓扑的前提条件下，实现了对列车中牵引系统的故障分析，能够及时发现故障和隐患，提高运行可靠性。
[0088]
相应的，本技术实施例还公开了一种列车控制系统，包括如上文任一项所述故障诊断装置。
[0089]
相应的，本技术实施例还公开了一种列车，包括如上文所述一种列车控制系统。
[0090]
其中，本实施例中具体有关故障诊断装置的相关内容可以参照上文实施例中的具体描述，此处不再赘述。
[0091]
其中，本实施例中列车控制系统和列车均具有与上文实施例中故障诊断装置相同的技术效果，此处不再赘述。
[0092]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者
设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0093]
以上对本发明所提供的一种故障诊断装置、列车控制系统及列车进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种故障诊断装置，其特征在于，设置于列车内部，包括：信息接口和故障处理模块，所述信息接口包括：第一信息接口，所述第一信息接口的外部连接端用于接收所有传感器对应的传感器信息；第二信息接口，所述第二信息接口的外部连接端用于接收变流器对应的脉冲信息；第三信息接口，所述第三信息接口的外部连接端用于接收所述列车对应的运行工况信息；所述故障处理模块与所有所述信息接口的内部连接端均连接，用于根据所有所述信息接口接收到的信息生成故障分析结果。2.根据权利要求1所述故障诊断装置，其特征在于，所述第一信息接口的外部连接端与模拟信号板连接，所述第一信息接口用于通过所述模拟信号板接收所述传感器信息；所述第二信息接口的外部连接端与脉冲转换板连接，所述第二信息接口用于通过所述脉冲转换板接收所述脉冲信息；所述第三信息接口的外部连接端与列车主控板连接，所述第三信息接口用于通过所述列车主控板接收所述运行工况信息。3.根据权利要求2所述故障诊断装置，其特征在于，所述故障诊断装置以集成板的形式插设于所述列车内部的空余插槽中。4.根据权利要求2所述故障诊断装置，其特征在于，所述第三信息接口具体为以太网接口；所述故障诊断装置还包括以太网交换芯片和第四信息接口，其中：所述以太网交换芯片的两个以太网连接端分别连接所述第三信息接口的内部连接端和所述第四信息接口的内部连接端，所述以太网交换芯片用于传递所述第三信息接口和所述第四信息接口之间的信息；第四信息接口，所述第四信息接口的外部连接端与整车以太网连接，所述第四信息接口用于传递所述以太网交换芯片与所述整车以太网之间的信息。5.根据权利要求1所述故障诊断装置，其特征在于，所述传感器包括：多个电流传感器、和/或多个电压传感器、和/或多个温度传感器、和/或压力传感器、和/或速度传感器。6.根据权利要求1所述故障诊断装置，其特征在于，所述运行工况信息包括：接触器状态信息和/或指令控制信息。7.根据权利要求1所述故障诊断装置，其特征在于，所述故障分析结果包括故障诊断结果和/或故障预测结果。8.根据权利要求1至7任一项所述故障诊断装置，其特征在于，所述故障处理模块包括：第一处理单元、第二处理单元和存储单元，其中：所述第一处理单元与所述存储单元、一个或多个所述信息接口的内部连接端连接，所述第二处理单元与所述存储单元、未与所述第一处理单元连接的剩余所述信息接口的内部连接端连接。9.根据权利要求8所述故障诊断装置，其特征在于，所述第一处理单元与所述第二处理
单元均用于：将连接的所述信息接口发送的信息写入所述存储单元；和/或，读取所述存储单元中的信息；和/或，根据连接的所述信息接口发送的信息和/或所述存储单元中的信息生成部分故障分析结果；和/或，将所述部分故障分析结果写入所述存储单元；所述第二处理单元还用于根据所述部分故障分析结果生成所述故障分析结果。10.根据权利要求9所述故障诊断装置，其特征在于，所述部分故障分析结果包括特征值计算结果和/或部件故障分析结果。11.根据权利要求9所述故障诊断装置，其特征在于，所述第一处理单元为高速处理单元，所述第二处理单元为低速处理单元；所述高速处理单元与所述第一信息接口的内部连接端、所述第二信息接口的内部连接端连接，所述低速处理单元与所述第三信息接口的内部连接端连接。12.根据权利要求11所述故障诊断装置，其特征在于，所述高速处理单元的运行周期为微秒级，所述低速处理单元的运行周期为毫秒级。13.根据权利要求12所述故障诊断装置，其特征在于，所述低速处理单元用于通过高速轮询机制读取所述存储单元中的信息。14.一种列车控制系统，其特征在于，包括如权利要求1至13任一项所述故障诊断装置。15.一种列车，其特征在于，包括如权利要求14所述一种列车控制系统。

技术总结
本申请公开了一种故障诊断装置、列车控制系统及列车，涉及列车控制领域，该装置设置于列车内部，包括：信息接口和故障处理模块，信息接口包括：第一信息接口，用于接收所有传感器对应的传感器信息；第二信息接口，用于接收变流器对应的脉冲信息；第三信息接口，用于接收列车对应的运行工况信息；故障处理模块用于根据所有信息接口接收到的信息生成故障分析结果。本申请通过在列车内部设置一个故障诊断装置，通过多个特定的信息接口实现尽可能多的具有高实时性的信息的获取，并通过故障处理模块根据这些信息生成故障分析结果，在不改变现有控制系统的硬件架构和整车网络拓扑的前提条件下，能够及时发现故障和隐患，提高运行可靠性。性。性。


技术研发人员：陈俊波 刘可安 甘韦韦 侯招文 陈科 邹军阳 袁靖 周杨
受保护的技术使用者：株洲中车时代电气股份有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/4/5