轨道交通电气控制系统中的故障诊断与容错控制策略研究

引言

轨道交通以其大运量、高效率、环保等优势，成为现代城市和区域交通的核心方式。电气控制系统作为轨道交通的“神经中枢”，负责列车的牵引、制动、信号传输等关键功能，其运行的可靠性和安全性直接关系到轨道交通的整体运营。然而，由于电气控制系统的复杂性、工作环境的恶劣性以及设备的老化等因素，故障的发生难以避免。一旦电气控制系统出现故障，可能导致列车运行异常、停车甚至发生安全事故，造成巨大的经济损失和社会影响。

故障诊断技术能够及时、准确地检测出电气控制系统中的故障，确定故障的位置和类型，为故障的修复提供依据。而容错控制策略则是在故障发生时，通过一定的技术手段使系统能够继续保持稳定运行，避免故障对列车运行造成严重影响。近年来，随着轨道交通的快速发展，对电气控制系统故障诊断与容错控制策略的研究也日益深入。国内外学者和科研机构在故障诊断方法、容错控制技术等方面取得了一系列的研究成果。然而，由于轨道交通电气控制系统的不断发展和变化，新的故障类型和问题不断出现，现有的故障诊断与容错控制策略仍面临着诸多挑战。因此，深入研究轨道交通电气控制系统中的故障诊断与容错控制策略具有重要的现实意义。

一、轨道交通电气控制系统故障诊断

1. 电气控制系统故障类型与特征

轨道交通电气控制系统故障类型多样，主要包括传感器故障、执行器故障、控制器故障等。传感器故障可能导致系统获取的信息不准确，影响列车的控制决策。例如，速度传感器故障可能使列车的速度显示异常，导致列车超速或低速运行。执行器故障会影响列车的实际动作，如牵引电机故障可能导致列车无法正常加速或减速。控制器故障则可能导致整个控制系统的失效，使列车失去控制。

不同类型的故障具有不同的特征。传感器故障通常表现为输出信号的异常波动、偏差过大等。执行器故障可能会引起电机电流、电压的变化，以及机械部件的异常振动。控制器故障可能会导致系统的响应时间变长、控制精度下降等。通过对这些故障特征的分析，可以准确地判断故障的类型和位置。

2. 常见故障诊断方法

基于传感器数据的故障检测是一种常用的故障诊断方法。通过对传感器采集的数据进行实时监测和分析，当数据出现异常时，即可判断可能存在故障。例如，利用统计分析方法对传感器数据的均值、方差等统计特征进行计算，当这些统计特征超出正常范围时，认为存在故障。基于模型的故障诊断方法则是通过建立电气控制系统的数学模型，将实际系统的输出与模型的输出进行比较，当两者之间的误差超过一定阈值时，判断系统存在故障。还有基于人工智能的故障诊断方法，如神经网络、模糊逻辑等。这些方法能够处理复杂的非线性系统，具有较高的故障诊断精度。

二、轨道交通电气控制系统容错控制策略

1. 硬件冗余容错控制策略

硬件冗余是一种关键的容错控制策略，通过配置重复的硬件单元以提升系统的可靠性与可用性。在轨道交通电气控制系统中，典型冗余架构包括三类：电源冗余、传感器冗余与执行器冗余。电源冗余采用双路或多路独立供电系统，结合自动切换装置（ATS），在主电源失效时无缝切换至备用电源，确保控制单元持续供电。传感器冗余通过部署多个同型号高精度传感器，采用表决机制（如三取二，2oo3）对采集信号进行比对，有效识别并隔离异常数据，提升信号采集的可信度。执行器冗余则在关键控制回路（如牵引逆变器、制动单元）中配置并联或热备执行单元，当主执行器发生故障时，冗余模块可立即接管控制任务，维持列车牵引与制动功能。此外，控制器层面常采用双机热备架构，主备控制器同步运行状态数据，实现毫秒级故障切换。尽管硬件冗余显著增强了系统容错能力，降低了单点故障风险，但其带来的设备成本增加、空间占用扩大、维护复杂度上升等问题不容忽视。因此，在工程实践中需依据系统安全等级（如 SIL2/SIL3）、功能关键性及生命周期成本，进行冗余结构的优化设计，确保在可靠性与经济性之间取得合理平衡。

2. 软件容错控制策略

软件容错是通过软件机制提升系统在故障条件下的持续运行能力，是轨道交通电气控制系统实现高可用性的重要手段。典型的软件容错技术包括故障恢复、故障屏蔽、信息冗余与时间冗余等。故障恢复机制在检测到运行异常后，通过系统重启、状态回滚或主备控制器无缝切换等策略恢复服务，例如在主控单元失效时，备用控制器依据同步的状态镜像接管控制，保障列车运行连续性。故障屏蔽则利用冗余信息或解析模型对故障进行在线补偿，如采用卡尔曼滤波或加权平均算法对异常传感器数据进行重构，或通过多源数据融合实现关键状态量的容错估计，从而维持控制逻辑的准确性。信息冗余通过在数据存储与传输中引入校验码、奇偶位或版本号机制，防范因内存错误或通信干扰导致的数据畸变。时间冗余则通过周期性重复执行关键任务并比对结果，检测瞬态故障并触发重执行。软件容错具备部署灵活、升级便捷、成本较低等优势，但其有效性高度依赖于软件架构的健壮性、异常处理机制的完备性以及实时系统的确定性调度能力。此外，需结合形式化验证、静态分析与高覆盖率测试，确保容错逻辑在复杂工况下的可靠性。在 SIL（安全完整性等级）要求较高的系统中，软件容错常与硬件冗余协同设计，构成多层次的容错体系，以满足功能安全标准（如 IEC61508、EN 50128）对系统失效概率的严苛限制。

结论

本研究围绕轨道交通电气控制系统中的故障诊断与容错控制策略展开了深入探讨。通过对电气控制系统故障类型和特征的分析，明确了故障诊断的目标和重点。研究了常见的故障诊断方法，包括基于传感器数据的故障检测、基于模型的故障诊断和基于人工智能的故障诊断等，为准确检测和诊断故障提供了有效的手段。

在容错控制策略方面，研究了硬件冗余和软件容错两种主要的容错方式。硬件冗余通过增加额外的硬件设备提高了系统的可靠性，但也增加了成本和复杂性。软件容错则通过软件的方法实现故障恢复和故障屏蔽，具有成本低、灵活性高的优点。

随着轨道交通电气控制系统的不断发展和技术的不断进步，故障诊断与容错控制策略仍面临着诸多挑战。未来的研究需要进一步深入探索新的故障诊断方法和容错控制技术，提高系统的故障诊断精度和容错能力。加强故障诊断与容错控制策略的集成应用，实现系统的智能化和自动化控制。还需要考虑系统的成本、可靠性和可维护性等因素，以满足轨道交通电气控制系统的实际需求。

参考文献

[1] 葛兴来 ， 谢东 ， 邓清丽 . 车载牵引变流系统故障诊断与容错控制综述 [J]. 电源学报 ，2020，18（01）：28-44.

[2] 张译文 . 轨道交通车辆车门的电气控制与故障诊断方法研究 [J].中国设备工程 ，2024，（12）：204-206.