故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在動車組中的應(yīng)用

邵俊捷　鄧　洋　于　闖

（中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，130062，長春∥第一作者，工程師）

近年來，針對動車組維護策略優(yōu)化的研究日益受到重視，其中故障預(yù)測與健康管理技術(shù)以及基于狀態(tài)的維修是目前研究的重點。借助于先進的傳感器技術(shù)，使得復(fù)雜設(shè)備大量的運行數(shù)據(jù)能夠被采集、傳輸并存儲起來，而使用這些數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)設(shè)備的維修和制定先進的維修策略是當(dāng)前維修工作的重要研究內(nèi)容。

我國高鐵的維修模式正由傳統(tǒng)“計劃修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變。在有數(shù)據(jù)證明設(shè)備可能會發(fā)生故障的時候?qū)υO(shè)備進行及時維修能夠提高維修效率、節(jié)約維修成本、增加設(shè)備的安全可靠性。進行維修策略的制定和改進，需要準(zhǔn)確把握設(shè)備的故障時間點，進行健康狀態(tài)評估，因此，故障預(yù)測是動車組維修策略優(yōu)化的核心研究內(nèi)容。

故障預(yù)測與健康管理（prognostics and health managemengt，PHM）技術(shù)是在美國國防部和美國國家航空航天局的大力推動下成熟起來的，主要包括對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和對維修活動的智能決策，其發(fā)展過程經(jīng)歷可靠性分析、故障分析與預(yù)測、綜合診斷與系統(tǒng)監(jiān)控、綜合系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理5個階段。經(jīng)過近半個世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用實踐，PHM技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用并且成果顯著，對于提升設(shè)備的安全可靠性、提高設(shè)備的可用率、降低維修成本、推進修程修制完善有著非常積極和重要的作用。

目前，航空領(lǐng)域PHM技術(shù)發(fā)展已較為成熟，并進入了實用化階段。國內(nèi)民航業(yè)也初步開發(fā)了PHM系統(tǒng)，對飛機在線監(jiān)控產(chǎn)生的海量報文信息進行存儲、解析與分析，建立了針對飛機的健康分析模型與故障預(yù)測模型。

在軌道交通行業(yè)，國外西門子、里卡多、克諾爾等公司均建立了安全狀態(tài)診斷和預(yù)測系統(tǒng)，對提高軌道交通運營可靠性，提高維修維護效率、降低維修維護成本起到了關(guān)鍵作用。隨著我國高鐵事業(yè)的迅速發(fā)展，上線運營動車組數(shù)量逐年增多，動車組的設(shè)計、生產(chǎn)、運用、維修等品質(zhì)受到全行業(yè)的高度重視。如何提高動車組運行安全性、可靠性，降低運維成本，提升服務(wù)品質(zhì)，已成為我國高鐵事業(yè)可持續(xù)發(fā)展和“走出去”戰(zhàn)略的重要課題。

1　PHM在動車組中的應(yīng)用規(guī)劃

動車組PHM技術(shù)的應(yīng)用是一項系統(tǒng)工程，其技術(shù)架構(gòu)主要由3套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，包括車載PHM系統(tǒng)、車地PHM系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)。

1.1　技術(shù)架構(gòu)

動車組PHM技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

1.2　監(jiān)測對象選擇

圖1　動車組PHM技術(shù)架構(gòu)

實現(xiàn)產(chǎn)品故障預(yù)測與健康管理的前提是獲取裝備的狀態(tài)信息。由于動車組由多個系統(tǒng)組成，系統(tǒng)又包含多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又包含很多功能件，且在實現(xiàn)產(chǎn)品功能上這些功能件所承擔(dān)的作用也是不同的，因此，實施狀態(tài)監(jiān)測過程中不可能對所有的部件進行檢測，也沒有必要，只需要對裝備性能以及產(chǎn)品安全可靠性影響較大的部件進行狀態(tài)監(jiān)測即可滿足監(jiān)控的要求。

影響PHM系統(tǒng)監(jiān)測對象選擇的因素多種多樣，主要有以下3個方面的因素：①部件的重要等級；②部件的故障率；③狀態(tài)的演變規(guī)律。

1.3　狀態(tài)監(jiān)測傳感器選擇和加裝

獲取直接表征裝備故障/健康狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)，或用于間接推理判斷裝備故障/健康狀態(tài)的參數(shù)信息，是PHM系統(tǒng)工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其中傳感器技術(shù)的應(yīng)用將直接影響PHM系統(tǒng)的效果。通過對動車組關(guān)鍵部件故障模式、失效機理、狀態(tài)特征參數(shù)進行分析，確認(rèn)關(guān)鍵部件是否需要加裝傳感器和系統(tǒng)待檢測的參數(shù)，同時選用傳感器的類型，在不影響設(shè)備的功能的前提下，合理選用傳感器的安放位置，最后確認(rèn)傳感器的精度和帶寬。

2　動車組車載PHM系統(tǒng)

感知從零部件級到子系統(tǒng)級再到整車的相關(guān)信息，完成實時數(shù)據(jù)存儲、分析、挖掘、特征提取。根據(jù)處理后的狀態(tài)特征，車載PHM系統(tǒng)基于已建立的故障模型、預(yù)測模型，實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的可視化，包括狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)警、故障預(yù)測和運維支持，同時將車載數(shù)據(jù)處理單元生成的診斷、評估、預(yù)測等信息反饋至地面PHM系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)分析團隊進一步處理（見圖2）。

3　動車組車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

可采用衛(wèi)星或者2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，進行車載PHM系統(tǒng)與地面PHM系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)交互。采用WIFI、光纖等方式進行車載PHM系統(tǒng)向地面PHM系統(tǒng)之間的非實時數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　動車組車載PHM系統(tǒng)架構(gòu)

4　動車組地面PHM系統(tǒng)

接收來自車載PHM系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)，結(jié)合日常檢修、高級修等運維數(shù)據(jù)，以及工廠內(nèi)部制造和設(shè)計數(shù)據(jù)、仿真試驗數(shù)據(jù)，進行整理、轉(zhuǎn)換、存儲之后，基于構(gòu)建的性能模型對實時數(shù)據(jù)流進行處理，實現(xiàn)從列車集群→系統(tǒng)集群→關(guān)鍵零部件集群的故障預(yù)測與健康管理。同時應(yīng)用數(shù)據(jù)分析、特征值提取、數(shù)據(jù)挖掘?qū)Ψ菍崟r數(shù)據(jù)進行知識挖掘，優(yōu)化智能鏡像模型性能。地面PHM系統(tǒng)的應(yīng)用平臺則基于上述分析結(jié)果進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障分析、故障預(yù)警、故障預(yù)測、健康評估、運維決策等工作，進行狀態(tài)展示、決策支持，并向用戶和主機廠/制造商進行信息推送。

5　應(yīng)用平臺

應(yīng)用平臺由車載應(yīng)用平臺和地面應(yīng)用平臺組成，由狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、健康評估、故障預(yù)測、決策支持等幾大功能模塊組成。

（1）狀態(tài)監(jiān)控：實現(xiàn)對關(guān)鍵部件或系統(tǒng)自身的故障檢測和狀態(tài)監(jiān)控，并將故障、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過顯示終端進行監(jiān)控。

（2）故障診斷：根據(jù)專家系統(tǒng)故障邏輯樹，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法求取特定故障現(xiàn)象時各個可能原因的概率排序，給出一個推薦的排故方案，最終定位故障原因。

（3）健康評估：是應(yīng)用平臺的一項重要功能，從采集數(shù)據(jù)中提取健康特征進行融合處理，對關(guān)鍵系統(tǒng)、關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)做出正確評估，是實施故障預(yù)測和維修決策的基礎(chǔ)。

（4）故障預(yù)測：綜合利用動車組監(jiān)控數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、運用檢修數(shù)據(jù)、人工錄入數(shù)據(jù)等，借助故障先兆和失效機理的診斷與預(yù)測方法，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立關(guān)鍵部件預(yù)測模型。通過監(jiān)測關(guān)鍵部件性能參數(shù)來評估動車組的性能并預(yù)測故障。

（5）決策支持：通過故障診斷、健康評估、故障預(yù)測等功能，為動車組的維修計劃、修程修制、安全庫存提供決策支持建議。是降低維護保養(yǎng)費用、縮短維護保養(yǎng)時間、提高維護保養(yǎng)效率的關(guān)鍵。

6　系統(tǒng)驗證

PHM系統(tǒng)驗證是設(shè)計與應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用是準(zhǔn)確實現(xiàn)設(shè)計需求，并在實際環(huán)境中滿足使用需求。PHM系統(tǒng)性能是否滿足規(guī)定需求，需要同后期的驗證和評估不斷進行改進和完善。從而不斷提高PHM系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量、經(jīng)濟效益和使用可靠性。

7　結(jié)語

隨著動車組故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的深入研究，將推動制造業(yè)的商業(yè)模式由生產(chǎn)型向生產(chǎn)服務(wù)型轉(zhuǎn)變，同時延伸服務(wù)鏈條，推動營銷模式的變革，實現(xiàn)產(chǎn)品、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)一體化，拓展服務(wù)產(chǎn)品的國際化市場。

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