故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在動(dòng)車組中的應(yīng)用

邵俊捷　鄧　洋　于　闖

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

近年來(lái)，針對(duì)動(dòng)車組維護(hù)策略優(yōu)化的研究日益受到重視，其中故障預(yù)測(cè)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(diǎn)。借助于先進(jìn)的傳感器技術(shù)，使得復(fù)雜設(shè)備大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠被采集、傳輸并存儲(chǔ)起來(lái)，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(jìn)的維修策略是當(dāng)前維修工作的重要研究?jī)?nèi)容。

我國(guó)高鐵的維修模式正由傳統(tǒng)“計(jì)劃修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變。在有數(shù)據(jù)證明設(shè)備可能會(huì)發(fā)生故障的時(shí)候?qū)υO(shè)備進(jìn)行及時(shí)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(jìn)行維修策略的制定和改進(jìn)，需要準(zhǔn)確把握設(shè)備的故障時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估，因此，故障預(yù)測(cè)是動(dòng)車組維修策略優(yōu)化的核心研究?jī)?nèi)容。

故障預(yù)測(cè)與健康管理（prognostics and health managemengt，PHM）技術(shù)是在美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)國(guó)家航空航天局的大力推動(dòng)下成熟起來(lái)的，主要包括對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和對(duì)維修活動(dòng)的智能決策，其發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷可靠性分析、故障分析與預(yù)測(cè)、綜合診斷與系統(tǒng)監(jiān)控、綜合系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理5個(gè)階段。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用實(shí)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(duì)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(jìn)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(jìn)入了實(shí)用化階段。國(guó)內(nèi)民航業(yè)也初步開(kāi)發(fā)了PHM系統(tǒng)，對(duì)飛機(jī)在線監(jiān)控產(chǎn)生的海量報(bào)文信息進(jìn)行存儲(chǔ)、解析與分析，建立了針對(duì)飛機(jī)的健康分析模型與故障預(yù)測(cè)模型。

在軌道交通行業(yè)，國(guó)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(cè)系統(tǒng)，對(duì)提高軌道交通運(yùn)營(yíng)可靠性，提高維修維護(hù)效率、降低維修維護(hù)成本起到了關(guān)鍵作用。隨著我國(guó)高鐵事業(yè)的迅速發(fā)展，上線運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組數(shù)量逐年增多，動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)用、維修等品質(zhì)受到全行業(yè)的高度重視。如何提高動(dòng)車組運(yùn)行安全性、可靠性，降低運(yùn)維成本，提升服務(wù)品質(zhì)，已成為我國(guó)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(dòng)車組中的應(yīng)用規(guī)劃

動(dòng)車組PHM技術(shù)的應(yīng)用是一項(xiàng)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(dòng)車組PHM技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

1.2　監(jiān)測(cè)對(duì)象選擇

圖1　動(dòng)車組PHM技術(shù)架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)與健康管理的前提是獲取裝備的狀態(tài)信息。由于動(dòng)車組由多個(gè)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)又包含多個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又包含很多功能件，且在實(shí)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(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中不可能對(duì)所有的部件進(jìn)行檢測(cè)，也沒(méi)有必要，只需要對(duì)裝備性能以及產(chǎn)品安全可靠性影響較大的部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)即可滿足監(jiān)控的要求。

影響PHM系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象選擇的因素多種多樣，主要有以下3個(gè)方面的因素：①部件的重要等級(jí)；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(cè)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(guò)對(duì)動(dòng)車組關(guān)鍵部件故障模式、失效機(jī)理、狀態(tài)特征參數(shù)進(jìn)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(cè)的參數(shù)，同時(shí)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(dòng)車組車載PHM系統(tǒng)

感知從零部件級(jí)到子系統(tǒng)級(jí)再到整車的相關(guān)信息，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)和運(yùn)維支持，同時(shí)將車載數(shù)據(jù)處理單元生成的診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)等信息反饋至地面PHM系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步處理（見(jiàn)圖2）。

3　動(dòng)車組車地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

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

圖2　動(dòng)車組車載PHM系統(tǒng)架構(gòu)

4　動(dòng)車組地面PHM系統(tǒng)

接收來(lái)自車載PHM系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合日常檢修、高級(jí)修等運(yùn)維數(shù)據(jù)，以及工廠內(nèi)部制造和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)之后，基于構(gòu)建的性能模型對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，實(shí)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(cè)與健康管理。同時(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析、特征值提取、數(shù)據(jù)挖掘?qū)Ψ菍?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)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(tái)則基于上述分析結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障分析、故障預(yù)警、故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估、運(yùn)維決策等工作，進(jìn)行狀態(tài)展示、決策支持，并向用戶和主機(jī)廠/制造商進(jìn)行信息推送。

5　應(yīng)用平臺(tái)

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

（1）狀態(tài)監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部件或系統(tǒng)自身的故障檢測(cè)和狀態(tài)監(jiān)控，并將故障、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)顯示終端進(jìn)行監(jiān)控。

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

（3）健康評(píng)估：是應(yīng)用平臺(tái)的一項(xiàng)重要功能，從采集數(shù)據(jù)中提取健康特征進(jìn)行融合處理，對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)、關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)做出正確評(píng)估，是實(shí)施故障預(yù)測(cè)和維修決策的基礎(chǔ)。

（4）故障預(yù)測(cè)：綜合利用動(dòng)車組監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、運(yùn)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(jī)理的診斷與預(yù)測(cè)方法，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立關(guān)鍵部件預(yù)測(cè)模型。通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵部件性能參數(shù)來(lái)評(píng)估動(dòng)車組的性能并預(yù)測(cè)故障。

（5）決策支持：通過(guò)故障診斷、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)等功能，為動(dòng)車組的維修計(jì)劃、修程修制、安全庫(kù)存提供決策支持建議。是降低維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用、縮短維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間、提高維護(hù)保養(yǎng)效率的關(guān)鍵。

6　系統(tǒng)驗(yàn)證

PHM系統(tǒng)驗(yàn)證是設(shè)計(jì)與應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用是準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求，并在實(shí)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(yàn)證和評(píng)估不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善。從而不斷提高PHM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和使用可靠性。

7　結(jié)語(yǔ)

隨著動(dòng)車組故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的深入研究，將推動(dòng)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(shí)延伸服務(wù)鏈條，推動(dòng)營(yíng)銷模式的變革，實(shí)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(guó)際化市場(chǎng)。

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