故障預測與健康管理技術(shù)在動車組中的應用

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)，使得復雜設備大量的運行數(shù)據(jù)能夠被采集、傳輸并存儲起來，而使用這些數(shù)據(jù)用于指導設備的維修和制定先進的維修策略是當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)證明設備可能會發(fā)生故障的時候?qū)υO備進行及時維修能夠提高維修效率、節(jié)約維修成本、增加設備的安全可靠性。進行維修策略的制定和改進，需要準確把握設備的故障時間點，進行健康狀態(tài)評估，因此，故障預測是動車組維修策略優(yōu)化的核心研究內(nèi)容。

故障預測與健康管理（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、故障分析與預測、綜合診斷與系統(tǒng)監(jiān)控、綜合系統(tǒng)故障預測與健康管理5個階段。經(jīng)過近半個世紀的技術(shù)發(fā)展和應用實踐，PHM技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應用并且成果顯著，對于提升設備的安全可靠性、提高設備的可用率、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在動車組中的應用規(guī)劃

動車組PHM技術(shù)的應用是一項系統(tǒng)工程，其技術(shù)架構(gòu)主要由3套網(wǎng)絡系統(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，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，其中傳感器技術(shù)的應用將直接影響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，在不影響設備的功能的前提下，合理選用傳感器的安放位置，最后確認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、故障預警、故障預測和運維支持，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，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測與健康管理。同時應用數(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、故障預警、故障預測、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　應用平臺

應用平臺由車載應用平臺和地面應用平臺組成，由狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、健康評估、故障預測、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，是實施故障預測和維修決策的基礎。

（4）故障預測：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測方法，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立關(guān)鍵部件預測模型。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測故障。

（5）決策支持：通過故障診斷、健康評估、故障預測等功能，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)驗證是設計與應用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用是準確實現(xiàn)設計需求，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)服務型轉(zhuǎn)變，同時延伸服務鏈條，推動營銷模式的變革，實現(xiàn)產(chǎn)品、技術(shù)、標準、服務一體化，拓展服務產(chǎn)品的國際化市場。

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