故障預測與健康管理技術在動車組中的應用

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化的研究日益受到重視，其中故障預測與健康管理技術以及基于狀態的維修是目前研究的重點。借助于先進的傳感器技術，使得復雜設備大量的運行數據能夠被采集、傳輸并存儲起來，而使用這些數據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容。

我國高鐵的維修模式正由傳統“計劃修”向“狀態修”轉變。在有數據證明設備可能會發生故障的時候對設備進行及時維修能夠提高維修效率、節約維修成本、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，進行健康狀態評估，因此，故障預測是動車組維修策略優化的核心研究內容。

故障預測與健康管理（prognostics and health managemengt，PHM）技術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監控和對維修活動的智能決策，其發展過程經歷可靠性分析、故障分析與預測、綜合診斷與系統監控、綜合系統故障預測與健康管理5個階段。經過近半個世紀的技術發展和應用實踐，PHM技術在軍事領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，航空領域PHM技術發展已較為成熟，并進入了實用化階段。國內民航業也初步開發了PHM系統，對飛機在線監控產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，國外西門子、里卡多、克諾爾等公司均建立了安全狀態診斷和預測系統，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鍵作用。隨著我國高鐵事業的迅速發展，上線運營動車組數量逐年增多，動車組的設計、生產、運用、維修等品質受到全行業的高度重視。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，已成為我國高鐵事業可持續發展和“走出去”戰略的重要課題。

1　PHM在動車組中的應用規劃

動車組PHM技術的應用是一項系統工程，其技術架構主要由3套網絡系統組成，包括車載PHM系統、車地PHM系統、地面PHM系統。

1.1　技術架構

動車組PHM技術架構如圖1所示。

1.2　監測對象選擇

圖1　動車組PHM技術架構

實現產品故障預測與健康管理的前提是獲取裝備的狀態信息。由于動車組由多個系統組成，系統又包含多個子系統，子系統又包含很多功能件，且在實現產品功能上這些功能件所承擔的作用也是不同的，因此，實施狀態監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品安全可靠性影響較大的部件進行狀態監測即可滿足監控的要求。

影響PHM系統監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狀態的演變規律。

1.3　狀態監測傳感器選擇和加裝

獲取直接表征裝備故障/健康狀態的參數指標，或用于間接推理判斷裝備故障/健康狀態的參數信息，是PHM系統工作的數據基礎，其中傳感器技術的應用將直接影響PHM系統的效果。通過對動車組關鍵部件故障模式、失效機理、狀態特征參數進行分析，確認關鍵部件是否需要加裝傳感器和系統待檢測的參數，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

感知從零部件級到子系統級再到整車的相關信息，完成實時數據存儲、分析、挖掘、特征提取。根據處理后的狀態特征，車載PHM系統基于已建立的故障模型、預測模型，實現對車輛狀態的可視化，包括狀態監控、故障診斷、故障預警、故障預測和運維支持，同時將車載數據處理單元生成的診斷、評估、預測等信息反饋至地面PHM系統，便于數據分析團隊進一步處理（見圖2）。

3　動車組車地數據傳輸系統

可采用衛星或者2G/3G/4G網絡，進行車載PHM系統與地面PHM系統的實時數據交互。采用WIFI、光纖等方式進行車載PHM系統向地面PHM系統之間的非實時數據傳輸。

圖2　動車組車載PHM系統架構

4　動車組地面PHM系統

接收來自車載PHM系統實時數據和非實時數據，結合日常檢修、高級修等運維數據，以及工廠內部制造和設計數據、仿真試驗數據，進行整理、轉換、存儲之后，基于構建的性能模型對實時數據流進行處理，實現從列車集群→系統集群→關鍵零部件集群的故障預測與健康管理。同時應用數據分析、特征值提取、數據挖掘對非實時數據進行知識挖掘，優化智能鏡像模型性能。地面PHM系統的應用平臺則基于上述分析結果進行狀態監測、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，由狀態監控、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）狀態監控：實現對關鍵部件或系統自身的故障檢測和狀態監控，并將故障、狀態數據通過顯示終端進行監控。

（2）故障診斷：根據專家系統故障邏輯樹，通過貝葉斯網絡算法求取特定故障現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，從采集數據中提取健康特征進行融合處理，對關鍵系統、關鍵部件的健康狀態做出正確評估，是實施故障預測和維修決策的基礎。

（4）故障預測：綜合利用動車組監控數據、環境數據、運用檢修數據、人工錄入數據等，借助故障先兆和失效機理的診斷與預測方法，利用人工神經網絡建立關鍵部件預測模型。通過監測關鍵部件性能參數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。是降低維護保養費用、縮短維護保養時間、提高維護保養效率的關鍵。

6　系統驗證

PHM系統驗證是設計與應用的關鍵環節，其作用是準確實現設計需求，并在實際環境中滿足使用需求。PHM系統性能是否滿足規定需求，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系統的開發質量、經濟效益和使用可靠性。

7　結語

隨著動車組故障預測與健康管理技術的深入研究，將推動制造業的商業模式由生產型向生產服務型轉變，同時延伸服務鏈條，推動營銷模式的變革，實現產品、技術、標準、服務一體化，拓展服務產品的國際化市場。

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