故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在地鐵列車上的應(yīng)用

李雪昆

（中車長春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，130062，長春∥高級(jí)工程師）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和地鐵列車的不斷增加,如何提高列車運(yùn)營維護(hù)效率、降低成本及保證運(yùn)營安全已成為車輛制造企業(yè)和地鐵運(yùn)營企業(yè)研究的重點(diǎn)。故障預(yù)測與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術(shù)在國內(nèi)外多個(gè)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，尤其在航空領(lǐng)域應(yīng)用比較多，而在軌道交通領(lǐng)域的研究及應(yīng)用起步較晚，國內(nèi)地鐵列車故障預(yù)測與健康管理領(lǐng)域尚未出現(xiàn)成熟的系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品（主要以監(jiān)控與安防系統(tǒng)為主）。在此情況下，為了提高城市軌道交通的運(yùn)輸效率，降低設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)成本，提高車輛及關(guān)鍵部件維修的效率，開展故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在地鐵列車上應(yīng)用的研究已迫在眉睫。

1　PHM技術(shù)

PHM是指利用傳感技術(shù)獲取被管理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等推理算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境因素，對(duì)被管理系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測。同時(shí)，對(duì)被管理系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合地面維修資源情況，給出維修決策，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的狀態(tài)修。

PHM技術(shù)包括兩層含義：一是預(yù)測，即通過監(jiān)測系統(tǒng)或部件當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)，預(yù)先判斷其未來的狀態(tài)；二是健康管理，即根據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障信息，結(jié)合運(yùn)用需求及當(dāng)前可用的維修資源，給出關(guān)鍵零部件的維修決策。故障預(yù)測技術(shù)根據(jù)所采集的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，通過所建立的預(yù)測模型，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，從而在設(shè)備出現(xiàn)故障之前可對(duì)其進(jìn)行處理，減少和避免故障的發(fā)生。PHM技術(shù)具有持續(xù)狀態(tài)監(jiān)控與健康管理、故障診斷和預(yù)測、維修決策支持能力，能實(shí)現(xiàn)在準(zhǔn)確的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)確的部位采取準(zhǔn)確的維修活動(dòng)，可提高維修效率和效能，節(jié)約維修費(fèi)用，減少故障率，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備視情維修的重要手段。

PHM技術(shù)應(yīng)用于地鐵列車，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有計(jì)劃修的優(yōu)化，并為狀態(tài)修奠定基礎(chǔ)。目前，地鐵列車的修程修制主要包括日檢、月檢、架修、大修等，其主要根據(jù)是地鐵列車的運(yùn)用里程及故障信息，易出現(xiàn)過度維修和維修不足的現(xiàn)象。設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)維修，易造成晚點(diǎn)和機(jī)破，影響地鐵列車的運(yùn)營秩序。為此，在地鐵列車上應(yīng)用故障預(yù)測與健康管理技術(shù)意義重大。

2　PHM應(yīng)用案例

PHM技術(shù)能夠極大地提高列車設(shè)備的安全性與經(jīng)濟(jì)性，通過健康管理等手段對(duì)地鐵列車設(shè)備進(jìn)行預(yù)診斷，從而降低設(shè)備故障率，并提高地鐵列車設(shè)備的使用效率。

基于上海地鐵某線路項(xiàng)目車輛，開發(fā)的PHM系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要由車載PHM系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)組成。其中，PHM系統(tǒng)構(gòu)架以地面PHM系統(tǒng)為核心，通過通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與車載PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，并為制造企業(yè)和地鐵運(yùn)營企業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

2.1　車載PHM系統(tǒng)

圖1　地鐵列車PHM系統(tǒng)架構(gòu)

車載PHM系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如各種傳感器；另一部分是數(shù)據(jù)處理主機(jī)，在列車上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。數(shù)據(jù)采集部分，由既有的與新添加的傳感器共同完成整車、子系統(tǒng)及部件的原始數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)等信息的采集，主要包括轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引電機(jī)和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時(shí)集成整車運(yùn)行環(huán)境和狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過總線實(shí)現(xiàn)與車載PHM系統(tǒng)的信息交互。與此同時(shí)，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)通過列車總線，實(shí)現(xiàn)向車載PHM系統(tǒng)的傳輸。在接受到上述信息后，數(shù)據(jù)處理主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、清洗等預(yù)處理工作，經(jīng)通信系統(tǒng)傳輸至地面PHM系統(tǒng)。

2.2　通信系統(tǒng)

作為車載PHM系統(tǒng)和地面PHM系統(tǒng)的傳輸通道，以2/3/4G、WIFI、信號(hào)專用通道作為通信途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況，采用了3G通信技術(shù)。

2.3　地面PHM系統(tǒng)

地面PHM系統(tǒng)的兩大部分為數(shù)據(jù)處理中心和應(yīng)用平臺(tái)。數(shù)據(jù)處理中心接收車載PHM系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，融合非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源、環(huán)境數(shù)據(jù)、運(yùn)用檢修數(shù)據(jù)、車輛履歷數(shù)據(jù)等，并運(yùn)用一系列的算法和建模技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、特征提取、分析等工作，再根據(jù)處理后的狀態(tài)特征，基于已構(gòu)建的車輛模型按照不同的流程分類處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，最終完成從列車集群到車輛到子系統(tǒng)到關(guān)鍵部件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、故障診斷、預(yù)測與健康管理，并將結(jié)果在應(yīng)用平臺(tái)上通過顯示單元進(jìn)行集中展示。圖2為地面系統(tǒng)顯示單元展示的車輛狀態(tài)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3　結(jié)語

基于已經(jīng)運(yùn)營的地鐵列車，以關(guān)鍵系統(tǒng)及部件為應(yīng)用對(duì)象，開發(fā)了地鐵列車PHM系統(tǒng)，并建立了地鐵列車故障預(yù)測與健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了系統(tǒng)及關(guān)鍵部件全壽命周期健康管理數(shù)據(jù)庫；建立了大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和信息可視化智能中心平臺(tái)，以期提高列車狀態(tài)維修及故障快速響應(yīng)能力。

圖2　地鐵列車地面PHM系統(tǒng)顯示單元

地鐵列車PHM系統(tǒng)最終可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、故障預(yù)報(bào)、故障診斷、故障統(tǒng)計(jì)、故障預(yù)測、健康評(píng)估及運(yùn)維決策等功能，進(jìn)而可為車輛制造企業(yè)和地鐵運(yùn)營企業(yè)提供決策工具和數(shù)據(jù)服務(wù)，提高檢修手段的智能化水平，提升產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高車輛安全性，提高列車的維修效率并縮短檢修周期。

［1］常振臣，張海峰.動(dòng)車組PHM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2016，39（1）：1.