軌道交通裝備故障預測與健康管理系統分析

張 波

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//高級工程師)

隨著我國高速鐵路列車速度的不斷提升，用于控制列車安全、可靠、平穩、高速運行的基礎裝備和列車運行控制系統正向電子化、智能化、復雜化方向發展。這些日益復雜的裝備和系統自身的安全性和可靠性，是技術人員非常關心的問題。高鐵列車的基礎裝備和運行控制系統雖在設計之初都遵循了“安全指標”原則，但仍存在發生故障的可能性，因為越復雜的系統發生故障的概率也會越高。這些裝備或系統在實際運行中一旦發生故障會極大地影響運營效率，在極端情況下甚至會導致安全事故的發生。因此，提高高鐵列車基礎裝備和運行控制系統在運行過程中的安全性及可靠性，已日益受到關注，PHM(故障預測與健康管理)技術也日益得到重視。

1 PHM技術的發展及現狀

PHM的概念首先出現在美國軍方在20世紀末的JSF聯合攻擊戰斗機項目中，最初是基于視情維修(CBM)而提出的。PHM對于提高戰斗機的維修保障能力、減少飛機維保費用有著重大意義。如今隨著技術的不斷發展，如何通過對設備狀態信息的釆集、處理、分析，來準確評估設備的健康狀況，并及時對將要發生的故障進行精準的預測，已經成為亟待解決的新問題。CBM技術在過去幾十年中，作為安全性和可靠性評估的工具已經取得了一定的成效，但它仍然是一個相對靜態的過程，并不能夠動態監視并預測系統的真實健康狀態，而PHM技術則能夠很好地解決此問題。

目前，國外幾種典型的PHM系統(如PHM Design TM)的設計、開發及驗證都是服務于航天領域。為提高PHM技術在我國大型復雜裝備領域的應用，研制一款設計、開發及驗證功能一體化的PHM系統具有重要意義。本文以軌道交通裝備為研究對象，針對PHM系統設計的關鍵技術及其體系結構進行論述，分析了適用于軌道交通裝備的PHM系統的結構體系；并應用該系統動態監測關鍵部件及系統的健康狀態，以提高列車運營期間的安全性。

2 PHM系統體系結構

軌道交通裝備關鍵系統(如轉向架、牽引、主供電等系統)的可靠性直接影響列車的整體安全性和可用性。這些系統的故障可能會產生巨大的經濟損失。計劃外停車也將導致更為嚴重的后果，甚至威脅安全。因此，選擇合適的PHM體系結構對于軌道交通裝備的主機廠和運營單位來說至關重要。目前PHM系統的體系結構主要有集中式、分布式和分層融合式3種類型，其結構特點及不足之處如表1所示。

表1 PHM系統的體系結構及特點

(1) 集中式體系結構：是一種廣泛應用于小型裝備系統的典型結構。其關鍵在于一個用于收集、存儲、解析系統所有狀態信號的中央控制器。在大型復雜裝備的故障預測與健康管理設計中，這種設計結構的弊端顯露無疑：由于系統檢測部件與信號采集數量的增加，對信息的處理、分類和解析也變得更加復雜，系統控制問題也無法解決，這也導致PHM系統的執行效率低下[2]。因此，這種結構不適用于大型復雜裝備。

(2) 分布式體系結構：能夠在子系統級別上實現健康狀態信息的采集、處理、分析及決策，由各子系統獨立完成對設備的監控和故障診斷，并能將子系統的健康狀態信息傳輸給駕駛室顯示裝置。這種結構往往需要各子系統測試結果的高度集成[3]，這樣才能使得診斷/預測結果具備一定的可信度。

(3) 分層融合式體系結構：本質上是一種集中式和分布式相結合的方式，其擁有的PHM數據庫及專家知識庫，能夠對系統信息進行診斷、預測、評估。在較低的層次上，各子系統能夠自行收集、解析所有用于子系統本身的狀態診斷及評估信息，并將診斷/預測結果傳輸至較高層次的中央控制器，對其進行記錄和決策[4]。該結構能夠在子系統級和系統級兩個層次進行融合，可更加全面地利用冗余層次狀態信息，同時有效地降低系統虛警率問題，適用于軌道交通等大型復雜裝備。

3 PHM技術在軌道交通裝備領域的應用

3.1 PHM系統的組成及接口

由于軌道交通裝備具備大型復雜裝備的特點，因此PHM系統應由車上部分(簡稱“車載PHM”)和車下部分(簡稱“地面PHM”)以及車地傳輸裝置構成。其中，車載PHM可在無需人工參與的情況下將列車部件或系統的健康狀態信息通過車地傳輸裝置提供給地面系統人員，并結合地面系統建立的模型實現設備的預測評估和健康管理，以實現提高系統可靠性、可用性和安全性的目的。

圖1為軌道交通裝備車載PHM的體系結構，包含了狀態檢測、故障診斷、故障預測、健康管理功能。

圖1 軌道交通裝備車載PHM體系結構圖

軌道交通裝備PHM系統與各模塊之間的接口是實現PHM系統的關鍵。主要模塊接口包含：部件級PHM與子系統級、系統級之間接口，人機接口，PHM系統與決策支持、庫存業務等系統接口。

3.2 PHM系統主要功能

(1) 故障診斷：采用基于分層模型的診斷預測程序，準確地檢測故障，同時有效減少虛警。

(2) 故障預測：對裝備實際狀態進行預測，包括設備的確定使用壽命和剩余壽命。

(3) 健康管理：在診斷預測信息基礎上，對設備狀態做出正確的評估，并匹配適當的修程修制對設備進行合理的管理。

(4) 運維決策：根據設備的健康狀態，做出合理的維修決策建議，保障設備運行的安全性。

3.3 PHM系統結構優勢

軌道交通裝備PHM系統應采用開放式體系結構，可“即插即用”，可不斷更新或加入新模型，并可增強與其他系統進行信息交互和集成的能力。其主要優勢包含以下幾點：

(1) 分布式、跨平臺構架能夠保證各個子系統獨立完成相應的功能，并能實現不同平臺之間的互操作，保證系統的可重用性。

(2) 采用層次化結構設計，減小了復雜模型的耦合程度，可顯著降低系統開發的復雜度。

(3) 開放性、標準化的實現方法使層次之間、模塊之間都能夠按照標準進行數據交換和信息共享，并能集成來自不同供應商的軟硬件。

(4) 通過對潛在故障的實時診斷和定位，以及進一步對部件剩余壽命的評估，能夠大大增強列車運行的安全性。

(5) 車載PHM系統能夠自動對部件及設備健康狀態進行診斷并做出相應的決策建議；可在列車入庫前自動完成大多數測試診斷工作，縮短地面診斷時間；可減少故障誤報率；提高維修效率的同時，可降低對外部維保人員及備件的需求，實現設備資源保障和經濟效益提升。

4 結語

本文主要從部件、子系統、系統3個層次對軌道交通裝備PHM技術體系進行了總結分析；論述了大型軌道交通裝備PHM系統的體系架構，分析了其主要技術難點和優勢，對我國軌道交通行業的PHM技術體系發展具備一定的參考價值。但本文也存在一定的不足，例如對先進的預測診斷算法的實現以及在經濟成本的投入上欠缺考慮。這也是本文作者下一步的研究方向。