淺談動(dòng)車組大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

王圣文 吳天琪 丁 曉 吳艷鵬

(中車長(zhǎng)春客車軌道股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130062)

0 概述

如何提高軌道車輛運(yùn)行安全性、可用性及降低運(yùn)維成本，已成為軌道交通行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題,在“如何降低百萬公里故障率”的問題上，將動(dòng)車組帶入至大數(shù)據(jù)環(huán)境，即數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型決策的前景獲得了極大的認(rèn)可。

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時(shí)間內(nèi)用常規(guī)軟件工具對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行抓取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，其特點(diǎn)與動(dòng)車組具有高度相似性(見表1)。

表1 大數(shù)據(jù)與動(dòng)車組的高度相似性

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的高效運(yùn)營(yíng)，中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司引用了預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)，生成了PHM平臺(tái)。故障預(yù)測(cè)與健康管理平臺(tái)(PHM)，是指通過安裝在動(dòng)車組上的傳感器，實(shí)時(shí)傳遞本車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)收集到的信息，以及通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)獲取動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息，采用邏輯推理算法，根據(jù)動(dòng)車組數(shù)據(jù)歷史狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)環(huán)境因素，對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行狀態(tài)分析和監(jiān)測(cè)、故障診斷及預(yù)測(cè)，評(píng)估動(dòng)車組組件未來的健康狀態(tài)，提出維修維護(hù)建議，為管理決策提供支持。沈陽(yáng)局牽頭組織搭建全壽命平臺(tái)，用以解決車輛產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)安全保障、維修成本降低、修程修制優(yōu)化、產(chǎn)品全壽命周期管理支撐和新產(chǎn)品研發(fā)等問題[1]。

1 大數(shù)據(jù)技術(shù)功能及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 功能

1.1.1PHM功能

故障預(yù)測(cè)與健康管理平臺(tái)系統(tǒng)功能主要分為故障預(yù)測(cè)和健康管理兩點(diǎn)，故障預(yù)測(cè)是指以當(dāng)前關(guān)鍵零部件的瞬時(shí)狀態(tài)為起點(diǎn)，通過已知故障預(yù)測(cè)條件的參數(shù)、特性、環(huán)境以及運(yùn)行時(shí)的故障記錄等，對(duì)關(guān)鍵零部件在未來某一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、判斷和分析，根據(jù)故障發(fā)生位置、故障屬性、呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)化故障嚴(yán)重程度來確定故障性質(zhì)和原因，預(yù)測(cè)故障發(fā)展的趨勢(shì)和結(jié)果，力爭(zhēng)快速高效擬出方案消除故障。健康管理是根據(jù)已有數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵零部件狀態(tài)，根據(jù)其工況、負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)的故障記錄等模擬退化趨勢(shì)，形成健康曲線，如圖1所示，圖中的健康狀況用若干等級(jí)表示：AB段表示健康狀態(tài)優(yōu)良；BC段表示健康狀態(tài)良好；CD段表示輕微故障；DE段表示一般故障；E點(diǎn)之后表示嚴(yán)重故障。對(duì)關(guān)鍵零部件當(dāng)前的健康情況進(jìn)行評(píng)估管理，為故障預(yù)測(cè)以及運(yùn)維決策提供前提保障。

圖1 健康曲線

1.1.2全壽命平臺(tái)功能

全壽命平臺(tái)功能主要是將手持的作業(yè)指導(dǎo)書、維修手冊(cè)等文件結(jié)構(gòu)化，拆分成信息化的數(shù)據(jù)，如作業(yè)指導(dǎo)書拆解成工具、供電條件、注意事項(xiàng)、工種、分步作業(yè)內(nèi)容等獨(dú)立的樹狀模塊，用以形成不同字典庫(kù)的搭建，維護(hù)，導(dǎo)入和更新；對(duì)業(yè)務(wù)填報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)化，通過維護(hù)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一次錄入反復(fù)使用，提取、關(guān)聯(lián)以及快捷檢索。將上述已完成數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行二次梳理，對(duì)平臺(tái)內(nèi)樹狀結(jié)構(gòu)和單元化字典庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，完善編碼體系設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 現(xiàn)狀

1.2.1PHM平臺(tái)功能現(xiàn)狀

現(xiàn)有投入使用的動(dòng)車組，均安裝了傳感器對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，廠內(nèi)及各路局檢修庫(kù)也正在推行《CRH380系列和諧號(hào)動(dòng)車組WiFi系統(tǒng)加裝改造方案》，實(shí)現(xiàn)通過3G網(wǎng)絡(luò)將動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵零部件的狀態(tài)信息以及故障信息傳輸至地面，通過地面數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)分析，最終實(shí)現(xiàn)地面維護(hù)人員能夠及時(shí)了解動(dòng)車組關(guān)鍵零部件的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況的目的。通過提前發(fā)現(xiàn)部分關(guān)鍵零部件故障并進(jìn)行及時(shí)處理，逐步實(shí)現(xiàn)了車載、地面、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的交互。呈現(xiàn)出管理平臺(tái)體系架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 管理平臺(tái)體系架構(gòu)

以軸箱溫度傳感器為例，軸箱溫度傳感器安裝至轉(zhuǎn)向架軸端以及齒輪箱內(nèi)部，通過電路連接至位于列車電器柜的軸溫監(jiān)測(cè)裝置。通過對(duì)軸箱溫度傳感器的溫度采集以及數(shù)據(jù)診斷，將軸箱溫度傳感器本身的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及溫度實(shí)時(shí)狀態(tài)通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)傳送給地面人員。

1.2.2全壽命平臺(tái)功能現(xiàn)狀

目前全壽命平臺(tái)系統(tǒng)正逐步覆蓋檢修流程，以沈陽(yáng)動(dòng)車段為例，針對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部的工具及物料的問題，結(jié)合段內(nèi)一級(jí)修、二級(jí)修檢修工卡進(jìn)行梳理，匯總了車體、牽引、空調(diào)、供風(fēng)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向架等14個(gè)系統(tǒng)以及相應(yīng)指導(dǎo)書的區(qū)域、工具、供應(yīng)品。劃分整理了場(chǎng)地庫(kù)區(qū)域，統(tǒng)一工裝工具設(shè)備庫(kù)中名稱標(biāo)準(zhǔn)，生成一一對(duì)應(yīng)的物料供應(yīng)品庫(kù)等，總體來說，以量化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理，取代了現(xiàn)在的操作者手持文件工作的模式，減少了手持文件帶來的不便以及反復(fù)更新帶來的偶然內(nèi)容紕漏，以實(shí)現(xiàn)手持終端(PDA)的建設(shè)目標(biāo)。

2 大數(shù)據(jù)動(dòng)車組結(jié)合存在的問題

2.1 受傳感器限制

由于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)均來源于傳感器，數(shù)據(jù)的接收具有局限性，并且目前現(xiàn)有動(dòng)車組上安裝的傳感器無法覆蓋全部種類，對(duì)于接收到的已有故障沒辦法進(jìn)行綜合判斷。

2.2 易受外界條件影響

外部環(huán)境應(yīng)力會(huì)對(duì)傳感器等電子元件產(chǎn)生損耗，航空以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)通常會(huì)在檢測(cè)部件位置嵌入多個(gè)傳感器來檢測(cè)，目前動(dòng)車組關(guān)鍵部件空間占有率高，無法滿足多個(gè)傳感器冗余監(jiān)控，均采用一對(duì)一感知，故傳感器穩(wěn)定性和可靠性相對(duì)較差，會(huì)導(dǎo)致虛報(bào)故障，誤報(bào)故障。具體影響因素如表2所示。

表2 影響傳感器外部因素

2.3 故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低

目前現(xiàn)有平臺(tái)的故障預(yù)測(cè)預(yù)警信息，大多都是根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的閾值給出的，閾值根據(jù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至地面上的數(shù)據(jù)得出，并沒有建立獨(dú)

立的、系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)模型，無法實(shí)現(xiàn)突變預(yù)警、趨勢(shì)預(yù)警等功能，故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較低[2]。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在動(dòng)車組上的展望

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

由于動(dòng)車組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部件的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)龐大冗雜，導(dǎo)致現(xiàn)有平臺(tái)負(fù)荷量超出原有預(yù)期，數(shù)據(jù)的梳理、傳遞、監(jiān)控及反饋均受平臺(tái)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行速度的影響，隨著數(shù)據(jù)的不斷累積，擴(kuò)大平臺(tái)架構(gòu)大勢(shì)所趨。

3.2 數(shù)據(jù)模板化錄入

隨著數(shù)據(jù)的不斷增加，應(yīng)建立起嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男畔浫肽０澹苊獬霈F(xiàn)部分相同數(shù)據(jù)因描述的差異性造成整理的困難，對(duì)每一條故障的描述都要確保清晰、直觀、全面。

3.3 傳感器外其他位置的監(jiān)控

例如對(duì)關(guān)鍵零部件的軸承，應(yīng)提前考慮到振動(dòng)、速度、溫度、能量沖擊等影響軸承正常工作的因素，并將其作為影響故障產(chǎn)生的特征量。再例如借鑒應(yīng)用至航空上的技術(shù)，在電路板模塊上設(shè)置故障預(yù)警電路，通過檢測(cè)電流密度等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來預(yù)測(cè)故障信息以及故障發(fā)生位置。

3.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)

動(dòng)車組現(xiàn)有監(jiān)控均依賴現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)控制，如能將列車網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)交互，會(huì)極大拓寬故障類別，高效快速鎖定故障范圍，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組故障判斷和提前預(yù)警。

4 結(jié)束語

目前大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)正在進(jìn)入融合發(fā)展模式， 制造業(yè)完成數(shù)據(jù)化升級(jí)大勢(shì)所趨， 而動(dòng)車組作為數(shù)據(jù)需求量龐大的大型制造產(chǎn)業(yè)， 需要投入大量的人力物力， 現(xiàn)有PHM平臺(tái)已與質(zhì)量保證部以及售后服務(wù)人員使用的動(dòng)車組售后管理系統(tǒng)成功對(duì)接， 售后服務(wù)人員可通過動(dòng)車組運(yùn)維服務(wù)管理平臺(tái)查看車組信息、 故障預(yù)警、 數(shù)據(jù)分析、 故障處理、 問題追蹤等動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)及歷史問題， 第一時(shí)間反饋質(zhì)量工程師， 由質(zhì)量工程師牽頭組織分析形成現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)方案， 以數(shù)據(jù)化的形式合理避免了信息傳遞過程中的缺失和誤解，快速且高效地保障了動(dòng)車組的運(yùn)行周期，降低百萬公里故障率，提升了運(yùn)營(yíng)安全的目標(biāo)。