鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)研究

劉 洋，鞏婷婷，樂建煒，胡小寧，朱 濤

(1.國能鐵路裝備有限責任公司 先進鐵路裝備研發(fā)中心，北京 100011；2. 北京京天威科技發(fā)展有限公司 貨車事業(yè)部，北京 100085；3.中國國家鐵路集團有限公司 信息技術中心，北京 100844)

0 引言

為確保鐵路貨物列車運行的可靠性，我國鐵路貨車檢修始終圍繞“計劃預防修”模式展開，即按一定的時間周期完成貨車關鍵零部件的預防性檢修。但是，隨著鐵路貨車設計理念持續(xù)優(yōu)化與生產(chǎn)工藝水平的逐步提高，以及鐵路運輸組織工作模式的持續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)行的定期檢修體制帶來“過度維保”與“數(shù)據(jù)孤島”問題。因此，世界上鐵路運輸業(yè)發(fā)達的國家正在積極推進鐵路貨車檢修機制的數(shù)字化升級改造工作，建立鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能體系，推動鐵路貨車關鍵零部件由“周期檢修”向“精準施修”模式轉變，促使鐵路貨車檢修行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[1]。

鐵路貨車“狀態(tài)修”是指在貨車車輛基本結構與關鍵零部件實時監(jiān)測、數(shù)理統(tǒng)計和科學分析的基礎上，探索貨車精準施修的工作方式。“狀態(tài)修”是一種以維修資源消耗與成本優(yōu)化為目標的維修策略，通過物聯(lián)網(wǎng)等技術手段實時監(jiān)測貨車關鍵部件運作狀態(tài)的基礎上，建立關鍵零部件衰退特性與列車運行里程、載荷、線路等狀態(tài)參數(shù)內(nèi)在關聯(lián)關系模型，以數(shù)字化技術賦能貨車關鍵零部件檢修流程，促使貨車關鍵部件動態(tài)監(jiān)測、靜態(tài)分析、健康診斷、精準施修、壽命管理、生命再造與安全追蹤等精準檢修流程的數(shù)字化[2-3]。目前我國鐵路貨車“狀態(tài)修”尚處于起步階段，存在數(shù)字化技術先進性不足、監(jiān)測數(shù)據(jù)利用效率不高與管理系統(tǒng)智慧化水平較低等技術瓶頸[4-6]。作為國內(nèi)能源運輸業(yè)的代表，神華鐵路堅持積極推動鐵路貨車檢修數(shù)字化升級改造，助力推動鐵路貨車狀態(tài)修朝著自動化、智能化方向發(fā)展[7]。

1 鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)構建

鐵路貨車“狀態(tài)修”核心驅(qū)動力在于物聯(lián)網(wǎng)技術賦能貨車及關鍵部件狀態(tài)的實時動態(tài)檢測，而大數(shù)據(jù)等技術是“狀態(tài)修”零部件失效規(guī)律挖掘的關鍵保障[8]。由此可見，新一代數(shù)字化技術將賦能鐵路貨車檢修與作業(yè)流程優(yōu)化，為鐵路貨車故障預警預測與精準施修策略制定提供科學依據(jù)與決策輔助。

1.1 系統(tǒng)總體架構

貨車狀態(tài)修的本質(zhì)是改變鐵路貨車定期檢修流程驅(qū)動模式，以真實反映貨車狀態(tài)檢修的數(shù)據(jù)流程，依托數(shù)據(jù)將貨車檢修逐步轉換為用數(shù)據(jù)及智能驅(qū)動的模式。鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)架構如圖 1 所示。由圖 1可知，鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)主體圍繞狀態(tài)感知、精準施修與迭代優(yōu)化3個階段展開。在狀態(tài)感知階段，鐵路貨車狀態(tài)修以零部件壽命管理體系為基礎，結合先進的物聯(lián)網(wǎng)技術推動關鍵零部件狀態(tài)檢測與診斷，結合零部件性能衰退模型構建零部件剩余壽命預測模型，以此推動列車監(jiān)控狀態(tài)診斷模型的高效建構。在精準施修階段，基于狀態(tài)感知階段輸出的診斷信息，基于大數(shù)據(jù)技術建立貨車健康狀態(tài)診斷模型與修程的科學決策輔助，推進在線修與狀態(tài)修協(xié)同狀態(tài)下的貨車故障施修方案精準實施，并結合維修流程數(shù)據(jù)完成各類模型性能驗證。在迭代優(yōu)化階段，融合狀態(tài)感知與精準施修階段獲得的多源信息，抽取表征鐵路貨車的關鍵特征數(shù)據(jù)，為鐵路貨車檢修流程數(shù)字化建設提供數(shù)據(jù)支撐，并以此為基礎建立閉環(huán)正反饋機制，持續(xù)改進狀態(tài)感知與精準施修階段的綜合性能。

圖1 鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of digital empowerment system for condition-based maintenance of railway freight cars

1.2 系統(tǒng)運行階段

1.2.1 狀態(tài)感知階段

鐵路貨車“狀態(tài)修”工作機制的精準構建，離不開檢修設備與信息系統(tǒng)提供的實時有效的貨車狀態(tài)數(shù)據(jù)。為推動貨車狀態(tài)修工作流程優(yōu)化，提高列車健康狀態(tài)診斷模型決策科學水平，需要高效的狀態(tài)感知數(shù)據(jù)支撐體系。為此，結合神華鐵路貨車檢修工作流程化與數(shù)字化建設需求，構建標準化“狀態(tài)修”數(shù)據(jù)中心，為模型構建奠定數(shù)據(jù)基礎。鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)源如圖2所示。

圖2 鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)源Fig.2 Data center and data source of digital empowerment system for condition-based maintenance of railway freight cars

鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)據(jù)來源可以分為實時業(yè)務數(shù)據(jù)、知識研究數(shù)據(jù)與人員關聯(lián)數(shù)據(jù)3類。這3類數(shù)據(jù)支撐著鐵路貨車零部件技術狀態(tài)診斷模型與零部件剩余壽命預測模型的構建，為貨車健康狀態(tài)診斷模型決策生成的科學性與合理性奠定了基礎。

（1）實時業(yè)務數(shù)據(jù)。主要為輪對狀態(tài)在線綜合檢測系統(tǒng)、重載鐵路貨車閘瓦監(jiān)測系統(tǒng)、曲線通過性能檢測系統(tǒng)、鐵路車號自動識別系統(tǒng)、鐵路車輛軸溫無線探測系統(tǒng)、鐵路車輛制動故障預測預警系統(tǒng)等業(yè)務數(shù)據(jù)，以及車輛檢修流程產(chǎn)出的質(zhì)量信息等，如運行里程、載重質(zhì)量、車輛軸溫等參數(shù)。

（2）知識研究數(shù)據(jù)。主要針對貨車關鍵零部件進行數(shù)字化，包括關鍵部件的性能指標庫，壽命閾值、老化系數(shù)、零部件分解組裝關系等關鍵指標，以及挖掘的關鍵零部件老化規(guī)律與外部因素的關聯(lián)關系，助推狀態(tài)修關鍵零部件壽命與磨損規(guī)律數(shù)學模型精準構建，為貨車狀態(tài)修技術體系構建奠定決策依據(jù)。

（3）人員關聯(lián)數(shù)據(jù)。對參與到整列車檢修運用的調(diào)度、預檢、零部件加修、整車檢修、質(zhì)檢、驗收等人員信息，以及所挖掘的多工種人員在組織結構、角色資源和權限管控等方面的內(nèi)在規(guī)律與關聯(lián)關系進行關聯(lián)管控，為狀態(tài)修工作體系有效構建與推進提供支撐。

1.2.2 精準施修階段

精準施修是在狀態(tài)感知階段所作決策的基礎上，組織相關人員完成有針對性的施修，并構建檢修流程的高效反饋機制，推動模型性能的迭代優(yōu)化。根據(jù)檢修模式，精準施修通常可以分成“在線修”與“狀態(tài)修”2類工作形態(tài)。

（1）在線修。主體工作在于列車離散性故障處置。檢修人員通過狀態(tài)感知階段診斷模型輸出的報告與決策，協(xié)同手持機或人工檢查形式交叉驗證診斷模型的精準性，修復故障與完成檢修狀態(tài)數(shù)據(jù)的同步采集與模型校驗。

（2）狀態(tài)修。聚焦列車規(guī)律性故障性綜合修理。檢修人員將對批量失效的零部件進行合理匹配，根據(jù)關鍵零部件狀態(tài)，建立差異化(狀態(tài)修一級修Z1/狀態(tài)修二級修Z2/狀態(tài)修三級修Z3/狀態(tài)修四級修Z4)修理等級，以推動檢修工作提質(zhì)增效。此外，基于物聯(lián)網(wǎng)技術推動檢修流程數(shù)字化與規(guī)范化，迭代推進狀態(tài)修數(shù)字化模型性能升級優(yōu)化。

綜上，精準施修的前置條件在于狀態(tài)感知階段診斷模型輸出報告的精準性，及其檢修決策制定與排產(chǎn)的科學性，而精準施修階段所采集數(shù)據(jù)，將轉化為狀態(tài)修數(shù)學模型精準構建的強勁推動力，助力提升車輛健康數(shù)據(jù)模型構建的精準性。

1.2.3 迭代優(yōu)化階段

迭代優(yōu)化是指同步構建真實反映貨車狀態(tài)修物理過程的數(shù)字模型，挖掘狀態(tài)修多源異構數(shù)據(jù)內(nèi)在關聯(lián)屬性與遷移機理，推進數(shù)字化賦能狀態(tài)修多源異構數(shù)據(jù)高效清洗與優(yōu)化處置，以及打造信息化平臺，推動貨車檢修工作的標準化與流程化。

（1）多源信息融合。重點研究數(shù)字化賦能狀態(tài)修支撐數(shù)據(jù)清洗工作機理，挖掘不同來源結構化和非結構化數(shù)據(jù)源內(nèi)在規(guī)律與關聯(lián)關系，探索多源高維空間狀態(tài)修支撐數(shù)據(jù)與低維度空間的映射方法，打造分布式架構的多源異構數(shù)據(jù)融合執(zhí)行引擎。

（2）關鍵特征抽取。主體圍繞數(shù)字化賦能狀態(tài)修支撐數(shù)據(jù)處置工作展開，基于多源信息融合引擎輸出的降維數(shù)據(jù)，挖掘鐵路貨車零部件老化規(guī)律與外在因素的關聯(lián)關系，探索多參數(shù)指標約束下關鍵零部件狀態(tài)修優(yōu)化流程精準構建有效路徑。

（3）檢修流程數(shù)字化。聚焦數(shù)字化賦能狀態(tài)修工作流程優(yōu)化路徑構建，建立狀態(tài)修診斷與決策信息系統(tǒng)，推動關鍵零部件狀態(tài)、車輛與車列健康指數(shù)的精準評分，打造車輛健康狀態(tài)精準研判輔助體系，推動檢修決策科學指引工作流程構建。

綜上，協(xié)同狀態(tài)感知與精準檢修環(huán)節(jié)打造閉環(huán)反饋體系，將有力地促進狀態(tài)修數(shù)字模型與檢修工作模式協(xié)同優(yōu)化，助力運輸工作體系的提質(zhì)增效。

2 鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)技術路線

為推動鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能技術落實落地，以神華鐵路貨車檢修機制提質(zhì)增效需求為指引，闡明鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能系統(tǒng)的技術路線，通過建立應用示范推動數(shù)字賦能技術的高效迭代升級，以期打造數(shù)字化賦能鐵路貨車狀態(tài)修“神華模板”。數(shù)字化賦能鐵路貨車狀態(tài)修系統(tǒng)技術路線如圖3所示。

圖3 數(shù)字化賦能鐵路貨車狀態(tài)修系統(tǒng)技術路線Fig.3 Technical route of digital empowerment system for condition-based maintenance of railway freight cars

2.1 多源數(shù)據(jù)中心建設

多源數(shù)據(jù)中心建設，即通過車輛技術狀態(tài)大數(shù)據(jù)中心的建設，實現(xiàn)對車輛零部件全生命周期數(shù)據(jù)、車輛檢修歷史記錄、“5T”(紅外線軸溫探測智能跟蹤系統(tǒng)(THDS)、貨車運行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)、貨車滾動軸承早期故障聲學診斷系統(tǒng)(TADS)、貨車運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)(TFDS)、貨車輪對狀態(tài)在線綜合檢測系統(tǒng)(TWDS))設備數(shù)據(jù)、運行里程等全面管理，推動零部件剩余壽命預測閾值的反饋指導。基礎數(shù)據(jù)是構建鐵路貨車狀態(tài)檢修數(shù)字化工作流程的基礎，將基于大數(shù)據(jù)技術打造狀態(tài)修數(shù)據(jù)中心，建立鐵路貨車狀態(tài)修分布式關系型數(shù)據(jù)庫，高效整合既有與新建的業(yè)務系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)，形成支撐鐵路貨車狀態(tài)修開展的數(shù)據(jù)基礎集。例如，形成狀態(tài)修車型編碼、車輛零部件結構清單、零部件型號編碼、故障編碼、施修方法編碼、修程(修理等級)編碼、單位編碼、線路編碼、站段編碼、公里標等，為狀態(tài)修失效規(guī)律、零部件分類、零部件壽命、工藝規(guī)程、修程修制等模型的構建奠定數(shù)據(jù)基礎。

為推動基礎數(shù)據(jù)與貨車運用動態(tài)數(shù)據(jù)的高度融合，通過暢通狀態(tài)修數(shù)字系統(tǒng)與鐵路貨車技術管理信息系統(tǒng)(HMIS)共享通路，推動車輛基本信息、制造信息、改造信息、歷次扣修記錄、歷次檢修記錄卡片(檢查項點信息、檢修故障信息、檢修結果信息)數(shù)據(jù)中心高效協(xié)同，明確零部件歷次的裝用車號、上車時間、下車時間，累加零部件裝用時間段內(nèi)車輛運行里程。此外，建立數(shù)據(jù)中心與軌邊監(jiān)測設備數(shù)據(jù)傳遞路徑，構建零部件運行里程與健康檔案數(shù)據(jù)集，滿足列車健康狀態(tài)診斷模型數(shù)據(jù)同步需求。

2.2 狀態(tài)感知模型構建

狀態(tài)感知模型構建，即通過對車輛基礎理論的研究，全面掌握車輛零部件壽命預測和失效規(guī)律，建立零部件壽命管理體系，實現(xiàn)對關鍵零部件剩余壽命的預測預警，形成貨車檢修流程智能研判的工作模式。

（1）車輛技術狀態(tài)檢測系統(tǒng)模型。基于故障案例數(shù)據(jù)完成5T檢測設備輸出數(shù)據(jù)進行深度學習，建立零部件的檢測系統(tǒng)模型；基于THDS數(shù)據(jù)特征探索軸承故障預警預測機制高效構建；基于TPDS數(shù)據(jù)屬性，建立車輪踏面損傷預測算法完成車輪品質(zhì)精準識別；研究TADS數(shù)據(jù)特征的軸承故障診斷機制，實現(xiàn)軸承故障早發(fā)現(xiàn)早處理，規(guī)避行車安全隱患；基于TFDS數(shù)據(jù)屬性，研究關鍵零部件故障定位算法；針對TWDS數(shù)據(jù)，構建車輪技術狀態(tài)的實時監(jiān)測體系。最后，基于諸如大數(shù)據(jù)等新一代信息技術，挖掘5T系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)內(nèi)在關聯(lián)性與演化規(guī)律，以此推動檢測系統(tǒng)關聯(lián)模型構建，進而實現(xiàn)零部件綜合評判，為精準施修奠定理論依據(jù)。

（2）零部件剩余壽命預測模型。基于故障模式、影響及危害性分析(FMECA)完成全壽命零部件和使用壽命零部件關鍵特性的分析，并結合專家系統(tǒng)和其他課題研究成果，建立零部件剩余壽命預測模型。對于納入全壽命零部件管理范疇的零部件，打通貨車年限指標與里程指標內(nèi)在換算通路，構建零部件剩余壽命預測模型，推動零部件狀態(tài)的分級評分。對于使用壽命零部件，建立基于大數(shù)據(jù)技術的特征參數(shù)性能退化模型，研究基于多維度狀態(tài)下鐵路貨車關鍵部件動態(tài)性能演變及其安全限值，推動零部件壽命的精準預測。此外，根據(jù)貨車使用情況，結合關鍵零部件剩余壽命預測模型及狀態(tài)修流程數(shù)據(jù)，迭代優(yōu)化剩余壽命模型的準確性。

（3）車列健康診斷模型。該模型將充分結合零部件剩余壽命模型和車輛技術狀態(tài)檢測系統(tǒng)模型輸出結果數(shù)據(jù)特征，重點研究基于零部件狀態(tài)評估狀態(tài)的扣修標準。在此基礎上，依據(jù)專家知識體系構建零部件狀態(tài)與列車運行安全內(nèi)在關聯(lián)關系模型，以及基于大數(shù)據(jù)技術挖掘各類零部件支撐列車安裝運作的權重系數(shù)，完成鐵路貨車狀態(tài)的綜合評價與關鍵零部件檢修決策輔助。最后，完成系統(tǒng)性的列車健康診斷報告，以期為后續(xù)工作奠定數(shù)據(jù)基礎。

（4）貨運車列扣修標準。結合狀態(tài)修檢修、運用布局及檢修工藝研究成果制定狀態(tài)修車列扣修標準。以車列得分和各輛車得分為主要評價依據(jù)，同時考慮重大故障以及與之相關的扣分項制定扣修標準，使其與狀態(tài)修修制相一致。利用該標準指導狀態(tài)修修程下車列的扣修，達到提高扣修準確率，最大程度減少漏扣、錯扣情況的發(fā)生。

2.3 精準檢修決策指引

精準檢修決策指引，即深度挖掘車輛檢測設備與人員調(diào)度內(nèi)在聯(lián)系，形成科學化與高效化的檢修決策輔助，指引鐵路貨車精準檢修流程的建立與實施，反饋迭代與持續(xù)優(yōu)化數(shù)學模型的綜合性能。

基于修程判定流程輸出診斷報告與形成的狀態(tài)修車列排產(chǎn)計劃，指導調(diào)度扣車及現(xiàn)場工作安排，同時形成本次修程的進度計劃、質(zhì)量標準零部件更換計劃標準。按照工藝規(guī)程要求，對該修程下的車輛進行檢修，數(shù)據(jù)中心實時采集檢修數(shù)據(jù)，比較實際數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)差異，跟蹤5T報警檢修結果，按診斷模型計算剩余里程，并按唯一ID跟蹤，生成檢修過程數(shù)據(jù)。同時接入檢修過程中生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)，并將檢測結果反饋給檢測系統(tǒng)，將檢修過程中零部件相關信息，反饋優(yōu)化狀態(tài)修診斷決策綜合判別模型。

車輛修竣后重新上線運行，狀態(tài)修診斷決策綜合判別模型繼續(xù)進行修程判別，以及車列、車輛、零部件評分，指導車輛安全運行。狀態(tài)修數(shù)據(jù)中心持續(xù)接入車輛運用數(shù)據(jù)及狀態(tài)修診斷決策，綜合判別模型結果數(shù)據(jù)，持續(xù)對貨車進行運用跟蹤，進行固定編組管理、指揮命令等調(diào)度相關管理。

3 結束語

以鐵路貨車狀態(tài)修數(shù)字化賦能為主要研究對象，闡明車輛與零部件之間的內(nèi)在規(guī)律與關聯(lián)關系，以及貨車檢修流程與零部件全生命周期管理體系的構建方法，明確精準施修基本保障措施及優(yōu)化方案，確保鐵路貨車檢修工作便捷、快速、高效、安全運轉。相對于傳統(tǒng)的“計劃預防修”模式，“狀態(tài)修”將優(yōu)化鐵路貨車單車全生命周期檢修資源配置，有效提升檢修效率，降低零部件更替成本，對于提高鐵路貨車檢修及關鍵配件全壽命周期管理水平，最大限度地提升鐵路運輸效率具有現(xiàn)實意義。