和諧型機車健康監(jiān)測平臺設(shè)計研究

喻冰春，寧友波，張惟皎，賈志凱

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844)

近年來，故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)已經(jīng)成為新一代飛機、船舶和車輛等武器裝備研制階段與使用階段的重要組成部分[1]。我國和諧型機車保有量大，機型多，運行線路跨度大，運行環(huán)境變化多，運行工況復(fù)雜，設(shè)計和諧型機車健康監(jiān)測平臺，采集集成和諧型機車全壽命周期設(shè)計制造、監(jiān)測檢測、運用維修等數(shù)據(jù)，將PHM技術(shù)應(yīng)用于其造修環(huán)節(jié)中，可以掌握其運行規(guī)律，及時研判風(fēng)險并指導(dǎo)精準(zhǔn)維修，提升運用質(zhì)量和設(shè)計質(zhì)量，降低全壽命周期運維成本，是提升鐵路裝備技術(shù)水平的需要。

1 數(shù)據(jù)分析

和諧型機車健康監(jiān)測平臺涉及機車及關(guān)鍵零部件從設(shè)計、制造、運用、檢修到報廢的全生命周期各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，主要有：

(1) 車載實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前，和諧型機車已經(jīng)大規(guī)模加裝了機車車載綜合信息監(jiān)測裝置，通過機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD)能夠?qū)崟r采集、傳輸和監(jiān)測機車信息[2]，包括機車所處經(jīng)緯度、海拔等定位信息，機車工況、設(shè)備、通信、控制等狀態(tài)信息，機車運行途中與行車安全相關(guān)的司機、信號機、公里標(biāo)、進出站等安全信息，機車空氣制動、防火、高壓絕緣、供電、走行部、自動視頻監(jiān)控等監(jiān)測信息。

(2) 地面實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。鐵路部門已經(jīng)推廣應(yīng)用了一系列軌邊行車安全監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)[3]，其中，車輛軸溫智能探測系統(tǒng)(THDS)通過監(jiān)測運行機車車輛的車軸和軸箱溫度預(yù)報熱切軸故障；軌邊動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(TPDS)通過監(jiān)測運行機車車輛輪軌間的動力學(xué)參數(shù)預(yù)報車輪踏面損傷故障和識別機車車輛運行狀態(tài)； 軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)通過采集分析機車車輛軸承的振動聲音信號預(yù)報滾動軸承的早期故障。

(3) 和諧型機車運維管理數(shù)據(jù)。為滿足機車“造、修、管、用”業(yè)務(wù)需求，鐵路部門建設(shè)應(yīng)用了鐵路機務(wù)管理信息系統(tǒng)(JMIS)，該系統(tǒng)在機車造修企業(yè)、鐵路局集團公司及其下屬機務(wù)段、機車檢修段等單位應(yīng)用，提供包括了機車及關(guān)鍵零部件新造、運用、整備、檢修、故障等運維管理及現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)。

2 設(shè)計思路

和諧型機車健康監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)具有數(shù)量巨大、來源廣泛、種類及結(jié)構(gòu)多樣、實時性和質(zhì)量要求高等特點，需要系統(tǒng)性、整體性地進行設(shè)計。為推進和實現(xiàn)和諧型機車由周期性計劃預(yù)防修向數(shù)字化精準(zhǔn)預(yù)防修的轉(zhuǎn)變，結(jié)合機車運用維修實際情況及管理應(yīng)用需求的主要設(shè)計思路如下：

(1) 搭建統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測平臺。結(jié)合和諧型機車健康監(jiān)測數(shù)據(jù)資源情況，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)及大數(shù)據(jù)采集、存儲、治理、計算分析等技術(shù)，搭建統(tǒng)一的和諧型機車健康監(jiān)測平臺，該平臺支持海量異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲處理，同時具有高效的分布式并行計算和分析能力。

(2) 建立規(guī)范的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)體系。對和諧型機車健康監(jiān)測數(shù)據(jù)資源進行規(guī)范定義，通過數(shù)據(jù)的抽取、匯集、清洗、轉(zhuǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，集成融合和諧型機車及關(guān)鍵零部件全壽命周期設(shè)計制造、監(jiān)測、檢測、整備、檢修等相關(guān)數(shù)據(jù)，為和諧型機車健康評估和故障預(yù)測提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

(3) 提供開放的模型管理支持。PHM技術(shù)的核心在于實現(xiàn)從傳統(tǒng)基于傳感器診斷轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥悄芩惴ā⒛Ｐ皖A(yù)測。和諧型機車健康監(jiān)測平臺提供開放、規(guī)范的算法及模型管理能力，實現(xiàn)模型的封裝、注冊、測試、發(fā)布等管理服務(wù)，支持不同部件單元、不同類型的故障預(yù)測模型在平臺中應(yīng)用。

(4) 形成閉環(huán)聯(lián)動的數(shù)字化預(yù)測修管理。在和諧型機車健康監(jiān)測平臺中實現(xiàn)全路和諧型機車狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預(yù)測、維修決策建議等功能，通過與機務(wù)段/檢修段、機車造修企業(yè)之間的貫通應(yīng)用，實現(xiàn)機車故障預(yù)測信息在維修生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全過程閉環(huán)管理，超前預(yù)測，及時維修，提高裝備的安全性和可靠性。

3 設(shè)計方案

3.1 總體架構(gòu)

和諧型機車健康監(jiān)測平臺在國鐵集團一級部署，為國鐵集團、鐵路局集團公司、機務(wù)段/檢修段、機車造修企業(yè)各級用戶提供機車狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、健康評估、視情維修等應(yīng)用服務(wù)；匯集和諧型機車車載、地面實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，機車造修企業(yè)、機務(wù)段/檢修段各類設(shè)計制造、運用維修數(shù)據(jù)，以及工務(wù)、電務(wù)、調(diào)度等相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)，建立面向健康監(jiān)測主題的、具有集成性和規(guī)范性的PHM數(shù)據(jù)倉庫；建立PHM模型集市，提供實時的高并發(fā)計算及處理能力，支持和諧型機車各類預(yù)測模型上線運行與驗證運行；通過與機務(wù)段/檢修段JMIS整備、檢修系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)和諧型機車各類預(yù)測故障的綜合閉環(huán)管理；通過與機車造修企業(yè)的信息交互，促進設(shè)計、制造、維修技術(shù)的改進。和諧型機車健康監(jiān)測平臺總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 和諧型機車健康監(jiān)測平臺總體架構(gòu)設(shè)計圖

3.2 技術(shù)架構(gòu)

和諧型機車健康監(jiān)測平臺依托云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，基于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)集成化、應(yīng)用平臺化、模型組件化的設(shè)計理念，實現(xiàn)基于云化、分布式和服務(wù)化的技術(shù)架構(gòu)。和諧型機車健康監(jiān)測平臺技術(shù)架構(gòu)可分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)平臺層、支撐服務(wù)層和應(yīng)用層，如圖2所示。

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施層。基于國鐵集團服務(wù)器集群、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施資源進行平臺部署。

(2) 數(shù)據(jù)平臺層。和諧型機車健康監(jiān)測平臺的核心。基于Hadoop開源框架，利用數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)ETL處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)計算分析等大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)，搭建松耦合、高效率和高可用的數(shù)據(jù)平臺。使用分布式消息隊列Kafka進行數(shù)據(jù)定制化采集；基于分布式文件系統(tǒng)(HDFS)、資源調(diào)度(YARN)、計算引擎(Spark)等進行數(shù)據(jù)ETL處理；使用HBase、Hive、MySQL等方式建立數(shù)據(jù)倉庫，滿足海量歷史、實時數(shù)據(jù)存儲與批量計算需求；采用批量計算、流計算、內(nèi)存計算等數(shù)據(jù)處理方式進行分布式并行計算；部署數(shù)據(jù)挖掘算法庫及工具，建立模型集市，支持各種經(jīng)驗類、數(shù)據(jù)驅(qū)動類、機理類模型的構(gòu)建。

(3) 支撐服務(wù)層。基于微服務(wù)架構(gòu)框架，使用可視化組件、報表組件、API接口管理等實現(xiàn)應(yīng)用解耦和支持敏捷開發(fā)。

(4) 應(yīng)用層。基于頁面組件設(shè)計、展示布局及樣式等技術(shù)，面向各類用戶實際需要，提供和諧型機車健康監(jiān)測平臺應(yīng)用及功能。

圖2 和諧型機車健康監(jiān)測平臺技術(shù)架構(gòu)

3.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

和諧型機車健康監(jiān)測平臺的關(guān)鍵在于通過實時、高效、高質(zhì)量地采集、存儲及處理海量數(shù)據(jù)為狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、健康評估等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。按照數(shù)據(jù)倉庫分層設(shè)計理念，和諧型機車健康監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)架構(gòu)總體可分為數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)明細層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 和諧型機車健康監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)架構(gòu)

(1) 數(shù)據(jù)源層。用于存放多數(shù)據(jù)源提供的原始數(shù)據(jù)，該層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與原始數(shù)據(jù)保持基本一致，由定義好的數(shù)據(jù)ETL程序采用增量或全量獲取數(shù)據(jù)的方式將該層數(shù)據(jù)抽取到數(shù)據(jù)明細層。

(2) 數(shù)據(jù)明細層。對原始數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換以及標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成和諧型機車新造、檢修、運用、監(jiān)測、檢測、環(huán)境等全量的歷史數(shù)據(jù)，該層數(shù)據(jù)的保存周期根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要確定。

(3) 數(shù)據(jù)集成層。按業(yè)務(wù)主題域?qū)?shù)據(jù)明細層的數(shù)據(jù)進行抽象、歸類、重組，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)實體以及業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)的集成整合。和諧型機車屬于基于組件關(guān)系的離散性資產(chǎn)，平臺基于統(tǒng)一的機車及部件裝配結(jié)構(gòu)，按照機車整車、各層級部件的維度進行全壽命周期“一車一檔”“一件一檔”數(shù)據(jù)的集成整合，滿足健康監(jiān)測數(shù)據(jù)快速訪問的需要。

(4) 數(shù)據(jù)應(yīng)用層。提供多種形式的數(shù)據(jù)服務(wù)，為具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行計算分析及查詢，形成和諧型機車全壽命技術(shù)檔案、部件狀態(tài)及指標(biāo)分析、各類分析報表等所需的數(shù)據(jù).

4 應(yīng)用展望

和諧型機車健康監(jiān)測平臺主要實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、健康評估、維修生產(chǎn)支持、維修決策支持5個方面的應(yīng)用，為和諧型機車修程修制改革和數(shù)字化精準(zhǔn)預(yù)防修提供技術(shù)支撐。

(1) 狀態(tài)監(jiān)測。實現(xiàn)對全路和諧型機車運行位置、運行狀態(tài)、運行參數(shù)、故障報警、機車配屬、走行里程、機車乘務(wù)員等信息的綜合展示及實時監(jiān)控，實時掌握機車在途運行狀態(tài)。

(2) 故障預(yù)測。綜合傳感器診斷和各類預(yù)測模型的故障預(yù)測信息，實現(xiàn)和諧型機車所有歷史故障預(yù)測信息的展示，并關(guān)聯(lián)故障信息在維修生產(chǎn)環(huán)節(jié)的閉環(huán)處置信息，形成和諧型機車故障預(yù)測及處置的完整數(shù)據(jù)鏈。

(3) 健康評估。通過建立和諧型機車及關(guān)鍵零部件健康等級與評價指標(biāo)體系，對機車健康狀態(tài)進行全面、概要描述，實現(xiàn)對機車健康度評估的展示和健康報警。

(4) 維修生產(chǎn)支持。通過故障診斷給出故障處置和維修建議，并將維修建議主動推送給機務(wù)段/檢修段故障處理分析人員，實現(xiàn)和諧型機車故障提票、處置和銷號的閉環(huán)管理，為數(shù)字化精準(zhǔn)預(yù)防修提供技術(shù)支撐。

(5) 維修決策支持。綜合和諧型機車全壽命技術(shù)檔案、健康狀態(tài)評估、故障歷史等數(shù)據(jù)，針對整車及部件的服役性能演化規(guī)律、運用質(zhì)量、檢修質(zhì)量、設(shè)計制造改進進行數(shù)據(jù)分析，輔助維修管理決策。

5 結(jié)束語

PHM技術(shù)的作用是提高系統(tǒng)安全性、可靠性和可維修性，降低裝備全壽命周期成本，將事后維修和計劃維修轉(zhuǎn)變?yōu)榛跔顟B(tài)的維修[6]。本文結(jié)合和諧型機車車載及地面實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，提出了和諧型機車健康監(jiān)測平臺的總體設(shè)計思路和設(shè)計方案，為和諧型機車健康監(jiān)測平臺的搭建提供設(shè)計依據(jù)。基于本文提出的和諧型機車健康監(jiān)測平臺總體設(shè)計，在國鐵集團開展了大數(shù)據(jù)平臺搭建及數(shù)據(jù)的集成整合，已經(jīng)實現(xiàn)了和諧型機車的健康狀態(tài)實時監(jiān)測與故障預(yù)警，后續(xù)還需推進平臺在和諧型機車全壽命周期管理各階段的應(yīng)用。