鐵路客車故障預測與健康管理（PHM）系統*

王后闖，曾陸洋，2，3，郝國梁，3，楊紅運，劉 峰，2，3

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；3 中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路與城軌交通系統技術國家工程研究中心，北京 100081）

隨著智能化和信息化在鐵路客車安全監測管理和應用中的不斷深入，管理部門對鐵路客車的狀態監測和運行數據的整合共享、挖掘和增值需求越來越強烈。一方面全路客車各類安全狀態監測數據在時間上經歷了四季交替，空間上遍布全國各地，已覆蓋多個維度。另一方面，鐵路客車有著頻次多、重復性高等特點，大量的運用和維修數據，為鐵路客車的智能運維提供了可行性。故障預測與健康管理系統已在動車組的關鍵部件上嘗試運用［1-2］，為客車進行相關研究提供參考。

客車故障預測與健康管理系統，提出建立多系統、多學科的綜合安全評估體系。搭建了實時客車關鍵部件的故障診斷，以及以大數據為依托的智能化一體分析診斷模型，實現客車故障導向安全，并且為客車地面檢修提供數據支撐。

1 故障預測與健康管理系統方案

客車故障預測與健康管理系統以TCDS地面專家系統［3］為依托，由監測對象、車載系統及地面分析系統形成完善的系統架構。

車載安全監測系統每節車輛設置車輛級安全平臺，通過監測車輛制動系統、轉向架、防滑器運行狀態以及制氧、軸溫、車門、供電、火災、空調、車下電源等系統工作狀態，實時診斷列車運行安全。

客車故障預測與健康管理系統關鍵流程包含了數據獲取、狀態監測、數據處理、數據管理、數據分析、數據融合、故障診斷、故障預測、保障決策等環節。基于維修理論，并以數據為驅動，對客車的運營狀態進行評估，通過分析故障演變趨勢為運用維修、系統設計提供指導，以安全性、經濟性、可靠性為目標，實現軌道交通健康狀態的全壽命周期閉環管理，如圖1所示。

圖1 客車PHM管理流程

1.1 系統功能

客車故障預測與健康管理系統依托TCDS地面專家系統進行，目前客車PHM已實現以下功能：

（1）運行數據展示。提供過程數據展示的用戶接口，并按照時間軸縱向對比，監測子系統橫向對比、車廂間疊加等多角度、多維度對數據進行展示。

（2）智能診斷。對牽引、制動、高壓、車電系統和走行部，以及防火、視頻等監測實現基于運行全過程數據融合分析，對動車組報警事件進行科學有效的定量分析。通過建立專家系統經驗知識庫，對每次下載的數據經過對比分析，在海量現場應用案例中，提取規律性的應用規則，形成在決策和檢修環節的閉環鏈路，自動生成故障檢修通知單并提供檢修意見。

（3）派工維修處理。針對不同程度的報警信息，通過智能決策系統，對其定義、定位、解析、關聯描述及觸發規則進行專家分析，對分析結果最終落實到具體的派工及維修指導意見上，目標明確，層次清晰。可由系統根據規則庫自動生成派工單或由管理人員生成手動派工單。

（4）統計分析。對系統中數據、報警、下載情況、維護情況整合匯總，自動化生成評估報表。

其中，智能診斷模塊，根據運用過程分為如制動系統運用產生的快變故障，和走行監測系統如輪對運用產生的慢變故障。對于快變故障和慢變故障分別采用不同的監測方案。

1.2 快變故障診斷

快變故障報警往往由參數突變，觸發報警閾值引起。其主要參數包含如下：

（1）壓力數據：列車管壓力、停放制動缸壓力。

（2）溫度數據：軸箱軸承、牽引電機軸承、抱軸軸承、齒輪箱軸承的監測溫度。

（3）接地、過流、過壓。

（4）高壓絕緣狀態。

（5）火災探測器信息。

在運行過程中，TCDS系統對實時故障、報警等重要事件，以GPRS方式將數據實時傳輸到地面，重要報警信息的實時落地，可大大提升突發故障的處理效率。緊急突發故障由隨車工程師完成，必要時通知相關站段提前做好故障處理準備，從而保證運行中的故障會得到更有效的處理，更充分保障了列車運行的安全。

1.3 慢變隱患預警

慢變故障通常為記錄的過程數據，通過長期積累，可以對其進行深度加工與挖掘，建立統計模型來發現故障模式、指導檢修。主要有以下幾種類型：

（1）振動數據

監測車體和構架的橫、垂向振動加速度，判斷客車運行時走行部的工作狀態，為轉向架狀態修提供依據。

（2）輪對踏面磨耗信息

輪對踏面磨耗是危及列車運行安全的主要原因之一，踏面磨耗是一個逐漸累積的過程，客車故障監測與健康管理系統通過持續監測其狀態，根據振動數據預判隱患。

慢變隱患預警的診斷決策完成對數據的應用層處理，依據數據的物理特性，生成運用檢修的具體措施，主要診斷依據如下：

①各子系統自身的運行特性、電氣標準等形成知識庫，可以存儲為數據庫或者處理邏輯。

②各子系統的故障分析及其物理意義、關聯部位、觸發條件及劣化程度，并形成故障樹，為檢修工作提供派工依據。

③進行故障數據二次分析，以車為中心進行信息的有效性驗證和合并。

④多系統融合分析。

⑤對數據故障報警等建立數據模型、評價指標、派工標準。

⑥根據派工標準生成故障報警定位，列舉檢修意見。

2 PHM系統運用案例

基于TCDS地面專家系統的客車故障預測與健康管理系統已部分投入運用，下面以輪對動平衡狀態評估為案例進行介紹。

輪對動平衡狀態評估模型利用特征數據聚類技術和狀態變化歷史對比方法對漸變故障進行分析診斷，并給出檢修建議。

自2016年7月3日起，濟南車輛段Z105/106-A組358393車二端轉向架，通過TCDS地面專家系統車輪狀態評估模塊的診斷，連續識別為輪對動不平衡殘余量大于100 g?m，如圖2所示，即輪對處于異常狀態。

圖2 輪對動不平衡殘余量記錄

從地面專家系統中可以看出，隨著車輛運行里程的增加，模塊聚類到A4的概率隨之增大（從7月3日的55.97%逐漸增大到8月29日的98.91%）。自7月3日起，TCDS地面專家系統也開始陸續報出該車構架垂向關注（特征值柱狀圖的閾值判別），如圖3所示。

圖3 358393報警記錄

通過查詢報警發現，自8月25日開始，在車輛運行品質軌邊動態監測系統（TPDS）中也出現了該車二端輪對的沖擊當量異常。

為了進一步確保行車安全，車輛段檢修人員待該車歸段后隨即對其進行了重點檢查，發現二端3、4位輪對出現明顯踏面凹陷剝離。由于輪對存在明顯故障外觀，故提交了臨修申請，并準備進行換輪作業。

通過濟南車輛段轉向架檢修車間的動平衡測試儀，可以量化、直觀地表現輪對的質心偏移與沖擊大小，很大程度地反映了輪對運行狀況的好壞，如圖4所示。

圖4 動平衡試驗

對該車二端轉向架的2個輪對動平衡測試結果如圖5所示。

圖5 358393車3位輪對（左圖）和4位輪對（右圖）試驗結果

測試結果為：358393車3位輪對動不平衡殘余量為287.1 g?m、57.91 g?m；359393車4位輪對動不平衡殘余量為192.0 g?m、24.84 g?m。與TCDS地面專家系統中輪對狀態評估結果（大于100 g?m）均保持一致。

該車臨修完成后重新編入Z105/106-A組，由于二端轉向架全部是換的新輪，按照《鐵路客車臨修規程》的要求其輪對動不平衡殘余量小于50 g?m。通過查看TCDS地面專家系統對該車臨修后的診斷結果，如圖6所示，與輪對實際狀態保持一致。

圖6 358393車臨修后輪對狀態診斷結果

3 結束語

鐵路PHM將故障分為快變故障和慢變故障，對快變故障設置報警閾值，對慢變故障建立演變趨勢診斷模型，建立以大數據為依托的多系統、多學科的綜合安全評估體系，實現客車故障導向安全，并且為軌道交通地面檢修提供數據支撐。以輪對動平衡狀態評估為應用案例，介紹了鐵路客車PHM系統的運用方式和效果。