劉 衎, 毛 琦, 李瑮冉,徐小明,王 營,祖紹鵬
(1.北京縱橫機(jī)電科技有限公司,北京 100094;2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動車段,上海 201803)
隨著軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展,我國各大城市均興起修建城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)線路的熱潮。線路總里程自2010年的1 777 km爆發(fā)式增長至2021年末的超過8 700 km,51個城市開通共計(jì)269條城軌線路,車站數(shù)量達(dá)到5 216座。同時,超過60個城市的新建城軌線路獲得批準(zhǔn)。隨著總里程和線路數(shù)量的不斷增加,在役車輛的總體數(shù)量也呈爆發(fā)式增長,牽引系統(tǒng)部件檢修和維護(hù)更換的壓力逐漸增大。而在軌道交通領(lǐng)域,對安全性、可靠性的要求極為嚴(yán)格,在傳統(tǒng)的牽引系統(tǒng)檢修中,通常實(shí)際故障發(fā)生后先通過線上上報,再由系統(tǒng)供應(yīng)商售后人員登車下載數(shù)據(jù)并發(fā)回分析,即使供應(yīng)商技術(shù)人員可以立即分析出故障原因,也要待車組夜間入庫檢修時才能完成維修作業(yè),這種模式下的牽引系統(tǒng)檢修無法預(yù)判車組運(yùn)行時可能發(fā)生的故障和事故。類似地,根據(jù)車組運(yùn)行里程和運(yùn)行時長確定的固定周期檢修,也無法準(zhǔn)確的判斷整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),盲目的更換部件往往會降低電氣部件使用的平均壽命,也會增加業(yè)主方的經(jīng)營成本。因此,在現(xiàn)有條件下,為提高牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件的運(yùn)維效率,降低業(yè)主方日常的車輛營運(yùn)成本,同時兼顧對城軌列車牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控,應(yīng)用故障預(yù)測與健康管理技術(shù)(PHM)勢在必行。隨著PHM系統(tǒng)廣泛地嘗試運(yùn)用于各個車型,本文將通過分析牽引系統(tǒng)各部件故障預(yù)測的需求和技術(shù)關(guān)鍵,提出一種可以應(yīng)用到城軌牽引系統(tǒng)的PHM架構(gòu),并以實(shí)車測試數(shù)據(jù)為例介紹PHM系統(tǒng)的基本應(yīng)用方法。
故障預(yù)測是一項(xiàng)專注于預(yù)測系統(tǒng)或系統(tǒng)部件無法正常完成預(yù)期功能的一門工程學(xué)科。這種“無法正常完成預(yù)期功能”往往預(yù)示著整個系統(tǒng)已經(jīng)無法達(dá)到既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這種預(yù)測手段,一般通過評估系統(tǒng)與其設(shè)計(jì)的正常性能偏差或在較長時間尺度的性能退化程度來預(yù)測系統(tǒng)部件的性能。
使用較先進(jìn)算法進(jìn)行故障預(yù)測的研究起步于1960年,美英日等各國逐漸發(fā)掘出該項(xiàng)技術(shù)的社會經(jīng)濟(jì)效益,世界各個地區(qū)也迅速跟進(jìn)。隨著幾十年的發(fā)展,PHM技術(shù)逐漸豐富,手段也愈發(fā)多樣,時至今日已成為一個獨(dú)立的研究方向。
我國PHM研究起步較早,但由于基礎(chǔ)薄弱,發(fā)展速度并不理想。1980年之后,我國才從軍工、航天領(lǐng)域開始,逐漸將PHM技術(shù)運(yùn)用到工程領(lǐng)域中。但是受限于傳感器精度和核心算力,PHM技術(shù)的工程化水平與預(yù)期相差仍然較大,研究水平停滯不前,一直處于最初的摸索層面,即使在航天領(lǐng)域也僅僅做到對現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)的跟蹤研究。在鐵路牽引系統(tǒng)領(lǐng)域PHM研究則更為緩慢,可謂是寥若晨星,尤其在城軌領(lǐng)域,關(guān)于牽引系統(tǒng)和其關(guān)鍵部件的PHM產(chǎn)品也沒有成熟的應(yīng)用記錄。
列車牽引系統(tǒng)是城軌列車的核心部分之一,牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效是列車安全平穩(wěn)的運(yùn)行基礎(chǔ)。因此,PHM技術(shù)在列車系統(tǒng)中的應(yīng)用也愈發(fā)迫切。目前的故障處理能力僅可以識別系統(tǒng)的故障狀態(tài),但是無法做到“預(yù)測”和“管理”,實(shí)際上在故障發(fā)生時僅能做到診斷具體故障部件的功能狀態(tài),故障發(fā)生原因則需要值班人員通過數(shù)據(jù)分析才能有更深層的了解,不僅缺少對器件健康度的預(yù)估,也無法有效的提高系統(tǒng)可靠性。PHM技術(shù)的關(guān)鍵在于使用一系列的方法較為準(zhǔn)確的找到系統(tǒng)介于正常和故障之間的非穩(wěn)定狀態(tài),并根據(jù)一定的邏輯和判斷方法,包括但不限于采取車載或者地面的方式進(jìn)行實(shí)時預(yù)警或安全評估,同時根據(jù)提前設(shè)定的應(yīng)急操作辦法進(jìn)行處理,以最大限度的提升牽引系統(tǒng)的安全性能。
2021年初智能動車組上線,標(biāo)志著我國鐵路系統(tǒng)第一款牽引系統(tǒng)PHM正式進(jìn)入了運(yùn)營階段。與交直交供電動車組牽引系統(tǒng)相同,城軌牽引系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)中同樣使用異步電機(jī)交流傳動技術(shù)。特別地,城軌和動車組牽引系統(tǒng)所用的各項(xiàng)外部傳感器數(shù)據(jù)和內(nèi)部采集變量也極為相似,因此城軌牽引系統(tǒng)PHM的上線也逐漸成為大勢所趨。
根據(jù)時間尺度、預(yù)測故障的輕重緩急以及對數(shù)據(jù)采集的頻率需求不同,牽引系統(tǒng)PHM分為車載實(shí)時PHM預(yù)警系統(tǒng)和地面PHM預(yù)警系統(tǒng)。兩者相輔相成,互相彌補(bǔ),可滿足不同部件的預(yù)警需求。
綜合車載和地面牽引系統(tǒng)PHM平臺和列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),組成車輛級的城軌牽引系統(tǒng)PHM平臺,平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城軌車輛級牽引系統(tǒng)PHM平臺架構(gòu)
在單車牽引設(shè)備中,牽引控制器將行車數(shù)據(jù)發(fā)送至牽引PHM板卡中,牽引PHM板卡數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選和處理后,將有關(guān)車輛級別的數(shù)據(jù)發(fā)送整車PHM主機(jī)中,其他相關(guān)數(shù)據(jù)則由車載PHM模型所采集并計(jì)算,并將與整車數(shù)據(jù)相關(guān)的結(jié)果發(fā)送至整車PHM主機(jī),部件級的預(yù)警結(jié)果則回發(fā)至牽引控制器,根據(jù)提前設(shè)定好的方式,將預(yù)警結(jié)果報出,并由相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行處理和反饋,形成有效的閉環(huán)管理。
在整車PHM設(shè)備中,整車PHM主機(jī)作為數(shù)據(jù)交換中樞負(fù)責(zé)收集所有行車數(shù)據(jù)和單車模型計(jì)算結(jié)果,并將結(jié)果發(fā)送到整車PHM模型和列車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,符合條件的相關(guān)故障信息可以在車輛顯示終端顯示,在檢修時,牽引系統(tǒng)供應(yīng)商的相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)顯示終端的提示,綜合列車運(yùn)行的工況和里程,指導(dǎo)庫內(nèi)的檢修和部件的維護(hù)工作。同時,根據(jù)預(yù)警報出的真?zhèn)危P烷_發(fā)單位和牽引系統(tǒng)供應(yīng)商相關(guān)單位需要安排盯控技術(shù)人員實(shí)時關(guān)注模型的判據(jù)、報出邏輯,并及時指導(dǎo)車輛檢修人員進(jìn)行車輛部件的維護(hù)工作。對于確定的由于模型原因造成的預(yù)警不準(zhǔn)確問題,也需要開發(fā)人員及時優(yōu)化模型,形成閉環(huán)管理模式。
車載PHM預(yù)警系統(tǒng)一般采用數(shù)據(jù)采樣頻率較高的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警分析,總體來看,車載PHM主要實(shí)現(xiàn)對實(shí)時性要求較高和判斷邏輯較為簡單的部件進(jìn)行預(yù)警。由于該類預(yù)警算法往往對運(yùn)算量要求并不高,但是對數(shù)據(jù)精度要求較高,因此首先在硬件實(shí)現(xiàn)方面可以通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理板卡或增加額外的預(yù)警專用板卡完成全部的PHM功能。
對于車輛牽引系統(tǒng)而言,車載牽引系統(tǒng)PHM部件預(yù)警中需要加入與控車算法不同的預(yù)警模型,并以一定邏輯算法處理部件級別的運(yùn)行數(shù)據(jù),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載牽引系統(tǒng)PHM預(yù)警平臺架構(gòu)
車載牽引系統(tǒng)PHM部件預(yù)警,主要負(fù)責(zé)處理冷卻系統(tǒng)、傳感器、直流環(huán)節(jié)和功率模塊4個大方向。冷卻系統(tǒng)由于是單獨(dú)成套的系統(tǒng),其車載部件預(yù)警并不包括內(nèi)部功能的判斷,而是判斷溫度和壓力等數(shù)據(jù)變化判斷內(nèi)部是否存在管路或風(fēng)路異常。傳感器狀態(tài)預(yù)警主要針對牽引變流器內(nèi)部的電壓電流傳感器以及由外部引入的速度傳感器。直流環(huán)節(jié)預(yù)警則是根據(jù)預(yù)充電和正常運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)綜合評估包括支撐電容、諧振回路在內(nèi)的中間環(huán)節(jié)各部件的健康程度。而模塊預(yù)警則主要是根據(jù)脈沖激活時刻的電壓電流值對功率模塊的健康度進(jìn)行綜合評估。
由于現(xiàn)有牽引系統(tǒng)板卡采樣頻率已達(dá)到1 kHz以上級別,4種不同部件的預(yù)警均可通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集板卡完成。然而PHM系統(tǒng)僅僅提供預(yù)警功能,為不過多占用其他現(xiàn)有控車軟件板卡的算力,避免車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控車端的帶寬占用比例過高,可以采用新增具有數(shù)據(jù)發(fā)送功能的信號處理板卡的方式,這樣既可以滿足高頻信號采集的需求,也兼顧必要的運(yùn)算能力。同時,單獨(dú)使用的PHM板卡可以新增更多的數(shù)據(jù)采集,彌補(bǔ)控車數(shù)據(jù)的不足,也可以將計(jì)算結(jié)果或者特征變量自牽引系統(tǒng)維護(hù)口發(fā)至整車網(wǎng)絡(luò)非控車線路中,避免大量數(shù)據(jù)造成網(wǎng)絡(luò)堵塞等問題從而影響控車信號傳輸。
當(dāng)板卡中PHM預(yù)警的計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)閾值時,板卡可以通過固定的車載協(xié)議,由以太網(wǎng)和多功能車輛總線(MVB)將數(shù)據(jù)發(fā)送至車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做預(yù)警顯示或直接發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),2種方式均可實(shí)現(xiàn)車載PHM閉環(huán)管理模式。技術(shù)盯控人員結(jié)合預(yù)警時刻的列車運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)分析,判斷結(jié)果若為有效告警則指導(dǎo)現(xiàn)場人員進(jìn)行部件維護(hù)或檢修更換,若為無效告警則需要模型設(shè)計(jì)人員通過優(yōu)化算法從而減少無效告警的報出。
地面牽引系統(tǒng)PHM不需要額外新增硬件設(shè)備,該部分的預(yù)警工作可以通過控車數(shù)據(jù)完成,且按照數(shù)據(jù)采集頻率和時間尺度長短的不同,可以分為2類。采集頻率稍大而時間尺度需求較短的預(yù)警功能,可以經(jīng)由車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將整車的控車數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程發(fā)送功能,實(shí)時發(fā)送至地面PHM數(shù)據(jù)中心,由數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理硬件進(jìn)行預(yù)警模型的計(jì)算。在此情況下,由于需要根據(jù)不同的工況和其他車輛同時刻的運(yùn)行狀態(tài),在較短的時間內(nèi)判斷牽引系統(tǒng)部件在最近一段時間的狀態(tài)是否正常,因此適合復(fù)雜度較低,評判邏輯較為簡單的預(yù)警模型。某些時間持續(xù)需求較長的預(yù)警功能,甚至要積累以月為單位的數(shù)據(jù)量才能獲得有效的預(yù)警效果。例如對冷卻系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析,冷卻系統(tǒng)受外溫、濕度影響較大,不同的季節(jié)溫度上升曲線的趨勢也有較大差距,設(shè)計(jì)PHM預(yù)警模型需要收集大量的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)才能使準(zhǔn)確度和可靠性有所保證。因此此類預(yù)警對數(shù)據(jù)的突變并不敏感,使用采集頻率較低的信號即可完成模型的建立和后期運(yùn)行時期PHM預(yù)警的功能。
由于地面牽引系統(tǒng)PHM可以平臺化的搭建于城軌運(yùn)營公司或者牽引系統(tǒng)供應(yīng)商處,因此不僅優(yōu)化、更新模型較車載PHM更加方便,使得地面牽引系統(tǒng)PHM的預(yù)警模型更新迭代的方式較車載平臺更豐富且更方便。特別是,搭建于運(yùn)營公司處的預(yù)警平臺還可以在預(yù)警分析時額外加入車組運(yùn)行數(shù)據(jù),讓評判角度更加全面。另外,還可以在平臺中搭建預(yù)警結(jié)果數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)的存放所有預(yù)警結(jié)果,每次報出預(yù)警時可以快速匹配歷史信息,使后續(xù)的判斷工作變得更加簡便。最后,經(jīng)判斷后的預(yù)警信息通過篩選,若為真實(shí)預(yù)警則推送至維護(hù)人員處進(jìn)行處理,而無法判斷乃至錯誤的預(yù)警信息將提供給設(shè)計(jì)人員更新優(yōu)化預(yù)警模型,通過不斷的提高預(yù)警準(zhǔn)確度,最終達(dá)到降低真實(shí)故障發(fā)生頻率的目的。
為驗(yàn)證城軌牽引系統(tǒng)PHM的實(shí)際應(yīng)用效果,搭建城軌牽引系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺,通過線下真實(shí)硬件環(huán)境和模擬的高壓供電系統(tǒng)對預(yù)警效果進(jìn)行驗(yàn)證。搭建的半實(shí)物基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 地面牽引系統(tǒng)PHM預(yù)警平臺架構(gòu)

圖4 PHM半實(shí)物仿真示意圖
圖4中用于進(jìn)行預(yù)警模型運(yùn)行的牽引控制單元與實(shí)際裝車相同,通過網(wǎng)絡(luò)通信與Labview上位機(jī)相連,模擬車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與牽引控制單元的網(wǎng)絡(luò)通信,并通過網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)讀取;通過硬線連接半實(shí)物系統(tǒng),模擬牽引系統(tǒng)高壓部分,包括中間直流回路的電氣部件和供電單元等,并通過仿真器上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時修改,達(dá)到模擬車輛中間直流回路電氣部件失效、外部輸入電源異常等特殊工況。
以中間直流回路支撐電容異常為例,預(yù)警模型通過實(shí)時監(jiān)測中間直流回路電壓的脈動分量,即電壓紋波,對中間直流回路的健康程度進(jìn)行評估,根據(jù)設(shè)定的閾值實(shí)時報出預(yù)警。
圖5為車輛牽引系統(tǒng)中間直流回路電壓值,圖中紅色部分為正常運(yùn)行時刻的中間直流回路電壓值,當(dāng)運(yùn)行到圖中箭頭時刻,通過半實(shí)物上位機(jī)修改直流支撐電容值為正常值的二分之一,中間直流回路電壓值出現(xiàn)顯著的紋波,如圖中藍(lán)色部分。測試過程中,PHM實(shí)時計(jì)算的中間直流回路電壓紋波值如圖 6、圖7所示,通過將采集的直流電壓值按照一定時間窗口進(jìn)行分割,針對每個窗口分別進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析,便可以得到直流電壓的紋波分布。此時再根據(jù)幅值大小對不同頻率的紋波進(jìn)行排列,并根據(jù)總紋波電壓判斷中間直流回路的電氣部件是否出現(xiàn)異常。

圖5 中間直流回路電壓值
圖6為牽引系統(tǒng)正常運(yùn)行時的中間直流回路電壓紋波情況,圖7為修改電容值后的中間直流回路電壓紋波情況。對比圖6與圖7,PHM計(jì)算的中間直流電壓基波幅值大體一致,而修改電容值后,電壓紋波值顯著增大,根據(jù)設(shè)定的閾值,報出諧振回路異常標(biāo)志。

圖6 中間直流回路電壓紋波正常值

圖7 中間直流回路電壓紋波異常值
現(xiàn)階段車輛級牽引系統(tǒng)PHM已經(jīng)在多種不同型號列車上進(jìn)行不同程度的應(yīng)用,不同部件的預(yù)警效果各異,但是均在提高維護(hù)檢修效率和避免運(yùn)行故障起到了一定的效果。
在此,以某型號車組中間直流回路電抗器溫度預(yù)警為例,對牽引系統(tǒng)PHM的應(yīng)用效果做簡單介紹。如上文所述,電氣部件的溫度數(shù)據(jù)受環(huán)境溫濕度影響較大,經(jīng)過較長時間的數(shù)據(jù)收集,才可以獲得可信度較高的預(yù)警信息。表1為多個軌道交通線路車輛數(shù)據(jù)回傳至地面PHM預(yù)警平臺,并經(jīng)由平臺內(nèi)置的算法報出的中間直流回路電抗器溫度預(yù)警,表中標(biāo)注的溫度值為報出預(yù)警時前后數(shù)分鐘的最高溫度,處理結(jié)果為盯控人員的具體處理意見,現(xiàn)場反饋結(jié)果則為現(xiàn)場售后人員經(jīng)過車下作業(yè)后填寫的反饋信息。
從報出的溫度和月份來看,不同季節(jié)、不同區(qū)域報出的結(jié)果類似,但是綜合各方面的評判所得出的結(jié)論也不盡相同。例如,3月至4月為柳絮多發(fā)季節(jié),對于即使電抗器溫度低于其他月份也被判定為虛警的預(yù)警信息,也應(yīng)該在收到后及時對濾網(wǎng)進(jìn)行處理。類似地,由于各個月份的平均溫度不同,而電氣部件溫升在相同功率下基本一致,因此預(yù)警判定時的溫度閾值需要根據(jù)線路所在地理位置進(jìn)行調(diào)整。牽引系統(tǒng)負(fù)責(zé)人員會根據(jù)綜合判斷的結(jié)論進(jìn)行響應(yīng),并且會將處理結(jié)果和實(shí)際情況一并回饋至數(shù)據(jù)庫中。從表1中的預(yù)警信息可以看出,判斷為實(shí)警的預(yù)警均有效反映出了散熱器和濾網(wǎng)存在的隱患,并可及時通過現(xiàn)場檢修維護(hù)避免溫度及其相關(guān)次生故障的發(fā)生。當(dāng)該預(yù)警模型的準(zhǔn)確程度達(dá)到特定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或與運(yùn)營公司約定的標(biāo)準(zhǔn)時,運(yùn)營公司可以根據(jù)實(shí)際情況和預(yù)警結(jié)果決定何時對該部件進(jìn)行檢修和維護(hù)工作,從而提高檢修的靈活度,降低運(yùn)行時相關(guān)故障的發(fā)生概率。

表1 中間直流回路電抗器溫度預(yù)警數(shù)據(jù)表 ℃
為提升城軌車輛的維修效率,充分考慮到城軌的智能運(yùn)維和綠色低碳需求,介紹城軌牽引系統(tǒng)PHM的基本情況,提出1 種從部件級到車輛級的PHM平臺架構(gòu):
(1)提出車載牽引系統(tǒng)PHM平臺的架構(gòu)和預(yù)警維護(hù)閉環(huán)方法,提出1 套部件級車載牽引系統(tǒng)PHM的實(shí)現(xiàn)方法,并根據(jù)實(shí)際情況,給出幾種硬件設(shè)備的解決方案。
(2)提出地面牽引系統(tǒng)PHM平臺的架構(gòu),根據(jù)預(yù)警需求的數(shù)據(jù)量、歷史數(shù)據(jù)的長度,綜合給出幾種不同部件的預(yù)警測試方法,并根據(jù)模型優(yōu)化的需求,提出一種閉環(huán)管理的方法。
(3)綜合車載、地面牽引系統(tǒng)PHM平臺,提出城軌車輛級牽引系統(tǒng)PHM平臺,整車PHM主機(jī)將作為中樞系統(tǒng)綜合評判各個單車部件預(yù)警,并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至地面平臺中,形成完整的牽引系統(tǒng)故障預(yù)測和健康管理功能。
(4)通過半實(shí)物仿真和實(shí)車運(yùn)行中對牽引系統(tǒng)PHM的功能進(jìn)行測試,驗(yàn)證牽引系統(tǒng)PHM的實(shí)際運(yùn)用效果。
牽引系統(tǒng)PHM技術(shù)剛剛邁入應(yīng)用階段,從模型搭建到預(yù)警閉環(huán)處理均有待在后續(xù)工作中進(jìn)行完善。而PHM平臺的優(yōu)勢是建立在較高的預(yù)警準(zhǔn)確率上,不完善的模型和算法反而會加重現(xiàn)場處置人員和部件維護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān),因此,搭建完整的城軌牽引系統(tǒng)PHM平臺后,下一步可以在地面、車載平臺搭載機(jī)器學(xué)習(xí)類的算法,例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林算法等,以進(jìn)一步提高PHM平臺穩(wěn)定性,達(dá)到提高預(yù)警準(zhǔn)確度、降低線上故障報出率的目的。