自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)智能化技術(shù)

李躍鵬 張鈺熒 高春雷 徐濟(jì)松 劉尚昆 何喆

1.國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100；

2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)研情況，朔黃鐵路目前對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的管理主要依靠人工錄入相關(guān)信息，以電子文檔的形式保存。存在信息錄入重復(fù)、設(shè)備存在過(guò)修或者漏修的情況，且現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)并不具備對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的臺(tái)賬等信息化管理功能，無(wú)法為設(shè)備的運(yùn)用、維護(hù)提供輔助決策和依據(jù)。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，開展自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)智能化的研究與應(yīng)用［1-3］。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)［4-6］、故障診斷、大數(shù)據(jù)、GIS（Geographic Information System）［7-8］等多種新興功能，構(gòu)建自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)智能化系統(tǒng)。同時(shí)針對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中的各個(gè)階段進(jìn)行分析，以期有效降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本，解決目前設(shè)備在實(shí)際運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體方案

該套運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)從環(huán)境、管理、人、機(jī)器四個(gè)方面考慮，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程的科學(xué)有效性管理，提高設(shè)備的有效壽命，解決設(shè)備在實(shí)際運(yùn)營(yíng)維護(hù)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

1.1 環(huán)境的因素

由于自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備工作環(huán)境十分復(fù)雜，且運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中天氣環(huán)境也不盡相同。因此在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中需要制定不同環(huán)境下的工作方法，針對(duì)不同的環(huán)境條件選用合適的工作方法。

1.2 管理的因素

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作中，管理方法起著紐帶的作用，可以協(xié)調(diào)人機(jī)之間的關(guān)系，降低人員的成本，提高機(jī)器的效率，使得整個(gè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程可以有序健康地進(jìn)行。在運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中建立合理的管理機(jī)構(gòu)，明確各方的責(zé)任，充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況、國(guó)家和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)編纂合理的管理制度，以便制度可以更好地落實(shí)到實(shí)際情況之中。

1.3 人的因素

人的因素是指人的行為對(duì)系統(tǒng)的影響，包括身體的功能、技術(shù)能力水平、人員的精神狀態(tài)等一系列因素。應(yīng)盡可能地減少或杜絕人的不安全行為對(duì)整個(gè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程的影響。在實(shí)際的工作中，要盡可能地發(fā)揮每一位員工的特長(zhǎng)，激發(fā)員工的工作熱情，保證運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程安全有序進(jìn)行。

1.4 機(jī)器的因素

機(jī)器是指工作過(guò)程中所需的各種機(jī)械設(shè)備。先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備可以大幅度提高工作過(guò)程中的效率，因此需要對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)與保養(yǎng)。針對(duì)朔黃鐵路情況，盡力減少自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的不完好情況，作好自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的長(zhǎng)期規(guī)劃，避免因?yàn)橛?jì)劃不全面造成設(shè)備的頻繁使用。在使用過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的流程，避免操作不當(dāng)以及操作失誤所造成的設(shè)備損壞與人員傷亡。

2 智能化運(yùn)營(yíng)維護(hù)方法

2.1 故障率描述

故障率曲線如圖1所示［9］。可知，在設(shè)備使用的初期階段故障率相對(duì)較高，隨著使用時(shí)間推移，故障率先有所降低后逐漸升高。

圖1 故障率曲線

大部分設(shè)備的故障率都是時(shí)間的函數(shù)，故障率可以使用威布爾分布來(lái)進(jìn)行描述。威布爾分布是近年來(lái)在設(shè)備壽命可靠性分析中使用最廣泛的模型之一，能整體描述出整個(gè)故障率曲線。故障率λ(t)計(jì)算式為

式中：β為形狀參數(shù)，即分布曲線的形狀；t為時(shí)間；α為尺度參數(shù)，即坐標(biāo)尺度。

當(dāng)β＜1時(shí)，λ(t)呈遞減分布，設(shè)備運(yùn)行在初期；當(dāng)β=1時(shí)，λ(t)為常數(shù)，設(shè)備運(yùn)行在偶發(fā)故障期；當(dāng)β＞1時(shí)，λ(t)呈遞增分布，設(shè)備運(yùn)行在磨損故障期。

2.2 系統(tǒng)的維修性

維修分為事后維修（Corrective Maintenance，CM）、預(yù)防維修（Preventive Maintenance，PM）和可靠性維修（Reliability Maintenance，RM）［10-11］三大類。

現(xiàn)有的維修主要是事后維修結(jié)合預(yù)防維修［12-15］，也就是在故障發(fā)生后進(jìn)行維修，同時(shí)針對(duì)一些發(fā)生故障后會(huì)帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失的設(shè)備采用定期維修或者視情況維修。

本文所述系統(tǒng)可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)GIS、可靠性維修等手段并融合目前已經(jīng)收集到的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)判，從而可以達(dá)成可靠性維修。可靠性理論作為該套自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，利用現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析影響系統(tǒng)的因素，科學(xué)制定維修的內(nèi)容，來(lái)保證設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)的可靠性。

2.3 系統(tǒng)所需時(shí)間

時(shí)間是影響該套運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)的重要因素之一。系統(tǒng)所需時(shí)間分類如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)所需時(shí)間分類

維修時(shí)間又可以繼續(xù)細(xì)分，如事后維修可以分為準(zhǔn)備、檢查故障、預(yù)備材料、事后維修時(shí)間、調(diào)試時(shí)間、驗(yàn)證時(shí)間、清掃時(shí)間；其中事后修維修時(shí)間又可以細(xì)分為原位修理時(shí)間、拆卸裝配時(shí)間、拆卸替換零件時(shí)間。

采用正態(tài)分布進(jìn)行維修的時(shí)間預(yù)估。平均修理時(shí)間（Mean Time to Repair，MTTR）為可修復(fù)產(chǎn)品的平均修理時(shí)間。

對(duì)于該套系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，平均修理時(shí)間TMTTR計(jì)算式為

式中：μlτ為維修時(shí)間τ的對(duì)數(shù)均值：σlτ為維修時(shí)間τ的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

μlτ、σlτ計(jì)算式為

式中：τi為第i次的維修時(shí)間［16］；N為總的維修觀察次數(shù)；S lτ為維修時(shí)間子樣的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

系統(tǒng)根據(jù)式（2）并結(jié)合已有數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備的維修時(shí)間進(jìn)行預(yù)估，同時(shí)根據(jù)最優(yōu)化的理論尋找到最有效且時(shí)間最短的維修過(guò)程。

2.4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理

以朔黃鐵路的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備為例，根據(jù)其故障記錄，針對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)采集到的故障運(yùn)行信息利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)掘故障數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

該模型需要大量的數(shù)據(jù)樣本對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，本文所用系統(tǒng)可以將訓(xùn)練前后數(shù)據(jù)保存在云端模型，當(dāng)計(jì)算結(jié)果不符合實(shí)際情況時(shí)，可以將數(shù)據(jù)再次調(diào)取進(jìn)行二次計(jì)算，從而糾正訓(xùn)練過(guò)程中的偏差，最大程度地利用已采集到的故障信息數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)影響運(yùn)營(yíng)維護(hù)的參數(shù)給予不同的權(quán)重值進(jìn)行計(jì)算。利用已有數(shù)據(jù)信息生成訓(xùn)練集的樣本，對(duì)不同的故障狀態(tài)進(jìn)行迭代訓(xùn)練，將最終輸出的結(jié)果按照占整個(gè)系統(tǒng)故障率的比例進(jìn)行分類。

在訓(xùn)練過(guò)程中將故障分成三大類。第一類為占整個(gè)系統(tǒng)故障率10%以上的故障，第二類為占整個(gè)系統(tǒng)故障率1%~10%的故障，第三類為占整個(gè)系統(tǒng)故障率1%以下的故障。

將對(duì)第一類故障在系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)定為最高，同時(shí)可以根據(jù)各部件出現(xiàn)故障的頻次來(lái)做好對(duì)故障頻發(fā)模塊備件的采購(gòu)工作。此外該系統(tǒng)可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景動(dòng)態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，獲得在不同應(yīng)用場(chǎng)景下各部件發(fā)生故障的頻次信息。

2.5 GIS定位

為了便于用戶使用，自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)融合了GIS功能，可以在數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)定位自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備所在位置以及運(yùn)行狀態(tài)，將采集的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備信息進(jìn)行管理與分析，并通過(guò)屏幕展示自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的有關(guān)信息。如果在運(yùn)行中，自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，以便人員進(jìn)行檢修。設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后，可以與設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程連線，以便專家實(shí)時(shí)解決在現(xiàn)場(chǎng)中遇到的問(wèn)題。

3 實(shí)際運(yùn)用

該套系統(tǒng)的人機(jī)交互界面如圖4所示，通過(guò)該界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)定位，并將故障信息顯示在界面上。在使用實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于采用該系統(tǒng)前，使用該系統(tǒng)后對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)所需要的時(shí)間成本、人工成本以及經(jīng)濟(jì)成本均顯著降低，說(shuō)明該系統(tǒng)可以有效提升自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)質(zhì)量。

圖4 人機(jī)交互界面

4 結(jié)語(yǔ)

GIS、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)處理等現(xiàn)代化技術(shù)的出現(xiàn)極大地提高了實(shí)現(xiàn)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)智能化的可能性。自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)的采用有效提高了設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)的管理水平，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)所需要的人力、物力、財(cái)力與時(shí)間成本，并可以形成自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的故障管理庫(kù)及與每臺(tái)設(shè)備匹配的狀態(tài)檢修的數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)測(cè)相關(guān)的故障信息。經(jīng)朔黃鐵路實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證，該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)質(zhì)量有很大提高，不僅能夠有效提升設(shè)備自感知能力，而且能夠解決設(shè)備在實(shí)際運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。