城軌列車(chē)車(chē)載健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

郭燕輝

（北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)正在改變城市軌道交通的管理與運(yùn)營(yíng)方式。通過(guò)各類(lèi)新技術(shù)的運(yùn)用，地鐵運(yùn)營(yíng)商得以實(shí)時(shí)收集和分析設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而識(shí)別缺陷、預(yù)測(cè)故障和安排維修，促使軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑牧熊?chē)系統(tǒng)［1-3］。故障預(yù)測(cè)與健康管理利用先進(jìn)傳感器獲取系統(tǒng)關(guān)鍵部件或單元的運(yùn)行參數(shù)，借助各種智能推理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和預(yù)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)智能化的狀態(tài)維修［4-5］。

軌道交通裝備關(guān)鍵系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)向架、牽引、制動(dòng)、門(mén)控等系統(tǒng)）的可靠性直接影響列車(chē)的整體安全性和可用性，系統(tǒng)的故障可能會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，計(jì)劃外停車(chē)也將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果，甚至威脅安全［6-7］。因此，選擇合適的PHM體系結(jié)構(gòu)對(duì)于軌道交通裝備的主機(jī)制造單位和運(yùn)營(yíng)單位而言至關(guān)重要。

文中通過(guò)構(gòu)建城軌列車(chē)車(chē)載健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，并以車(chē)門(mén)系統(tǒng)健康管理子系統(tǒng)為典型案例進(jìn)行說(shuō)明。從車(chē)門(mén)系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析入手，通過(guò)對(duì)故障關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析，建立在線故障分析、診斷以及預(yù)警的子系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了軟件的仿真及實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證。車(chē)載健康管理系統(tǒng)還可以借助無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)載數(shù)據(jù)的落地，利用地面數(shù)據(jù)中心作為大數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及運(yùn)維管理。

1 車(chē)載健康管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 總體架構(gòu)

車(chē)載健康管理系統(tǒng)在充分利用車(chē)載傳感器的基礎(chǔ)上，形成模塊級(jí)—子系統(tǒng)級(jí)—列車(chē)級(jí)架構(gòu)的車(chē)載健康管理系統(tǒng)，并通過(guò)車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)將列車(chē)健康管理數(shù)據(jù)傳輸至地面專(zhuān)家系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)車(chē)載健康管理系統(tǒng)和地面專(zhuān)家系統(tǒng)的模型運(yùn)算和數(shù)據(jù)分析，預(yù)先診斷各系統(tǒng)的健康狀態(tài)，對(duì)列車(chē)進(jìn)行健康管理。車(chē)載健康管理的系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 車(chē)載健康管理系統(tǒng)架構(gòu)

車(chē)載健康管理系統(tǒng)邏輯架構(gòu)模式包括以下3個(gè)方面：

（1）模塊級(jí)：模塊級(jí)單元由車(chē)載傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)車(chē)輛各系統(tǒng)關(guān)鍵部件的邊緣側(cè)數(shù)據(jù)采集，將傳感器采集的車(chē)輛各種狀態(tài)信息發(fā)送給子系統(tǒng)級(jí)PHM單元。

（2）子系統(tǒng)級(jí)：子系統(tǒng)PHM單元通過(guò)數(shù)據(jù)處理、模型運(yùn)算進(jìn)行單車(chē)單系統(tǒng)的健康管理和故障預(yù)測(cè)，并將運(yùn)算結(jié)果和部分關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給列車(chē)級(jí)車(chē)載健康管理主機(jī)。

（3）列車(chē)級(jí)：列車(chē)級(jí)車(chē)載健康管理主機(jī)接收各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后，從列車(chē)級(jí)的角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)的健康管理、故障預(yù)測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸，并對(duì)涉及行車(chē)的預(yù)警信息進(jìn)行提示。與傳統(tǒng)車(chē)輛的存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)記錄儀及無(wú)線傳輸裝置相比，車(chē)載健康管理主機(jī)集成大數(shù)據(jù)處理模塊，借助人工智能芯片和模型庫(kù)增加車(chē)載智能計(jì)算功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

車(chē)載健康管理系統(tǒng)通過(guò)列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)將車(chē)輛各個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)，通過(guò)交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)PHM子系統(tǒng)和車(chē)載數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)級(jí)聯(lián)，形成分布式存儲(chǔ)、分布式計(jì)算以及級(jí)聯(lián)擴(kuò)展的PHM應(yīng)用。車(chē)載PHM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。關(guān)鍵子系統(tǒng)的PHM單元，如牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，通過(guò)以太網(wǎng)接口分別連接至車(chē)輛以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與車(chē)載健康管理主機(jī)的交互，將子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息以及預(yù)處理的結(jié)果傳送到列車(chē)級(jí)進(jìn)行統(tǒng)一處理。車(chē)載健康管理主機(jī)接收子系統(tǒng)發(fā)送的健康管理數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建車(chē)載分析預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行PHM所需的運(yùn)算，如故障定位、診斷、預(yù)測(cè)與壽命預(yù)估等。車(chē)載健康管理主機(jī)具備車(chē)地傳輸?shù)耐ㄐ沤涌冢梢酝ㄟ^(guò)4G/5G等無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)落地，并采用防火墻技術(shù)進(jìn)行信息的安全隔離。

圖2 車(chē)載健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)功能

車(chē)載健康管理系統(tǒng)主要功能包括狀態(tài)監(jiān)視、故障預(yù)警、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。系統(tǒng)通過(guò)傳感與數(shù)據(jù)采集，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、特征提取等預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視，通過(guò)對(duì)故障、狀態(tài)、操作、參數(shù)類(lèi)別和產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析，對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)/子系統(tǒng)、部件進(jìn)行性能建模，設(shè)置相應(yīng)的處理規(guī)則，通過(guò)與人機(jī)接口的交互，完成故障預(yù)警以及故障管理，并對(duì)健康管理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)將結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，以便后續(xù)數(shù)據(jù)的下載及問(wèn)題的進(jìn)一步分析排查。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載健康管理數(shù)據(jù)在列車(chē)內(nèi)部的傳輸，并通過(guò)無(wú)線傳輸通道，轉(zhuǎn)發(fā)至地面大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行健康管理。

系統(tǒng)通過(guò)一系列健康管理功能的實(shí)現(xiàn)，辨識(shí)車(chē)輛子系統(tǒng)或部件的狀態(tài)趨勢(shì)，預(yù)測(cè)將要發(fā)生的故障并預(yù)警，達(dá)到智能控制與自主決策的目標(biāo)。

2 車(chē)門(mén)健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于車(chē)門(mén)系統(tǒng)的特殊性，其故障發(fā)生的頻率也遠(yuǎn)高于牽引、制動(dòng)等其他車(chē)輛子系統(tǒng)，根據(jù)北京某線路地鐵車(chē)輛子系統(tǒng)故障率統(tǒng)計(jì)情況，門(mén)系統(tǒng)故障率占比超過(guò)40%，在各個(gè)子系統(tǒng)故障率中居首位，因此，開(kāi)展車(chē)門(mén)系統(tǒng)故障診斷方法的研究意義重大［1］。在現(xiàn)有的車(chē)門(mén)診斷體系中，已融入了部分自動(dòng)診斷的技術(shù)。通過(guò)PHM技術(shù)構(gòu)建智能化分析預(yù)測(cè)模型，當(dāng)車(chē)門(mén)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能夠立即判斷故障類(lèi)型、故障位置、故障嚴(yán)重程度；更重要的，能給出造成故障的可能原因列表，以及每種原因?qū)?yīng)的概率值，從而提高分析效率。

2.1 故障分析

車(chē)門(mén)故障可以分為機(jī)械故障和電氣故障。機(jī)械故障主要是車(chē)門(mén)尺寸變形或機(jī)械尺寸調(diào)整不到位等引起的車(chē)門(mén)限位開(kāi)關(guān)故障，機(jī)械零件丟失、磨損，絲桿撓曲等。電氣故障主要表現(xiàn)為電子門(mén)控單元、電源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、門(mén)外部指示燈、繼電器等故障引起車(chē)門(mén)開(kāi)、關(guān)問(wèn)題等。

根據(jù)車(chē)門(mén)故障發(fā)生后的損失嚴(yán)重性與故障發(fā)生的頻次，可將故障空間劃分為4個(gè)象限，如圖3所示。

圖3 車(chē)門(mén)故障的四象限圖劃分

Ⅰ：系統(tǒng)設(shè)計(jì)有原則性問(wèn)題，需要重新設(shè)計(jì)。Ⅱ：密切監(jiān)控+多備件。

Ⅲ：故障報(bào)警/診斷+應(yīng)激維修。

Ⅳ：智能感知+故障預(yù)測(cè)。

如果第一象限內(nèi)的故障時(shí)常發(fā)生，且每次發(fā)生都會(huì)造成很大損失，說(shuō)明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)存在缺陷，需要立刻優(yōu)化設(shè)計(jì)；相反，第三象限的故障不常發(fā)生，且造成的損失小，一般采用故障診斷/報(bào)警以及應(yīng)激式維修的方式應(yīng)對(duì)。因此，PHM研究的重點(diǎn)在第二與第四象限。第二象限的故障屢屢發(fā)生，頻繁維護(hù)導(dǎo)致成本較高。故采用“系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控+多備件”的形式處理。除了故障診斷，也可采用少量的故障預(yù)測(cè)技術(shù)，以方便提前備件，加快維修速度。第四象限的故障偶爾發(fā)生，但一旦發(fā)生將造成很大損失（如直流電機(jī)及其功率器件故障），因此必須采用故障預(yù)測(cè)/預(yù)警以及壽命預(yù)估等手段，通過(guò)提前更換零件等方法，在隱患發(fā)生之前就將之排除，以求該象限的故障發(fā)生概率接近于零。

根據(jù)以上原則，在設(shè)計(jì)方案中選定需要預(yù)測(cè)的故障模式見(jiàn)表1，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。

表1 需預(yù)測(cè)故障模式

針對(duì)所預(yù)測(cè)的故障，需要收集大量故障相關(guān)的真實(shí)數(shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行“樣本化”，對(duì)合格的樣本進(jìn)行分析挖掘、特征提取。在此基礎(chǔ)上，方可進(jìn)一步開(kāi)展方案設(shè)計(jì)及算法模型的驗(yàn)證工作。

2.2 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)車(chē)載健康管理系統(tǒng)架構(gòu)，車(chē)門(mén)系統(tǒng)車(chē)載健康管理架構(gòu)由以下3大部分構(gòu)成，分別為模塊級(jí)數(shù)據(jù)采集、車(chē)門(mén)子系統(tǒng)級(jí)預(yù)處理和列車(chē)級(jí)診斷預(yù)測(cè)。其中，模塊級(jí)數(shù)據(jù)采集包括各類(lèi)傳感器及開(kāi)關(guān)器件的信號(hào)輸入；車(chē)門(mén)子系統(tǒng)級(jí)預(yù)處理主要由車(chē)門(mén)控制單元實(shí)現(xiàn)，對(duì)門(mén)控?cái)?shù)據(jù)采集處理并向列車(chē)級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)；列車(chē)級(jí)診斷預(yù)測(cè)由車(chē)載健康管理主機(jī)實(shí)現(xiàn)，主機(jī)上搭載了針對(duì)車(chē)門(mén)系統(tǒng)的各類(lèi)故障分析預(yù)測(cè)模型。

模塊級(jí)數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)各類(lèi)傳感器實(shí)現(xiàn)，針對(duì)車(chē)門(mén)健康管理需要監(jiān)測(cè)的電機(jī)電流、開(kāi)關(guān)信號(hào)、編碼器信號(hào)等設(shè)置相應(yīng)的傳感器，方案的具體設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 模塊級(jí)數(shù)據(jù)采集設(shè)置

車(chē)門(mén)子系統(tǒng)級(jí)預(yù)處理由車(chē)門(mén)控制單元實(shí)現(xiàn)。車(chē)門(mén)控制單元主要負(fù)責(zé)車(chē)門(mén)控制指令下發(fā)，車(chē)門(mén)運(yùn)行狀態(tài)上傳。在增加健康管理功能后，相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和傳輸同樣由控制單元實(shí)現(xiàn)。車(chē)門(mén)控制單元是車(chē)門(mén)系統(tǒng)健康管理架構(gòu)的主要數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的關(guān)鍵部分。首先，車(chē)門(mén)控制單元通過(guò)內(nèi)部CAN總線將運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送至主車(chē)門(mén)控制單元（MDCU），主車(chē)門(mén)控制單元具有對(duì)外的以太網(wǎng)板卡及接口，主車(chē)門(mén)控制單元接收到整節(jié)車(chē)廂的運(yùn)行數(shù)據(jù)后重新打包發(fā)送至PHM列車(chē)級(jí)車(chē)載健康管理主機(jī)，通過(guò)車(chē)載健康管理主機(jī)實(shí)現(xiàn)診斷及預(yù)警，并通過(guò)車(chē)地傳輸通道，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛鍼HM系統(tǒng)。

車(chē)載健康管理主機(jī)用于接收列車(chē)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)及事件/故障/健康管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載智能計(jì)算，通過(guò)車(chē)載顯示屏給出預(yù)警提示信息，并可通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)時(shí)傳輸?shù)降孛鍼HM系統(tǒng)。車(chē)載健康管理主機(jī)除了具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及無(wú)線傳輸功能外，最主要的是集成了大數(shù)據(jù)處理模塊，可借助人工智能芯片和模型庫(kù)增加車(chē)載智能計(jì)算功能。車(chē)載健康管理主機(jī)通過(guò)與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制及監(jiān)控系統(tǒng)、地面專(zhuān)家系統(tǒng)協(xié)同使用，使整個(gè)車(chē)載健康管理系統(tǒng)能力最大化，并提高整個(gè)車(chē)輛健康管理系統(tǒng)項(xiàng)目執(zhí)行效率。

車(chē)門(mén)車(chē)載健康管理方案總體構(gòu)成如圖4所示。

圖4 車(chē)門(mén)健康管理系統(tǒng)方案

3 模型仿真及系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

車(chē)門(mén)健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是故障診斷及健康評(píng)估模型的構(gòu)建。在設(shè)計(jì)前期，主要依賴于對(duì)既有所積累數(shù)據(jù)的挖掘分析及特征提取，通過(guò)構(gòu)建軟件仿真模型，在地面進(jìn)行模擬測(cè)試，通過(guò)既有數(shù)據(jù)，構(gòu)建出符合車(chē)門(mén)故障判定的有效模型，初步實(shí)現(xiàn)部分故障的預(yù)警功能。在后期，通過(guò)PHM方案的實(shí)車(chē)部署，可對(duì)前期構(gòu)建的模型進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，驗(yàn)證模型的合理性及有效性，同時(shí)可進(jìn)一步獲得更為充足的故障數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)前期設(shè)計(jì)不斷反饋、調(diào)整及迭代，得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型與部件壽命預(yù)估模型。

3.1 模型仿真

針對(duì)門(mén)控系統(tǒng)的車(chē)載健康管理的設(shè)計(jì)，選取其中典型的案例，通過(guò)Simulink軟件進(jìn)行建模，并對(duì)仿真模型進(jìn)行仿真模擬。

（1）車(chē)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)異常模型

在車(chē)門(mén)關(guān)閉且車(chē)輛零速信號(hào)無(wú)效時(shí)，車(chē)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定的信號(hào)狀態(tài)，如果鎖閉開(kāi)關(guān)出現(xiàn)短時(shí)的跳變信號(hào)，則可推斷鎖閉開(kāi)關(guān)狀態(tài)可能出現(xiàn)異常。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，如果次數(shù)累計(jì)到規(guī)定的數(shù)值，則判定為車(chē)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)出現(xiàn)異常。

Simulink模型構(gòu)建，主要分成信號(hào)檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)模塊、時(shí)間分片及計(jì)時(shí)模塊幾個(gè)部分。模型如圖5所示。信號(hào)檢測(cè)模塊主要是針對(duì)3個(gè)基本周期內(nèi)短時(shí)的脈沖進(jìn)行篩選，在滿足篩選條件時(shí)給出觸發(fā)信號(hào)；計(jì)數(shù)模塊對(duì)出現(xiàn)短時(shí)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)進(jìn)行累加計(jì)算；時(shí)間分片及計(jì)時(shí)模塊如圖6所示，通過(guò)對(duì)前后兩個(gè)相鄰脈沖進(jìn)行時(shí)間分割，模塊內(nèi)部由10個(gè)時(shí)間分片子模塊級(jí)連組成，將連續(xù)出現(xiàn)10次短時(shí)脈沖的所有時(shí)間間隔，分別由計(jì)時(shí)子模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)，并判斷總體是否超出設(shè)定的統(tǒng)計(jì)時(shí)間上限；最終模型綜合各模塊及模擬輸入的信號(hào)，給出鎖閉開(kāi)關(guān)異常的預(yù)警信息。

圖5 車(chē)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)異常軟件仿真模型

圖6 時(shí)間分片及計(jì)時(shí)模塊

通過(guò)仿真模型，對(duì)模擬輸入進(jìn)行測(cè)試，可驗(yàn)證模型的有效性。在檢測(cè)到鎖閉開(kāi)關(guān)信號(hào)連續(xù)出現(xiàn)短時(shí)脈沖達(dá)10次后，計(jì)時(shí)未超過(guò)規(guī)定限制，模型診斷出鎖閉開(kāi)關(guān)異常，如圖7所示。

圖7 車(chē)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)異常軟件仿真波形圖

（2）開(kāi)門(mén)阻力異常模型

在車(chē)門(mén)開(kāi)門(mén)的過(guò)程中，零速信號(hào)為有效，即列車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)。正常情況下，排除防擠壓過(guò)程的情況，電機(jī)電流隨著開(kāi)門(mén)過(guò)程呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化。通過(guò)對(duì)變化曲線的分析，當(dāng)車(chē)門(mén)在小于最大開(kāi)度的90%范圍內(nèi)，在特定的位置，如果電機(jī)電流超過(guò)了特定的限值，且在限定的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到了累計(jì)的次數(shù)，則可推斷為開(kāi)門(mén)阻力異常。

車(chē)門(mén)開(kāi)門(mén)阻力異常的Simulink模型主要分成位置檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、預(yù)警模塊幾個(gè)部分，模型如圖8所示。其中，位置檢測(cè)部分主要實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)位置的判斷，綜合判斷是否在檢測(cè)位置范圍內(nèi)；電流檢測(cè)結(jié)合檢測(cè)位置對(duì)電機(jī)電流判斷，在位置范圍內(nèi)，只要檢測(cè)到任意一次超過(guò)規(guī)定的電流值，則給出超限信號(hào)；預(yù)警模塊結(jié)合超限信號(hào)是否連續(xù)的情況，通過(guò)對(duì)超限次數(shù)進(jìn)行累加或清零操作，并在累加值達(dá)到限定值后，給出開(kāi)門(mén)阻力異常預(yù)警。

圖8 車(chē)門(mén)開(kāi)門(mén)阻力異常軟件仿真模型

通過(guò)軟件仿真模擬車(chē)門(mén)連續(xù)開(kāi)門(mén)的過(guò)程，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，如圖9所示。在連續(xù)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，對(duì)開(kāi)門(mén)過(guò)程的電機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)，在滿足特定位置要求范圍內(nèi)，電機(jī)電流未超出限定值，模型不做統(tǒng)計(jì)，當(dāng)超過(guò)限定值時(shí)，模型開(kāi)始累加計(jì)數(shù)。在連續(xù)累加計(jì)數(shù)未超過(guò)10次時(shí)電機(jī)電流恢復(fù)正

圖9 車(chē)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)異常軟件仿真波形圖

常，累加值清零重新計(jì)數(shù)；當(dāng)連續(xù)累加值超出10次，模型給出開(kāi)門(mén)阻力異常預(yù)警信號(hào)。

3.2 實(shí)車(chē)測(cè)試

將構(gòu)建的模型通過(guò)車(chē)載健康管理主機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過(guò)門(mén)控制器將邊沿側(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，車(chē)載健康管理主機(jī)采集門(mén)控器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)模型分析，給出健康管理的診斷結(jié)果。在實(shí)車(chē)情況下，為驗(yàn)證模型的有效性，采取故障模擬的手段對(duì)故障模型進(jìn)行注入。

（1）鎖閉開(kāi)關(guān)異常數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)車(chē)門(mén)控器故障注入，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（24 h），鎖閉開(kāi)關(guān)信號(hào)給出短時(shí)脈沖，并達(dá)到規(guī)定的累計(jì)次數(shù)（10次），車(chē)載健康管理主機(jī)給出鎖閉開(kāi)關(guān)異常的診斷結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 車(chē)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)異常實(shí)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）開(kāi)門(mén)阻力異常數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)車(chē)模擬故障狀態(tài)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（24 h），在車(chē)門(mén)開(kāi)啟到指定位置時(shí)（編碼值1 570±10），電機(jī)電流值超過(guò)限定值（1.5 A），并達(dá)到規(guī)定的累計(jì)次數(shù)（10次），車(chē)載健康管理主機(jī)給出開(kāi)門(mén)阻力異常的診斷結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 車(chē)門(mén)開(kāi)門(mén)阻力異常實(shí)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3 仿真及測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)“鎖閉開(kāi)關(guān)異常”和“開(kāi)門(mén)阻力異常”這2種故障情況進(jìn)行分析，通過(guò)Simulink搭建的仿真模型，建立了故障情況有效判斷的仿真，并在車(chē)載健康管理主機(jī)中，通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)車(chē)的故障數(shù)據(jù)注入，觸發(fā)了相關(guān)的健康診斷預(yù)警的結(jié)果。在模型實(shí)際部署之后，如健康管理系統(tǒng)給出了上述預(yù)警信息，則可分別對(duì)門(mén)鎖閉開(kāi)關(guān)異常、開(kāi)門(mén)異常進(jìn)行針對(duì)性的檢查確認(rèn)。后續(xù)為進(jìn)一步證明模型的合理性及準(zhǔn)確性，可進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，對(duì)報(bào)警情況進(jìn)行分析，從而不斷檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠窈侠恚?duì)模型進(jìn)一步迭代優(yōu)化，以達(dá)到更為理想的效果。

4 結(jié)論

通過(guò)車(chē)載健康管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)，給出了健康管理設(shè)計(jì)實(shí)施的參考。以車(chē)門(mén)子系統(tǒng)PHM的設(shè)計(jì)為例，對(duì)典型故障構(gòu)建了預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)軟件仿真及實(shí)車(chē)測(cè)試，驗(yàn)證了模型的有效性。在健康管理模型部署后，可以通過(guò)健康管理系統(tǒng)給出的預(yù)警結(jié)果，對(duì)部件及設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行診斷并給出相應(yīng)的決策建議，進(jìn)而可對(duì)相應(yīng)的故障進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)及必要的維護(hù)維修。車(chē)載PHM系統(tǒng)的部署，可進(jìn)一步提升城軌車(chē)輛的故障診斷水平，提高維修效率，有效降低關(guān)鍵部件潛在故障影響運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)，為列車(chē)的智能化運(yùn)維提供支撐。