和諧型機車故障預測與健康管理系統總體設計

李成龍，喻冰春，李 鑫，李佳懿，楊 臻

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

我國和諧型機車保有量約12 000余臺，日總走行約700余萬機車km，運行跨度大、環境變化多、工況復雜，是鐵路運輸生產的重要動力源，也是保障客貨運輸服務的重要技術裝備。近年來，中國國家鐵路集團有限公司持續推進和諧型機車修程修制改革工作，以成本支出大項的系統和部件維修為主要研究對象，優化檢修的范圍、標準和方式，開展模塊化、數字化及精準化維修，提升自主檢修能力，逐步構建符合我國國情、路情的機車裝備運用維修（簡稱：運維）體系[1]。現階段，在機車故障預測與健康管理（PHM，fault Prediction and Health Management）方面取得了一些研究成果，和諧型機車專家診斷系統、機車走行部軸承健康管理系統已在部分鐵路局集團公司機務段（簡稱：局段）開展應用，完成對牽引變流器、變壓器、主斷及高隔等關鍵部件的故障檢測、機車走行部軸承健康狀態評估與壽命周期預測；機車PHM+車輪系統相關研究工作也取得了階段性成果，實現了自動生成車輪鏇修通知單、預測車輪剩余壽命等功能[2]。本文基于上述研究，采用大數據和云平臺等技術，設計全國鐵路（簡稱：全路）統一、具有自主知識產權的和諧型機車PHM系統（簡稱：PHM系統），為提升和諧型機車安全可靠性、提高裝備使用效率、降低維修成本提供全面的輔助決策支持，并支持和諧型機車修程修制優化，全面提高機車裝備設計制造及運維技術水平。

1 設計目標

1.1 搭建和諧型機車PHM數據平臺

搭建和諧型機車PHM數據平臺，提供統一規范的數據服務。針對和諧型機車及關鍵零部件全壽命周期內設計、制造、運用、整備、檢修等環節，形成新造、運維、監測、檢測、環境等方面的PHM數據資源目錄，分析數據采集、存儲、管理機制，集成多系統PHM相關數據，進行清洗、轉化、降維、標準化處理，為PHM系統應用提供統一規范的數據服務。

1.2 創建整車和部件PHM運維構型字典庫

以機車系統分類、18類重要零部件為基礎，研究和諧型機車修程修制改革方法，分析部件精準維修涉及的重要零部件，進一步定義和諧型機車運維構型的重要零部件目錄，梳理和規范不同機型的產品裝配結構和部件的名稱、位置及數量，形成PHM運維構型字典庫。

1.3 形成PHM系統模型集市

研究和諧型機車及其部件服役狀態的特征參數和變化規律，進行PHM模型軟件開發、測試驗證、部署使用，形成開放、規范的模型集市，為PHM系統提供健康評估類、故障預測類和視情維修類的模型集市支持。

1.4 搭建PHM系統

結合和諧型機車PHM的應用需求，整合多源數據，與維修生產有機結合，搭建全路統一、具有自主知識產權的PHM系統，為各級用戶提供和諧型機車狀態綜合監測、故障診斷與預測、健康評估管理、數字化精準維修的信息化應用服務支撐，實現高質量、可持續發展的和諧型機車PHM規范應用服務體系。

2 系統設計

2.1 總體架構

PHM系統總體架構符合基于視情維修的開放體系結構（OSA-CBM，Open System Architecture of Condition-Based Maintenance），如圖1所示。

圖1 總體架構

（1）數據采集傳輸：通過消息隊列、數據接口、數據授權等多種方式采集和諧型機車設計制造、運維、監測、檢測和環境的數據，進行數據融合和綜合利用。

（2）數據處理：完成采集數據的融合、特征提取和數據轉換。利用多源、多參數信息，以及歷史信息和經驗信息，分析其相關性，考慮其可信度和精確度，進行數據融合和特征提取，實現PHM業務數據統一存儲和管理。

（3）狀態監測：接收處理后的數據，實時判斷和諧型機車整車、零部件的狀態，根據預定的各種參數指標限值或閾值進行故障報警。

（4）健康評估：接收來自不同狀態健康評估所需要的數據及其他故障診斷、預測的結果，綜合狀態監測信息，基于和諧型機車及部件健康評估標簽模型，評估和諧型機車及其重要零部件的健康狀態等級。

（5）故障預測：依據監測檢測數據、故障記錄、工作狀態、歷史參數及性能演化趨勢，基于整車及部件不同類型的故障預測和壽命預測模型，預測和諧型機車未來可能發生的故障、健康狀態變化趨勢，提出維修周期建議或者下達維修任務等。

（6）維修決策：根據維修知識，依據健康評估結果及壽命預測結果，結合機車運行計劃、檢修計劃，給出回庫檢查、回庫維修等具體處置建議。

（7）模型：搭建整車及零部件故障預測模型、健康評估模型、維修決策模型，分別支持PHM應用，并依據反饋信息不斷優化和完善相關模型。

（8）任務下達：實現將PHM信息傳輸到機車整備、檢修的運維作業環節中，進而將處理結果反饋到數據采集傳輸環節，實現信息的閉環管理[3]。

從對相關問題的深度分析過程中，逐步認識到為了增強多媒體設備的使用效能，彌補現階段多媒體管理缺陷，關鍵是引入高新智慧型管理技術，提高設備管理水平和使用效率，助推學校管理現代化。多媒體技術水平較高，基于技術管理工作的考慮，管理人員需要持續開展技術創新工作，以現代高效的管理手段，增強管理工作的便捷性，確保多媒體技術設備的合理使用。以下提出三種智慧型門禁管理多媒體設施、設備的自動化系統，分析研究系統結構、組成、完善系統功能。

2.2 技術架構

PHM系統依托大數據、云平臺等技術，實現對和諧型機車多源異構數據的采集、處理、存儲、分析和應用。技術架構如圖2所示。

圖2 技術架構

（1）數據源：采集多源異構數據，包括機務管理信息系統（JMIS，Jiwu Management Information System）運維數據、中國機車遠程監測與診斷（CMD ，China locomotive remote Monitoring and Diagnosis）系統車載監測數據、鐵路車輛運行安全監測系統（5T系統）地面監測數據、自動化設備檢測數據、局段自建系統數據、外部系統的調度和電務等相關數據、公共服務的地圖和天氣等環境數據。

（2）數據采集：通過Kafka、MQ等消息隊列組件采集實時數據，通過Web Service接口、授權等方式采集其他服務數據，通過Sqoop組件抽取結構化數據，通過Flume組件抽取視頻、音頻、圖片、文件等非結構化數據。

（3）分層存儲：對采集后的數據進行清洗、轉換、處理后，創建原始數據層（ODS，Operational Data Store）、匯總數據層（DWS，Data Warehouse Summary）、明細數據層（DWD，Data Warehouse Detail）、應用數據層（ADS，Application Data Service）分層存儲的數據倉庫，為數據計算及展示應用提供支撐。

（4）處理分析：利用Storm、Hive、Spark、聯機分析處理（OLAP，OnLine Analytical Processing）等組件，以及部署數據挖掘算法庫和工具，靈活運用各種數據挖掘和機器學習算法，建立模型集市，支持各種經驗類、數據驅動類、機理類模型的構建，采用批量計算、流計算、內存計算等數據處理方式進行分布式并行在線及離線計算。

（5）展示應用：采用微服務架構，面向各類用戶不同需求提供數據接口服務、可視化報表綜合查詢、Web應用、移動端App應用等[4-5]。

2.3 功能架構

PHM系統功能架構如圖3所示。

圖3 功能架構

（1）狀態監測：包含全圖監控、線路監控、機車監控、部件監控等功能，實現從面到線、從線到點、從點到部分的全方位狀態實時監測。

（2）健康評估：通過構建不同維度的整車和部件的健康評估標簽，實現對整車和部件進行不同等級的健康管理。

（3）故障預測：基于故障預測、視情維修等不同類型的模型，實現對預測發生的故障進行預警管理、剩余壽命管理等。

（4）維修支持：將健康評估及故障預測的維修建議與機車回庫整備、回庫維修相結合，輔助支持回庫相關故障處理。

（5）性能演化分析：實現對不同機型的整車和重要零部件的可靠性分析、百萬公里故障率分析，以及運維統計分析等。

（6）模型管理：實現故障預測類、健康評估類、視情維修類等不同類型的模型集市管理，以及模型評估管理。

（7）基礎管理：實現不同機型重要零部件裝配關系的運維構型管理，以及多種來源、多種類型的故障字典統一管理。

（8）數據管理：實現一車一檔、一件一檔、數據目錄、數據監控等方面的數據綜合查詢管理功能[6]。

3 關鍵技術

3.1 PHM數據平臺服務

和諧型機車PHM數據來源廣、數據種類及結構多樣、數據實時性和數據質量要求高，利用Kafka消息隊列、Web Service服務接口、數據授權等多種方式采集數據，實現數據在多系統、跨平臺間平穩、錯峰、高效地接入和動態更新；對匯集接入的多源異構數據進行標準化、規范化的合并、聚合、篩選和補齊等清洗處理，通過整車車號、關鍵零部件序列號/單件碼、構型等基礎編碼，集成融合和諧型機車及關鍵部件全壽命周期數據，全面提高數據的有效性、準確性、完整性、一致性和及時性；處理后的數據根據應用需求存儲在ODS、DWD、DWS、ADS等不同層的分布式數據倉庫中，進行分層組織管理，提供統一規范的數據支持；采用批量計算、流計算、內存計算等處理方式進行分布式并行大數據計算、算法計算，最終通過在云平臺部署PHM系統，為用戶提供健康評估、狀態監測、故障預測、維修支持、模型管理、基礎管理和數據管理等數據平臺服務[7]。

3.2 PHM運維構型字典庫

梳理電力、內燃等不同動力類型的和諧型機車，創建整車和重要零部件PHM運維構型字典庫。以機車系統分類、18類重要零部件為基礎，梳理和規范不同機型的主變壓器、主輔變流器、受電弓、真空主斷路器、制動機、牽引電機、輪軸驅動、柴油機、牽引通風機、冷卻塔、網控系統等重要零部件的裝配結構和部件名稱、位置及數量，形成重要零部件2級系統、零部件3級系統共5個層級的PHM運維構型基礎結構樹，并統一零部件分類編碼。和諧型機車PHM運維構型字典庫示例如表1所示。

表1 和諧型機車PHM運維構型字典庫示例

3.3 PHM模型標簽化及模型集市管理

實現從基于傳感器的報警診斷轉變為基于智能算法、規則模型的預測預警。規范各機型整車及關鍵部件的PHM模型多層級標簽、格式定義，包括PHM模型輸入/輸出數據、數據格式、模型白/黑盒封裝方式、模型實現環境及應用條件等，形成PHM模型信息化集市管理，支持不同的整車、部件對象單元，以及故障預測、健康評估、視情維修等不同類型模型在PHM系統中的統一應用管理。

4 應用展望

4.1 快速診斷故障，減少過度維修

應用PHM系統，全面管理整車及重要零部件的健康狀態，進行故障預測和健康管理，輔助實現機車檢修從計劃預防修到數字化精準維修的轉變。對于機車運用中暴露出的大量個性化質量問題和故障，通過綜合大數據分析和預測性、評估性模型，能夠做到“一車一方案，一部件一評估”，快速診斷、定位故障，提高主動式快速應急響應能力，有效降低故障危害，并根據單一的整車和部件狀態，在不同時機安排不同級別的檢修項目，有效減少過度檢修、非計劃內故障維修。

4.2 提前防范故障，保障運輸安全

應用PHM系統，實現事故主動預防，使維修更具智能性和主動性。在提升設備服役可靠性的同時，保持和諧機車最佳可用性，從而提高機車綜合質量，減少機車在途停車及發生晚點的情況，降低機車臨碎修故障率，提升機車運行安全性，全面提升客貨運輸質量，保障鐵路運輸安全。

4.3 提高機車質量，降低運維成本

應用PHM系統，精準掌控機車全壽命周期的技術狀態及其動態變化，提高機車質量，在減少維修活動成本總量的同時，通過全壽命周期成本管理，實現整車及部件設備采購價格逐步向全壽命周期成本定價的方式過渡，以安全可靠為原則，逐步實現機車全壽命周期成本最小化[8]。

5 結束語

隨著越來越多的和諧型機車奔馳在祖國廣袤的大地上，必將對機車運維技術先進性、高效性、可靠性提出更高要求。本文對和諧型機車PHM系統進行總體設計，基于大數據和云平臺等技術，將PHM技術應用于和諧型機車整車及部件統一標準運維體系中，構建和諧型機車PHM數據平臺，創建PHM運維構型字典庫，形成PHM模型集市。和諧型機車PHM系統的研發，能夠提升機車故障預測、精準維修的智能化水平，從而為機車信息化建設的發展提供更好的源動力。