軌道交通裝備故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)分析

張 波

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//高級工程師)

隨著我國高速鐵路列車速度的不斷提升，用于控制列車安全、可靠、平穩(wěn)、高速運行的基礎(chǔ)裝備和列車運行控制系統(tǒng)正向電子化、智能化、復(fù)雜化方向發(fā)展。這些日益復(fù)雜的裝備和系統(tǒng)自身的安全性和可靠性，是技術(shù)人員非常關(guān)心的問題。高鐵列車的基礎(chǔ)裝備和運行控制系統(tǒng)雖在設(shè)計之初都遵循了“安全指標(biāo)”原則，但仍存在發(fā)生故障的可能性，因為越復(fù)雜的系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也會越高。這些裝備或系統(tǒng)在實際運行中一旦發(fā)生故障會極大地影響運營效率，在極端情況下甚至?xí)?dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此，提高高鐵列車基礎(chǔ)裝備和運行控制系統(tǒng)在運行過程中的安全性及可靠性，已日益受到關(guān)注，PHM(故障預(yù)測與健康管理)技術(shù)也日益得到重視。

1 PHM技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

PHM的概念首先出現(xiàn)在美國軍方在20世紀(jì)末的JSF聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)項目中，最初是基于視情維修(CBM)而提出的。PHM對于提高戰(zhàn)斗機(jī)的維修保障能力、減少飛機(jī)維保費用有著重大意義。如今隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，如何通過對設(shè)備狀態(tài)信息的釆集、處理、分析，來準(zhǔn)確評估設(shè)備的健康狀況，并及時對將要發(fā)生的故障進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測，已經(jīng)成為亟待解決的新問題。CBM技術(shù)在過去幾十年中，作為安全性和可靠性評估的工具已經(jīng)取得了一定的成效，但它仍然是一個相對靜態(tài)的過程，并不能夠動態(tài)監(jiān)視并預(yù)測系統(tǒng)的真實健康狀態(tài)，而PHM技術(shù)則能夠很好地解決此問題。

目前，國外幾種典型的PHM系統(tǒng)(如PHM Design TM)的設(shè)計、開發(fā)及驗證都是服務(wù)于航天領(lǐng)域。為提高PHM技術(shù)在我國大型復(fù)雜裝備領(lǐng)域的應(yīng)用，研制一款設(shè)計、開發(fā)及驗證功能一體化的PHM系統(tǒng)具有重要意義。本文以軌道交通裝備為研究對象，針對PHM系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，分析了適用于軌道交通裝備的PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系；并應(yīng)用該系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵部件及系統(tǒng)的健康狀態(tài)，以提高列車運營期間的安全性。

2 PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

軌道交通裝備關(guān)鍵系統(tǒng)(如轉(zhuǎn)向架、牽引、主供電等系統(tǒng))的可靠性直接影響列車的整體安全性和可用性。這些系統(tǒng)的故障可能會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。計劃外停車也將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果，甚至威脅安全。因此，選擇合適的PHM體系結(jié)構(gòu)對于軌道交通裝備的主機(jī)廠和運營單位來說至關(guān)重要。目前PHM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有集中式、分布式和分層融合式3種類型，其結(jié)構(gòu)特點及不足之處如表1所示。

表1 PHM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及特點

(1) 集中式體系結(jié)構(gòu)：是一種廣泛應(yīng)用于小型裝備系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。其關(guān)鍵在于一個用于收集、存儲、解析系統(tǒng)所有狀態(tài)信號的中央控制器。在大型復(fù)雜裝備的故障預(yù)測與健康管理設(shè)計中，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)的弊端顯露無疑：由于系統(tǒng)檢測部件與信號采集數(shù)量的增加，對信息的處理、分類和解析也變得更加復(fù)雜，系統(tǒng)控制問題也無法解決，這也導(dǎo)致PHM系統(tǒng)的執(zhí)行效率低下[2]。因此，這種結(jié)構(gòu)不適用于大型復(fù)雜裝備。

(2) 分布式體系結(jié)構(gòu)：能夠在子系統(tǒng)級別上實現(xiàn)健康狀態(tài)信息的采集、處理、分析及決策，由各子系統(tǒng)獨立完成對設(shè)備的監(jiān)控和故障診斷，并能將子系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息傳輸給駕駛室顯示裝置。這種結(jié)構(gòu)往往需要各子系統(tǒng)測試結(jié)果的高度集成[3]，這樣才能使得診斷/預(yù)測結(jié)果具備一定的可信度。

(3) 分層融合式體系結(jié)構(gòu)：本質(zhì)上是一種集中式和分布式相結(jié)合的方式，其擁有的PHM數(shù)據(jù)庫及專家知識庫，能夠?qū)ο到y(tǒng)信息進(jìn)行診斷、預(yù)測、評估。在較低的層次上，各子系統(tǒng)能夠自行收集、解析所有用于子系統(tǒng)本身的狀態(tài)診斷及評估信息，并將診斷/預(yù)測結(jié)果傳輸至較高層次的中央控制器，對其進(jìn)行記錄和決策[4]。該結(jié)構(gòu)能夠在子系統(tǒng)級和系統(tǒng)級兩個層次進(jìn)行融合，可更加全面地利用冗余層次狀態(tài)信息，同時有效地降低系統(tǒng)虛警率問題，適用于軌道交通等大型復(fù)雜裝備。

3 PHM技術(shù)在軌道交通裝備領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 PHM系統(tǒng)的組成及接口

由于軌道交通裝備具備大型復(fù)雜裝備的特點，因此PHM系統(tǒng)應(yīng)由車上部分(簡稱“車載PHM”)和車下部分(簡稱“地面PHM”)以及車地傳輸裝置構(gòu)成。其中，車載PHM可在無需人工參與的情況下將列車部件或系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息通過車地傳輸裝置提供給地面系統(tǒng)人員，并結(jié)合地面系統(tǒng)建立的模型實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測評估和健康管理，以實現(xiàn)提高系統(tǒng)可靠性、可用性和安全性的目的。

圖1為軌道交通裝備車載PHM的體系結(jié)構(gòu)，包含了狀態(tài)檢測、故障診斷、故障預(yù)測、健康管理功能。

圖1 軌道交通裝備車載PHM體系結(jié)構(gòu)圖

軌道交通裝備PHM系統(tǒng)與各模塊之間的接口是實現(xiàn)PHM系統(tǒng)的關(guān)鍵。主要模塊接口包含：部件級PHM與子系統(tǒng)級、系統(tǒng)級之間接口，人機(jī)接口，PHM系統(tǒng)與決策支持、庫存業(yè)務(wù)等系統(tǒng)接口。

3.2 PHM系統(tǒng)主要功能

(1) 故障診斷：采用基于分層模型的診斷預(yù)測程序，準(zhǔn)確地檢測故障，同時有效減少虛警。

(2) 故障預(yù)測：對裝備實際狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，包括設(shè)備的確定使用壽命和剩余壽命。

(3) 健康管理：在診斷預(yù)測信息基礎(chǔ)上，對設(shè)備狀態(tài)做出正確的評估，并匹配適當(dāng)?shù)男蕹绦拗茖υO(shè)備進(jìn)行合理的管理。

(4) 運維決策：根據(jù)設(shè)備的健康狀態(tài)，做出合理的維修決策建議，保障設(shè)備運行的安全性。

3.3 PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

軌道交通裝備PHM系統(tǒng)應(yīng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，可“即插即用”，可不斷更新或加入新模型，并可增強(qiáng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交互和集成的能力。其主要優(yōu)勢包含以下幾點：

(1) 分布式、跨平臺構(gòu)架能夠保證各個子系統(tǒng)獨立完成相應(yīng)的功能，并能實現(xiàn)不同平臺之間的互操作，保證系統(tǒng)的可重用性。

(2) 采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小了復(fù)雜模型的耦合程度，可顯著降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度。

(3) 開放性、標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)方法使層次之間、模塊之間都能夠按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息共享，并能集成來自不同供應(yīng)商的軟硬件。

(4) 通過對潛在故障的實時診斷和定位，以及進(jìn)一步對部件剩余壽命的評估，能夠大大增強(qiáng)列車運行的安全性。

(5) 車載PHM系統(tǒng)能夠自動對部件及設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行診斷并做出相應(yīng)的決策建議；可在列車入庫前自動完成大多數(shù)測試診斷工作，縮短地面診斷時間；可減少故障誤報率；提高維修效率的同時，可降低對外部維保人員及備件的需求，實現(xiàn)設(shè)備資源保障和經(jīng)濟(jì)效益提升。

4 結(jié)語

本文主要從部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)3個層次對軌道交通裝備PHM技術(shù)體系進(jìn)行了總結(jié)分析；論述了大型軌道交通裝備PHM系統(tǒng)的體系架構(gòu)，分析了其主要技術(shù)難點和優(yōu)勢，對我國軌道交通行業(yè)的PHM技術(shù)體系發(fā)展具備一定的參考價值。但本文也存在一定的不足，例如對先進(jìn)的預(yù)測診斷算法的實現(xiàn)以及在經(jīng)濟(jì)成本的投入上欠缺考慮。這也是本文作者下一步的研究方向。