試論故障預測與健康管理技術(shù)在地鐵列車上的應用

劉宏偉

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，城市化進程越來越快，城市交通道路建設(shè)規(guī)模也在逐步擴大，需要加大地鐵列車故障預測的研究，以加快地鐵列車運行的安全性和穩(wěn)定性，同時要積極利用現(xiàn)代科學和保障技術(shù)加強地鐵列車的建設(shè)工作。在地鐵建設(shè)中更多地使用故障預測和健康管理技術(shù)，有助于進一步促進我國現(xiàn)代地鐵的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。本文主要關(guān)注地鐵制動系統(tǒng)分析的總體框架，進一步進行故障預測和健康管理技術(shù)的探索，希望對未來在地鐵應用和開發(fā)故障預測和健康管理技術(shù)方面提供相應的參考。

關(guān)鍵詞：故障預測;健康管理技術(shù);地鐵列車;應用

中圖分類號：U279 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0076-02

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備在航空航天、通信、地鐵運輸和工業(yè)化發(fā)展中的應用越來越復雜，設(shè)備自動化、集成化、智能化程度也越來越高。由于使用工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)所需的技術(shù)復雜性較高，開發(fā)、生產(chǎn)、維護和支持設(shè)備成本高，而工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)故障在實際使用中中逐漸增加。這就是為什么研究故障預測與健康管理技術(shù)在地鐵列車上的應用已經(jīng)成為管理者、科學家和研究人員的熱點的原因。

1 故障預測和健康管理簡介

故障預測與健康管理技術(shù)首先解決地鐵列車的運行問題，如在維修后的維護模式、維護工作中的真實狀態(tài)維護、預防性維護問題。其次能夠降低維護和使用成本，增強設(shè)備的可用性，促進維護時間評價任務(wù)的成功。通過研究制造設(shè)備狀態(tài)的方法來記錄、終身預測、健康檢查、數(shù)據(jù)處理、預測評估、生成建議等功能，具有高度的健康狀況智能評估功能，開放系統(tǒng)架構(gòu)，使軟件平臺穩(wěn)定運行。

2 故障預測與健康管理系統(tǒng)的主要組成部分

2.1 數(shù)據(jù)收集

各種傳感器用于收集待檢系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，采集的數(shù)據(jù)用于有效的信息轉(zhuǎn)換和信息傳遞。例如：檢測有關(guān)發(fā)電機、電動機等運行狀態(tài)的信息。

2.2 信息處理

數(shù)據(jù)信息被處理成有效形式，簡化數(shù)據(jù)被壓縮成數(shù)據(jù)，如頻譜、圖形和其他特征數(shù)據(jù)。例如：時域分配、頻域分配和其他功能。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測

將該數(shù)據(jù)與預定的故障數(shù)據(jù)庫等進行比較，以監(jiān)視系統(tǒng)的當前狀態(tài)，并且可以根據(jù)預定的各種參數(shù)索引閾值來提供故障警報能力。例如：現(xiàn)場正常、異常數(shù)據(jù)量和數(shù)字比較功能。

2.4 健康評估

在大多數(shù)情況下，評估受監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況（例如，如果存在參數(shù)更改現(xiàn)象等），生成診斷故障日志，并確定發(fā)生故障的可能性。故障診斷基于各種運行狀況，工作狀態(tài)和維護歷史數(shù)據(jù)庫。用于分析和評估識別數(shù)據(jù)和專家知識。

2.5 故障預測

預測故障的能力是故障預測與健康管理系統(tǒng)的突出特征之一。在充分理解過程的前四個部分的基礎(chǔ)上，以評估和預測受監(jiān)控系統(tǒng)的未來健康狀況，并做出判斷，建議和采取適當?shù)男袆?。例如，使用模糊分析和其他測量方法的一般誤差預測的準確率超過80%，這基本上證明使用故障預測與健康管理技術(shù)給出良好的結(jié)果。

2.6 健康管理

計算機的人機界面，包括狀態(tài)監(jiān)測模塊、警告、健康評估、預測、決策支持模塊數(shù)據(jù)等，這些設(shè)備與上述其他系統(tǒng)之間，通過人機界面過程數(shù)據(jù)交換信息。例如：通過I/O接口使用LED、蜂鳴器和其他提示。

3 故障預測與健康管理技術(shù)在地鐵列車的應用

根據(jù)故障預測與健康管理的技術(shù)要求，包括：數(shù)據(jù)采集（傳感器）、健康評估（數(shù)據(jù)庫）、支持決策（智能庫）等，故障預測與健康管理技術(shù)是普遍存在的瓶頸，但是，必須遵循初學者到高級的一些事物的發(fā)展過程，從實驗室到現(xiàn)場應用，需要一個設(shè)計、測試、認證、實踐和糾正，然后實踐的過程。故障預測與健康管理技術(shù)在地鐵列車的應用與航空領(lǐng)域故障預測與健康管理技術(shù)的實施是一致的。目前故障預測與健康管理技術(shù)在美國航空業(yè)中的應用已經(jīng)得到應用，日本的測試和評估設(shè)備已經(jīng)實施。日本、美國的發(fā)展模式成為我國地鐵列車發(fā)展的參考，在不同地區(qū)之間實現(xiàn)地鐵列車高效運行。因此，我相信在不久的將來，地鐵（地鐵、高速列車等）能夠通過我們自己的研究，采取適合我國地鐵列車故障預測與健康管理技術(shù)。

3.1 傳感器設(shè)計

設(shè)備診斷中的傳感器按功能分為振動傳感器、加速度傳感器、聲級計、溫度傳感器、光學傳感器等。特別是在電力系統(tǒng)的設(shè)備診斷中，大多數(shù)傳感器依賴于光纖、電壓互感器或使用霍爾器件的傳感器。它們必須具有良好的動態(tài)特性、靈敏度、穩(wěn)定性和抗干擾性。然而，隨著監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和復雜化，傳感器的類型和數(shù)量急劇增加。

通常，一種是用于檢測充電狀態(tài)的直接接觸型，另一種是用于檢測充電狀態(tài)的間接非接觸型。前者在電氣高壓試驗中是危險的，非接觸式與電氣負載設(shè)備無直接關(guān)系，如電磁感應原理、霍爾原理、溫度測量原理和光電原理。其中強光電壓傳感器抗電磁干擾能力強、耐惡劣環(huán)境、絕緣性能好、體積小、重量輕、靈敏度高，但是價格昂貴、結(jié)構(gòu)復雜、維修不便。利用電磁感應，霍爾原理電壓傳感器檢測電的存在和不存在。然而，存在電磁特性，并且靈敏度具有一些影響，并且在沒有電流的情況下不可能檢測導體的充電狀態(tài)。

靜電傳感技術(shù)是通過靜電晶體管（靜電感應晶體管）充電狀態(tài)監(jiān)測裝置SIT，基于測量點電荷的功能分布建立傳感器模型，以獲得傳感器的空間靈敏度。數(shù)字傳感器由內(nèi)部放大器、數(shù)字模擬模塊和編解碼器組成。

3.2 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳感器

對于地鐵列車中的牽引電動機的區(qū)域，充電狀態(tài)的非接觸檢測通過信息通道進行。例如，地鐵車輛中有16個三相牽引電動機（6組分組），總共48個線路（uvw）需要傳感器，每根電纜捆綁在一起，傳感器的IP地址是唯一的。該傳感器重量輕、易于安裝，具有高可靠性和安全性（防水、防塵）。因為傳感器沒有與地鐵車輛的牽引電動機直接電接觸。最后，48個傳感器通過車輛數(shù)據(jù)線相互連接，并且它們的數(shù)據(jù)信息（模擬信號被轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)信號）被連續(xù)發(fā)送到計算機控制器，并且計算機控制器根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)IP尋址，文件名自動創(chuàng)建。

在測試臺上工作時，1500VDC和400VAC逆變器I/O的頻域和時域圖由單個傳感器檢測。以及在測試臺上工作時1100VAC牽引電機的頻域圖和時域圖。在信息設(shè)備的部分中可以觀察到其檢測時域和使用頻域的數(shù)據(jù)分析，特別是來自諧波理論表示可能發(fā)生電氣設(shè)備的故障。幫助維護人員提前做好機電設(shè)備的預防措施，這使研究人員可以通過數(shù)據(jù)庫一段時間，建立標準模塊的經(jīng)驗知識庫。逐步改進檢測系統(tǒng)的功能，以便可以創(chuàng)建故障預測與健康管理技術(shù)過程的一部分。因此，它起到了積極的作用。科學化的使用使隱患大大減少、維護成本可控、行政效率顯著提高。因此，故障預測與健康管理技術(shù)和方法可以幫助開發(fā)更環(huán)保、更經(jīng)濟的業(yè)務(wù)類型。

3.3 信息處理與狀態(tài)監(jiān)測

信息處理主要依賴于系統(tǒng)平臺上的工業(yè)PC控制器，基于“小波”分析“FFT”分析等，取決于DUT，并按需選擇軟件進行現(xiàn)場計算和分析過程。實現(xiàn)軟件開發(fā)需要一個團隊（系統(tǒng)設(shè)計人員和現(xiàn)場用戶），根據(jù)項目設(shè)計要求來完成數(shù)據(jù)I/O接口的軟件和圖表、數(shù)據(jù)存儲等功能。日本公司ATC故障預測與健康管理技術(shù)概念開發(fā)KS2000、KS3000和KS7000系列廣泛應用于電力、石油、地鐵運輸?shù)阮I(lǐng)域，并得到用戶的積極評價。在使用KS系列期間，我們發(fā)現(xiàn)先進技術(shù)為用戶帶來了顯著的經(jīng)濟效益，這可以反映在故障預測與健康管理技術(shù)中。只有在設(shè)備需要維修時才能進行必要的維護，避免不必要的維護和診斷工作。可以大大減少維修成本，提高維護的效率和質(zhì)量。

3.4 健康評估與安全決策

健康評估和安全決策是故障預測與健康管理技術(shù)研究的重點，因為世界上有各種設(shè)備診斷設(shè)備，唯一缺少的是用戶報告的健康檢查和安全決策（評估），盡管有些軟件有這個功能，但評價內(nèi)容不全面。重點是發(fā)動機支架、發(fā)動機隔離等，測試儀器的性價比較一般，原因是研究者不關(guān)心用戶生產(chǎn)測試設(shè)備需要什么（支持故障預測與健康管理技術(shù)的描述），不能真正收集數(shù)據(jù)并建立標準模塊的場景。在時間和過程方面需要漫長的發(fā)展過程。如果沒有堅持不懈的努力，就不可能實現(xiàn)故障預測與健康管理技術(shù)。當然，當提供圖表分析時，用戶可以更清楚地知曉其中的故障，同時可能報告其他電氣系統(tǒng)（電池、UPS等），以便更好地進行健康評估檢測，我們希望故障預測與健康管理技術(shù)能夠為地鐵列車的發(fā)展做出進一步貢獻。

4 展望未來

故障預測與健康管理系統(tǒng)逐漸吸引了人們的注意力，但它仍然距離現(xiàn)有技術(shù)應用水平較遠。除了一些機電設(shè)備之外，在大多數(shù)設(shè)備系統(tǒng)中還沒有很好地應用電子產(chǎn)品的故障處理機制，并且一些僅僅是錯誤檢測設(shè)備（例如本文檔中描述的靜電傳感器）而且不能預測錯誤。此外，還需要進行大量研究，以確定如何正確有效地評估系統(tǒng)狀況并做出最佳維護決策。鑒于故障預測與健康管理系統(tǒng)中使用的一些技術(shù)已經(jīng)通過實際使用得到驗證，例如來自日本ATC公司的KS系列智能機電測試設(shè)備。

據(jù)報道，故障預測與健康管理技術(shù)在整個研究框架的各個部分都有相對清晰的發(fā)展思路，也面臨著許多現(xiàn)實的技術(shù)挑戰(zhàn)。雖然傳感器技術(shù)的發(fā)展為機械振動和機械診斷等溫度場提供了充分的信息收集方法，但仍然沒有更有效的方法來現(xiàn)場監(jiān)測電力系統(tǒng)，特別是電子元件的功率狀態(tài)。同時就監(jiān)控信息處理方法而言，實際系統(tǒng)是嚴格非線性的。因此，缺乏非線性系統(tǒng)的一般建模方法已逐漸成為研究前沿的研究課題。并且由于實際應用往往是一個復雜的系統(tǒng)工程，具有嚴重的非線性特征，如時變參數(shù)及其數(shù)學模型不存在或過于復雜，噪聲的統(tǒng)計特性不理想、不確定性和外部問題的診斷和預測非常復雜。需要研究人員不斷加強對于故障預測與健康管理技術(shù)的研究，促進我國地鐵列車的高效發(fā)展與運行。

5 結(jié)語

隨著地鐵線路不斷發(fā)展，城市地鐵向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，故障預測與健康管理應不斷適應新形勢，不斷優(yōu)化，為地鐵網(wǎng)絡(luò)運營提供更好的服務(wù)。因此，綜合預測方法已成為一個新的熱點，作為諧波分析方法，要整合各種獨特的信息（如頻率特性），加強機電設(shè)備的研發(fā)，如故障機制、電壓損壞，對可能會出現(xiàn)的故障進行積極有效的預防。逐步加強故障預測與健康管理技術(shù)在地鐵列車中的應用，促進我國地鐵列車的高效運行和發(fā)展。

參考文獻

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