故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車運(yùn)維中的運(yùn)用

劉云龍

摘 要：本文主要針對(duì)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車運(yùn)維中的運(yùn)用展開(kāi)研究，先提出其必要性分析，然后分析系統(tǒng)架構(gòu)和功能，最后闡述故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車運(yùn)維中的具體應(yīng)用和實(shí)例分析，主要包括車載PHM主機(jī)、走行部PHM系統(tǒng)、車門(mén)PHM系統(tǒng)，旨在充分彰顯出PHM系統(tǒng)（故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)）的應(yīng)用價(jià)值，為地鐵列車運(yùn)行和維護(hù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：故障預(yù)測(cè);健康管理技術(shù);地鐵列車;運(yùn)維;運(yùn)用

現(xiàn)階段，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)下，大大推進(jìn)了城市化進(jìn)程，城市軌道交通建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越龐大化，工業(yè)設(shè)備在諸多領(lǐng)域應(yīng)用的復(fù)雜程度愈發(fā)強(qiáng)烈，如航空航天、通信、軌道交通等，但是設(shè)備自動(dòng)化、智能化程度也得到了明顯提升。在使用工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)構(gòu)成具有較高的復(fù)雜性，開(kāi)發(fā)、維護(hù)成本也比較高昂，而系統(tǒng)故障也經(jīng)常發(fā)生，所以加強(qiáng)地鐵列車故障檢測(cè)的研究與分析是至關(guān)重要的，以此來(lái)給予地鐵列車運(yùn)行安全性一定的保障，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，將地鐵列車設(shè)備升級(jí)工作落實(shí)下去。在地鐵建設(shè)過(guò)程中，故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)（PHM）的應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)現(xiàn)代地鐵健康發(fā)展具有極大的幫助，應(yīng)引起管理者、研究人員的高度重視。

一、PHM在地鐵列車運(yùn)維中應(yīng)用的必要性分析

近年來(lái)，軌道交通技術(shù)發(fā)展速度非常快，中國(guó)在世界城市軌道交通市場(chǎng)中名列前茅;同時(shí)軌道交通設(shè)備的復(fù)雜性越來(lái)越明顯，一定程度上給檢修人員的工作帶來(lái)了一定的壓力，車輛的可靠性和可用性已經(jīng)成為了社會(huì)上共同關(guān)注的焦點(diǎn)話題之一。當(dāng)前大多數(shù)乘客明確提出了對(duì)于乘坐準(zhǔn)點(diǎn)率、舒適性等方面的需求，其與服務(wù)水平增長(zhǎng)之間出現(xiàn)了明顯的沖突。對(duì)當(dāng)前城市軌道交通車輛運(yùn)用存在的問(wèn)題進(jìn)行分析：

首先，檢修效率有待提升。我國(guó)軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，但是檢修模式的發(fā)展進(jìn)步與行業(yè)規(guī)模需求增長(zhǎng)并不相符，進(jìn)而增加了檢修負(fù)擔(dān);城市軌道交通需要檢修龐大的裝備數(shù)量【1】，如果采用人工檢查方式，很難確保良好的檢修效率，同時(shí)也不利于檢修質(zhì)量的提升。其次，在運(yùn)營(yíng)車輛長(zhǎng)期服役下，極容易加重車輛設(shè)備的老化程度，對(duì)于設(shè)備維護(hù)的要求更上一個(gè)新高度。要想順利解決和處理上述問(wèn)題，地鐵運(yùn)營(yíng)公司、主機(jī)廠和各系統(tǒng)供應(yīng)商應(yīng)給予高度重視，保持密切協(xié)作，既要注重加強(qiáng)車輛設(shè)備和系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，也要將故障報(bào)警、健康評(píng)估等功能充分開(kāi)發(fā)出來(lái)，提前預(yù)知車輛故障，將故障檢修成本、故障風(fēng)險(xiǎn)控制在合理范圍內(nèi);同時(shí)，為了延長(zhǎng)地鐵車輛設(shè)備使用壽命，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行深入剖析，準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)備健康狀態(tài)。

由此可以看出，PHM系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)在必行。該技術(shù)通過(guò)對(duì)地鐵車輛系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)加裝傳感器，可以逐步推進(jìn)并最終達(dá)到系統(tǒng)的狀態(tài)修、預(yù)測(cè)修，在對(duì)自身健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)時(shí)，大數(shù)據(jù)、人工智能等具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提前預(yù)測(cè)系統(tǒng)存在的故障，并加強(qiáng)現(xiàn)有資源信息的融合，以此來(lái)指導(dǎo)維護(hù)保障工作的開(kāi)展，作為綜合技術(shù)之一，涵蓋著狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、健康預(yù)測(cè)等諸多功能。此外，PHM系統(tǒng)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)健康狀態(tài)，將維修活動(dòng)的主動(dòng)性發(fā)揮出來(lái)，確保裝備的可靠性和可用性得到穩(wěn)步增強(qiáng)。

二、系統(tǒng)架構(gòu)和功能

PHM系統(tǒng)在采集和處理地鐵車輛各系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)和故障數(shù)據(jù)時(shí)，主要借助于傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行;然后在對(duì)故障原因進(jìn)行分析時(shí)，大數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，以此來(lái)為具體維修提供一定的指導(dǎo);同時(shí)通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以對(duì)系統(tǒng)部件的健康狀態(tài)展開(kāi)科學(xué)化分析，將故障預(yù)警功能發(fā)揮出來(lái)。

（一）PHM系統(tǒng)架構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集方面，智能傳感器在PHM系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在諸多數(shù)據(jù)獲取元件中，傳感器扮演著重要角色，可以對(duì)被測(cè)對(duì)象溫度、電壓等變化進(jìn)行真實(shí)感受，并實(shí)現(xiàn)向電信號(hào)的順利轉(zhuǎn)化，為后續(xù)傳輸和處理工作的開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ)。對(duì)于所采集的數(shù)據(jù)，在一系列處理后，如數(shù)據(jù)清洗、同類或異類數(shù)據(jù)的信息融合等，通過(guò)失效模型及智能推理算法的應(yīng)用【2】，PHM系統(tǒng)可以對(duì)車輛系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，并對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障的部位及使用壽命等進(jìn)展合理預(yù)測(cè)，促進(jìn)維修保障工作的順利進(jìn)行。

（二）PHM系統(tǒng)功能

在地鐵車輛智能運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程中，PHM系統(tǒng)扮演著重要角色，在其功能方面，主要包括：

第一，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警功能。在展示線路和車輛系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能發(fā)揮著重要作用，同時(shí)還可以有效監(jiān)控線路和車輛系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)，特別可以動(dòng)態(tài)化監(jiān)督和控制關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息等，并且在專家系統(tǒng)的扶持下，還可以不斷提高故障診斷效率。在車輛設(shè)備預(yù)測(cè)和預(yù)警方面，故障預(yù)警功能的發(fā)揮主要得益于閾值預(yù)警、趨勢(shì)預(yù)警、模型預(yù)警等方式。

第二，健康評(píng)估功能。主要包括系統(tǒng)健康評(píng)估、關(guān)鍵部件壽命評(píng)估等。借助健康等級(jí)評(píng)定算法，有助于提高系統(tǒng)健康評(píng)估功能對(duì)軌道交通設(shè)備系統(tǒng)健康評(píng)估的準(zhǔn)確性【3】。對(duì)于關(guān)鍵件壽命評(píng)估功能來(lái)說(shuō)，對(duì)于軌道交通系統(tǒng)設(shè)備關(guān)鍵部件的壽命評(píng)估產(chǎn)生了極大的影響，其中，大數(shù)據(jù)建模與可靠性分析等方式得到了廣泛應(yīng)用，在確定關(guān)鍵部件的范圍時(shí)，主要從實(shí)際可采集數(shù)據(jù)的范圍出發(fā)。此外，通過(guò)可視化展示的方式區(qū)別不同健康等級(jí)的軌道交通車輛、各子系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)設(shè)備。

第三，維修建議功能。通過(guò)專家知識(shí)庫(kù)結(jié)合人工審核機(jī)制。在故障報(bào)出時(shí)自動(dòng)形成故障工單。其中維修處理建議、維修人員資質(zhì)、維修使用的工具都可以通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)帶出。在進(jìn)行計(jì)劃修制定維修計(jì)劃時(shí)，運(yùn)籌優(yōu)化算法是必須要考慮的，同時(shí)計(jì)劃管理模塊與調(diào)度管理模塊對(duì)接。

第四，備件需求預(yù)測(cè)功能【4】。在預(yù)測(cè)備品備件需求時(shí)，既要將軌道交通車輛年度維修計(jì)劃與必?fù)Q件清單結(jié)合，也要融合偶換件清單與近期各系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)趨勢(shì)。

三、故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車運(yùn)維中的具體應(yīng)用和實(shí)例分析

在地鐵車輛由人工駕駛向無(wú)人駕駛發(fā)展的大環(huán)境下，PHM系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越常見(jiàn)了。PHM系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵系統(tǒng)較多，包括地鐵車輛車門(mén)、走行部和空調(diào)系統(tǒng)等;同時(shí)，車載PHM主機(jī)在部分地鐵線路中也得到了充分體現(xiàn)，尤其是在老地鐵線路車輛改造中，可以彌補(bǔ)地鐵車輛控制單元（VCU）性能不足以及車地傳輸帶寬不足，并且車載PHM主機(jī)還可以增強(qiáng)算力作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的采集主要從各個(gè)車載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行【5】，通過(guò)MVB網(wǎng)或者維護(hù)以太網(wǎng)傳輸?shù)杰囕dPHM主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以及機(jī)理規(guī)則判斷，最終將數(shù)據(jù)與診斷結(jié)果傳輸至地面系統(tǒng)。

（一）車載PHM主機(jī)

采集數(shù)據(jù)的范圍主要包括列車原有各子系統(tǒng)以及新增的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（各系統(tǒng)的傳感器），包括列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)等。在主流的車載PHM主機(jī)配置中，雙機(jī)冗余和網(wǎng)絡(luò)隔離得到了聯(lián)合使用，主機(jī)通過(guò)車輛網(wǎng)絡(luò)總線接入，并連接于列車控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)與采集，網(wǎng)絡(luò)隔離避免了主機(jī)影響車輛本身的控制網(wǎng)絡(luò)，此外在數(shù)據(jù)交互方面，車地通信單元與地面系統(tǒng)的作用不容忽視。

借助車載PHM主機(jī)，可以對(duì)車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集，實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)，基于知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)，為故障分析提供技術(shù)支持，對(duì)車輛的健康度與運(yùn)行的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，并有效落實(shí)故障應(yīng)急處理，將故障描述、應(yīng)急處理措施等，納入到故障報(bào)告中【6】。

（二）車門(mén)PHM系統(tǒng)

車門(mén)PHM系統(tǒng)用于采集地鐵車輛車門(mén)系統(tǒng)電機(jī)的電流，速度、位置信號(hào)以及硬線開(kāi)關(guān)量的信號(hào)，并將收集到的數(shù)據(jù)在采集模塊內(nèi)進(jìn)行暫存，通過(guò)CAN、MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰囕dPHM主機(jī)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)車門(mén)故障與亞健康狀態(tài)進(jìn)行診斷。

診斷限位開(kāi)關(guān)故障：1.限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)與車門(mén)機(jī)械狀態(tài)不一致;2.通過(guò)采集每個(gè)限位開(kāi)關(guān)的兩對(duì)觸點(diǎn)的狀態(tài)，如果兩對(duì)觸點(diǎn)的狀態(tài)同時(shí)對(duì)應(yīng)的是常開(kāi)，或則是常閉則認(rèn)為限位開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)故障。

診斷下檔銷故障并判斷下檔銷與導(dǎo)軌刮蹭程度：1.輕微刮蹭;2.嚴(yán)重刮蹭。

診斷壓輪過(guò)壓故障并判斷壓輪與導(dǎo)軌刮蹭程度：1.輕微刮蹭;2.嚴(yán)重刮蹭。

障礙物防夾故障記錄，障礙物防夾不滿三次時(shí)的故障上報(bào);

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段，城市地鐵的集成化、智能化發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越明顯，故障預(yù)測(cè)與健康管理，必須要與時(shí)代發(fā)展潮流保持高度的一致與協(xié)調(diào)，不斷提高為地鐵網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的服務(wù)能力和水平。所以故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)非常值得應(yīng)用，不僅可以預(yù)防故障問(wèn)題的發(fā)生，而且還可以進(jìn)一步完善列車檢修方案，促進(jìn)維護(hù)工作的順利進(jìn)行，從而使地鐵列車安全、高效地運(yùn)行下去。

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