智能動車組PHM技術(shù)研究與應(yīng)用

王中堯，李衛(wèi)東，王連富，麻競文，劉健宇

(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116033；2. 中車長春軌道客車股份有限公司 國家工程技術(shù)中心，吉林 長春130000)

近年來，我國高速鐵路迅速發(fā)展并取得了舉世矚目的成績。《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》規(guī)劃了我國高鐵運營里程在2025年將達到3.8萬km左右，標(biāo)志著高鐵在我國的基礎(chǔ)設(shè)施和交通設(shè)施中的重要地位[1]。隨著國內(nèi)動車組保有量的快速增長、服役車型的種類增多以及大規(guī)模的運營，動車組裝備產(chǎn)業(yè)由大規(guī)模的制造階段向全壽命周期的運營維保階段轉(zhuǎn)移，伴隨著服役時間的增加、服役設(shè)備的性能退化，動車組的高故障率、低上線率、高維修成本等諸多問題暴露出來[2]。目前，我國的軌道車輛維修模式仍然采用計劃性維修的預(yù)防維修方法和故障性維修的狀態(tài)更正修方法，從而導(dǎo)致過度維修或維修不足。如何保證行車安全，提高旅客舒適度，降低運維成本，減少或降低故障的發(fā)生，對未來我國的高速動車組產(chǎn)業(yè)具有重要意義。故障預(yù)測與健康管理(PHM)具有持續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測，故障診斷、預(yù)測，健康管理與維修決策功能，能在準(zhǔn)確的時間對準(zhǔn)確的部位采取準(zhǔn)確的維修，對提升設(shè)備安全可靠性、提高使用效率、降低維修成本、推進修程修制完善有著積極的促進作用。

1 智能運維需求

1.1 車輛運用需求

我國動車組列車運營工況復(fù)雜，很多線路的續(xù)航里程都在1 000 km以上，單組車輛每天最多可以行駛3 000多 km，沿途可能會遇高寒、高溫、高濕、高風(fēng)沙、高海拔等復(fù)雜外界環(huán)境[3]。高速鐵路覆蓋30余個省份，各運營區(qū)域的架空接觸網(wǎng)的供電質(zhì)量和最大允許電流存在顯著差異，因此在進行系統(tǒng)或部件的PHM研究時需要充分考慮外界因素的影響。

1.2 用戶使用需求

我國軌道車輛車型較多，應(yīng)用環(huán)境差別較大，行車設(shè)備故障、源頭質(zhì)量、作業(yè)檢修質(zhì)量等方面的問題時有發(fā)生，影響車輛運營、維修。同時，車輛的計劃預(yù)防修和狀態(tài)更正修的維修方式存在過度修和欠維修的情況，導(dǎo)致維修保養(yǎng)成本高昂，次生災(zāi)害及行車設(shè)備故障時有發(fā)生。

運用檢修組織從系統(tǒng)自診斷、降低虛警率、關(guān)鍵系統(tǒng)和部件的故障預(yù)測、故障精準(zhǔn)定位以及關(guān)鍵部件的壽命預(yù)測等方面，為動車組的安全可靠性提出運用需求；運用管理組織從推進狀態(tài)預(yù)防維修、全壽命周期運維管理以及修程修制優(yōu)化等方面提出管理需求，形成PHM平臺開發(fā)的重要依據(jù)。

1.3 主機企業(yè)需求

在制造業(yè)全球化、服務(wù)化趨勢下，我國軌道交通制造行業(yè)整體仍處在全球產(chǎn)業(yè)價值鏈中低端，產(chǎn)品附加值低，因此必須從生產(chǎn)比重大的價值鏈低端向服務(wù)比重大、附加值高的價值鏈高端轉(zhuǎn)移。發(fā)展以車輛全壽命周期管理服務(wù)為核心的售后服務(wù)作為產(chǎn)品高附加值業(yè)務(wù)，將成為促進整個行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、邁向產(chǎn)業(yè)鏈高端的重要途徑。

隨著我國軌道交通領(lǐng)域的飛速發(fā)展，市場對軌道車輛產(chǎn)品的定制化需求以及對車輛的新技術(shù)應(yīng)用需求日益增大，建立科學(xué)、完善、安全可靠的PHM平臺具有重要意義。通過PHM平臺，一方面可以實現(xiàn)由計劃修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變，節(jié)省成本，提高售后服務(wù)水平；另一方面通過大數(shù)據(jù)分析可以對整車、系統(tǒng)以及部件進行科學(xué)的統(tǒng)計分析，進而為新造設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，降低設(shè)計錯漏，實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化升級。

1.4 全壽命周期維保需求

利用PHM技術(shù)，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通的基礎(chǔ)上進行動車組全壽命周期的數(shù)據(jù)管理，搭建關(guān)鍵部件的故障預(yù)測模型，支撐運用檢修由計劃故障修向狀態(tài)預(yù)防修轉(zhuǎn)變，建立關(guān)鍵系統(tǒng)的健康評估模型，支撐高級修的修程修制優(yōu)化，能夠為動車組全壽命周期的運維成本降低、檢修效率提升提供重要的數(shù)據(jù)積累與技術(shù)支撐。

2 智能動車組PHM設(shè)計

智能動車組以車輛關(guān)鍵部件全壽命周期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術(shù)為手段，開展數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘工作，給出運維決策，構(gòu)建裝備資源和信息共享的綜合性技術(shù)體系。主要目標(biāo)是：綜合考慮智能動車組修程修制、關(guān)鍵系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的精準(zhǔn)維修和均衡維修等因素，在準(zhǔn)確的時間、準(zhǔn)確的地點對準(zhǔn)確的部件開展準(zhǔn)確的維修，實現(xiàn)保安全、提效率、降成本、優(yōu)設(shè)計的目標(biāo)。

2.1 PHM理論

實現(xiàn)基于PHM的主動運維技術(shù)應(yīng)用，要充分考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理的差異性、服役環(huán)境和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性等特點，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等智能算法[4-6]，實現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)或部件的故障預(yù)測與健康管理功能，實現(xiàn)提高運行安全可靠性、提高旅客舒適度、提高上線率、提高運維效率、降低檢修成本、降低故障率的研究目標(biāo)。

2.2 PHM設(shè)計方法

相較于傳統(tǒng)的故障診斷，PHM技術(shù)研究在方法和概念上發(fā)生了變化，故障診斷逐漸轉(zhuǎn)向故障預(yù)測。此外，PHM技術(shù)意味著擴展一些系統(tǒng)信息檢索和監(jiān)控技術(shù)，利用多元狀態(tài)信息的融合處理、故障發(fā)生前的預(yù)測提醒、系統(tǒng)健康狀態(tài)的評估來綜合評價和分析系統(tǒng)未來性能變化趨勢，并提前進行處置。

2.2.1 基于性能失效的故障預(yù)測

使用該預(yù)測方法可對系統(tǒng)部件在服役周期內(nèi)性能衰退和失效原理進行分析，并利用半實物仿真方法建立物理模型。性能建模之前需要對系統(tǒng)進行失效模式、機理及影響分析(FMMEA)[7]，確定系統(tǒng)主要功能及其對應(yīng)的潛在故障模式，分析每個故障模式對應(yīng)的故障原因及可測量參數(shù)或指標(biāo)的變化，為確定性能指標(biāo)提供依據(jù)。典型的基于失效物理模型的故障預(yù)測方法有：機理和影響分析法、故障模式分析法、卡爾曼濾波/粒子濾波法和基于專家知識的方法等[8]。但面對復(fù)雜的電子系統(tǒng)，其故障模式和失效機理更加復(fù)雜，應(yīng)用這種故障預(yù)測的方法效果相對較差。

2.2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測方法是先利用傳感器或試驗采集數(shù)據(jù)再通過各種數(shù)據(jù)分析處理的方法進行預(yù)測。典型的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測方法有：主成分分析法(PCA)、隱馬爾可夫模型法(HMM)、最小二乘支持向量機法 (LS-SVM)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)等[9]。

2.2.3 基于模糊理論的故障預(yù)測

列車運行環(huán)境和工況極為復(fù)雜，并且一些系統(tǒng)和部件采集的參數(shù)有限，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理分析無法滿足建模的要求，這就需要根據(jù)系統(tǒng)和部件歷史積累的大量故障數(shù)據(jù)進行合理的統(tǒng)計分析，以推測出平均剩余壽命[10]。但由于缺乏細節(jié)信息，該方法的準(zhǔn)確度波動較大，準(zhǔn)確率不高，因此常在預(yù)測結(jié)果中加入一個置信度來表征準(zhǔn)確度水平，典型的基于統(tǒng)計可靠性的故障預(yù)測方法有：D-S證據(jù)理論法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法 (Bayesian Network )[11]和模糊邏輯法 ( Fuzzy Logic) 等。

3 智能動車組PHM系統(tǒng)實際應(yīng)用

為迎接北京2022年冬奧會和冬殘奧會，中車長春軌道客車股份有限公司研制了具備代際特征的新產(chǎn)品——智能動車組，其智能技術(shù)主要圍繞智能行車、智能服務(wù)、智能運維三方面開展技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。智能行車采用有人值守的自動駕駛；智能服務(wù)包括基于環(huán)境感知技術(shù)的燈光智能調(diào)節(jié)、多媒體技術(shù)的多元信息推送等；智能運維主要基于智能傳感、大數(shù)據(jù)、特征提取技術(shù)及PHM技術(shù)等。

智能動車組PHM系統(tǒng)是根據(jù)PHM技術(shù)理念以及設(shè)計方法，并考慮到數(shù)據(jù)的多種處理方式、存儲周期和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的邊緣計算等需求而搭建的[12]，由車載系統(tǒng)、車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面系統(tǒng)構(gòu)成，按照系統(tǒng)功能分為子系統(tǒng)PHM功能、車輛級PHM功能和列車級PHM功能，全面覆蓋了“車-空-地”的PHM技術(shù)生態(tài)鏈。智能動車組PHM體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能動車組 PHM體系架構(gòu)圖

3.1 車載系統(tǒng)

智能動車組車載系統(tǒng)由車載PHM單元、人機接口單元以及手持移動終端組成。車載PHM單元采用經(jīng)過第三方測試認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格工控機，搭載高性能處理單元，能夠進行實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲、模型運算等功能，通過列車以太網(wǎng)，采用標(biāo)準(zhǔn)TRDP通信協(xié)議從列車總線上采集關(guān)鍵系統(tǒng)及部件的狀態(tài)參數(shù)、故障參數(shù)等信息；人機接口單元通過讀取車載PHM單元數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時狀態(tài)顯示、預(yù)警報警信息查看、電子交互手冊查詢等功能；手持移動終端利用列車內(nèi)部專用的具有安全措施的局域網(wǎng)與PHM單元進行數(shù)據(jù)交互，在列車內(nèi)部及車外一定范圍內(nèi)為司乘人員提供可移動的數(shù)據(jù)查詢終端，極大提高了列車在行駛過程中的應(yīng)急處理效率，提高了列車運行安全可靠性。

3.2 車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

車載PHM系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行壓縮處理，利用5G設(shè)備及天線將數(shù)據(jù)通過規(guī)定協(xié)議發(fā)送至地面服務(wù)器進行集中存儲處理，再通過專用通道回傳至各運用單位供地面PHM系統(tǒng)平臺使用，并為模型的開發(fā)探索提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.3 地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)的目標(biāo)是通過提高動車組智能化程度，優(yōu)化動車組的設(shè)計、制造和運維，保障車輛安全運營，降低車輛運維成本，提升旅客服務(wù)滿意度。

地面PHM平臺以維修保障為中心，利用先進傳感器技術(shù)獲取列車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用智能算法和模型對車載大數(shù)據(jù)進行挖掘分析以獲取列車設(shè)備健康狀態(tài)的定量知識，對列車關(guān)鍵系統(tǒng)和部件的性能進行檢測和評估，識別早期故障，預(yù)測中長期故障，為列車實現(xiàn)基于狀態(tài)的均衡修提供支持。同時，在確保列車行車服務(wù)質(zhì)量的要求下，達到降低運維成本的目的。

智能動車組地面PHM系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。從系統(tǒng)建設(shè)來說，需構(gòu)建以性能檢測為核心的PHM支撐應(yīng)用，準(zhǔn)確掌握車輛性能狀態(tài)，及早處理故障，確保車輛運行安全；基于性能進行備件庫存優(yōu)化和維修資源規(guī)劃，優(yōu)化修程修制，降低全生命周期維修成本。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接入與存儲、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)警、健康評估、數(shù)據(jù)分析、運維決策、系統(tǒng)管理等應(yīng)用功能。

圖2 智能動車組地面 PHM系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)束語

隨著我國軌道交通裝備制造業(yè)逐漸由“生產(chǎn)加制造”向“智能加服務(wù)”轉(zhuǎn)型，高速鐵路由大規(guī)模建設(shè)期向全面運營維護期轉(zhuǎn)變，檢修不足和檢修過剩的情況逐漸暴露出來，對此，本文根據(jù)智能運維需求，利用多數(shù)據(jù)融合、故障預(yù)測與健康評估等技術(shù)，通過主機企業(yè)和運用單位的造修數(shù)據(jù)貫通和共享，建立了科學(xué)健全的全壽命周期管理機制，搭建了統(tǒng)一的應(yīng)用平臺，可有效追溯動車組全壽命周期各個階段的履歷、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)動車組基于故障預(yù)測與健康管理的智能運維體系的構(gòu)建提供了研究思路，為動車組全壽命周期的維修維護工作提供理論基礎(chǔ)并智能化決策支持。