城軌車輛牽引系統(tǒng)故障預測與健康管理技術研究及應用

劉 衎， 毛 琦， 李瑮冉，徐小明，王 營，祖紹鵬

（1.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2.中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段，上海 201803）

1 引言

隨著軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國各大城市均興起修建城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）線路的熱潮。線路總里程自2010年的1 777 km爆發(fā)式增長至2021年末的超過8 700 km，51個城市開通共計269條城軌線路，車站數量達到5 216座。同時，超過60個城市的新建城軌線路獲得批準。隨著總里程和線路數量的不斷增加，在役車輛的總體數量也呈爆發(fā)式增長，牽引系統(tǒng)部件檢修和維護更換的壓力逐漸增大。而在軌道交通領域，對安全性、可靠性的要求極為嚴格，在傳統(tǒng)的牽引系統(tǒng)檢修中，通常實際故障發(fā)生后先通過線上上報，再由系統(tǒng)供應商售后人員登車下載數據并發(fā)回分析，即使供應商技術人員可以立即分析出故障原因，也要待車組夜間入庫檢修時才能完成維修作業(yè)，這種模式下的牽引系統(tǒng)檢修無法預判車組運行時可能發(fā)生的故障和事故。類似地，根據車組運行里程和運行時長確定的固定周期檢修，也無法準確的判斷整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，盲目的更換部件往往會降低電氣部件使用的平均壽命，也會增加業(yè)主方的經營成本。因此，在現有條件下，為提高牽引系統(tǒng)關鍵部件的運維效率，降低業(yè)主方日常的車輛營運成本，同時兼顧對城軌列車牽引系統(tǒng)關鍵部件的實時數據監(jiān)控，應用故障預測與健康管理技術（PHM）勢在必行。隨著PHM系統(tǒng)廣泛地嘗試運用于各個車型，本文將通過分析牽引系統(tǒng)各部件故障預測的需求和技術關鍵，提出一種可以應用到城軌牽引系統(tǒng)的PHM架構，并以實車測試數據為例介紹PHM系統(tǒng)的基本應用方法。

2 PHM 技術的發(fā)展

故障預測是一項專注于預測系統(tǒng)或系統(tǒng)部件無法正常完成預期功能的一門工程學科。這種“無法正常完成預期功能”往往預示著整個系統(tǒng)已經無法達到既定的設計目標。這種預測手段，一般通過評估系統(tǒng)與其設計的正常性能偏差或在較長時間尺度的性能退化程度來預測系統(tǒng)部件的性能。

使用較先進算法進行故障預測的研究起步于1960年，美英日等各國逐漸發(fā)掘出該項技術的社會經濟效益，世界各個地區(qū)也迅速跟進。隨著幾十年的發(fā)展，PHM技術逐漸豐富，手段也愈發(fā)多樣，時至今日已成為一個獨立的研究方向。

我國PHM研究起步較早，但由于基礎薄弱，發(fā)展速度并不理想。1980年之后，我國才從軍工、航天領域開始，逐漸將PHM技術運用到工程領域中。但是受限于傳感器精度和核心算力，PHM技術的工程化水平與預期相差仍然較大，研究水平停滯不前，一直處于最初的摸索層面，即使在航天領域也僅僅做到對現有先進技術的跟蹤研究。在鐵路牽引系統(tǒng)領域PHM研究則更為緩慢，可謂是寥若晨星，尤其在城軌領域，關于牽引系統(tǒng)和其關鍵部件的PHM產品也沒有成熟的應用記錄。

3 牽引系統(tǒng) PHM 關鍵技術

列車牽引系統(tǒng)是城軌列車的核心部分之一，牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效是列車安全平穩(wěn)的運行基礎。因此，PHM技術在列車系統(tǒng)中的應用也愈發(fā)迫切。目前的故障處理能力僅可以識別系統(tǒng)的故障狀態(tài)，但是無法做到“預測”和“管理”，實際上在故障發(fā)生時僅能做到診斷具體故障部件的功能狀態(tài)，故障發(fā)生原因則需要值班人員通過數據分析才能有更深層的了解，不僅缺少對器件健康度的預估，也無法有效的提高系統(tǒng)可靠性。PHM技術的關鍵在于使用一系列的方法較為準確的找到系統(tǒng)介于正常和故障之間的非穩(wěn)定狀態(tài)，并根據一定的邏輯和判斷方法，包括但不限于采取車載或者地面的方式進行實時預警或安全評估，同時根據提前設定的應急操作辦法進行處理，以最大限度的提升牽引系統(tǒng)的安全性能。

2021年初智能動車組上線，標志著我國鐵路系統(tǒng)第一款牽引系統(tǒng)PHM正式進入了運營階段。與交直交供電動車組牽引系統(tǒng)相同，城軌牽引系統(tǒng)的框架結構中同樣使用異步電機交流傳動技術。特別地，城軌和動車組牽引系統(tǒng)所用的各項外部傳感器數據和內部采集變量也極為相似，因此城軌牽引系統(tǒng)PHM的上線也逐漸成為大勢所趨。

根據時間尺度、預測故障的輕重緩急以及對數據采集的頻率需求不同，牽引系統(tǒng)PHM分為車載實時PHM預警系統(tǒng)和地面PHM預警系統(tǒng)。兩者相輔相成，互相彌補，可滿足不同部件的預警需求。

3.1 城軌車輛級牽引系統(tǒng) PHM 平臺

綜合車載和地面牽引系統(tǒng)PHM平臺和列車網絡系統(tǒng)，組成車輛級的城軌牽引系統(tǒng)PHM平臺，平臺架構如圖1所示。

圖1 城軌車輛級牽引系統(tǒng)PHM平臺架構

在單車牽引設備中，牽引控制器將行車數據發(fā)送至牽引PHM板卡中，牽引PHM板卡數據經過篩選和處理后，將有關車輛級別的數據發(fā)送整車PHM主機中，其他相關數據則由車載PHM模型所采集并計算，并將與整車數據相關的結果發(fā)送至整車PHM主機，部件級的預警結果則回發(fā)至牽引控制器，根據提前設定好的方式，將預警結果報出，并由相關技術人員進行處理和反饋，形成有效的閉環(huán)管理。

在整車PHM設備中，整車PHM主機作為數據交換中樞負責收集所有行車數據和單車模型計算結果，并將結果發(fā)送到整車PHM模型和列車車載網絡系統(tǒng)中，符合條件的相關故障信息可以在車輛顯示終端顯示，在檢修時，牽引系統(tǒng)供應商的相關技術人員可以根據顯示終端的提示，綜合列車運行的工況和里程，指導庫內的檢修和部件的維護工作。同時，根據預警報出的真?zhèn)危Ｐ烷_發(fā)單位和牽引系統(tǒng)供應商相關單位需要安排盯控技術人員實時關注模型的判據、報出邏輯，并及時指導車輛檢修人員進行車輛部件的維護工作。對于確定的由于模型原因造成的預警不準確問題，也需要開發(fā)人員及時優(yōu)化模型，形成閉環(huán)管理模式。

3.2 車載牽引系統(tǒng) PHM 預警平臺架構

車載PHM預警系統(tǒng)一般采用數據采樣頻率較高的設備進行預警分析，總體來看，車載PHM主要實現對實時性要求較高和判斷邏輯較為簡單的部件進行預警。由于該類預警算法往往對運算量要求并不高，但是對數據精度要求較高，因此首先在硬件實現方面可以通過現有的數據處理板卡或增加額外的預警專用板卡完成全部的PHM功能。

對于車輛牽引系統(tǒng)而言，車載牽引系統(tǒng)PHM部件預警中需要加入與控車算法不同的預警模型，并以一定邏輯算法處理部件級別的運行數據，其結構如圖2所示。

圖2 車載牽引系統(tǒng)PHM預警平臺架構

車載牽引系統(tǒng)PHM部件預警，主要負責處理冷卻系統(tǒng)、傳感器、直流環(huán)節(jié)和功率模塊4個大方向。冷卻系統(tǒng)由于是單獨成套的系統(tǒng)，其車載部件預警并不包括內部功能的判斷，而是判斷溫度和壓力等數據變化判斷內部是否存在管路或風路異常。傳感器狀態(tài)預警主要針對牽引變流器內部的電壓電流傳感器以及由外部引入的速度傳感器。直流環(huán)節(jié)預警則是根據預充電和正常運行的各項數據綜合評估包括支撐電容、諧振回路在內的中間環(huán)節(jié)各部件的健康程度。而模塊預警則主要是根據脈沖激活時刻的電壓電流值對功率模塊的健康度進行綜合評估。

由于現有牽引系統(tǒng)板卡采樣頻率已達到1 kHz以上級別，4種不同部件的預警均可通過現有數據采集板卡完成。然而PHM系統(tǒng)僅僅提供預警功能，為不過多占用其他現有控車軟件板卡的算力，避免車載網絡系統(tǒng)控車端的帶寬占用比例過高，可以采用新增具有數據發(fā)送功能的信號處理板卡的方式，這樣既可以滿足高頻信號采集的需求，也兼顧必要的運算能力。同時，單獨使用的PHM板卡可以新增更多的數據采集，彌補控車數據的不足，也可以將計算結果或者特征變量自牽引系統(tǒng)維護口發(fā)至整車網絡非控車線路中，避免大量數據造成網絡堵塞等問題從而影響控車信號傳輸。

當板卡中PHM預警的計算結果滿足設計閾值時，板卡可以通過固定的車載協(xié)議，由以太網和多功能車輛總線（MVB）將數據發(fā)送至車載網絡系統(tǒng)做預警顯示或直接發(fā)送至遠程監(jiān)控系統(tǒng)，2種方式均可實現車載PHM閉環(huán)管理模式。技術盯控人員結合預警時刻的列車運行狀態(tài)和歷史數據分析，判斷結果若為有效告警則指導現場人員進行部件維護或檢修更換，若為無效告警則需要模型設計人員通過優(yōu)化算法從而減少無效告警的報出。

3.3 地面牽引系統(tǒng) PHM 預警平臺架構

地面牽引系統(tǒng)PHM不需要額外新增硬件設備，該部分的預警工作可以通過控車數據完成，且按照數據采集頻率和時間尺度長短的不同，可以分為2類。采集頻率稍大而時間尺度需求較短的預警功能，可以經由車載網絡系統(tǒng)，將整車的控車數據通過遠程發(fā)送功能，實時發(fā)送至地面PHM數據中心，由數據中心的數據處理硬件進行預警模型的計算。在此情況下，由于需要根據不同的工況和其他車輛同時刻的運行狀態(tài)，在較短的時間內判斷牽引系統(tǒng)部件在最近一段時間的狀態(tài)是否正常，因此適合復雜度較低，評判邏輯較為簡單的預警模型。某些時間持續(xù)需求較長的預警功能，甚至要積累以月為單位的數據量才能獲得有效的預警效果。例如對冷卻系統(tǒng)數據的分析，冷卻系統(tǒng)受外溫、濕度影響較大，不同的季節(jié)溫度上升曲線的趨勢也有較大差距，設計PHM預警模型需要收集大量的歷史運行數據才能使準確度和可靠性有所保證。因此此類預警對數據的突變并不敏感，使用采集頻率較低的信號即可完成模型的建立和后期運行時期PHM預警的功能。

由于地面牽引系統(tǒng)PHM可以平臺化的搭建于城軌運營公司或者牽引系統(tǒng)供應商處，因此不僅優(yōu)化、更新模型較車載PHM更加方便，使得地面牽引系統(tǒng)PHM的預警模型更新迭代的方式較車載平臺更豐富且更方便。特別是，搭建于運營公司處的預警平臺還可以在預警分析時額外加入車組運行數據，讓評判角度更加全面。另外，還可以在平臺中搭建預警結果數據庫，系統(tǒng)的存放所有預警結果，每次報出預警時可以快速匹配歷史信息，使后續(xù)的判斷工作變得更加簡便。最后，經判斷后的預警信息通過篩選，若為真實預警則推送至維護人員處進行處理，而無法判斷乃至錯誤的預警信息將提供給設計人員更新優(yōu)化預警模型，通過不斷的提高預警準確度，最終達到降低真實故障發(fā)生頻率的目的。

4 牽引系統(tǒng) PHM 應用實例

4.1 半實物仿真應用實例

為驗證城軌牽引系統(tǒng)PHM的實際應用效果，搭建城軌牽引系統(tǒng)半實物仿真平臺，通過線下真實硬件環(huán)境和模擬的高壓供電系統(tǒng)對預警效果進行驗證。搭建的半實物基本結構如圖4所示。

圖3 地面牽引系統(tǒng)PHM預警平臺架構

圖4 PHM半實物仿真示意圖

圖4中用于進行預警模型運行的牽引控制單元與實際裝車相同，通過網絡通信與Labview上位機相連，模擬車載網絡系統(tǒng)與牽引控制單元的網絡通信，并通過網絡上位機進行實時數據讀取；通過硬線連接半實物系統(tǒng)，模擬牽引系統(tǒng)高壓部分，包括中間直流回路的電氣部件和供電單元等，并通過仿真器上位機對數據進行實時修改，達到模擬車輛中間直流回路電氣部件失效、外部輸入電源異常等特殊工況。

以中間直流回路支撐電容異常為例，預警模型通過實時監(jiān)測中間直流回路電壓的脈動分量，即電壓紋波，對中間直流回路的健康程度進行評估，根據設定的閾值實時報出預警。

圖5為車輛牽引系統(tǒng)中間直流回路電壓值，圖中紅色部分為正常運行時刻的中間直流回路電壓值，當運行到圖中箭頭時刻，通過半實物上位機修改直流支撐電容值為正常值的二分之一，中間直流回路電壓值出現顯著的紋波，如圖中藍色部分。測試過程中，PHM實時計算的中間直流回路電壓紋波值如圖 6、圖7所示，通過將采集的直流電壓值按照一定時間窗口進行分割，針對每個窗口分別進行快速傅里葉變換（FFT）分析，便可以得到直流電壓的紋波分布。此時再根據幅值大小對不同頻率的紋波進行排列，并根據總紋波電壓判斷中間直流回路的電氣部件是否出現異常。

圖5 中間直流回路電壓值

圖6為牽引系統(tǒng)正常運行時的中間直流回路電壓紋波情況，圖7為修改電容值后的中間直流回路電壓紋波情況。對比圖6與圖7，PHM計算的中間直流電壓基波幅值大體一致，而修改電容值后，電壓紋波值顯著增大，根據設定的閾值，報出諧振回路異常標志。

圖6 中間直流回路電壓紋波正常值

圖7 中間直流回路電壓紋波異常值

4.2 實車應用實例

現階段車輛級牽引系統(tǒng)PHM已經在多種不同型號列車上進行不同程度的應用，不同部件的預警效果各異，但是均在提高維護檢修效率和避免運行故障起到了一定的效果。

在此，以某型號車組中間直流回路電抗器溫度預警為例，對牽引系統(tǒng)PHM的應用效果做簡單介紹。如上文所述，電氣部件的溫度數據受環(huán)境溫濕度影響較大，經過較長時間的數據收集，才可以獲得可信度較高的預警信息。表1為多個軌道交通線路車輛數據回傳至地面PHM預警平臺，并經由平臺內置的算法報出的中間直流回路電抗器溫度預警，表中標注的溫度值為報出預警時前后數分鐘的最高溫度，處理結果為盯控人員的具體處理意見，現場反饋結果則為現場售后人員經過車下作業(yè)后填寫的反饋信息。

從報出的溫度和月份來看，不同季節(jié)、不同區(qū)域報出的結果類似，但是綜合各方面的評判所得出的結論也不盡相同。例如，3月至4月為柳絮多發(fā)季節(jié)，對于即使電抗器溫度低于其他月份也被判定為虛警的預警信息，也應該在收到后及時對濾網進行處理。類似地，由于各個月份的平均溫度不同，而電氣部件溫升在相同功率下基本一致，因此預警判定時的溫度閾值需要根據線路所在地理位置進行調整。牽引系統(tǒng)負責人員會根據綜合判斷的結論進行響應，并且會將處理結果和實際情況一并回饋至數據庫中。從表1中的預警信息可以看出，判斷為實警的預警均有效反映出了散熱器和濾網存在的隱患，并可及時通過現場檢修維護避免溫度及其相關次生故障的發(fā)生。當該預警模型的準確程度達到特定行業(yè)標準或與運營公司約定的標準時，運營公司可以根據實際情況和預警結果決定何時對該部件進行檢修和維護工作，從而提高檢修的靈活度，降低運行時相關故障的發(fā)生概率。

表1 中間直流回路電抗器溫度預警數據表 ℃

5 結束語

為提升城軌車輛的維修效率，充分考慮到城軌的智能運維和綠色低碳需求，介紹城軌牽引系統(tǒng)PHM的基本情況，提出1 種從部件級到車輛級的PHM平臺架構：

（1）提出車載牽引系統(tǒng)PHM平臺的架構和預警維護閉環(huán)方法，提出1 套部件級車載牽引系統(tǒng)PHM的實現方法，并根據實際情況，給出幾種硬件設備的解決方案。

（2）提出地面牽引系統(tǒng)PHM平臺的架構，根據預警需求的數據量、歷史數據的長度，綜合給出幾種不同部件的預警測試方法，并根據模型優(yōu)化的需求，提出一種閉環(huán)管理的方法。

（3）綜合車載、地面牽引系統(tǒng)PHM平臺，提出城軌車輛級牽引系統(tǒng)PHM平臺，整車PHM主機將作為中樞系統(tǒng)綜合評判各個單車部件預警，并將數據通過網絡系統(tǒng)轉發(fā)至地面平臺中，形成完整的牽引系統(tǒng)故障預測和健康管理功能。

（4）通過半實物仿真和實車運行中對牽引系統(tǒng)PHM的功能進行測試，驗證牽引系統(tǒng)PHM的實際運用效果。

牽引系統(tǒng)PHM技術剛剛邁入應用階段，從模型搭建到預警閉環(huán)處理均有待在后續(xù)工作中進行完善。而PHM平臺的優(yōu)勢是建立在較高的預警準確率上，不完善的模型和算法反而會加重現場處置人員和部件維護人員的工作負擔，因此，搭建完整的城軌牽引系統(tǒng)PHM平臺后，下一步可以在地面、車載平臺搭載機器學習類的算法，例如神經網絡、隨機森林算法等，以進一步提高PHM平臺穩(wěn)定性，達到提高預警準確度、降低線上故障報出率的目的。