動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)方案研究

李 燕，張 瑜，周軍偉

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

我國動車組車型較多，應(yīng)用環(huán)境較國外差別較大，行車設(shè)備故障、源頭質(zhì)量、作業(yè)檢修質(zhì)量等問題時有發(fā)生，對動車組運營、維修時常產(chǎn)生不可避免的影響。同時，動車組的計劃預(yù)防修和狀態(tài)更正修方式，存在過度修和欠維修的情況，導(dǎo)致動車組維修保養(yǎng)成本高昂、次生災(zāi)害及行車設(shè)備故障時有發(fā)生?；谏鲜霈F(xiàn)實情況，建立一套適合中國高速鐵路國情的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（PHMP，Prognostics and Health Management）具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來, 國外已在航空航天、國防軍事以及工業(yè)領(lǐng)域開展了PHM技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用工作。直升機健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）, 用來監(jiān)控轉(zhuǎn)子軌跡和平衡等，提供維修趨勢信息[1-2]；飛機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（ACMS）系統(tǒng)[3]能夠保證航空公司減少飛行延誤、航班取消、中途返航和中途換機等事件[4]。在動車組領(lǐng)域，法國TGV、德國ICE、美國AC6000CW、英國IC125型高速列車等依靠車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了全列動車組關(guān)鍵部件及系統(tǒng)實時狀態(tài)監(jiān)控和自動診斷[5]。

國內(nèi)方面，既有的CRH系列動車組的狀態(tài)監(jiān)測也大多依賴車載設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，以及在重要部件上加裝傳感器獲取狀態(tài)信息[6]。上海鐵路局與中車唐山機車車輛有限公司聯(lián)合開展動車組故障預(yù)測與健康管理的研究工作，并嘗試對CRH3型車的變壓器散熱裝置等部件發(fā)生的故障進行關(guān)聯(lián)分析和故障診斷，探尋故障與外部因素的關(guān)系，從而制定不同的檢修優(yōu)化策略，指導(dǎo)維修[7]。

本文第1部分介紹了故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)相關(guān)的基本概念和定義。第2部分對現(xiàn)階段建立動車組故障預(yù)測與健康管理地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、用戶及業(yè)務(wù)需求進行了分析。第3部分在文獻[5]的體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)動車組管理和執(zhí)行的實際需要，增加了動車組健康管理系統(tǒng)的硬件部署，從總體架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和功能設(shè)計角度出發(fā)提出了一整套的系統(tǒng)設(shè)計方案，并在接口設(shè)計部分首次明確了與動車組管理信息系統(tǒng)的包含關(guān)系。第4部分對動車組健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用前景進行了展望。

1 PHM定義與內(nèi)涵

從定義上，PHM指利用各類先進傳感器實時監(jiān)測裝備運行的各類狀態(tài)參數(shù)及特征信號，借助各種智能推理算法和模型來評估裝備的健康狀態(tài)，在其故障發(fā)生前對故障進行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障決策，以實現(xiàn)裝備的狀態(tài)維修[8]。

上述定義中涵蓋了以下若干個相關(guān)概念：

（1）狀態(tài)維修：指通過對設(shè)備狀態(tài)進行檢測，并且按設(shè)備的健康狀態(tài)來安排維修的一種決策方法[9]。

（2）故障診斷：指利用被診斷對象的各種知識，進行信息的綜合處理，最終得到裝備運行和故障狀況綜合評價結(jié)果的過程，目的是確定有無故障及故障情況。

（3）故障預(yù)測：以裝備的使用狀態(tài)為起點，結(jié)合各類信息，對裝備未來時間可能發(fā)生的故障進行預(yù)報、分析和判斷。

（4）健康狀態(tài)：對裝備系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件在執(zhí)行其設(shè)計功能時所表現(xiàn)出的能力的描述。

（5）狀態(tài)監(jiān)測：根據(jù)裝備的狀態(tài)特征，利用檢測設(shè)備，連續(xù)或定期采集裝備系統(tǒng)的狀態(tài)特征參數(shù)，并對其進行分析和解釋。

（6）狀態(tài)評估：以先進的狀態(tài)監(jiān)視手段、可靠的評價方法和完整的運行數(shù)據(jù)來判斷裝備所處的健康狀態(tài)。

這些概念或涵蓋了一部分PHM的研究內(nèi)容，或描述了PHM研究的最終目標，從各個不同角度詳細剖析了故障預(yù)測與健康管理的內(nèi)容和作用，他們之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 PHM相關(guān)概念關(guān)系圖

2 動車組PHM系統(tǒng)需求分析

動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)應(yīng)依托各類數(shù)據(jù)建模、分析和挖掘技術(shù)，依托鐵路總公司（簡稱：總公司）和各鐵路局動車組技術(shù)中心，滿足不同層級故障預(yù)測與健康管理的需要。

2.1 用戶需求

從用戶層級劃分，系統(tǒng)用戶可分為總公司、鐵路局、動車段3個級別；從用戶類別劃分，系統(tǒng)用戶可分為模型構(gòu)建及訓(xùn)練用戶和車輛業(yè)務(wù)用戶。

2.1.1 從用戶層級劃分

（1）總公司用戶：統(tǒng)籌管理全路車輛運用、維修工作；查看全路動車組健康狀態(tài)、檢修修程優(yōu)化建議；查看數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析相關(guān)功能。

（2）鐵路局用戶：合理安排局管內(nèi)動車組的運用檢修工作；查看局管內(nèi)所有動車組的健康狀態(tài)；跟蹤監(jiān)督故障預(yù)警的執(zhí)行情況；組織開展應(yīng)急指揮工作。

（3）動車（車輛）段用戶：執(zhí)行動車組的運用檢修工作計劃；完成故障預(yù)警的閉環(huán)管理；監(jiān)控所內(nèi)動車組的健康狀態(tài)，根據(jù)不同狀態(tài)等級安排后續(xù)操作；具體落實應(yīng)急指揮工作。

2.1.2 從用戶類別劃分

（1）模型構(gòu)建及訓(xùn)練用戶：對包括可靠性模型、大數(shù)據(jù)模型、機理模型等在內(nèi)的平臺各類模型進行建模、訓(xùn)練和管理。通過系統(tǒng)對模型進行新增、修改、刪除、導(dǎo)入、導(dǎo)出等操作，評估模型適用性，與業(yè)務(wù)管理人員共同保證模型預(yù)警及規(guī)則的有效性。

（2）車輛業(yè)務(wù)用戶：通過對動車組健康狀態(tài)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題，確保動車組設(shè)備正常運營；通過查看健康管理模型預(yù)警結(jié)果，實時監(jiān)控動車組故障發(fā)生情況，并進行相應(yīng)的后續(xù)處理。

2.2 數(shù)據(jù)需求

為支持動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)中對故障模型的建模和計算，實現(xiàn)故障預(yù)測和健康評價應(yīng)用，系統(tǒng)需要從業(yè)務(wù)系統(tǒng)、手工渠道及外部環(huán)境采集5大類，25小類數(shù)據(jù)，進行存儲、篩選、轉(zhuǎn)化和清洗工作,如表1所示。掌握故障發(fā)生規(guī)律，并預(yù)測未來的動車組狀態(tài)，包括剩余壽命、可正常工作時間等。

（4）維修決策建議：通過對動車組故障發(fā)生規(guī)律、動車組健康狀態(tài)的評估，結(jié)合當前定期檢修機制，給出視情檢修建議，包括車組檢修時間和項目，以及不同級別檢修優(yōu)化建議。

表1 數(shù)據(jù)類型列表

2.3 功能需求

結(jié)合動車組運用檢修實際，故障預(yù)測與健康管理地面系統(tǒng)大體應(yīng)具備以下功能：

（1）動車組狀態(tài)監(jiān)測：接收來自動車組制造或檢修廠家的傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析，對于故障進行等級管理，根據(jù)不同用戶需求，對故障進行分層展示，根據(jù)報警規(guī)則，對重要故障進行實時報警。

（2）健康評估：根據(jù)各車組的故障發(fā)生情況、運行和檢修記錄等對動車組健康狀態(tài)建模，計算各動車組、各車組子系統(tǒng)、各系統(tǒng)部件的健康狀態(tài)值，并對不同用戶進行不同級別的報警，確保上線動車組原設(shè)計功能正常，狀態(tài)良好。

（3）故障預(yù)測：通過對動車組機理、可靠性、故障發(fā)生規(guī)律進行建模，預(yù)測動車組設(shè)備故障發(fā)生，

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 總體架構(gòu)

PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式取決于裝備的組成結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，從信息處理方式的角度，可將裝備PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)歸結(jié)為3種類型，即集中式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和分層融合式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)簡單、信息傳遞過程清晰、中央故障管理控制器的功能強大，但執(zhí)行效率低，一般只用于小型系統(tǒng)；分布式可有效地提高子系統(tǒng)故障管理控制器的執(zhí)行效率，但無法有效利用健康狀態(tài)信息之間的冗余信息，系統(tǒng)級診斷/預(yù)測的可信度較低，適用于大型但結(jié)構(gòu)簡單的裝備；分層融合式結(jié)構(gòu)能夠在系統(tǒng)各層全面的利用冗余信息，降低了系統(tǒng)整體的虛警概率，更適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次多的裝備[8]。

動車組作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型裝備，宜采用分層融合式結(jié)構(gòu)進行故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的建設(shè)。系統(tǒng)物理部署可分為兩層，總公司服務(wù)器部署在鐵科院動車組技術(shù)中心，支持全路動車組的健康管理應(yīng)用、通用模型的建立和訓(xùn)練；鐵路局級服務(wù)器部署在各鐵路局動車組技術(shù)分中心，支持鐵路局范圍內(nèi)動車組的健康管理、通用模型的配置和個性化建模應(yīng)用。

在邏輯結(jié)構(gòu)上，動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)劃分為總公司級、鐵路局級及動車（車輛）段級3層，分別與EMIS的總公司、鐵路局、動車段層相對應(yīng)，可逐級嵌入，進行故障、檢修等數(shù)據(jù)的交互，形成緊密耦合的統(tǒng)一整體。其總體架構(gòu)，如圖2所示。

PHM系統(tǒng)設(shè)計為B/S架構(gòu)，總公司級別的應(yīng)用由鐵科院動車組技術(shù)中心服務(wù)器集群支撐相關(guān)應(yīng)用、計算和數(shù)據(jù)管理；鐵路局級別和動車（客車）段級別功能均由各鐵路局動車組技術(shù)分中心服務(wù)器集群支持，通過用戶和權(quán)限管理區(qū)分不同層級的應(yīng)用和不同屬性用戶的功能。PHM系統(tǒng)本身無車間級應(yīng)用，故障預(yù)警、個性化檢修周期配置等功能在段級PHM系統(tǒng)與EMIS進行交互，在車間級EMIS內(nèi)部，通過計劃及檢修管理模塊完成閉環(huán)管理。

圖2 動車組PHM總體架構(gòu)圖

3.2 邏輯架構(gòu)

參考鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用體系架構(gòu)[10]，基于5大類26個小類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，PHM系統(tǒng)邏輯架構(gòu)自下而上劃分為數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)管理、智能分析支撐、健康管理應(yīng)用和用戶訪問5個層次，其架構(gòu)，如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)采集層：通過數(shù)據(jù)自動接入、人工導(dǎo)入和人工錄入等方式，獲取項目所需的監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)，運用檢修數(shù)據(jù)等，通過對數(shù)據(jù)進行格式處理、清洗等操作，形成符合要求的數(shù)據(jù)，存儲到主數(shù)據(jù)庫。

（2）數(shù)據(jù)管理層：集中存儲和管理經(jīng)過結(jié)構(gòu)化和標準化處理的監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及知識庫數(shù)據(jù)等，為數(shù)據(jù)分析打好基礎(chǔ)。

（3）智能分析支撐層：為分析模型提供數(shù)據(jù)和模型運行環(huán)境，支撐分析模型的實現(xiàn)和評估。集中存儲分析模型的運行結(jié)果數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)挖掘及分析應(yīng)用的各類指標數(shù)據(jù)，為后續(xù)更多的智能分析數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支持。

（4）健康管理應(yīng)用層：完成健康管理的應(yīng)用業(yè)務(wù)支撐，實現(xiàn)各種類型的健康管理功能，主要包括健康監(jiān)測、預(yù)警預(yù)測、分析決策支持及模型管理等。

圖3 動車組PHM系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

（5）用戶訪問層：依托統(tǒng)一門戶管理，通過單點登錄，用戶權(quán)限和安全管理，通過可視化報表、交互式操作、定制開發(fā)和頁面功能集成，為用戶提供靈活多樣的訪問方式，并保障用戶訪問功能時的數(shù)據(jù)安全及系統(tǒng)安全。

3.3 功能設(shè)計

基于視情維修的開放體系（OSA-CBM）[11]綜合了現(xiàn)有PHM系統(tǒng)的共同設(shè)計思想、應(yīng)用技術(shù)和方法，已在艦船、飛機、車輛等領(lǐng)域到初步的應(yīng)用和驗證，如圖4所示。

圖4 OSA-CBM體系結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集與傳輸：利用各種無源和智能傳感器采集裝備系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本部分具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

（2）數(shù)據(jù)處理：接受傳感器及其他數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)和信號，并將數(shù)據(jù)處理成后續(xù)狀態(tài)監(jiān)控、健康評估和故障預(yù)測等部分處理要求的格式。

（3）狀態(tài)監(jiān)測：接收來自傳感器、數(shù)據(jù)處理以及其他狀態(tài)監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)同預(yù)訂的失效判斷等進行比較來監(jiān)測裝備系統(tǒng)當前的狀態(tài)，可根據(jù)預(yù)定的各種參數(shù)指標極限值/閾值進行故障報警。

（4）健康評估：進行被監(jiān)測系統(tǒng)（子系統(tǒng)、部件）的健康狀態(tài)評估，形成故障診斷記錄并確定故障發(fā)生的可能性。

（5）故障預(yù)測：對被監(jiān)測系統(tǒng)進行狀態(tài)評估和預(yù)測未來的健康狀態(tài)，包括剩余壽命、可正常工作時間等。

（6）自動推理決策：接收狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預(yù)測部分的數(shù)據(jù)，通過推理決策產(chǎn)生更換、維修等活動的建議與措施。

（7）接口：人–機器接口—數(shù)據(jù)信息表示與交互；機器–機器接口—各模塊之間、PHM與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。

學(xué)生信息管理系統(tǒng)主要功能包括：學(xué)生基本信息和成績的錄入，瀏覽、查詢、刪除、修改及計算成績等功能。功能分析如下：

動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)參考OSA-CBM開放體系結(jié)構(gòu)來進行地面系統(tǒng)的功能設(shè)計，主要包含4部分功能，即車組狀態(tài)監(jiān)控、故障分析、故障預(yù)警和維修建議支持。功能結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3.3.1 車組狀態(tài)監(jiān)控

車組狀態(tài)監(jiān)控模塊全面監(jiān)控全路動車組的運用狀態(tài)及健康狀態(tài)，通過對動車組健康狀態(tài)的建模、定義和計算，關(guān)注車組運用情況，確保上線動車組狀態(tài)良好，高效完成運營任務(wù)。模塊分為全圖車組狀態(tài)和單車組狀態(tài)查詢兩個功能：

（1）全圖車組狀態(tài)以全路動車開行線路圖為依托，通過不同顏色標識健康狀態(tài)不同的動車組，及其目前所處的運用狀態(tài)（開行顯示途中位置，檢修顯示檢修地點），對于健康狀態(tài)不達標的上線車組進行狀態(tài)報警；

（2）單車組狀態(tài)以車組的視角展示動車組健康狀態(tài)，并追根溯源、逐層逐級地剖析動車組各系統(tǒng)及部件的健康狀態(tài)值，并結(jié)合車組一車一檔履歷，給出進一步的跟蹤或維修警示。

圖5 動車組PHM系統(tǒng)功能構(gòu)成圖

3.3.2 故障預(yù)警

故障預(yù)警模塊通過大數(shù)據(jù)、可靠性模型及機理模型等，對動車組部件、系統(tǒng)等故障發(fā)生規(guī)律進行建模，預(yù)測未來故障發(fā)生的時間、部位，動車組剩余壽命等屬性。模塊分為車組數(shù)據(jù)預(yù)警、系統(tǒng)可靠性預(yù)警、部件機理預(yù)3個功能。

（1）車組數(shù)據(jù)預(yù)警模塊基于動車組運用開行歷史、故障發(fā)生歷史、車載故障歷史數(shù)據(jù)、檢修歷史等，利用大數(shù)據(jù)平臺及方法，從數(shù)據(jù)分析建模的角度預(yù)測故障的發(fā)生和發(fā)展趨勢。

（3）部件機理報警根據(jù)動車組部件的組成和工作原理，構(gòu)建模型，結(jié)合車載離線數(shù)據(jù)，預(yù)測部件故障的發(fā)生和發(fā)展趨勢。

3.3.3 故障分析

故障分析模塊針對動車組在開行途中及運用檢修、高級修中發(fā)生的故障進行逐步深入的分析，全面描述故障發(fā)生的規(guī)律和趨勢，根據(jù)不同的統(tǒng)計分析級別，又可以劃分為遠程故障報警及分析、故障基礎(chǔ)性分析、故障率分析和可靠性分析4個功能：

（1）遠程故障報警分析利用WTDS實時和離線下載數(shù)據(jù)，進行故障分析與報警。其中，實時報警數(shù)據(jù)根據(jù)不同級別，在全圖車組狀態(tài)頁面進行復(fù)視；離線數(shù)據(jù)進入大數(shù)據(jù)平臺，進行動態(tài)分析、相關(guān)分析和回歸分析等。

（2）故障基礎(chǔ)分析從故障發(fā)生的時間、里程信息、配屬和擔當屬性、車型屬性及故障發(fā)生結(jié)構(gòu)點等維度，進行基礎(chǔ)的描述性分析，通過可視化工具進行展示。

（3）故障率分析通過將故障發(fā)生的時間、里程、發(fā)生線別等信息的聯(lián)合查詢，顯示故障沿各個維度的變化規(guī)律，通過百萬公里故障率、平均無故障時間、平均無故障公里數(shù)等指標的計算，對不同維度的故障發(fā)生進行評價。

（4）RAMS分析模塊從可靠性分析角度，通過設(shè)置可靠性、可用性、可維修性和安全性性能指標，對單車組和車型進行評估分析。

3.3.4 維修建議

維修建議模塊通過動車組全生命周期中的故障數(shù)據(jù)和檢修數(shù)據(jù)發(fā)生頻率、檢修頻率、檢修范圍的劃定，給出維修項目及維修周期的優(yōu)化建議，輔助維修人員達到視情檢修的目標，最大限度的節(jié)約動車組運用、檢修的人力、物力和時間成本。該模塊又可劃分為全生命周期故障發(fā)生規(guī)律和檢修項目與故障相關(guān)性兩個功能。

3.4 接口設(shè)計

動車組管理信息系統(tǒng)接口，如圖6所示。

圖6 動車組管理信息系統(tǒng)接口

動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)作為動車組管理信息系統(tǒng)的一部分，通過動車組管理信息系統(tǒng)獲取眾多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3.4.1 數(shù)據(jù)采集

5大類系統(tǒng)數(shù)據(jù)及人工導(dǎo)入數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入動車組管理信息系統(tǒng)總公司級系統(tǒng)進行存儲、管理，通過內(nèi)部接口向動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)提供健康計算所需的輸入數(shù)據(jù)。

3.4.2 數(shù)據(jù)交互

動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)同動車組管理系信息系統(tǒng)通過系統(tǒng)間接口服務(wù)器進行健康相關(guān)數(shù)據(jù)的交互。動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)將動車組特征指標、健康狀態(tài)評估、狀態(tài)修任務(wù)等發(fā)送給動車組管理信息系統(tǒng)，后者將狀態(tài)檢修回填信息發(fā)送給動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)子系統(tǒng)，進行迭代的模型計算，完成預(yù)警故障的閉環(huán)管理。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合鐵路總公司和鐵路局實際情況，通過對用戶、數(shù)據(jù)、功能等的需求分析，提出了一套動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)建設(shè)方案，對于完善動車組運用檢修信息化體系，實現(xiàn)動車組視情檢修，提高動車組運用、維修效率具有積極的推動意義。

動車組故障預(yù)測與健康管理是動車組運用檢修質(zhì)量管理及技術(shù)管理工作的熱點，能夠有效減少動車組運營過程中故障引起的風險，提高運營效率。但除了系統(tǒng)建設(shè)本身，對于動車組故障預(yù)測與健康管理完整體系的建立，還應(yīng)同步完成以下兩部分工作：

（1）動車組構(gòu)型數(shù)據(jù)的不斷完善和優(yōu)化。構(gòu)型管理能夠控制各個構(gòu)型部件發(fā)生的變化，并在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)保證此部件的完整性和可追溯性，這對于研究部件乃至系統(tǒng)和車組的可靠性至關(guān)重要。

（2）動車組健康體系的建立是一個復(fù)雜、龐大的工程，每個環(huán)節(jié)的確定都需要大量的理論、實踐的論證。