高速動車組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)研究與應用

宋德剛，牛齊明

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心， 青島 266111；2. 北京交通大學 計算機與信息技術學院， 北京 100044）

我國動車組目前實行“計劃預防修為主、事后維修補充”的維修體制[1]，針對該體制在實際應用過程中存在的不足,本文提出將故障預測與健康管理（PHM）應用于動車組維修體制中。結合動車組大數(shù)據(jù)的特點，運用人工智能等方法，實現(xiàn)故障預測、健康狀態(tài)評估以及維修策略的決策與優(yōu)化，以求延長高速動車組使用壽命、提高使用效率和降低運維成本。

工業(yè)大數(shù)據(jù)是指在工業(yè)領域中圍繞典型智能制造模式，整個產品全生命周期各個環(huán)節(jié)所產生的各類數(shù)據(jù)及相關技術和應用的總稱[2]。PHM是一種通過評估產品在實際生命周期條件下的可靠性來判定故障出現(xiàn)和減輕系統(tǒng)風險的技術或方法[3]。目前PHM的應用非常廣泛[4-9]，但在基于動車組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)研究和應用上較為缺乏。本文根據(jù)工業(yè)大數(shù)據(jù)和PHM的發(fā)展現(xiàn)狀，結合已有的PHM標準，提出了動車組PHM系統(tǒng)功能架構，并應用實例驗證使用方法。

1 PHM相關標準

目前，還沒有一套完善的PHM系統(tǒng)標準，由于PHM和故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控及健康管理的相關性，可以借鑒一些標準組織的相關標準。與PHM相關的主要標準大致分為5類：機內測試（BIT）、狀態(tài)維護（CBM）、故障預測與健康管理（PHM）、健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)（HUMS）、飛行器綜合健康管理（IVHM），如表1所示。

1.1 機內測試

機內測試系統(tǒng)設計與應用指南（ARINC604）適用于設備早期階段的設計。PHM系統(tǒng)設計時可以借鑒機載維護系統(tǒng)設計指南（ARINC624）系統(tǒng)完整性的判斷[10]。

表1 PHM相關的標準

1.2 狀態(tài)維護

機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷標準（CM&D）中的開放式視情維修體系結構標準（ISO13374）可以為劃分PHM整體功能模塊提供指導。OSA-CBM是ISO13374的實現(xiàn)。標準指出PHM系統(tǒng)要有6個功能模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、健康評價、預兆評估和提出建議[11]。此標準適合具體設備的PHM系統(tǒng)設計。OSA-EAI是面向企業(yè)應用集成的標準。該標準有助于提出企業(yè)開放的綜合解決方案。美國SAE發(fā)布了多項關于燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)指南，其中有使用壽命監(jiān)視指南。

1.3 故障預測與健康管理

美國SAE發(fā)布了關于燃氣渦輪發(fā)動機健康管理系統(tǒng)指南，其中有發(fā)動機健康管理指南等。AIESTATE標準規(guī)范了測試系統(tǒng)和人工智能之間的接口；支持模塊化診斷架構。SIMICA標準定義了維修信息模型和提供了一種維護過程的XML方案。IEEE的P1856標準建立了電子系統(tǒng)的PHM框架。

1.4 其它

HUMS標準規(guī)范了數(shù)據(jù)交換標準、評估指標和傳感器接口規(guī)范。AC-29C MG-15主要針對旋翼機提供HUMS安裝、驗證和應用指南。ARP6290標準提供了綜合車輛健康管理系統(tǒng)體系結構開發(fā)指南，其中CBM系統(tǒng)是按ISO13374標準開發(fā)的。

通過比較和分析各種標準后，設計高速動車組PHM系統(tǒng)的框架參考OSA-CBM標準和OSAEAI標準；數(shù)據(jù)交換方式參照ISO13374標準和AIESTATE標準。

2 動車組PHM系統(tǒng)功能架構

2.1 系統(tǒng)設計

實現(xiàn)高速動車組PHM系統(tǒng),需建立具有針對性的軟硬件平臺，研究數(shù)據(jù)獲取、故障預測，分析各模型的適應性，并在某型高速動車組中進行實際驗證。

借鑒國外PHM軟件開發(fā)平臺可以提高動車組PHM系統(tǒng)的開發(fā)進度，主要的國外PHM軟件開發(fā)平臺如表2所示。

表2 國外PHM軟件開發(fā)平臺

2.2 系統(tǒng)組成

高速動車組PHM系統(tǒng)功能架構主要包括：車載PHM系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和地面PHM系統(tǒng)。車載PHM系統(tǒng)主要實現(xiàn)動車組各個子系統(tǒng)（如牽引子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)等）、車廂和整列車的健康狀態(tài)的評估和故障預測。地面PHM系統(tǒng)主要實現(xiàn)關鍵部件（如受電弓、軸承等）的故障預測、復雜的健康狀態(tài)的評估和綜合維修決策。在地面PHM系統(tǒng)中實現(xiàn)設計、生產、運用和維護等部門數(shù)據(jù)共享，提供全球在途高速列車的技術支持和遠程健康狀態(tài)監(jiān)測。通信系統(tǒng)主要有車載PHM系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、車地數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)各部分數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)功能

動車組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、故障預測、健康狀態(tài)評估、維修決策和可視化6個主要功能模塊。數(shù)據(jù)獲取模塊主要是通過各類傳感器收集部件、設備的相關數(shù)據(jù)或獲得其它系統(tǒng)的基礎、維修、環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊的功能是從下一層接收數(shù)據(jù)并對其進行清洗、特征提取等處理，使數(shù)據(jù)符合后續(xù)模型或算法的使用要求。故障預測模塊是基于歷史、狀態(tài)和維修數(shù)據(jù)等對運行中的部件、設備進行故障或壽命預測。健康狀態(tài)評估模塊對部件、設備和整車結構等的健康狀況進行量化，預測其未來狀態(tài)的趨勢。維修決策模塊主要負責根據(jù)預測結果和健康評估結果結合動車組運行計劃在故障發(fā)生前提出合理的維修建議?？梢暬K的功能是將預測結果或健康趨勢以友好的圖形方式展示給最終用戶。

考慮到數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)質量、安全和平臺的需要，系統(tǒng)還要有數(shù)據(jù)交換接口、賬號管理、資源管理和任務管理功能。數(shù)據(jù)交換接口模塊確保在不同的系統(tǒng)之間可以有效地交換數(shù)據(jù)。賬號管理模塊提供賬號管理功能，鑒權和授權。資源管理模塊負責管理和調度平臺的資源，提高整個系統(tǒng)的資源利用率。任務管理是監(jiān)控和管理不同的計算任務的模塊。

2.4 技術架構

動車組PHM系統(tǒng)的分層技術框架，如圖1所示。

數(shù)據(jù)獲取層：用數(shù)據(jù)采集設備分別對走行部、牽引設備、制動設備、高壓設備、電氣設備以及各類軸承等關鍵設備和部件，進行溫度、振動、圖像、視頻和力學參數(shù)等的采集。

數(shù)據(jù)處理層：各類傳感器采集的數(shù)據(jù)通過車載網(wǎng)絡傳輸?shù)杰囕d計算機；車載數(shù)據(jù)通過鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)或無線網(wǎng)絡等方式將數(shù)據(jù)傳到大數(shù)據(jù)平臺；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺。對于車載計算機中的數(shù)據(jù)進行在線數(shù)據(jù)的抽取、轉換和加載。對于大數(shù)據(jù)平臺中的集成數(shù)據(jù)根據(jù)部件或設備的特點進行特征提取或根據(jù)多元數(shù)據(jù)的相關性進行數(shù)據(jù)融合。

故障預測層：結合歷史數(shù)據(jù)和相關數(shù)據(jù)（天氣條件、地理條件、結構特性等）利用基于模型的方法、基于數(shù)據(jù)驅動的方法和基于統(tǒng)計的方法來建立故障預測模型，對動車組部件或設備進行故障程度的量化或發(fā)展趨勢的判斷。利用基于失效數(shù)據(jù)的方法、基于退化數(shù)據(jù)的方法和多源數(shù)據(jù)融合的方法進行關鍵部件剩余使用壽命的預測。

圖1 動車組PHM系統(tǒng)框架

健康狀態(tài)評估層：通過故障預測或剩余使用壽命預測的結果結合歷史數(shù)據(jù)和天氣地理等數(shù)據(jù)，綜合評估部件、設備、車廂和整車結構等的健康狀態(tài)等級。對于計算量小、重要的評估放在車載PHM系統(tǒng)中去評估；對于計算量大、復雜的評估放在地面PHM系統(tǒng)中去計算。

可視化層：將所獲得的預測結果數(shù)據(jù)，通過EChart等web圖表控件轉換為二維靜態(tài)或動態(tài)圖像，使得結果更為直觀。

維修決策層：利用維修經(jīng)驗和動車組檢修計劃、專家經(jīng)驗等對故障預測或剩余使用壽命預測的可視化結果進行聯(lián)合決策，根據(jù)故障預測的程度或健康等級提出合理的維修計劃。

3 動車組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)中的應用實例

牽引電機是動車組的核心部件之一，由于工作環(huán)境惡劣、負載變換頻繁以及動力作用大等因素使牽引電機軸承容易出現(xiàn)故障。當前投入運營的CRH380系列動車組上安裝了各類溫度傳感器，如軸溫傳感器，并通過無線網(wǎng)絡實時傳輸?shù)降孛?，給關鍵設備的實時健康評估提供了有利條件[12]。

實驗數(shù)據(jù)采集于運行階段的車載信息地面應用系統(tǒng)和檢修階段的動車組故障管理系統(tǒng)，溫度數(shù)據(jù)內容包括環(huán)境溫度、動車牽引電機驅動側軸承溫度和非驅動側軸承溫度等。在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境（IDE）下，用Java語言開發(fā)相關回歸算法，對hive中溫度數(shù)據(jù)進行分析，并用EChart進行了可視化展示，如圖2所示。取軸承溫度和環(huán)境溫度的差值以排除環(huán)境溫度對軸承溫度的影響，根據(jù)采集的大量數(shù)據(jù)，通過公式1和公式2擬合出趨勢線（圖2中綠線），并用公式3得出溫度過高時的警戒線（圖2中紅線）[13]。其中，p為擬合系數(shù)，x為速度值，y為溫度值，Y為告警溫度值，E為溫度值的數(shù)學期望，σ 為溫度值的標準差。在紅綠兩條線之間的為牽引電機軸承正常的溫度變化范圍，超過紅色邊界線的點為異常工作溫度。

通過條形圖（圖3a所示）和折線圖（圖3b所示）等方式可以更加直觀地展示軸承溫度的變化范圍；系統(tǒng)中有多樣的可視化方式，可以輔助不同用戶對各類軸承的健康狀態(tài)做出直觀地評估和決策。

4 結束語

目前，動車組檢修是計劃預防維修體制，盲目性維修問題尤為突出，造成人力、物力的浪費，維修成本過高等一系列問題。本文提出基于大數(shù)據(jù)的高速動車組PHM系統(tǒng)的架構方案和應用實例，為建立動車組故障預測與健康管理系統(tǒng)提供參考，希望能更好地保障動車組運行安全，延長動車組使用壽命，降低動車組的維護成本。

圖2 加速過程中1車1牽引電機驅動側軸承溫度與環(huán)境溫度差值變化

圖3 300 km勻速運行1車電機2非驅動側軸承溫度與環(huán)境溫度差值