PHM技術(shù)在高速道岔中的應用和難點分析

錢 坤

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速道岔得到廣泛應用。但隨著高速道岔服役時間的延長，其發(fā)生故障和功能失效的概率也逐漸增大，養(yǎng)護和維修的成本也隨之增加。故障預測與健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)技術(shù)是以預測技術(shù)為核心，基于系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟性進行綜合考量，實現(xiàn)從狀態(tài)監(jiān)測進化到健康管理的綜合性技術(shù)。這種轉(zhuǎn)變引入了對系統(tǒng)未來可靠性的預測能力，借助這種能力識別和管理故障的發(fā)生，規(guī)劃維修和供應保障。將PHM技術(shù)同高速道岔的運營管理和養(yǎng)護維修相結(jié)合，則道岔系統(tǒng)的安全性、完好性和穩(wěn)定性均有望得到提高，且有望減少道岔的養(yǎng)護維修費用。

1 PHM技術(shù)概述

PHM技術(shù)包含故障預測和健康管理2方面內(nèi)容。故障預測是指根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)在或歷史性能狀態(tài)預測性地診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的能力，包括確定部件或系統(tǒng)的剩余壽命、性能下降和失效概率。健康管理則是根據(jù)診斷或預測信息、可用維修資源和使用要求對維修活動做出適當?shù)臎Q策[1]。

PHM技術(shù)是在傳統(tǒng)的健康監(jiān)測和故障診斷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。20世紀60年代，美國在執(zhí)行完阿波羅登月計劃后，發(fā)生了一系列由設(shè)備故障引起的事故。因此，NASA(美國國家航空航天局)和美國海軍研究室在1967年主持開展了一系列針對機械故障預防的研究性工作，這標志著故障診斷的開端。后來，伴隨著新技術(shù)革命，故障診斷與健康監(jiān)測技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是在航空航天領(lǐng)域和軍事裝備領(lǐng)域得到了廣泛應用。PHM技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了可靠性分析、故障分析、系統(tǒng)監(jiān)控和系統(tǒng)健康管理4個階段后，在20世紀90年代中后期，隨著美軍重大項目—F-35聯(lián)合攻擊機項目的啟動，進入了綜合系統(tǒng)故障預測與健康管理階段[2-3]。目前，國外的PHM技術(shù)已經(jīng)從方案設(shè)計階段擴展到工程驗證階段，其應用遍及航空航天、工業(yè)制造、水力、核電等大型復雜系統(tǒng)領(lǐng)域。

我國PHM技術(shù)研究起步較晚，針對系統(tǒng)綜合層面的PHM項目主要集中在航空航天、復雜軍事裝備等非民用領(lǐng)域，目前有中國航天科工集團公司的武器裝備健康狀態(tài)管理平臺、航天測控公司的國產(chǎn)飛機實時監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)等為數(shù)不多的正在研發(fā)的平臺系統(tǒng)[4]。而針對機械、電子等子系統(tǒng)或部件的PHM系統(tǒng)已經(jīng)在發(fā)電、微電子等行業(yè)有所應用，如風電機組的運行性能監(jiān)測、電動汽車鋰電池組的性能監(jiān)測等。

2 道岔PHM技術(shù)需求分析

2.1 高速道岔監(jiān)測及檢測現(xiàn)狀

通過探傷車和手工探傷相結(jié)合，我國現(xiàn)有的道岔監(jiān)測和檢測手段能夠在一定程度上進行鋼軌件材料的裂紋及缺陷診斷，實現(xiàn)道岔一般軌件及轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障示警和隔離。具體情況如下：

1)軌道電路信號。當?shù)啦韰^(qū)外的連續(xù)軌件發(fā)生斷裂時，軌道電路會產(chǎn)生相應信號進行示警，從而對相關(guān)區(qū)間進行封閉，確保行車安全。

2)轉(zhuǎn)換設(shè)備信號。當轉(zhuǎn)轍機故障、轉(zhuǎn)換卡阻或密貼不嚴時均會產(chǎn)生相應的示警信號，從而對故障區(qū)間進行封閉，確保行車安全。

3)道岔探傷。采用道岔探傷車對岔區(qū)基本軌等一般軌件定期進行探傷作業(yè)，并采用手工探傷對探傷車無法覆蓋的尖軌、心軌、翼軌等變截面軌件進行補充探傷，但尖軌尖端、心軌尖端、軌腰等區(qū)域依然存在檢測盲區(qū)。

2.2 道岔PHM技術(shù)難點和適應性分析

主要應用于軍工和航空航天領(lǐng)域的傳統(tǒng)PHM技術(shù)關(guān)注的重點通常是具有高風險、高價值和高復雜度的集成系統(tǒng)。其監(jiān)測系統(tǒng)通常具有實時性強、集成度高、容錯率低等特點，傳感器的布置較為密集。測試主體的可測性在設(shè)計、研制和生產(chǎn)階段就已經(jīng)進行了優(yōu)化，為后期監(jiān)測和檢測預留了充足的接口條件[5]。

對于鐵路工務(wù)設(shè)備而言，即使是在具有較高結(jié)構(gòu)復雜性和功能復雜性的高速道岔上直接套用傳統(tǒng)的PHM方法在技術(shù)上和經(jīng)濟上都不具備可行性。具體原因如下：

1)故障導向安全且容錯率高。對列車運行安全產(chǎn)生直接影響的高速道岔傷損和故障，如軌件斷裂(尖軌、心軌斷裂除外)、轉(zhuǎn)換設(shè)備卡阻等，在發(fā)生后均導向安全，會產(chǎn)生相應的故障信號和示警，使運行列車有時間進行安全減速和停靠。而無預警信號的傷損和故障，如軌件磨耗、零部件斷裂、不足位移等，對列車行駛安全產(chǎn)生的影響較飛行器的發(fā)動機或飛行控制系統(tǒng)故障對飛行器安全的影響要輕微許多，對監(jiān)測的實時性需求較弱，容錯率較高。

2)可測性不足。高速道岔的設(shè)計受限于當時的技術(shù)和制造水平以及鐵路運營維護模式，對系統(tǒng)的可測性未進行充分考慮。目前道岔檢測主要依賴于人工或人工操作的移動式檢測機具，而監(jiān)測系統(tǒng)往往需要額外布置諸多的傳感器設(shè)備，集成度相對較低。電務(wù)設(shè)備具有一定的機內(nèi)測試功能，但數(shù)據(jù)種類比較單一，數(shù)據(jù)的傳輸和使用相對封閉。另外，由于測試數(shù)據(jù)多種多樣且離散性強，如超聲波探傷數(shù)據(jù)或光帶的圖像，難以歸并為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進行后處理和分析。以上原因?qū)е妈F路工務(wù)設(shè)備可測性不足。

3)經(jīng)濟性差。如需在空間和時間上對道岔區(qū)進行全面監(jiān)測，由于現(xiàn)有傳感器性能的限制，需要布設(shè)大量傳感器，造成成本急劇上升，經(jīng)濟性較差。

由以上分析可以看出，PHM技術(shù)在道岔中的應用主要受成本和測試方法的限制。為了突破這一限制，道岔PHM技術(shù)的研究應當從3方面著手：①積極利用現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備，避免過于繁雜的系統(tǒng)構(gòu)成，通過創(chuàng)新監(jiān)測方法和試驗手段來獲得更多的道岔狀態(tài)信息；②針對目前難以監(jiān)測但對安全非常敏感的設(shè)備優(yōu)先開發(fā)子系統(tǒng)級的故障預警系統(tǒng)；③利用目前機器學習、人工智能等新興數(shù)據(jù)挖掘手段，對測試數(shù)據(jù)展開專項研究，以期從現(xiàn)在和歷史數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)道岔健康狀態(tài)的特征，并對未來狀態(tài)進行預測。

3 道岔PHM技術(shù)應用可行性及難點

道岔PHM技術(shù)研究面臨著諸多復雜因素，如果在現(xiàn)階段就追求系統(tǒng)的完備性，則會面臨可行性和經(jīng)濟性的雙重困難。因此，從道岔的基本組成元素出發(fā)，通過對實際運營維護需求的分析，提出了道岔PHM分階段實施方案規(guī)劃，如圖1所示。

圖1 道岔PHM分階段實施方案規(guī)劃

從圖1可以看出，道岔PHM方案將沿時間和功能2條主線共同展開，近期的關(guān)注點主要偏向于安全領(lǐng)域，而隨著研究的進展，關(guān)注的重點也更多地向經(jīng)濟性轉(zhuǎn)移。值得注意的是，可動軌件的安全性作為道岔PHM研究的重中之重，將不斷進行新技術(shù)和新方法的引入和迭代，這在一定程度上也滿足了道岔作為整體系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求。因為在正常服役的情況下，可動軌件尤其是尖軌往往是養(yǎng)護工作量最大、更換最頻繁的部件，對其進行完善的健康管理將有效減輕現(xiàn)場工作強度并壓縮成本，從而提高道岔系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

道岔PHM方案規(guī)劃中還有一個顯著的特點，即不同組件的研究內(nèi)容及工作開展周期不完全一致，這是在充分考慮了不同組件的功能特征以及對安全性、經(jīng)濟性影響差異的基礎(chǔ)上進行的適當妥協(xié)和合理調(diào)整。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，利用較為成熟的傳感器、檢測設(shè)備及數(shù)據(jù)處理方法對道岔重點部件和位置進行故障示警、隔離和診斷并進行相應的管理，從而實現(xiàn)PHM的基本功能。

3.1 易損軌件壽命預測及更換管理

道岔鋼軌件尤其是尖軌、心軌和叉跟軌，由于存在薄弱斷面，容易產(chǎn)生病害，同時高速道岔的鋼軌件普遍具有體積長大、更換不便、成本較高等特點，因此成為影響道岔健康狀態(tài)的關(guān)鍵。道岔鋼軌件的健康狀態(tài)主要受內(nèi)部傷損和表面廓形狀態(tài)2個因素制約[6]。針對內(nèi)部傷損引起的可動軌件失效，目前尚未有成熟的報警系統(tǒng)，更無法進行預警與預測，因此應首先針對目前的道岔服役情況研發(fā)實時有效的裂紋傷損監(jiān)測檢測系統(tǒng)。而對于表面廓形引起的道岔性能下降，目前主要依靠現(xiàn)場工務(wù)人員的經(jīng)驗來進行判定和維修，亟需一套數(shù)字化的軌件廓形和磨耗管理系統(tǒng)。

3.1.1 道岔軌件傷損監(jiān)測檢測系統(tǒng)

1)系統(tǒng)原理

位于鋼軌軌頭、軌腰和軌底的磁致伸縮傳感器或壓電傳感器可發(fā)出超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個鋼軌截面并向遠處傳播。由于缺陷在徑向截面上有一定面積,導波會在缺陷處返回一定比例的反射波,因此可由同一探頭陣列檢出的反射波來發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷大小。

2)實現(xiàn)難點

①導波傳感器需耦合于鋼軌表面，而對于尖軌、心軌等部件，時常由于安裝位置受限造成傳感器靈敏度過低，采集信號信噪比低，容易產(chǎn)生漏報和誤報;②由于導波信號復雜度高、信息量大，信號后處理過程復雜，算法可優(yōu)化空間極大，目前自動化程度還未達到現(xiàn)場實時報警的要求。

3.1.2 道岔軌件廓形和磨耗管理系統(tǒng)

1)系統(tǒng)原理

使用機械或激光廓形儀掃描道岔軌件廓形，利用軟件使電子車輪廓形尺與數(shù)字輪廓相接觸，得到接觸狀態(tài)信息，判斷道岔軌件安全狀態(tài)。同時對道岔軌件進行磨耗管理，將原定性分析方法優(yōu)化為定量分析方法，并基于歷史積累的定量數(shù)據(jù)預測道岔軌件的殘余壽命，指導打磨與養(yǎng)護維修工作。

2)實現(xiàn)難點

①基于廓形的軌件壽命可靠性分析需要大量實測數(shù)據(jù)的積累，目前此項工作還未正式開展，且實施難度較大;②廓形測量設(shè)備的準確度和自動化程度有待提高，目前所依賴的人工測量方法受環(huán)境和人為因素干擾嚴重，數(shù)據(jù)的重復性不強。

3.2 轉(zhuǎn)換設(shè)備故障綜合預測及維修管理

針對同一轉(zhuǎn)換桿件相連接的道岔可動軌件，如尖軌和心軌，轉(zhuǎn)轍機內(nèi)的電信號可在一定程度上反映出軌件的結(jié)構(gòu)狀態(tài);而通過對尖軌和心軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測又可以對轉(zhuǎn)換設(shè)備因溫度變化而產(chǎn)生的卡阻進行預測。將兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合后，可以對工電接口的故障進行及時有效的預警。

1)系統(tǒng)原理

使用軸銷式測力傳感器和位移傳感器對道岔牽引點處動作桿的轉(zhuǎn)換阻力和機內(nèi)動作桿位移進行監(jiān)測，并結(jié)合尖軌和心軌的伸縮位移、環(huán)境溫度等參數(shù)，積累道岔轉(zhuǎn)換時的運行狀態(tài)信息和動作規(guī)律，通過對不同環(huán)境下轉(zhuǎn)換設(shè)備運行曲線進行分析，獲取可能的故障特征庫，對電務(wù)設(shè)備故障進行預警，并為電務(wù)部門提供輔助調(diào)整信息。

2)實現(xiàn)難點

①測試系統(tǒng)需替換原有轉(zhuǎn)轍機機內(nèi)部件，且數(shù)據(jù)傳輸無法基于已有的通信信號系統(tǒng)，造成設(shè)備上道手續(xù)困難，并增加成本;②工電接口的測試數(shù)據(jù)整合問題以往并無先例，需要大量實際測試數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，同時，現(xiàn)場工務(wù)和電務(wù)調(diào)整、維修等作業(yè)都會對采集數(shù)據(jù)的基準產(chǎn)生影響，也需要大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行校準。

3.3 基于大數(shù)據(jù)方法的道岔PHM技術(shù)

隨著測試技術(shù)的高速發(fā)展，在對系統(tǒng)進行檢測和監(jiān)測時獲取信息的種類和數(shù)量都呈指數(shù)級增長。隨著數(shù)據(jù)傳輸、儲存成本的降低，由大數(shù)據(jù)推動的PHM技術(shù)成為了目前PHM系統(tǒng)的主要進化方向，在近些年得到了廣泛的支持和快速的發(fā)展。對于高速道岔，由可靠性理論和物理模型驅(qū)動的PHM技術(shù)雖然能夠取得一定的成果，從而改善道岔的運營維護現(xiàn)狀，但若想進一步提高管理水平，未來在時機成熟的時候還是需要對數(shù)據(jù)驅(qū)動的PHM技術(shù)進行突破。

高速道岔的檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)中，由道岔監(jiān)測系統(tǒng)和軌檢車獲取的測試參數(shù)均隱含有大量的道岔狀態(tài)信息，通過對同一型號道岔信息或同組道岔的歷史信息進行分析，理論上能夠預測出道岔在服役過程中的健康狀態(tài)變化，從而對道岔系統(tǒng)進行故障預測和健康管理。但是，由于測試參數(shù)同道岔系統(tǒng)退化狀態(tài)之間的關(guān)系是非顯性且非線性的，傳統(tǒng)的建模和統(tǒng)計分析手段均無法有效地從數(shù)據(jù)中提取和融合關(guān)鍵信息，難以表征出系統(tǒng)的實際健康狀態(tài)。而數(shù)據(jù)驅(qū)動的PHM技術(shù)只要對足夠充分的系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進行學習，就有希望依靠數(shù)據(jù)的特征識別、選擇和融合，形成模糊化的健康參數(shù)模型，從而對系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行預測。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的PHM技術(shù)主要包含7個環(huán)節(jié)：信息感知、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集；特征識別、選擇和融合；健康參數(shù)構(gòu)建；剩余壽命預測；PHM不確定性量化與評估；PHM驗證與評估；健康管理[7]。

3.4 系統(tǒng)級道岔PHM技術(shù)面臨的問題

前述各個應用均是針對道岔中某一重點部位或部件開展的子系統(tǒng)PHM研究，其獲取的數(shù)據(jù)目前僅限于子系統(tǒng)內(nèi)部使用，而單一子系統(tǒng)的健康狀態(tài)無法反映出整個道岔的實際服役情況。系統(tǒng)級道岔PHM技術(shù)要求在各子系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，形成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等全面的融合，即對于用戶來說，平臺信息依賴于對用戶權(quán)限進行統(tǒng)一管理而不是根據(jù)分系統(tǒng)的功能形成多個界面。在將來進行系統(tǒng)級道岔PHM技術(shù)研究過程中，還面臨著下列問題：

1)目前各子系統(tǒng)性能還不完善，研發(fā)進度也難以統(tǒng)一，子系統(tǒng)間使用的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)格式在不同程度上存在差異，在將來系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)融合時，存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析的困難。

2)不同子系統(tǒng)雖然各司其職，但其監(jiān)測數(shù)據(jù)間可能包含有各種冗余信息。如何盡量精簡監(jiān)測數(shù)據(jù)類型來滿足各子系統(tǒng)的應用，同時降低系統(tǒng)復雜度和使用成本，也是面臨的一大挑戰(zhàn)。

3)系統(tǒng)級道岔PHM技術(shù)最重要的功能是實現(xiàn)道岔的健康管理。為了達到這一目標，需要對道岔服役和養(yǎng)護維修過程中涉及的人員信息、物料信息、設(shè)備信息和時間信息進行全面統(tǒng)計。道岔信息管理數(shù)據(jù)庫的搭建需要時間和行政強制力的雙重保障。

4 結(jié)語

高速道岔是高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施中影響行車安全的關(guān)鍵設(shè)施，需要長期保持良好的工作狀態(tài)，確保高速列車安全、平穩(wěn)、不間斷地運行。但道岔在服役過程中，受列車及溫度荷載的作用，會不斷發(fā)生傷損及性能劣化，因而是線路維修中的重點及難點。故障預測與健康管理這個概念最近才引入到工務(wù)系統(tǒng)的應用中來，在道岔中的應用更是從無到有的第一次嘗試。本文中的各道岔子系統(tǒng)目前都具備了一定程度的可行性，進一步解決技術(shù)中存在的難點并完善各子系統(tǒng)將是今后一段時間內(nèi)道岔PHM技術(shù)研究的重點。