軌道車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)

文/丁亞琦、陳超、黃貴發(fā)、吳志勇

城市軌道交通車輛走行部的機(jī)械故障是影響車輛運(yùn)行安全的重要因素，同時車輛走行部的維護(hù)保養(yǎng)成本在車輛維護(hù)保養(yǎng)總成本中所占的比重較大，如何運(yùn)用有效的運(yùn)維手段，實時掌握走行部及軌道的運(yùn)行狀態(tài)并做出合理的應(yīng)對策略，規(guī)避安全風(fēng)險，節(jié)約維修成本，成為軌道交通運(yùn)維工作中亟待解決的問題。本文介紹了該問題的解決方案：車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)，是上海軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)（RISE系統(tǒng)）中的重要組成部分。

走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)實現(xiàn)條件

要實現(xiàn)軌道車輛走行部振動檢測及PHM，需要以下幾個基礎(chǔ)條件：

·高可信和高可靠的車載傳感和采集系統(tǒng)；

·成熟的車載振動檢測數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取以及存儲模塊；

·精確的故障診斷和健康評估模型及算法；

·先進(jìn)的故障預(yù)測和維修決策模型及算法。

上述模型及算法從可用性的角度來說，不能僅僅是理論模型，重要的是還必須保證算法的實用、高效率和收斂性，本項目采用的基于物理模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動的融合型故障診斷和預(yù)測方法，保證了最佳性能的獲得。

唐智科技的研究團(tuán)隊分析了走行部的運(yùn)動學(xué)和幾何學(xué)規(guī)律，建立了故障特征數(shù)學(xué)模型并由此奠定了故障診斷的基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)械部件失效機(jī)理分析，建立了機(jī)械部件性能退化的物理模型為故障預(yù)測提供了條件。另一方面，基于20多年軌道交通車輛走行部及軌道振動的海量歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及在監(jiān)測過程中積累的40000多起走行部機(jī)械故障案例數(shù)據(jù)，形成了一套完整的全壽命周期故障診斷和預(yù)測的專家知識庫，支撐了故障診斷和預(yù)測的算法模型的訓(xùn)練、測試和完善。

在本項目之前，上述PHM方法已經(jīng)具備了獨(dú)立性和完整性，但在信息化的角度來說還存在不足。比如傳統(tǒng)方式下要實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸需要建立獨(dú)立的通道或借助其他通道，比如與車輛其他子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析需要平臺支撐等。

隨著信息化和智能化，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的接入，上海軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)建立了統(tǒng)一的車聯(lián)網(wǎng)（IOR），實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線傳輸，建立了車輛運(yùn)維大數(shù)據(jù)平臺，為各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析提供了基礎(chǔ)條件，使得走行部專業(yè)子系統(tǒng)只需要專注于本專業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用開發(fā)，從整體上來講提高了效率，并為深度挖掘應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)

軌道車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)由“走行部車載故障診斷系統(tǒng)”、“走行部數(shù)據(jù)分析及健康管理軟件”組成，其組成及工作流程如圖1所示。

“走行部車載故障診斷系統(tǒng)”通過安裝在軸箱等部位的復(fù)合傳感器完成列車運(yùn)行過程中的沖擊、振動、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集。然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、分析，提取故障特征值，并將故障前后的數(shù)據(jù)存儲到車載故障診斷系統(tǒng)。走行部實時狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)“走行部車載故障診斷系統(tǒng)”實時診斷分析之后將報警狀態(tài)與特征數(shù)據(jù)通過IOR（車聯(lián)網(wǎng)）傳輸?shù)健吧虾５罔F大數(shù)據(jù)平臺”。

圖1：軌道車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)

“上海地鐵大數(shù)據(jù)平臺”通過調(diào)用部署在平臺上的“走行部數(shù)據(jù)分析及健康管理軟件”，進(jìn)行健康評估與維修決策運(yùn)算，輸出維修建議指令，由大數(shù)據(jù)平臺負(fù)責(zé)調(diào)度生產(chǎn)相關(guān)的系統(tǒng)執(zhí)行維修。同時負(fù)責(zé)調(diào)取走行部相關(guān)數(shù)據(jù)供其他子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析所用。

圖1中，“唐智PHM大數(shù)據(jù)服務(wù)中心”負(fù)責(zé)提供遠(yuǎn)程支持服務(wù)，包括算法更新，知識庫調(diào)用等服務(wù)。

走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：

狀態(tài)監(jiān)測與實時診斷：通過預(yù)定的振動、沖擊、溫度參數(shù)指標(biāo)實時在線監(jiān)測走行部的狀態(tài)，同時采用車載實時故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷運(yùn)算，及時將分級故障報警信息通過列車MVB網(wǎng)絡(luò)推送到列車控制與診斷系統(tǒng)（TCMS），并通過車聯(lián)網(wǎng)（IOR）傳輸至地面，檢修人員可以第一時間收到系統(tǒng)發(fā)出的分級報警信息，可及時高效地做出相應(yīng)的處置措施。

健康評估：通過部署在上海地鐵大數(shù)據(jù)平臺上的健康管理軟件完成原始數(shù)據(jù)的提取特征、故障診斷、趨勢分析以及健康評估，并利用評估結(jié)果給出相應(yīng)的維修建議，車輛檢修和管理人員據(jù)此可實現(xiàn)對車輛走行部及軌道進(jìn)行精準(zhǔn)維修。

壽命預(yù)測與維修預(yù)判：采用預(yù)先建立的失效物理模型和性能退化數(shù)學(xué)模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，預(yù)測車輛走行部各部件的剩余使用壽命，對走行部的運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢進(jìn)行監(jiān)控分析和預(yù)測。同時綜合考慮統(tǒng)計分析、健康評估、剩余使用壽命預(yù)測等結(jié)果，結(jié)合車輛修程、維修成本、維修方式等信息，在保障車輛安全運(yùn)營的前提下，為合理安排生產(chǎn)任務(wù)和維修計劃提供信息。

統(tǒng)計分析：通過統(tǒng)計分析功能，實現(xiàn)多發(fā)故障統(tǒng)計，統(tǒng)計維度包含：故障部位、故障模式、部件品牌、型號、批次等，可為用戶進(jìn)行車輛部件、配件選型提供參考建議。

圖2：軌道車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)與RISE系統(tǒng)的融合

圖3：踏面鏇修之后故障未再重復(fù)發(fā)生

圖4：輪軌振動檢測為輪軌匹配關(guān)聯(lián)分析提供數(shù)據(jù)

走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)與上海地鐵RISE系統(tǒng)的融合應(yīng)用

車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)實現(xiàn)了與上海地鐵RISE系統(tǒng)的深度融合，如圖2所示，系統(tǒng)將獲得的振動、沖擊、溫度、趨勢信息、健康評估結(jié)論、維修建議輸出到RISE大平臺，實現(xiàn)可視化信息管理，同時也可以從平臺獲取列車運(yùn)營基礎(chǔ)信息、維修數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、送檢數(shù)據(jù)等來進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，更為精準(zhǔn)的為用戶提供智能運(yùn)維信息服務(wù)。

目前上海地鐵在所有線路的部分列車上都配置了走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)，投入運(yùn)營的已經(jīng)有100多列車，隨著增購車投入運(yùn)營和新線的開通，數(shù)量還會不斷增加。該系統(tǒng)的已經(jīng)成為檢修和管理人員的重要工具，一線檢修技術(shù)人員利用該系統(tǒng)在檢修優(yōu)化和提高效率上取得了良好的效果。以下列舉兩個具體案例來說明。

案例一，16號線踏面鏇修策略優(yōu)化延長車輪使用壽命。16號線存在一定比例的車輪踏面內(nèi)部缺陷故障，若采用傳統(tǒng)的故障修方法，針對車輪踏面內(nèi)部缺陷故障平均需要鏇修13mm才能修復(fù)。16號線檢修技術(shù)人員很好地結(jié)合了走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，依據(jù)該系統(tǒng)給出的維修指導(dǎo)意見實施了經(jīng)濟(jì)鏇，實現(xiàn)了平均鏇修量僅5mm就能修復(fù)踏面，而且修復(fù)之后故障不再重復(fù)發(fā)生，如圖3所示，明顯的延長了車輪壽命。案例二，輪軌振動檢測為優(yōu)化輪軌匹配狀態(tài)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性與輪軌匹配狀態(tài)密切相關(guān)。然而，傳統(tǒng)的檢修方式是按專業(yè)分工，車輛和工務(wù)專業(yè)各負(fù)責(zé)自己的檢修，輪軌相互作用的匹配狀態(tài)往往被忽略，現(xiàn)在走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)的輪軌振動實時檢測功能可客觀地反映輪軌匹配狀態(tài)，為車輛和工務(wù)兩個專業(yè)提供了關(guān)聯(lián)分析的參考數(shù)據(jù)。如圖4所示，完成了1號線“徐家匯-上海火車站”鋼軌大修工作之后，輪軌振動檢測數(shù)據(jù)的變化客觀地反映了輪軌匹配狀態(tài)的明顯改善。

軌道車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)的應(yīng)用，使得檢修人員只需要通過屏幕信息顯示或者平臺推送到移動檢修終端的信息，就能了解列車走行部當(dāng)前的狀態(tài)，有助于減少檢修人員在常規(guī)普查上花費(fèi)的時間，降低其勞動強(qiáng)度，進(jìn)而將主要精力集中在故障的排除上，進(jìn)一步提升維保作業(yè)效率。

在“中國制造2025”創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展的基本方針指導(dǎo)下，堅持“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”的理念，本項目將對“軌道車輛走行部振動檢測及PHM系統(tǒng)”在技術(shù)深度和應(yīng)用廣度上進(jìn)行持續(xù)不斷的推動。比如故障預(yù)測方面，需要實施軸箱軸承狀態(tài)修，就要求實時在線監(jiān)測保障安全的前提下，利用故障預(yù)測優(yōu)化修程，挖掘軸箱軸承這一關(guān)鍵部件在設(shè)計壽命之內(nèi)的潛在價值，延長中間解體檢查周期。這些工作的深入推進(jìn)將能發(fā)揮人工智能+大數(shù)據(jù)的最大價值，推動行業(yè)科學(xué)發(fā)展，為智慧軌道交通的可持續(xù)發(fā)展注入活力。