故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在地鐵列車運維中的運用

劉云龍

摘 要：本文主要針對故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在地鐵列車運維中的運用展開研究，先提出其必要性分析，然后分析系統(tǒng)架構(gòu)和功能，最后闡述故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在地鐵列車運維中的具體應(yīng)用和實例分析，主要包括車載PHM主機、走行部PHM系統(tǒng)、車門PHM系統(tǒng)，旨在充分彰顯出PHM系統(tǒng)（故障預(yù)測與健康管理技術(shù)）的應(yīng)用價值，為地鐵列車運行和維護提供強有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：故障預(yù)測;健康管理技術(shù);地鐵列車;運維;運用

現(xiàn)階段，在經(jīng)濟社會發(fā)展的強大推動下，大大推進了城市化進程，城市軌道交通建設(shè)規(guī)模也越來越龐大化，工業(yè)設(shè)備在諸多領(lǐng)域應(yīng)用的復(fù)雜程度愈發(fā)強烈，如航空航天、通信、軌道交通等，但是設(shè)備自動化、智能化程度也得到了明顯提升。在使用工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)時，技術(shù)構(gòu)成具有較高的復(fù)雜性，開發(fā)、維護成本也比較高昂，而系統(tǒng)故障也經(jīng)常發(fā)生，所以加強地鐵列車故障檢測的研究與分析是至關(guān)重要的，以此來給予地鐵列車運行安全性一定的保障，同時應(yīng)加強現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，將地鐵列車設(shè)備升級工作落實下去。在地鐵建設(shè)過程中，故障預(yù)測和健康管理技術(shù)（PHM）的應(yīng)用，對于我國現(xiàn)代地鐵健康發(fā)展具有極大的幫助，應(yīng)引起管理者、研究人員的高度重視。

1PHM在地鐵列車運維中應(yīng)用的必要性分析

近年來，軌道交通技術(shù)發(fā)展速度非?？欤袊谑澜绯鞘熊壍澜煌ㄊ袌鲋忻星懊?同時軌道交通設(shè)備的復(fù)雜性越來越明顯，一定程度上給檢修人員的工作帶來了一定的壓力，車輛的可靠性和可用性已經(jīng)成為了社會上共同關(guān)注的焦點話題之一。當前大多數(shù)乘客明確提出了對于乘坐準點率、舒適性等方面的需求，其與服務(wù)水平增長之間出現(xiàn)了明顯的沖突。對當前城市軌道交通車輛運用存在的問題進行分析：

首先，檢修效率有待提升。我國軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，但是檢修模式的發(fā)展進步與行業(yè)規(guī)模需求增長并不相符，進而增加了檢修負擔(dān);城市軌道交通需要檢修龐大的裝備數(shù)量【1】，如果采用人工檢查方式，很難確保良好的檢修效率，同時也不利于檢修質(zhì)量的提升。其次，在運營車輛長期服役下，極容易加重車輛設(shè)備的老化程度，對于設(shè)備維護的要求更上一個新高度。要想順利解決和處理上述問題，地鐵運營公司、主機廠和各系統(tǒng)供應(yīng)商應(yīng)給予高度重視，保持密切協(xié)作，既要注重加強車輛設(shè)備和系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，也要將故障報警、健康評估等功能充分開發(fā)出來，提前預(yù)知車輛故障，將故障檢修成本、故障風(fēng)險控制在合理范圍內(nèi);同時，為了延長地鐵車輛設(shè)備使用壽命，應(yīng)加強實時在線監(jiān)測的應(yīng)用，對故障機理進行深入剖析，準確評估設(shè)備健康狀態(tài)。

由此可以看出，PHM系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用勢在必行。該技術(shù)通過對地鐵車輛系統(tǒng)關(guān)鍵指標參數(shù)加裝傳感器，可以逐步推進并最終達到系統(tǒng)的狀態(tài)修、預(yù)測修，在對自身健康狀態(tài)進行評估和預(yù)測時，大數(shù)據(jù)、人工智能等具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢，提前預(yù)測系統(tǒng)存在的故障，并加強現(xiàn)有資源信息的融合，以此來指導(dǎo)維護保障工作的開展，作為綜合技術(shù)之一，涵蓋著狀態(tài)監(jiān)測、故障報警、健康預(yù)測等諸多功能。此外，PHM系統(tǒng)可以準確預(yù)測未來健康狀態(tài)，將維修活動的主動性發(fā)揮出來，確保裝備的可靠性和可用性得到穩(wěn)步增強。

2系統(tǒng)架構(gòu)和功能

PHM系統(tǒng)在采集和處理地鐵車輛各系統(tǒng)運營和故障數(shù)據(jù)時，主要借助于傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)來進行;然后在對故障原因進行分析時，大數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，以此來為具體維修提供一定的指導(dǎo);同時通過對歷史數(shù)據(jù)的對比，可以對系統(tǒng)部件的健康狀態(tài)展開科學(xué)化分析，將故障預(yù)警功能發(fā)揮出來。

2.1 PHM系統(tǒng)架構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集方面，智能傳感器在PHM系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在諸多數(shù)據(jù)獲取元件中，傳感器扮演著重要角色，可以對被測對象溫度、電壓等變化進行真實感受，并實現(xiàn)向電信號的順利轉(zhuǎn)化，為后續(xù)傳輸和處理工作的開展奠定良好的基礎(chǔ)。對于所采集的數(shù)據(jù)，在一系列處理后，如數(shù)據(jù)清洗、同類或異類數(shù)據(jù)的信息融合等，通過失效模型及智能推理算法的應(yīng)用【2】，PHM系統(tǒng)可以對車輛系統(tǒng)運行狀態(tài)進行準確評估，并對系統(tǒng)發(fā)生故障的部位及使用壽命等進展合理預(yù)測，促進維修保障工作的順利進行。

2.2 PHM系統(tǒng)功能

在地鐵車輛智能運行和維護過程中，PHM系統(tǒng)扮演著重要角色，在其功能方面，主要包括：

狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警功能。在展示線路和車輛系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)時，狀態(tài)監(jiān)測功能發(fā)揮著重要作用，同時還可以有效監(jiān)控線路和車輛系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)，特別可以動態(tài)化監(jiān)督和控制關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)信息等，并且在專家系統(tǒng)的扶持下，還可以不斷提高故障診斷效率。在車輛設(shè)備預(yù)測和預(yù)警方面，故障預(yù)警功能的發(fā)揮主要得益于閾值預(yù)警、趨勢預(yù)警、模型預(yù)警等方式。

健康評估功能。主要包括系統(tǒng)健康評估、關(guān)鍵部件壽命評估等。借助健康等級評定算法，有助于提高系統(tǒng)健康評估功能對軌道交通設(shè)備系統(tǒng)健康評估的準確性【3】。對于關(guān)鍵件壽命評估功能來說，對于軌道交通系統(tǒng)設(shè)備關(guān)鍵部件的壽命評估產(chǎn)生了極大的影響，其中，大數(shù)據(jù)建模與可靠性分析等方式得到了廣泛應(yīng)用，在確定關(guān)鍵部件的范圍時，主要從實際可采集數(shù)據(jù)的范圍出發(fā)。此外，通過可視化展示的方式區(qū)別不同健康等級的軌道交通車輛、各子系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)設(shè)備。

維修建議功能。通過專家知識庫結(jié)合人工審核機制。在故障報出時自動形成故障工單。其中維修處理建議、維修人員資質(zhì)、維修使用的工具都可以通過系統(tǒng)自動帶出。在進行計劃修制定維修計劃時，運籌優(yōu)化算法是必須要考慮的，同時計劃管理模塊與調(diào)度管理模塊對接。

備件需求預(yù)測功能【4】。在預(yù)測備品備件需求時，既要將軌道交通車輛年度維修計劃與必換件清單結(jié)合，也要融合偶換件清單與近期各系統(tǒng)故障預(yù)測趨勢。

3故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在地鐵列車運維中的具體應(yīng)用和實例分析

在地鐵車輛由人工駕駛向無人駕駛發(fā)展的大環(huán)境下，PHM系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越常見了。PHM系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵系統(tǒng)較多，包括地鐵車輛車門、走行部和空調(diào)系統(tǒng)等;同時，車載PHM主機在部分地鐵線路中也得到了充分體現(xiàn)，尤其是在老地鐵線路車輛改造中，可以彌補地鐵車輛控制單元（VCU）性能不足以及車地傳輸帶寬不足，并且車載PHM主機還可以增強算力作為邊緣計算節(jié)點，數(shù)據(jù)的采集主要從各個車載監(jiān)測子系統(tǒng)來進行【5】，通過MVB網(wǎng)或者維護以太網(wǎng)傳輸?shù)杰囕dPHM主機進行數(shù)據(jù)預(yù)處理以及機理規(guī)則判斷，最終將數(shù)據(jù)與診斷結(jié)果傳輸至地面系統(tǒng)。

3.1車載PHM主機

采集數(shù)據(jù)的范圍主要包括列車原有各子系統(tǒng)以及新增的監(jiān)測系統(tǒng)（各系統(tǒng)的傳感器），包括列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)等。在主流的車載PHM主機配置中，雙機冗余和網(wǎng)絡(luò)隔離得到了聯(lián)合使用，主機通過車輛網(wǎng)絡(luò)總線接入，并連接于列車控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)監(jiān)聽與采集，網(wǎng)絡(luò)隔離避免了主機影響車輛本身的控制網(wǎng)絡(luò)，此外在數(shù)據(jù)交互方面，車地通信單元與地面系統(tǒng)的作用不容忽視。

借助車載PHM主機，可以對車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行有效采集，實現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)測，基于知識庫和模型庫，為故障分析提供技術(shù)支持，對車輛的健康度與運行的安全性進行準確評估，并有效落實故障應(yīng)急處理，將故障描述、應(yīng)急處理措施等，納入到故障報告中【6】。

3.2車門PHM系統(tǒng)

車門PHM系統(tǒng)用于采集地鐵車輛車門系統(tǒng)電機的電流，速度、位置信號以及硬線開關(guān)量的信號，并將收集到的數(shù)據(jù)在采集模塊內(nèi)進行暫存，通過CAN、MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰囕dPHM主機。通過以上數(shù)據(jù)對車門故障與亞健康狀態(tài)進行診斷。

診斷限位開關(guān)故障：1.限位開關(guān)狀態(tài)與車門機械狀態(tài)不一致;2.通過采集每個限位開關(guān)的兩對觸點的狀態(tài)，如果兩對觸點的狀態(tài)同時對應(yīng)的是常開，或則是常閉則認為限位開關(guān)的觸點故障。

診斷下檔銷故障并判斷下檔銷與導(dǎo)軌刮蹭程度：1.輕微刮蹭;2.嚴重刮蹭。

診斷壓輪過壓故障并判斷壓輪與導(dǎo)軌刮蹭程度：1.輕微刮蹭;2.嚴重刮蹭。

障礙物防夾故障記錄，障礙物防夾不滿三次時的故障上報;

4結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段，城市地鐵的集成化、智能化發(fā)展趨勢越來越明顯，故障預(yù)測與健康管理，必須要與時代發(fā)展潮流保持高度的一致與協(xié)調(diào)，不斷提高為地鐵網(wǎng)絡(luò)運營的服務(wù)能力和水平。所以故障預(yù)測與健康管理技術(shù)非常值得應(yīng)用，不僅可以預(yù)防故障問題的發(fā)生，而且還可以進一步完善列車檢修方案，促進維護工作的順利進行，從而使地鐵列車安全、高效地運行下去。

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