100%低地板輕軌車輛故障預(yù)測與健康管理技術(shù)研究

吳英帥，宋旭東，夏野

(1.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116000；2.大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116022；3.中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116000)*

因具有靈活便捷、對使用環(huán)境依賴性低、修建工期短、造價低等突出特點，輕軌車輛在城市交通運輸中的占比逐漸增加[1-2]，其中，100%低地板輕軌車輛因其顯著的優(yōu)勢而備受關(guān)注.

100%低地板輕軌車輛基于完整的低地板結(jié)構(gòu)設(shè)計，技術(shù)先進，國產(chǎn)化程度高，車門多而寬，車內(nèi)寬敞明亮，極大的提高了乘客的乘車舒適度和安全性[3]，但受低地板結(jié)構(gòu)限制，車輛設(shè)備布置緊湊，更多設(shè)備需安裝在車輛頂部，導(dǎo)致維修維護難度增加，一定程度上限制了此類車型的發(fā)展和應(yīng)用.為解決此類問題，以預(yù)測技術(shù)為核心的故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)技術(shù)逐漸引起了車輛廠商的重視，成為重要的研究方向.

文獻[4]報道了西安地鐵1、2號線通過引入PHM系統(tǒng)，成功預(yù)測了車門平均故障率，極大的提高了故障分析能力，提升運行可靠性.文獻[5]報道了北京地鐵13號線通過引入PHM系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了列車故障預(yù)測，避免了隱性問題的進一步惡化，并科學(xué)制定了各部件的檢查和更換周期，提升了運維效率.然而，PHM技術(shù)在我國城軌車輛領(lǐng)域的應(yīng)用仍然十分有限，作為重要的輕軌車型，100%低地板車輛尚無PHM技術(shù)實際應(yīng)用.

1 應(yīng)用PHM可解決的主要問題

100%低地板輕軌車輛作為完整的裝備系統(tǒng)，具備復(fù)雜性、多層級性、未來狀態(tài)非確定性、關(guān)聯(lián)性等特性，使其故障發(fā)生的可能性更大、復(fù)雜性更強，難以進行故障的判斷處理.在100%低地板輕軌車輛發(fā)生故障時，往往與組成車輛的大量零部件及多個下級供應(yīng)商相關(guān)，需要多方協(xié)同處理，導(dǎo)致車輛故障準確排查的難度增加，影響車輛的使用效率[6].圖1所示為某100%低地板輕軌車輛車頂主要設(shè)備布局圖，可見其組成的復(fù)雜性.

PHM通過有效傳感類裝置獲取設(shè)備運行的實時狀態(tài)信息及表征信號，利用適當(dāng)?shù)哪Ｐ退惴▽κ占瘏R總的信息進行綜合評估和分析，進而對各類設(shè)備及系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行診斷和提前預(yù)警，并產(chǎn)生相應(yīng)的健康處理決策，實現(xiàn)對設(shè)備的高效維修維護[7-9].

對于100%低地板輕軌車輛而言，應(yīng)用PHM系統(tǒng)主要可為其解決以下三類問題：

(1)判斷車輛的維護、維修

PHM系統(tǒng)通過對收集匯總的車輛狀態(tài)信息進行綜合分析處理，得出相應(yīng)的車輛健康信息報告，確認各個零部件及子系統(tǒng)的健康狀態(tài)，包括功能正常狀態(tài)、性能退化狀態(tài)、部分功能或全部功能失效狀態(tài)等，結(jié)合所處狀態(tài)的嚴重等級信息，確定車輛的相關(guān)部件是否需要維護、維修的健康管理信息.

(2)確定車輛的故障信息

PHM系統(tǒng)可以根據(jù)各個部件和子系統(tǒng)的健康管理信息進行故障綜合分析，結(jié)合相關(guān)的車輛可維護性、可靠性、可維修性和可用性建模數(shù)據(jù)庫，分析異常狀態(tài)發(fā)生的誘因，進而對相關(guān)零部件的具體故障進行判斷識別，明確車輛的故障信息.

(3)預(yù)測車輛的未來故障

PHM系統(tǒng)可以根據(jù)車輛系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息進行決策，若零部件和子系統(tǒng)不需要維修，則繼續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)并進行故障預(yù)測分析，即在目前車輛狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛系統(tǒng)的歷史運營數(shù)據(jù)，預(yù)測故障未來發(fā)生的時間，做到提前的故障預(yù)警，并給出車輛系統(tǒng)相應(yīng)的故障預(yù)測提示.

PHM技術(shù)的應(yīng)用可以有效推動100%低地板輕軌車輛從定期維修維護向狀態(tài)維修維護、從被動故障防御向主動故障預(yù)警過渡，通過指導(dǎo)最小性維修和修復(fù)性維修的實施策略，降低車輛的雙維成本，同時，輸出相應(yīng)的故障處理和預(yù)測信息，提升車輛的運行可靠性，是解決100%低地板輕軌車輛維修維護問題的有效手段.

2 PHM體系結(jié)構(gòu)

PHM體系結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)的基本構(gòu)成形式，體現(xiàn)為系統(tǒng)各組成部分間的關(guān)系、系統(tǒng)和外部環(huán)境間的關(guān)系、系統(tǒng)功能實現(xiàn)的原理等方面，直接影響PHM系統(tǒng)的工作效果[10-12].PHM體系結(jié)構(gòu)的劃分多種多樣，對于100%低地板車輛這類多子系統(tǒng)通信的輕軌運輸裝備，從信息處理方式的角度分類PHM更為適合，具體可劃分為集中式、分布式、分層融合式三種結(jié)構(gòu)類型[13-14].

集中式體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：設(shè)計獨立的中央處理器用于收集、分析、預(yù)測和診斷各子模塊采集、監(jiān)控傳輸?shù)男畔?，給出設(shè)備狀態(tài)評估和健康管理等輸出信息，進而指導(dǎo)維修維護決策.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡單，數(shù)據(jù)傳輸易監(jiān)控，但子系統(tǒng)的個數(shù)與中央處理器的工作量呈冪次關(guān)系，過多的子系統(tǒng)會嚴重影響中央處理器處理信息的工作效率，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)緩慢.因此，集中式體系結(jié)構(gòu)只適用于子系統(tǒng)數(shù)量不多的小型裝備系統(tǒng).

圖2 集中式體系結(jié)構(gòu)示意圖

分布式體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：各個子系統(tǒng)進行自身的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控，并對自身故障進行分析處理，再將這些信息傳遞給人機交互顯示裝置，指導(dǎo)維修維護決策.分布式體系結(jié)構(gòu)對整個裝備系統(tǒng)的設(shè)計集成度要求很高，低集成度系統(tǒng)很難通過各子系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)獲得準確的系統(tǒng)健康狀態(tài)和正確的響應(yīng)形式.

圖3 分布式體系結(jié)構(gòu)示意圖

分層融合式體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示：與分布式體系結(jié)構(gòu)類似，分層融合式體系結(jié)構(gòu)可以在子系統(tǒng)層面進行各自數(shù)據(jù)的采集和狀態(tài)監(jiān)控，并對自身狀態(tài)和健康狀況進行分析、處理及預(yù)測.同時，設(shè)計中央處理器，將各子系統(tǒng)健康信息傳遞給中央處理器匯總，結(jié)合信息數(shù)據(jù)庫資料進行綜合分析處理，得出維修維護決策.分層融合式體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了信息的多層次冗余傳遞，能夠有效的提升分析數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，降低誤分析的風(fēng)險，適用于多級子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜裝備系統(tǒng).

圖4 分層融合式體系結(jié)構(gòu)示意圖

3 PHM架構(gòu)設(shè)計

100%低地板輕軌車輛一般采用模塊化設(shè)計，各層級系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性是車輛廠商必須考慮的重要問題，對系統(tǒng)健康狀態(tài)的分析、預(yù)測和判斷直接決定著車輛運行的安全與穩(wěn)定.100%低地板輕軌車輛的PHM架構(gòu)主要由PHM體系結(jié)構(gòu)、PHM主要功能和PHM必要特征組成.

3.1 PHM體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)100%低地板輕軌車輛多層級子系統(tǒng)的特點，PHM選用多層融合式體系結(jié)構(gòu)，通過車載PHM收集車輛部件、子系統(tǒng)及整車運行狀態(tài)和故障信息，分析健康狀態(tài)數(shù)據(jù)并與地面PHM系統(tǒng)信息交互，結(jié)合數(shù)據(jù)庫和算法模型，對車輛設(shè)備進行評估和健康管理，優(yōu)化維修維護策略，提升車輛系統(tǒng)的作業(yè)效率、運行可靠性及安全性.本文所設(shè)計的100%低地板輕軌車輛PHM體系結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 100%低地板輕軌車輛PHM體系結(jié)構(gòu)圖

列車的各部件將自身信息通過傳感器類設(shè)備傳送給相應(yīng)子系統(tǒng)，進行一定的分析后，子系統(tǒng)將狀態(tài)信息輸送給數(shù)據(jù)處理模塊進行異常判斷，進而對問題系統(tǒng)進行故障診斷和匯總預(yù)測，結(jié)合地面PHM工作站的數(shù)據(jù)和模型算法分析，借助健康管理系統(tǒng)最終輸出維修維護決策，指導(dǎo)車輛的實際維保作業(yè).

3.2 PHM主要功能

故障診斷功能：根據(jù)PHM的分層融合結(jié)構(gòu)體系，故障診斷功能采用相應(yīng)的配套程序設(shè)計，針對不同層級的信息進行特定的冗余匯總分析，有效提升故障診斷的準確性，降低錯誤故障預(yù)警的發(fā)生概率.

故障預(yù)測功能：根據(jù)故障診斷信息，結(jié)合地面PHM工作站故障數(shù)據(jù)和模型算法，分析、判斷各設(shè)備的健康狀況和剩余使用壽命，為健康管理提供有效數(shù)據(jù).

健康管理功能：對比、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫信息，根據(jù)匯總的故障預(yù)測數(shù)據(jù)，準確的評估相關(guān)設(shè)備的健康狀態(tài)，進而輸出合理的維修維護策略，指導(dǎo)實際運行維護工作.

3.3 輕軌車輛PHM必要特征

為了保證100%低地板輕軌車輛PHM系統(tǒng)的兼容性和開放性，使其有能力擴展新的模型和處理方法，PHM需設(shè)計成通用型對外接口，使用主流的通用通信標準，在保證快速拓展功能的同時提升與其他系統(tǒng)間的交互能力，力求同時兼容不同廠家的軟硬件信息.

采用多級分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)將一部分PHM設(shè)計工作封閉在層級系統(tǒng)內(nèi)部，有效的簡化系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)流程.同時，供應(yīng)商分塊式模式有利于問題的快速定位處理，提升PHM系統(tǒng)的維護效率和準確性.

車上PHM部分應(yīng)具備獨立解析和診斷故障的能力，在不依賴地面PHM工作站的情況下針對突發(fā)問題給出可行的快速處理信息，對于軟件問題導(dǎo)致的可恢復(fù)類故障做出明確的復(fù)位操作指引，避免非必要原因列車下線，提升運行可靠性，降低非必要運營維護成本開支.

PHM需對潛在故障進行準確分析，盡可能將需要維護、維修或更換的部件定位到最小可維護單元層次，在提升車輛運行安全性的同時，降低對外部維保人員及備件的需求，實現(xiàn)設(shè)備資源保障和經(jīng)濟效益雙向提升.

4 PHM方案設(shè)計示例

空調(diào)系統(tǒng)可對車內(nèi)溫度、濕度、氣流等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，與乘客的乘車舒適度密切相關(guān)，是100%低地板輕軌車輛重要的子系統(tǒng)之一.空調(diào)系統(tǒng)故障主要可分為兩大類：第一類故障是設(shè)備直接故障導(dǎo)致的功能失效，發(fā)生突然且故障現(xiàn)象明顯，如風(fēng)機異常停轉(zhuǎn)、變頻器停機等；第二類故障初期現(xiàn)象并不明顯，通常表現(xiàn)為部件的部分性能下降，若不進行及時處理會導(dǎo)致更為嚴重的延續(xù)性故障，如制冷管路泄露、過濾網(wǎng)阻塞等[15].

100%低地板輕軌車輛結(jié)構(gòu)緊湊，空調(diào)系統(tǒng)需置于車體頂部，作業(yè)空間狹小，維修維護難度高.本節(jié)將以100%低地板輕軌車輛空調(diào)系統(tǒng)為例從車輛角度進行PHM方案設(shè)計，特別是針對早期不易發(fā)現(xiàn)的第二類故障，預(yù)測性的進行判斷處理，避免問題放大.

4.1 子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

空調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)商根據(jù)自身設(shè)計經(jīng)驗和用戶需求設(shè)計多種傳感器類裝置，實現(xiàn)對壓力、溫度、電流、電壓等模擬量和系統(tǒng)運行狀態(tài)、開關(guān)器件狀態(tài)等數(shù)字量的實時監(jiān)控.對于收集的大量數(shù)據(jù)信息，空調(diào)系統(tǒng)需進行一定處理后再傳輸給車輛PHM系統(tǒng)，子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理主要包括如下四方面：

一致性檢測：一致性檢查是根據(jù)空調(diào)每個變量的合理取值范圍和相互關(guān)系，檢查數(shù)據(jù)是否合乎要求，發(fā)現(xiàn)超出正常范圍、邏輯不合理或相互矛盾的數(shù)據(jù)，直接剔除[16].

重復(fù)記錄檢查：數(shù)據(jù)庫中屬性值相同的記錄被認為是重復(fù)記錄，通過判斷記錄間的屬性值來檢測記錄是否相等，相等的記錄合并為一條記錄[16].

數(shù)據(jù)運算：收集的數(shù)據(jù)通常無法直接用于判定故障，如系統(tǒng)里的壓力、溫度、濕度等，這些參數(shù)之間沒有明顯的邏輯和定量關(guān)系，具有一定的模糊性[17].系統(tǒng)內(nèi)部有許多參數(shù)難以測量，且通常情況下也不允許測量，此時子系統(tǒng)需要利用與這類參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)進行間接運算.

異常判斷：子系統(tǒng)檢測實時數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定的監(jiān)控閾值，若超出則將相應(yīng)數(shù)據(jù)組的異常標志位置位，用于故障的冗余判斷.

4.2 傳感器選型

子系統(tǒng)通過選用的傳感器及傳感器信號處理算法，將與系統(tǒng)運行相關(guān)的重要模擬量實時轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息傳送給控制器，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的運行控制、狀態(tài)監(jiān)控及異常報警等功能，空調(diào)系統(tǒng)用到的主要傳感器選型如表1所示.

表1 空調(diào)系統(tǒng)主要傳感器選型

4.3 接口設(shè)計

空調(diào)系統(tǒng)與車輛PHM系統(tǒng)間接口采用輕軌列車通用型接口：利用車輛網(wǎng)絡(luò)MVB線纜以以太網(wǎng)形式組網(wǎng)，在保證通信效率及數(shù)據(jù)傳輸準確性的同時兼顧兼容性.連接器使用如圖6所示DB9雙冗余式結(jié)構(gòu)，利用連接器內(nèi)部的冗余電路，通過軟件設(shè)計可使在發(fā)生插頭松動或設(shè)備端故障離線的問題時可以檢測到相應(yīng)故障設(shè)備的生命信號丟失，給出離線故障提示，便于問題的排查和檢測.

圖6 雙冗余式DB9連接器及電路

4.4 車輛級PHM系統(tǒng)方案設(shè)計

車輛級PHM系統(tǒng)工作流程如圖7所示：首先根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行異常冗余判斷，若數(shù)據(jù)存在異常，則檢測子系統(tǒng)級數(shù)據(jù)異常標志位是否置位，若置位則認為數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，傳送給故障處理模塊進行故障預(yù)警判斷.采用雙冗余式異常判斷可以有效的降低第一類故障的誤觸發(fā)概率，提升車輛運行的可靠性.

圖7 車輛級PHM系統(tǒng)工作流程圖

在判斷數(shù)據(jù)異常后，會優(yōu)先在人機交互裝置上提示空調(diào)系統(tǒng)存在異常，并根據(jù)異常數(shù)據(jù)的類型進行模型似然度比較，選用匹配度最高的模型進行加載，庫中模型會結(jié)合車輛運行期間收集的數(shù)據(jù)，采用線性回歸算法進行訓(xùn)練，不斷提升模型的準確性和適應(yīng)性.加載模型后，系統(tǒng)根據(jù)異常數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的預(yù)測運算，使用模型偏差法對故障預(yù)警類型進行判斷，以100%低地板輕軌車輛的空調(diào)系統(tǒng)幾個典型的第二類故障為例進行車輛級故障預(yù)警設(shè)計說明：

檢測到電子閥開度、內(nèi)熱交溫度、外熱交溫度、排氣溫度中有數(shù)據(jù)存在異常后，系統(tǒng)根據(jù)工況和參數(shù)加載似然度最高的模型進行正常值預(yù)測，并進行如下計算：

A=模型預(yù)測電子閥開度-檢測電子閥開度；

B=模型預(yù)測內(nèi)熱交溫度-檢測內(nèi)熱交溫度；

C=檢測外熱交溫度-模型預(yù)測外熱交溫度；

D=實際排氣溫度-模型預(yù)測排氣溫度；

E=異常狀態(tài)持續(xù)時間.

故障預(yù)警設(shè)計如表2所示，在滿足相應(yīng)故障預(yù)警條件后，人機交互顯示屏?xí)蟪鱿鄳?yīng)的故障信息提示，并且健康管理系統(tǒng)會結(jié)合數(shù)據(jù)庫信息，給出相應(yīng)的處理策略.其中，濾網(wǎng)或蒸發(fā)器阻塞故障會給出相應(yīng)設(shè)備更換提醒，將定時更換優(yōu)化為按狀態(tài)更換；冷凝器阻塞故障會給出清洗相應(yīng)部件提醒，將定時維護優(yōu)化為按狀態(tài)維護；電子膨脹閥卡滯、制冷管路阻塞、制冷管路泄露會提前發(fā)出故障預(yù)警，提示在更嚴重的延續(xù)性問題發(fā)生前進行故障預(yù)測處理.

表2 故障預(yù)警邏輯設(shè)計表

上述設(shè)計能夠?qū)?00%低地板輕軌車輛的空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)控和預(yù)警，有助于實現(xiàn)故障的快速定位和預(yù)測性維護，提升車輛的運維效率.

5 結(jié)論

本文從車輛的角度出發(fā)，闡明了100%低地板輕軌車輛PHM技術(shù)的作用與系統(tǒng)架構(gòu)分類，完成了車輛PHM系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，給出了架構(gòu)方案的設(shè)計方案、功能設(shè)計及必要特征，提出了100%低地板輕軌車輛空調(diào)子系統(tǒng)PHM方案設(shè)計示例，為PHM輕軌車輛應(yīng)用方案設(shè)計提供了設(shè)計思路和設(shè)計方法，對未來PHM技術(shù)在100%低地板輕軌車輛中的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持.