動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)PHM方案研究*

章 陽(yáng)

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094)

高速動(dòng)車組本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它是由車體、轉(zhuǎn)向架、網(wǎng)絡(luò)、高壓、牽引、制動(dòng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)都與高速列車的運(yùn)營(yíng)安全密切相關(guān)。與國(guó)外高鐵發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)高速列車修程修制較短，隨著運(yùn)營(yíng)高速列車數(shù)量的快速增加，維修成本將大幅度上升。安全運(yùn)營(yíng)與降低運(yùn)維成本是中國(guó)高速列車發(fā)展?fàn)顟B(tài)下急需解決的問(wèn)題。

時(shí)速350公里復(fù)興號(hào)動(dòng)車組已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)兩年，制動(dòng)系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)故障診斷功能，能夠?qū)崿F(xiàn)“故障導(dǎo)向安全”機(jī)制，確保列車運(yùn)行安全。隨著越來(lái)越多的復(fù)興號(hào)動(dòng)車組投入運(yùn)營(yíng)，中國(guó)高鐵的安全運(yùn)營(yíng)、日常檢修維護(hù)工作將會(huì)面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此，研究制動(dòng)系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)和健康評(píng)估方法，進(jìn)一步提高其安全可靠性，成為目前的一個(gè)急迫的課題。

與實(shí)時(shí)故障檢測(cè)與故障導(dǎo)向安全概念不同，制動(dòng)系統(tǒng)“故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)”是指利用先進(jìn)的傳感和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，獲取制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能等相關(guān)技術(shù)，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行健康評(píng)估，統(tǒng)計(jì)故障規(guī)律，結(jié)合地面維修資源，給出維修決策，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的預(yù)防性維修，降低檢修成本，降低運(yùn)營(yíng)故障率，從而保證復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的運(yùn)營(yíng)品質(zhì)和運(yùn)營(yíng)效率。

1 制動(dòng)系統(tǒng)PHM主要功能

制動(dòng)系統(tǒng)PHM主要功能包括：

(1)數(shù)據(jù)采集和處理，利用各類傳感和監(jiān)測(cè)設(shè)備，采集制動(dòng)系統(tǒng)故障預(yù)警和健康管理所需的各類原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸、分類、清洗。

(2)故障預(yù)警，基于大數(shù)據(jù)建模，通過(guò)特征指標(biāo)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)重要功能、關(guān)鍵零部件進(jìn)行故障預(yù)警，指導(dǎo)提前進(jìn)行檢查處理。

(3)性能監(jiān)測(cè)，對(duì)關(guān)鍵零部件特征指標(biāo)的計(jì)算，監(jiān)測(cè)其性能變化趨勢(shì)。

(4)零部件剩余壽命預(yù)測(cè)，監(jiān)測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的工作次數(shù)、工作時(shí)間、工作環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，依據(jù)其理論或試驗(yàn)壽命，預(yù)測(cè)其剩余壽命。

(5)健康管理，基于對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征提取，對(duì)各關(guān)鍵零部件剩余壽命的估算，以及歷史故障記錄等進(jìn)行的健康狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)。

(6)維修決策，通過(guò)故障預(yù)警、性能監(jiān)測(cè)、剩余壽命預(yù)測(cè)等數(shù)據(jù)，指導(dǎo)運(yùn)維部門(mén)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防修、對(duì)修程修制提出優(yōu)化的建議等，這部分是制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的頂層應(yīng)用。

2 制動(dòng)系統(tǒng)PHM關(guān)鍵技術(shù)

制動(dòng)系統(tǒng)PHM關(guān)鍵技術(shù)包括：

(1)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康管理技術(shù)，要求利用先進(jìn)的傳感器獲得盡可能精確的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過(guò)設(shè)計(jì)更先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)獲得對(duì)系統(tǒng)健康狀況的評(píng)估。

(2)診斷技術(shù)，定位出屬于早期故障狀態(tài)，不足以使制動(dòng)系統(tǒng)完全失效的故障模塊或零部件。

(3)預(yù)測(cè)技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)某個(gè)功能、某個(gè)關(guān)鍵零部件的相關(guān)參數(shù)，當(dāng)其出現(xiàn)性能下降，而有可能導(dǎo)致故障時(shí)候，提前進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)維修，防患于未然。

(4)信息融合技術(shù)，通過(guò)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同、互補(bǔ)或競(jìng)爭(zhēng)，與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)互相結(jié)合，以提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，增加可信度。

(5)人工智能技術(shù)，包括專家系統(tǒng)(基于模型的推理、基于案例的推理、基于規(guī)則的推理)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、遺傳算法等。使用這些手段進(jìn)行推理獲得對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控和故障診斷。

3 制動(dòng)系統(tǒng)PHM總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保障動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)整體的安全可靠性，提升數(shù)據(jù)智能管理分析和輔助決策能力，構(gòu)筑制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)總體架構(gòu)(見(jiàn)圖 1)。以復(fù)興號(hào)動(dòng)車組為例，該系統(tǒng)獲取在線運(yùn)營(yíng)的復(fù)興號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)控制單元BCU和中央控制單元CCU通過(guò)WTDS回傳的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、BCU內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)、車載MVB記錄數(shù)據(jù)、環(huán)境信息等海量異構(gòu)多態(tài)的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選、歸類等信息處理手段，實(shí)現(xiàn)由短到長(zhǎng)各時(shí)間尺度上的PHM功能，主要包括：制動(dòng)系統(tǒng)重要功能和關(guān)鍵零部件的故障預(yù)警與故障快速診斷、制動(dòng)系統(tǒng)健康評(píng)估與關(guān)鍵零部件的剩余壽命預(yù)測(cè)，以及可靠性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。最終結(jié)合成本、時(shí)間等維護(hù)相關(guān)信息，形成最優(yōu)維護(hù)策略。

圖1 動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)PHM需要的數(shù)據(jù)來(lái)源主要有：BCU、CCU、TCU、維修維護(hù)記錄、環(huán)境信息、試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)等。各車的BCU、CCU、TCU會(huì)將采集到的各壓力傳感器、速度傳感器、隔離塞門(mén)、制動(dòng)指令線、各安全環(huán)路等的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，以及制動(dòng)控制邏輯的過(guò)程計(jì)算數(shù)據(jù)，記錄在BCU內(nèi)的SD卡中、并通過(guò)MVB發(fā)送至車載遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸裝置(WTD)主機(jī)，WTD通過(guò)3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳回地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)。維護(hù)維修記錄、環(huán)境信息、試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)等，通過(guò)人工導(dǎo)入接口，也存入大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

3.2 地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)

地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)接收或人工導(dǎo)入來(lái)自WTDS的列車各系統(tǒng)的過(guò)程數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)、運(yùn)維部門(mén)的檢修記錄、生產(chǎn)部門(mén)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)等。在此平臺(tái)上，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析，和展示?；诖髷?shù)據(jù)平臺(tái)，可搭建PHM模型，進(jìn)行動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、重要功能故障預(yù)警、關(guān)鍵零部件性能監(jiān)控和剩余壽命評(píng)估、故障事件記錄等，為客戶提供智能運(yùn)維服務(wù)。

3.3 PHM系統(tǒng)通信方案

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)各車的BCU將自身采集的數(shù)據(jù)和邏輯運(yùn)算過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)MVB總線或列車以太網(wǎng)發(fā)送給車載PHM主機(jī)匯集和初步處理，之后由車載WTD主機(jī)通過(guò)4G/5G等無(wú)線傳輸方式實(shí)時(shí)傳輸至地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)。如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)通信方案

3.4 PHM應(yīng)用模塊

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)PHM應(yīng)用模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣密度、故障嚴(yán)重程度、零部件重要性等，可分為車輛、列車、地面3種。例如，對(duì)于壓力傳感器自身故障預(yù)測(cè)、壓力變換閥性能衰退預(yù)警等，需要ms級(jí)的數(shù)據(jù)采樣密度，而WTDS受無(wú)線通訊帶寬的限制，無(wú)法回傳這類數(shù)據(jù)，就需要在單車BCU內(nèi)建數(shù)據(jù)預(yù)處理或故障預(yù)警模型。對(duì)于列車級(jí)的、且需要比較小的數(shù)據(jù)采樣間隔的重要功能的故障預(yù)警，例如總風(fēng)管貫通性、減速度偏離等，可在車載PHM主機(jī)上，實(shí)時(shí)收集全列的相關(guān)數(shù)據(jù)，建模進(jìn)行預(yù)處理和診斷。對(duì)于對(duì)數(shù)據(jù)采樣密度要求不高的故障預(yù)警、故障規(guī)律統(tǒng)計(jì)、零部件性能與環(huán)境因素關(guān)系等的模型，可在地面建模實(shí)現(xiàn)。

3.5 PHM結(jié)果展示模塊

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)故障預(yù)警結(jié)果，可通過(guò)故障代碼、圖形、報(bào)表等方式展現(xiàn)。例如，在地面監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)界面上，實(shí)時(shí)彈出故障預(yù)警信息，包括故障代碼、故障名稱、故障描述、報(bào)警時(shí)間、維修指示、維修確認(rèn)等，處理完成后，可進(jìn)行故障處理確認(rèn)，解除預(yù)警；需要展示曲線變化的數(shù)據(jù)，比如總風(fēng)壓力、停放制動(dòng)壓力，可以以時(shí)間坐標(biāo)進(jìn)行壓力變化曲線展示，方便故障確認(rèn)和分析。

4 技術(shù)路線與方案研究

根據(jù)前述，動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)PHM包括車輛、列車、地面3個(gè)層級(jí)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和制動(dòng)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估。針對(duì)缺乏測(cè)點(diǎn)、無(wú)傳感器監(jiān)測(cè)的部件，研究地面試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行壽命評(píng)估。針對(duì)測(cè)點(diǎn)不足或傳感器件精度不夠的情況，研究更合理的傳感器布置方案、更精確的故障預(yù)測(cè)方案。為此，需要對(duì)各層級(jí)的故障預(yù)警方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

4.1 車輛級(jí)故障預(yù)警方案

目前，動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)具備車輛級(jí)的實(shí)時(shí)故障診斷功能，但是實(shí)時(shí)故障診斷的缺陷是不能提前預(yù)警，無(wú)法支持預(yù)防修，在運(yùn)行途中發(fā)生了實(shí)時(shí)故障，必須停車處理，影響運(yùn)營(yíng)秩序。因此，很有必要建立車輛級(jí)故障預(yù)警模型，在列車運(yùn)用過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，分析關(guān)鍵零部件的性能變化，提前發(fā)現(xiàn)性能下降或工作不穩(wěn)定的關(guān)鍵零部件，以故障代碼的型式，提示給地面檢修人員，指導(dǎo)其在一級(jí)修工作中進(jìn)行檢查，提前維修。

根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)采集密度要求、BCU自身的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，并考慮零部件的重要性，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行車輛級(jí)建模，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，例如：

壓力變換閥故障預(yù)警：在制動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)其輸入和輸出壓力，計(jì)算其壓力變比，判斷是否符合設(shè)計(jì)要求；根據(jù)制動(dòng)施加、緩解過(guò)程中，其輸出壓力的上升、下降隨時(shí)間變化曲線，預(yù)判其性能是否穩(wěn)定。

預(yù)控壓力傳感器故障預(yù)警：根據(jù)預(yù)控壓力目標(biāo)值、相關(guān)測(cè)點(diǎn)壓力互相對(duì)比、輸出電流值的變化等，預(yù)判其性能是否下降。

4.2 列車級(jí)故障預(yù)警方案

對(duì)于列車級(jí)的，對(duì)數(shù)據(jù)采集密度和實(shí)時(shí)性要求較高的重要功能的故障預(yù)警，各車輛BCU可將數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(TRDP)傳輸至車載PHM主機(jī)，在PHM主機(jī)上建立故障預(yù)警模型或數(shù)據(jù)預(yù)處理模型，實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)處理，并將預(yù)警結(jié)果或數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果實(shí)時(shí)回傳地面大數(shù)據(jù)中心。例如：

耗風(fēng)量預(yù)警：在列車運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)空壓機(jī)工作狀態(tài)、一定時(shí)間內(nèi)總風(fēng)壓力的下降值、耗風(fēng)設(shè)備工作情況等，計(jì)算耗風(fēng)量，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

空壓機(jī)打風(fēng)能力預(yù)警：列車初上電空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)啟動(dòng)的空壓機(jī)數(shù)量、初始?jí)毫?、停機(jī)壓力、工作時(shí)間、耗風(fēng)設(shè)備工作情況等，計(jì)算空壓機(jī)打風(fēng)能力，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4.3 地面級(jí)故障預(yù)警方案

在地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)上，收集了動(dòng)車組各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳的數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、維修維護(hù)記錄、環(huán)境信息、試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)等，因此，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗、動(dòng)態(tài)展示、建立模型、預(yù)測(cè)分析等功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、工藝、制造、交付、運(yùn)維的全生命周期數(shù)據(jù)管理。而對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)故障預(yù)警、健康管理需求而言，可以將那些對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和采樣密度要求不高、需要結(jié)合其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)、或者對(duì)列車級(jí)PHM主機(jī)的預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行二次處理等建模工作，在地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。例如：

耗風(fēng)量和空壓機(jī)打風(fēng)能力變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)：根據(jù)前述列車級(jí)預(yù)處理模型計(jì)算之后發(fā)回地面的結(jié)果，按時(shí)間軸繪制出其變化曲線，然后判斷其性能是否有下降趨勢(shì)。

滑行狀態(tài)分析：根據(jù)列車常出現(xiàn)滑行時(shí)所處的線路位置及天氣情況，利用大數(shù)據(jù)分析線路對(duì)滑行的潛在影響及趨勢(shì)。

故障分布規(guī)律研究：統(tǒng)計(jì)列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生的故障，結(jié)合列車運(yùn)行線路、氣候環(huán)境等數(shù)據(jù)，研究各種故障的時(shí)間、空間分布規(guī)律，對(duì)特定環(huán)境條件下的大概率故障進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)預(yù)防性檢修工作。

4.4 無(wú)傳感部件剩余壽命評(píng)估方案

對(duì)于無(wú)傳感測(cè)點(diǎn)的、重要的機(jī)械或電氣部件，無(wú)法通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行故障預(yù)警，在地面搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)、加速老化試驗(yàn)等，計(jì)算其使用壽命，作為參考依據(jù)，用以評(píng)估其剩余使用壽命。例如：

對(duì)氣動(dòng)閥、板裝繼電器等無(wú)傳感監(jiān)控的零部件：進(jìn)行地面試驗(yàn)，評(píng)估使用壽命；在地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)，設(shè)計(jì)模型，根據(jù)列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算此類零部件的工作次數(shù)、工作時(shí)間，再結(jié)合使用環(huán)境數(shù)據(jù)，評(píng)估其剩余使用壽命。

4.5 更精確的故障預(yù)測(cè)方案

對(duì)于影響列車運(yùn)行安全的重要功能或關(guān)鍵零部件，為了更精確地實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)，可研究增加傳感測(cè)點(diǎn)、增加數(shù)據(jù)采集設(shè)備、故障預(yù)測(cè)算法等。例如：

總風(fēng)壓力傳感器故障預(yù)警：在頭車設(shè)置一個(gè)高精度高穩(wěn)定性壓力傳感器，將它測(cè)量的總風(fēng)壓力值作為基準(zhǔn)，其他總風(fēng)壓力傳感器的測(cè)量值與其進(jìn)行對(duì)比，若偏差達(dá)到設(shè)定范圍，進(jìn)行故障預(yù)警。

5 總結(jié)與展望

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)以狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、關(guān)鍵零部件故障預(yù)測(cè)與健康管理算法、無(wú)線通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為依托，調(diào)用海量數(shù)據(jù)實(shí)施PHM算法，將診斷評(píng)估結(jié)果以故障代碼、圖形、報(bào)表等方式呈現(xiàn)。通過(guò)對(duì)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)PHM方案的研究，我們期望在將來(lái)，能使運(yùn)維人員實(shí)時(shí)掌握制動(dòng)系統(tǒng)的健康狀況，能為診斷和預(yù)判動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)故障、運(yùn)行狀態(tài)提供一個(gè)高效的平臺(tái)系統(tǒng)，在短時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，在中時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)健康評(píng)估和關(guān)鍵零部件剩余壽命預(yù)測(cè)，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展預(yù)防修、降低實(shí)時(shí)故障、保障運(yùn)營(yíng)效率提供支持，也為修程修制優(yōu)化提供決策依據(jù)。