PHM 技術(shù)在城市軌道交通AFC 系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張 坤

（北京軌道交通路網(wǎng)管理有限公司，北京 100101）

1 研究背景

自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中直接面向乘客，并為其提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，是城市軌道交通安全、效率、服務(wù)的綜合體現(xiàn)。因此，采用AFC 系統(tǒng)的故障診斷預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）技術(shù)可以在很大程度上提高該系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的安全管理水平。北京市軌道交通AFC 監(jiān)視中心系統(tǒng)自2017 年10 月上線以來，通過在每臺(tái)AFC 系統(tǒng)終端設(shè)備上安裝旁站軟件，已實(shí)現(xiàn)對(duì)全路網(wǎng)17 000 余臺(tái)（套）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障告警的實(shí)時(shí)監(jiān)控。旁站軟件即部署在終端設(shè)備及服務(wù)器上的獨(dú)立應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)各車站終端設(shè)備和服務(wù)器系統(tǒng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和應(yīng)用軟件運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，通過數(shù)據(jù)集中清洗處理，數(shù)據(jù)策略判斷，實(shí)現(xiàn)異常情況的實(shí)時(shí)告警，為其他業(yè)務(wù)模塊提供數(shù)據(jù)支撐。隨著北京智慧地鐵科研項(xiàng)目的開展及《北京智慧軌道交通發(fā)展行動(dòng)策劃方案》的要求，如何通過深化感知AFC 狀態(tài)信息和故障信息進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，進(jìn)而優(yōu)化現(xiàn)有維修策略，實(shí)現(xiàn)從故障修、計(jì)劃修向狀態(tài)修、預(yù)測(cè)修的轉(zhuǎn)變，成為AFC 管理團(tuán)隊(duì)面臨的重要課題。

為解決以上問題，本研究擬提出通過PHM 技術(shù)對(duì)北京市軌道交通AFC 系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷和預(yù)測(cè)，進(jìn)而能夠預(yù)測(cè)未來健康狀況及故障，并得出合理的維修方法，使該系統(tǒng)中存在的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，達(dá)到安全、高效、精益、優(yōu)質(zhì)的運(yùn)營(yíng)目的。

2 PHM 技術(shù)概述

2.1 PHM 技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

PHM 技術(shù)是利用先進(jìn)的傳感器廣泛獲取設(shè)備狀態(tài)信息，通過數(shù)學(xué)模型或其他預(yù)測(cè)方法進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，然后根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)果，科學(xué)合理地制定維修保養(yǎng)方案，進(jìn)而達(dá)到降低維修成本、提高設(shè)備運(yùn)行可靠度的目的。

目前，PHM 技術(shù)在國(guó)外工程實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛，比較成熟的項(xiàng)目有美軍F-35PHM 項(xiàng)目。根據(jù)美軍的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用PHM 技術(shù)后，F(xiàn)-35 戰(zhàn)斗機(jī)的故障不可復(fù)現(xiàn)率降低了82%，維修人力減少了20%～40%，后勤規(guī)?？s小了50%，飛機(jī)的使用與保障費(fèi)減少了50%。

在我國(guó)，PHM 技術(shù)研究起步較晚，目前主要是以系統(tǒng)和理論研究為主，而工程實(shí)踐較少且主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域及軍事領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域尤其是在城市軌道交通行業(yè)還沒有成熟的PHM 平臺(tái)。

2.2 PHM 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

與既有的運(yùn)營(yíng)維修技術(shù)相比，PHM 技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 可提高產(chǎn)品的可靠性；

（2） 在安全性方面，可提前進(jìn)行故障預(yù)警，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生；

（3） 在可維護(hù)性方面，消除冗余檢查，盡可能減少計(jì)劃外維修，降低測(cè)試設(shè)備要求；

（4） 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析方面，改進(jìn)設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)定，可提高可靠性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；

（5） 在生命周期成本方面，可降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

3 AFC 系統(tǒng)應(yīng)用 PHM 技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在北京市軌道交通AFC 系統(tǒng)中應(yīng)用PHM 技術(shù)，需要依托AFC 監(jiān)視中心系統(tǒng)，在當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)感知和設(shè)備故障告警實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升信息采集的深度和維度。通過故障預(yù)測(cè)模型，AFC 監(jiān)視中心系統(tǒng)提前對(duì)即將發(fā)生的故障進(jìn)行告警提示，并結(jié)合設(shè)備使用、維修人員分布、產(chǎn)品備件數(shù)量、運(yùn)維模式等情況，制定經(jīng)濟(jì)合理的維修保障方案，以達(dá)到降低AFC系統(tǒng)維修保養(yǎng)成本、保障設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定、提升票務(wù)服務(wù)品質(zhì)、打造北京市軌道交通特色AFC 管控模式，以及提升經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的目的。

圖1 AFC 系統(tǒng)應(yīng)用PHM 技術(shù)的架構(gòu)示意圖

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

AFC 系統(tǒng)應(yīng)用PHM 技術(shù)的架構(gòu)示意圖如圖1所示。首先，系統(tǒng)利用旁站軟件及先進(jìn)的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集終端設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、服務(wù)器系統(tǒng)狀態(tài)，以及應(yīng)用軟件運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)合事先錄入的設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息、實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)測(cè)試報(bào)告以及設(shè)備歷史故障等信息，提取出故障預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)信息。然后，利用模糊預(yù)測(cè)或?qū)＜翌A(yù)測(cè)等預(yù)測(cè)方法進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果不斷修正故障預(yù)測(cè)模型，以確保故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。最后，AFC 管理團(tuán)隊(duì)根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行智慧調(diào)度決策，以及制定經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理的AFC 設(shè)備維修保養(yǎng)方案。

4 PHM技術(shù)主要功能介紹

4.1 信息采集與狀態(tài)監(jiān)測(cè)

信息采集與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是PHM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，全面的數(shù)據(jù)信息可以有力支撐故障預(yù)測(cè)。根據(jù)城市軌道交通AFC 設(shè)備的運(yùn)營(yíng)服務(wù)模式、構(gòu)成模塊、使用特征及故障類型等特點(diǎn)，可以將需要采集的信息大致分為基礎(chǔ)信息、運(yùn)轉(zhuǎn)信息、故障信息3 大類，地理信息、環(huán)境信息、產(chǎn)品信息、服務(wù)狀態(tài)等8 小類共56 條信息，具體如表1 所示。

4.2 數(shù)據(jù)提取

北京市軌道交通所轄17 000 余臺(tái)（套）AFC 終端設(shè)備，信息采集量巨大，為保證信息完整準(zhǔn)確，降低冗余度，應(yīng)按照《北京市軌道交通AFC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施技術(shù)規(guī)范》等文件規(guī)定，完成數(shù)據(jù)提取，保證標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、特征明顯。同時(shí)，為保證準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，AFC 管理團(tuán)隊(duì)、各運(yùn)營(yíng)企業(yè)及車站需要及時(shí)了解施工、維護(hù)、設(shè)備關(guān)停輪換等信息，剔除非正常數(shù)據(jù)，以防止影響故障預(yù)測(cè)結(jié)果。

4.3 故障預(yù)測(cè)

導(dǎo)致AFC 設(shè)備發(fā)生故障的因素很多，例如，設(shè)備中的某個(gè)模塊達(dá)到使用壽命，設(shè)備使用強(qiáng)度過大，或長(zhǎng)時(shí)間的高溫，因此可以考慮采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。模糊綜合評(píng)價(jià)模型是通過對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)因素進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，然后將所有因素進(jìn)行綜合模糊評(píng)價(jià)，其優(yōu)點(diǎn)在于可以將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，系統(tǒng)清晰地解決非確定性問題。城市軌道交通模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立步驟具體如下。

（1）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集合。將影響城市軌道交通AFC終端設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的主要因素構(gòu)成一個(gè)集合： U = {u1，u2，…，um}，um表示影響評(píng)價(jià)對(duì)象的第m 個(gè)因素。本文研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)集合具體為：u1表示AFC 系統(tǒng)構(gòu)成，u2表示設(shè)備構(gòu)成，u3表示設(shè)備環(huán)境，u4表示設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況等。

（2）建立權(quán)重集。由于評(píng)價(jià)指標(biāo)集合中的因素重要程度不同，因此需要對(duì)不同指標(biāo)分別賦予相應(yīng)的權(quán)數(shù)，即分別建立第一層級(jí)、第二層級(jí)、第三層級(jí)的權(quán)重集等，設(shè)為B = {b1，b2，…，bn}，bn表示第n 層級(jí)的權(quán)重。關(guān)于權(quán)數(shù)的確立，可依托AFC 系統(tǒng)的專家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行確定，也可以采用因子分析法確定權(quán)數(shù)。

（3）確定評(píng)語集。依托北京市軌道交通指揮中心AFC 專家團(tuán)隊(duì)，建立評(píng)價(jià)集為V = {v1，v2，…，vn}，vn表示第n 個(gè)評(píng)語。本文研究的評(píng)語集合具體為：v1表示極高風(fēng)險(xiǎn)，v2表示高風(fēng)險(xiǎn)，v3表示中風(fēng)險(xiǎn)，v4表示低風(fēng)險(xiǎn)等。

（4）建立評(píng)判矩陣。根據(jù)隸屬度計(jì)算公式，確定模糊關(guān)系評(píng)判矩陣R（m×n）為：

（5）確定模糊綜合評(píng)價(jià)模型Y 為：

式（2）中，yk表示第k 個(gè)輸出結(jié)果。

（6）根據(jù)最大隸屬度原則確定最終輸出結(jié)果，即選擇綜合評(píng)價(jià)最大值所對(duì)應(yīng)的評(píng)語確定AFC 系統(tǒng)的狀態(tài)類別。

（7）修正評(píng)價(jià)模型。利用AFC 檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證故障預(yù)測(cè)結(jié)果修正故障預(yù)測(cè)模型。

表1 PHM 系統(tǒng)采集的信息

4.4 健康管理

健康管理模塊主要包括智慧運(yùn)維調(diào)度和制定維修保養(yǎng)方案兩部分內(nèi)容。智慧運(yùn)維調(diào)度是指根據(jù)故障告警、故障預(yù)測(cè)以及設(shè)備使用情況，綜合考慮人員、備件分布實(shí)際，在保證設(shè)備運(yùn)營(yíng)安全的情況下，科學(xué)經(jīng)濟(jì)地向維修人員派發(fā)工單，并提供故障原因預(yù)測(cè)、處置方法指導(dǎo)、歷史故障信息及解決方案、所需工具配件等信息。制定維修保養(yǎng)方案是指優(yōu)化現(xiàn)有故障修、計(jì)劃修的維修策略，根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)果向狀態(tài)修、預(yù)測(cè)修轉(zhuǎn)變，以達(dá)到減少產(chǎn)品配件庫存及多余的維修保養(yǎng)，繼而降低AFC系統(tǒng)維修保養(yǎng)成本的目的。

5 AFC 系統(tǒng)應(yīng)用 PHM 技術(shù)的難點(diǎn)

5.1 數(shù)據(jù)采集處理量大

北京市軌道交通AFC 系統(tǒng)每日服務(wù)乘客約600 萬，PHM 系統(tǒng)因此需要采集的信息量巨大。目前，監(jiān)視中心利用旁站軟件日采集交易類數(shù)據(jù)1 500 萬余條、狀態(tài)類數(shù)據(jù)9 億余條。為保證故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)采集量會(huì)大幅增加，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的壓力則較大。

5.2 預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性需要驗(yàn)證

使用模糊預(yù)測(cè)模型及專家預(yù)測(cè)法可以充分利用公司專家資源進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，且預(yù)測(cè)的模型較為簡(jiǎn)單。但是，由于故障預(yù)測(cè)具有不確定性，且AFC 系統(tǒng)并不是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，易受網(wǎng)絡(luò)、傳輸、乘客使用等多種因素影響，因此預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性需要進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，不同的故障，由于其特點(diǎn)不同，是否可以利用同一種模型也需要進(jìn)行驗(yàn)證。

6 結(jié)論

本文通過研究應(yīng)用PHM 技術(shù)解決AFC 系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與健康管理相關(guān)問題，得出如下結(jié)論。

（1）PHM 技術(shù)融合了故障診斷、故障預(yù)測(cè)以及自主式保障等技術(shù)，可以提高設(shè)備的安全性、可靠性，減少設(shè)備的故障率，保持設(shè)備合理的維修頻率，節(jié)約人力、物力資源。

（2）傳統(tǒng)AFC 系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維修是計(jì)劃修，即為滿足運(yùn)營(yíng)服務(wù)的要求，運(yùn)營(yíng)企業(yè)需對(duì)所有的故障設(shè)備進(jìn)行維修，且維修時(shí)間要求基本一致，維修維護(hù)成本高。隨著PHM 技術(shù)的發(fā)展，采用其對(duì)AFC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)、運(yùn)轉(zhuǎn)及故障信息進(jìn)行采集分析，進(jìn)而對(duì)AFC 系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，并根據(jù)每座車站當(dāng)前時(shí)段的客流特點(diǎn)，精準(zhǔn)地計(jì)算出運(yùn)營(yíng)時(shí)段內(nèi)每站每類型設(shè)備提供服務(wù)的數(shù)量，當(dāng)1 臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可合理分配設(shè)備維修時(shí)間，提高維修效率，降低維修成本。

（3）在北京市軌道交通中應(yīng)用PHM 技術(shù)，由于數(shù)據(jù)采集及處理任務(wù)量大，故障預(yù)測(cè)與利用實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證也較為困難，因此，下一步需要細(xì)化信息采集的數(shù)據(jù)種類、優(yōu)化故障預(yù)測(cè)模型、明確檢驗(yàn)測(cè)試方案等工作，以推進(jìn)PHM 技術(shù)在北京市軌道交通中落地。