地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究

禹 建 偉，師 帥

(西安軌道交通集團(tuán)有限公司 運(yùn)營(yíng)分公司，陜西 西安 710018)

故障預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)是指利用傳感器采集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)先進(jìn)的故障診斷和預(yù)測(cè)模型，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，對(duì)其故障發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，為監(jiān)測(cè)對(duì)象的檢修與維護(hù)提供指導(dǎo)，從而大幅度提高運(yùn)維效率。PHM最早起源于20世紀(jì)70年代，應(yīng)用主要集中于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域[1-3]，目前已經(jīng)在石化、能源、制藥、離散制造等行業(yè)的設(shè)備運(yùn)營(yíng)中得到廣泛的發(fā)展[4]。

目前，國(guó)內(nèi)在線運(yùn)營(yíng)的地鐵車輛超過(guò)4萬(wàn)輛，地鐵車輛的檢修與維護(hù)遵循的是按照運(yùn)營(yíng)周期或者運(yùn)營(yíng)里程進(jìn)行定期修，定期修方式存在過(guò)度維修的缺點(diǎn)，浪費(fèi)資源；通過(guò)PHM系統(tǒng)對(duì)車輛各系統(tǒng)的健康狀況以及故障進(jìn)行診斷與預(yù)測(cè)，根據(jù)車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)維修，可避免車輛各系統(tǒng)的過(guò)度維修，從而提高地鐵車輛的運(yùn)維效率。

1 制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的組成

制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)[5]主要包括車載狀態(tài)傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)車載PHM單元及地面PHM平臺(tái)三部分。車載狀態(tài)傳感器是指在車輛上安裝的與制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的狀態(tài)傳感器，利用車載狀態(tài)傳感器采集更多的車輛狀態(tài)信息用于車載PHM單元進(jìn)行相關(guān)的故障預(yù)測(cè)與健康管理；制動(dòng)系統(tǒng)車載PHM單元具備傳感器參數(shù)采集、制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、信息存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)傳輸功能，負(fù)責(zé)制動(dòng)系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理，診斷結(jié)果可以通過(guò)司機(jī)顯示屏進(jìn)行顯示，便于司機(jī)與檢修人員查看制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)或者將實(shí)時(shí)診斷結(jié)果上報(bào)匯總到車輛PHM平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理；地面PHM平臺(tái)針對(duì)接入的車輛制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立產(chǎn)品的故障診斷、預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理，包括人員調(diào)度、備件管理及現(xiàn)場(chǎng)維修等。制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)功能

制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)采集、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)判及運(yùn)維任務(wù)管理等。

2.1 數(shù)據(jù)采集

制動(dòng)系統(tǒng)PHM數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)2種方式：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信獲取制動(dòng)系統(tǒng)自身的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù)以及通過(guò)車載PHM單元采集車載傳感器數(shù)據(jù)。

制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)可以通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)與車載PHM之間的網(wǎng)絡(luò)通信接口獲取制動(dòng)系統(tǒng)在車輛運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。表1為PHM系統(tǒng)獲取的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中PHM獲取的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容

為了更全面地評(píng)估制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，還需要在車輛上安裝其他輔助傳感器來(lái)綜合評(píng)估制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，新增傳感器由車載PHM單元采集，表2為車載PHM單元主要新增傳感器。

表2 車載PHM單元新增傳感器

2.2 故障診斷技術(shù)研究

制動(dòng)系統(tǒng)車載PHM單元根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)故障報(bào)警結(jié)果進(jìn)行診斷定位分析，綜合故障時(shí)刻的各部件狀態(tài)數(shù)據(jù)、車輛運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合建立的診斷模型對(duì)故障進(jìn)行診斷，故障診斷結(jié)果可精確到最小可更換單元，提升現(xiàn)場(chǎng)故障排查效率。

電空制動(dòng)系統(tǒng)壓力傳感器的2種常見(jiàn)故障為信號(hào)輸出漂移及無(wú)信號(hào)輸出，基于GM模型與Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型的方法可以及時(shí)檢測(cè)出傳感器發(fā)生的時(shí)刻，將故障壓力傳感器數(shù)據(jù)置為無(wú)效，并發(fā)出維修警告，指導(dǎo)檢修人員進(jìn)行維護(hù)[6]；壓力傳感器數(shù)據(jù)無(wú)效后可通過(guò)冗余壓力傳感器進(jìn)行相關(guān)的調(diào)壓與制動(dòng)狀態(tài)輸出，避免故障傳感器輸出的非正常信號(hào)引起制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)制動(dòng)力輸出或者制動(dòng)不緩解故障的發(fā)生，提高故障發(fā)生后列車在線運(yùn)行效率。

表3為制動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)故障診斷清單。

表3 制動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)故障診斷清單

2.3 故障預(yù)測(cè)技術(shù)

車載PHM單元主要針對(duì)存在早期征兆的故障進(jìn)行預(yù)警，將預(yù)警結(jié)果發(fā)送至地面平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步分析，在車載PHM單元運(yùn)算能力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)在線故障預(yù)測(cè)功能，復(fù)雜預(yù)警模型放置地面PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能，故障預(yù)測(cè)的結(jié)果與車輛日常檢修維護(hù)周期相結(jié)合，逐步實(shí)現(xiàn)定期修到狀態(tài)修的過(guò)渡。

城軌車輛正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于空氣制動(dòng)系統(tǒng)的施加與緩解，中繼閥內(nèi)部的橡膠膜板以及彈簧部件會(huì)重復(fù)動(dòng)作，由于磨損或制動(dòng)力衰退，會(huì)導(dǎo)致中繼閥的性能偏離其標(biāo)稱值。以中繼閥壽命預(yù)測(cè)為例進(jìn)行研究，研究由線性模型與卡爾曼濾波器構(gòu)成的中繼閥自適應(yīng)模型。如圖2所示，中繼閥線性模型中增加了表示由于部件老化性能蛻變導(dǎo)致偏離其標(biāo)稱特性程度的健康參數(shù)；卡爾曼濾波器根據(jù)輸出的偏離量估算中繼閥狀態(tài)變量與部件健康參數(shù)，并對(duì)線性模型中健康參數(shù)進(jìn)行修正，保證線性模型對(duì)于中繼閥對(duì)象的自適應(yīng)跟蹤能力。

圖2 中繼閥自適應(yīng)模型原理圖

卡爾曼濾波器是部件自適應(yīng)模型的關(guān)鍵構(gòu)成部分，濾波器根據(jù)中繼閥與線性模型輸出的參數(shù)之間的殘差向量估算狀態(tài)變量與不可測(cè)量的部件健康參數(shù)，并將其用于修正線性模型中的對(duì)應(yīng)參數(shù)，從而保證模型對(duì)中繼閥輸出的自適應(yīng)跟蹤。

公式(1)描述了健康參數(shù)與中繼閥線性模型狀態(tài)、輸出參數(shù)之間的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，只有中繼閥的輸出參數(shù)(壓力、響應(yīng)時(shí)間)是直接可測(cè)的，卡爾曼濾波器可以通過(guò)系統(tǒng)輸出參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，因此，將中繼閥健康參數(shù)Δp增廣為狀態(tài)向量，得到部件的線性模型：

(1)

式中：Δp——部件健康變化參數(shù)；

Δx——部件輸出的健康狀態(tài)；

ω——測(cè)量噪聲，通常認(rèn)為是高斯噪聲信號(hào)；

υ——系統(tǒng)噪聲，通常認(rèn)為是高斯噪聲信號(hào)；

Δy——部件健康狀態(tài)的測(cè)量參數(shù)；

Δμ——部件健康參數(shù)；

A、B、C、D、L、M——確定的常數(shù)。

公式(2)為設(shè)計(jì)的卡爾曼濾波器。

(2)

式中：K——卡爾曼濾波器增益矩陣。

由公式(2)可見(jiàn)，通過(guò)增廣中繼閥健康參數(shù)為狀態(tài)向量，卡爾曼濾波器可根據(jù)模型與中繼閥輸出量的偏差估計(jì)狀態(tài)變量，得到部件健康參數(shù)估計(jì)結(jié)果。

制動(dòng)系統(tǒng)主要故障預(yù)測(cè)清單見(jiàn)表4。

表4 制動(dòng)系統(tǒng)主要故障預(yù)測(cè)清單

2.4 健康狀態(tài)評(píng)判

制動(dòng)系統(tǒng)車載PHM單元根據(jù)故障診斷以及預(yù)測(cè)的結(jié)果評(píng)估制動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前所屬健康狀態(tài)。表5為制動(dòng)系統(tǒng)健康等級(jí)評(píng)估。

表5 制動(dòng)系統(tǒng)健康等級(jí)評(píng)估

2.5 運(yùn)維任務(wù)管理

制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)將車載PHM單元與地面PHM平臺(tái)故障診斷以及預(yù)測(cè)的結(jié)果匯總到地面PHM平臺(tái)，地面PHM平臺(tái)結(jié)合車輛的故障影響、故障權(quán)重、維修歷史、備件管理、人員派遣以及車輛調(diào)度等信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理，形成最終決策,主要包括作業(yè)人員調(diào)度、故障確認(rèn)、現(xiàn)場(chǎng)維修、維修確認(rèn)及運(yùn)營(yíng)優(yōu)化等環(huán)節(jié)。圖3為運(yùn)維任務(wù)管理流程圖。

圖3 運(yùn)維任務(wù)管理流程圖

3 制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)主要部件

3.1 車載PHM單元

制動(dòng)系統(tǒng)車載PHM單元主要包含電源板卡、行車數(shù)據(jù)記錄板卡、數(shù)據(jù)采集板卡及PHM管理板卡。電源板卡主要為車載PHM單元供電；行車數(shù)據(jù)記錄板卡集成了原有制動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)裝置(制動(dòng)系統(tǒng)行車記錄儀)功能，具備CAN總線數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；?shù)據(jù)采集板卡主要實(shí)現(xiàn)車輛新增傳感器數(shù)據(jù)采集功能，為PHM單元的健康管理提供環(huán)境參考數(shù)據(jù)；PHM管理板卡為車載PHM單元的核心板卡，CPU集成部件的健康管理模型，通過(guò)獲取的制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、車輛參數(shù)數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)各部件進(jìn)行故障診斷與故障預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)健康管理功能。圖4為制動(dòng)系統(tǒng)車載PHM單元主要結(jié)構(gòu)。

圖4 制動(dòng)系統(tǒng)車載PHM單元主要結(jié)構(gòu)

3.2 地面PHM平臺(tái)

制動(dòng)系統(tǒng)地面PHM平臺(tái)可以設(shè)置在制動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)廠家或者地鐵用戶。地面PHM平臺(tái)具備系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、系統(tǒng)健康評(píng)估以及運(yùn)維決策等功能。

車輛在線路運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)4G無(wú)線方式將列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面PHM平臺(tái)或者車輛回庫(kù)后通過(guò)軌旁的無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的收集。地面PHM平臺(tái)采集相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行車載故障診斷及預(yù)測(cè)分析，與車載PHM單元相比，具有處理數(shù)據(jù)量大、計(jì)算資源多等特點(diǎn)，可進(jìn)行復(fù)雜算法計(jì)算、多車輛大容量數(shù)據(jù)對(duì)比分析等。如圖5所示，通過(guò)地面顯示平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示在線車輛制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)缸壓力、電制動(dòng)力、制動(dòng)施加狀態(tài)、停放施加狀態(tài)、車輛載荷信息及故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)與展望

以地鐵車輛目前檢修維護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套車輛制動(dòng)系統(tǒng)PHM系統(tǒng)，可以對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程、車輛運(yùn)行環(huán)境等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)智能專家診斷算法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷、故障預(yù)測(cè)以及系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估，綜合車輛調(diào)度、備件準(zhǔn)備、人員調(diào)度等信息對(duì)車輛故障進(jìn)行處理。

目前國(guó)內(nèi)軌道交通車輛的健康管理硬件平臺(tái)已經(jīng)日趨完善，與國(guó)外主要PHM廠家的主要差距在于部件的健康模型的準(zhǔn)確性，而能正確預(yù)測(cè)部件的故障預(yù)測(cè)模型更難。如何將專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合是軌道交通車輛PHM系統(tǒng)的核心，相信隨著國(guó)內(nèi)各車輛子系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的增多，故障健康管理的模型準(zhǔn)確性會(huì)逐步提高。