CRH5型動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析研究

王 杰，高會(huì)永，王子龍，羅玉勝

(1.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，蘭州 730000； 2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

1 動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析研究現(xiàn)狀

動(dòng)車組是鐵路旅客運(yùn)輸?shù)母咚龠\(yùn)載工具，是鐵路運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)的重要組成部分，動(dòng)車組的維修質(zhì)量直接關(guān)系著旅客生命財(cái)產(chǎn)安全和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)動(dòng)車組各系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析是保障車組工作質(zhì)量和運(yùn)行安全的有效手段。

圖1 CRH5A動(dòng)車組入庫(kù)檢修Fig.1 CRH5A EMU storage maintenance

目前，動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)主要依靠維護(hù)人員人工下載分析，由于車組各系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)下載分析所需軟件不同，加之車載數(shù)據(jù)需人工下載，存在數(shù)據(jù)下載分析工作量大、時(shí)效性差、質(zhì)量參差不一的問(wèn)題，容易造成車組運(yùn)營(yíng)質(zhì)量隱患分析不及時(shí)、車組健康狀態(tài)掌握不清楚的風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)尚無(wú)功能完備、安全可靠的專門用于動(dòng)車組運(yùn)維數(shù)據(jù)自動(dòng)分析的平臺(tái)。目前，國(guó)鐵集團(tuán)使用的WTDS系統(tǒng)受參數(shù)容量、數(shù)據(jù)傳輸間隔、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)源等因素限制，對(duì)于復(fù)雜故障的深入分析存在一定的局限性。

2 動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析研究背景及意義

目前，動(dòng)車組運(yùn)用單位在車輛運(yùn)維過(guò)程中每日產(chǎn)生大量運(yùn)維數(shù)據(jù)，以CRH5型動(dòng)車組為例，運(yùn)維數(shù)據(jù)包括列車MPU的故障數(shù)據(jù)和WTD存儲(chǔ)的過(guò)程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)量龐大且對(duì)故障診斷及運(yùn)維檢修具有重要意義。

針對(duì)這些運(yùn)維數(shù)據(jù)，常規(guī)的分析方法為故障發(fā)生后對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)先進(jìn)行按需人工下載，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)并通過(guò)專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，這種方法工作量大、時(shí)效性差，整體數(shù)據(jù)資源利用率不高，智能化水平亟待提高。

鑒于此，在結(jié)合目前CRH5型動(dòng)車組列車既有運(yùn)維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用大數(shù)據(jù)多維分析技術(shù)，設(shè)計(jì)適用于CRH5型動(dòng)車組的車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)“來(lái)源廣泛、出口簡(jiǎn)單”的原則，對(duì)動(dòng)車組的主要運(yùn)維數(shù)據(jù)(如MPU數(shù)據(jù)、WTD過(guò)程數(shù)據(jù)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)歸類整理和綜合智能分析，可以診斷列車的健康狀態(tài)，識(shí)別重要的故障隱患；利用信息化手段，結(jié)合多維故障、參數(shù)聯(lián)合分析技術(shù)，為用戶提供簡(jiǎn)單高效的運(yùn)維指導(dǎo)。該系統(tǒng)對(duì)提高用戶檢修效率，降低維護(hù)成本具有重要意義。

3 動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析研究方法

動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析以車組為單位，從故障來(lái)源、故障系統(tǒng)等做多維統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合車組綜合信息，統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)車組健康情況。以系統(tǒng)為單位，統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)各系統(tǒng)發(fā)生故障數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障下載功能，通過(guò)分析故障，確定造成故障的組成功能件，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和深入分析。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)歸集?，F(xiàn)車系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括WTD數(shù)據(jù)和MPU數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式不統(tǒng)一，部分?jǐn)?shù)據(jù)分析對(duì)專業(yè)軟件依賴性較強(qiáng)、對(duì)維護(hù)人員素質(zhì)要求較高，因此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)歸集處理就顯得十分必要。具體方法為：對(duì)現(xiàn)有車載數(shù)據(jù)來(lái)源統(tǒng)計(jì)歸類，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用數(shù)據(jù)清洗等手段，實(shí)現(xiàn)車組數(shù)據(jù)的輸入與歸集。

數(shù)據(jù)分析。一是深度分析故障信息，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，探究各故障間的內(nèi)在聯(lián)系，統(tǒng)計(jì)故障規(guī)律，為故障管理工作提供依據(jù)。二是根據(jù)故障等級(jí)顯示周期內(nèi)故障總數(shù)及詳細(xì)故障概況，統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)車組發(fā)生故障數(shù)及故障等級(jí)歸類，為動(dòng)車組大數(shù)據(jù)多維分析工作提供科學(xué)依據(jù)。三是根據(jù)動(dòng)車組日常運(yùn)維數(shù)據(jù)挖掘需求，實(shí)現(xiàn)基于故障+參數(shù)的多維度分析，建立智能分析庫(kù)，為檢修工作提供合理指導(dǎo)。

故障甄別。開發(fā)軟件系統(tǒng)的故障甄別功能，使之具備車載故障信息查詢、故障自動(dòng)篩選預(yù)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能，減少人工篩選的工作量，避免遺漏關(guān)鍵車載信息。以“故障率”為指標(biāo)表現(xiàn)故障變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析精準(zhǔn)化，同時(shí)構(gòu)建基于用戶典型故障庫(kù)，為用戶提供智能檢修建議服務(wù)。

通過(guò)從其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入及PC終端輸入等方式完成車載數(shù)據(jù)收集，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)故障信息直接從“數(shù)據(jù)輸入”到“數(shù)據(jù)分析”的動(dòng)車組質(zhì)量信息數(shù)字化管理。深度分析故障信息，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層的、更全面的挖掘分析，統(tǒng)計(jì)故障規(guī)律，為故障管理提供依據(jù)。

4 動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 總體設(shè)計(jì)方案

圖2為CRH5型動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)工作場(chǎng)景示意圖。通過(guò)建立動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)，依托列車既有的硬件及車地傳輸通道，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車數(shù)據(jù)的自動(dòng)歸集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和智能分析?；谟脩魯?shù)據(jù)，對(duì)列車健康狀態(tài)進(jìn)行初步診斷，識(shí)別重要的故障，并采用多維參數(shù)聯(lián)合分析技術(shù)，通過(guò)WEB等展現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組智能管理及專業(yè)化的運(yùn)維指導(dǎo)。

圖2 CRH5型動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)工作場(chǎng)景示意Fig.2 CRH5 type EMU on-board data intelligent analysis system working scene illustration

動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)由地面車載數(shù)據(jù)歸集轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊、地面車載數(shù)據(jù)自動(dòng)解析處理模塊、地面車載數(shù)據(jù)智能分析模塊以及地面車載數(shù)據(jù)前臺(tái)UI模塊組成，其中車載數(shù)據(jù)歸集轉(zhuǎn)儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通道，收集列車數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)接收及數(shù)據(jù)分類整理，建立列車數(shù)據(jù)檔案，同時(shí)根據(jù)車載數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行預(yù)處理及存儲(chǔ)。車載數(shù)據(jù)自動(dòng)解析模塊負(fù)責(zé)對(duì)存儲(chǔ)的列車數(shù)據(jù)如MPU故障數(shù)據(jù)、WTD過(guò)程數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)解析，并按需存入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步解析。地面車載數(shù)據(jù)智能分析模塊負(fù)責(zé)構(gòu)建列車故障診斷模型，對(duì)典型故障進(jìn)行智能分析模型的構(gòu)建，為列車智能診斷提供后臺(tái)數(shù)據(jù)支持。前臺(tái)UI模塊提供WEB展示平臺(tái)，負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)的智能管理、展示、統(tǒng)計(jì)等基本功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)典型故障的智能分析提示及檢修維護(hù)指導(dǎo)等。

4.2 系統(tǒng)軟件UI功能設(shè)計(jì)

地面車載數(shù)據(jù)落地后，經(jīng)車載數(shù)據(jù)自動(dòng)解析模塊、地面車載數(shù)據(jù)智能分析模塊進(jìn)行預(yù)處理，處理完成后將需要跟用戶交互的信息通過(guò)UI界面展示出來(lái)。

該系統(tǒng)的前臺(tái)UI采用WEB方式，用戶無(wú)需安裝即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的訪問(wèn)，UI界面主要包括標(biāo)題欄、功能選擇區(qū)和信息展示區(qū)。圖3為前臺(tái)界面的顯示示例。

圖3 動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)UI設(shè)計(jì)界面Fig.3 UI design interface of the intelligent analysis system for EMU on-board data

主要功能包括首頁(yè)、MPU文件、過(guò)程數(shù)據(jù)文件、MPU故障、典型故障專家?guī)斓取?/p>

功能區(qū)域—首頁(yè)，顯示用戶定制的故障信息及故障提示，方便用戶針對(duì)重點(diǎn)故障信息制定檢修計(jì)劃。

功能區(qū)域—MPU文件、過(guò)程數(shù)據(jù)文件，針對(duì)列車收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)(如MPU故障、WTD過(guò)程數(shù)據(jù)等)綜合分類管理，建立列車的數(shù)據(jù)檔案，用戶可通過(guò)該區(qū)域進(jìn)行下載，并兼容支持原始解析工具解析，方便用戶自主深入分析，此外根據(jù)用戶定制需求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于參數(shù)的按需解析，方便用戶對(duì)故障時(shí)刻的參數(shù)查詢與多維參數(shù)展示分析。參數(shù)解析呈現(xiàn)示例如圖4所示。

圖4 參數(shù)展示示例Fig.4 Example of parameter display

功能區(qū)域—MPU故障，針對(duì)后臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)換的歷史MPU故障數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化解析與呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MPU故障的管理、查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)等功能，為多維故障聯(lián)合分析提供數(shù)據(jù)主線，基于建立的故障診斷模型實(shí)現(xiàn)多維參數(shù)聯(lián)合分析及運(yùn)維指導(dǎo)，MPU故障檢索示例如圖5所示。

圖5 MPU故障解析查詢Fig.5 MPU fault analysis query

功能區(qū)域—典型故障專家?guī)?，用戶可針?duì)典型故障建立參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，同時(shí)對(duì)于故障關(guān)鍵參數(shù)等信息進(jìn)行模型定制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于故障的個(gè)性化預(yù)警以及關(guān)鍵故障的智能化提醒，為運(yùn)維故障提供初步的處理建議。

5 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)已于2021年在CRH5型動(dòng)車組進(jìn)行試用，通過(guò)半年多運(yùn)用，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)車組主要運(yùn)維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)自動(dòng)歸類整理和綜合智能分析，提高了整體數(shù)據(jù)資源利用率及智能化分析水平，降低維護(hù)成本的同時(shí)為用戶提供了更為簡(jiǎn)單高效的運(yùn)維指導(dǎo)，有效提升了用戶檢修效率。