牽引系統(tǒng) PHM 技術(shù)研究與應(yīng)用

徐小明，宗勝利，周成堯，楊偉君，劉 冰，劉 陽

（1.北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；2.天津一號(hào)線軌道交通運(yùn)營有限公司，天津 300350；3.北京市軌道交通運(yùn)營管理有限公司，北京 100068）

1 引言

2020年3 月，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[1]，提出應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新興信息技術(shù)，智能融合設(shè)備、環(huán)境信息，建設(shè)便捷、高效、智能的智慧型城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）。其中，城軌列車的智能化及智能運(yùn)維是提高車輛可靠性、可維修性，降低車輛全生命周期成本的有效手段。作為城軌列車的動(dòng)力來源，牽引系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性對(duì)城軌列車的運(yùn)營效率和運(yùn)營品質(zhì)具有重要影響。應(yīng)用故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)能夠提高運(yùn)行過程中牽引系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測水平，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的故障預(yù)測和健康狀態(tài)管理[2-4]。因此，建立牽引系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)對(duì)于提高牽引系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、提高列車運(yùn)營效率具有重要意義[5]。

近年來，PHM技術(shù)在國防軍事[6-7]、航空航天[8-9]、風(fēng)力發(fā)電[10-11]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；其中，動(dòng)車組領(lǐng)域也在應(yīng)用PHM技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵部件的故障預(yù)警和狀態(tài)監(jiān)測。阿爾斯通建立了Health Hub 智能管理系統(tǒng)，采集列車運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)評(píng)估關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)從車輛級(jí)到基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)的智能管理。西門子依托Mindsphere平臺(tái)，開發(fā)了故障監(jiān)測與診斷Railigent系統(tǒng)，采集列車運(yùn)行狀態(tài)信息以及線路環(huán)境信息，評(píng)估列車狀態(tài)，給出維修建議，以提高列車的利用率和運(yùn)行效率。國內(nèi)方面，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司[12]結(jié)合中國國家鐵路集團(tuán)有限公司的實(shí)際情況，提出了動(dòng)車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

在城市軌道交通領(lǐng)域，國內(nèi)對(duì)于牽引系統(tǒng)PHM技術(shù)的研究[13]較少，本文根據(jù)牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)和PHM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出城軌列車牽引系統(tǒng)的PHM設(shè)計(jì)方案。

2 牽引系統(tǒng)工作原理

城軌列車的牽引系統(tǒng)主要由牽引逆變器、牽引電機(jī)和輔助變流器組成。直流高壓電源通過高速斷路器后進(jìn)入牽引逆變器；牽引逆變器將直流高壓電源逆變成三相交流電后為本車的牽引電機(jī)供電；輔助變流器將直流高壓電源逆變成三相380 V交流電向車輛輔助負(fù)載供電。

2.1 牽引逆變器工作原理

牽引逆變器主電路采用兩電平直-交逆變電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)車輛處于牽引工況時(shí)，直流高壓電源經(jīng)過預(yù)充電單元、線路電抗器等高壓電器，經(jīng)逆變模塊輸出三相VVVF（變頻變壓）的交流電，為異步牽引電機(jī)供電；當(dāng)車輛處于再生制動(dòng)工況時(shí)，逆變模塊將異步牽引電機(jī)輸出的三相交流電壓整定成直流電壓，反饋回電網(wǎng)，或由制動(dòng)斬波器消耗掉；制動(dòng)斬波器及逆變模塊的開關(guān)管均為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） 元件。為保證牽引逆變器穩(wěn)定工作，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的冷卻系統(tǒng)。

2.2 輔助變流器工作原理

輔助變流器結(jié)構(gòu)如圖 2所示；每個(gè)輔助變流器箱內(nèi)包含獨(dú)立的輔助變流器及蓄電池充電機(jī)。輔助變流器采用模塊化設(shè)計(jì)；直流高壓電源通過輸入電路，經(jīng)過輸入濾波器、預(yù)充電單元、濾波電容、升壓變壓器和橋式整流器（DC/DC）變換為可控的中間回路電壓。脈寬調(diào)制逆變器（PWMI）將穩(wěn)定的中間回路電壓轉(zhuǎn)換為三相交流輸出380 V電壓，頻率為50 Hz。交流輸出側(cè)的正弦濾波電容能保證正弦波形輸出電壓的平滑性，并通過輸出接觸器連接到三相母線上。

圖2 輔助變流器結(jié)構(gòu)原理

3 PHM 系統(tǒng)需求分析

城軌列車牽引系統(tǒng)的PHM數(shù)據(jù)源主要為牽引控制單元和輔助控制單元采集的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)；PHM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)建模，生成關(guān)鍵部件的故障預(yù)警和健康狀態(tài)，將結(jié)果反饋給最終用戶和供應(yīng)商。PHM系統(tǒng)需求的匯總表如表1所示。

表1 PHM系統(tǒng)需求匯總表

3.1 用戶需求

用戶作為PHM系統(tǒng)的最終使用者，根據(jù)PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果統(tǒng)籌管理牽引系統(tǒng)的運(yùn)用檢修工作。其對(duì)PHM系統(tǒng)的主要需求如下。

（1）數(shù)據(jù)需求。查看牽引系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的變化曲線，分析參數(shù)的變化趨勢。

（2）功能需求。查看牽引PHM系統(tǒng)的輸出結(jié)果，查看部件的預(yù)警狀態(tài)和健康狀態(tài)。

（3）檢修維護(hù)功能需求。根據(jù)部件的預(yù)警狀態(tài)和檢修維護(hù)建議對(duì)部件進(jìn)行預(yù)防性維修。

3.2 數(shù)據(jù)需求和功能需求

為實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的故障預(yù)測和健康管理功能，需要采集列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)用、檢修過程的數(shù)據(jù)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。PHM系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)主要分為4類。

（1）城軌列車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。采集到的城軌列車牽引系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、存儲(chǔ)和建模的基礎(chǔ)。

（2）城軌列車制造數(shù)據(jù)。城軌列車的出廠時(shí)間，出廠配置數(shù)據(jù)。

（3）城軌列車的檢修維護(hù)數(shù)據(jù)。對(duì)牽引系統(tǒng)部件的檢修維護(hù)記錄，部件的故障履歷。

（4）外部環(huán)境數(shù)據(jù)。需要記錄的環(huán)境溫濕度等與部件故障模式息息相關(guān)的外部環(huán)境因素相關(guān)數(shù)據(jù)。

PHM系統(tǒng)的主要功能如下。

（1）故障預(yù)警。采用部件故障機(jī)理分析與大數(shù)據(jù)融合的方式，分析部件的故障機(jī)理，確定部件正常工作時(shí)的指標(biāo)范圍，并融合大數(shù)據(jù)分析方法建立部件的故障預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)部件故障的提前預(yù)警。

（2）健康狀態(tài)評(píng)估。分析部件和牽引系統(tǒng)的參數(shù)變化趨勢，提取牽引系統(tǒng)的參數(shù)退化特征，結(jié)合外部環(huán)境數(shù)據(jù)和檢修維護(hù)數(shù)據(jù)，評(píng)估牽引系統(tǒng)的健康狀態(tài)，與劃分出的不同檢修等級(jí)對(duì)應(yīng)，從而根據(jù)健康狀態(tài)進(jìn)行有針對(duì)性的維修。

（3）檢修維護(hù)建議。根據(jù)故障預(yù)警和健康狀態(tài)評(píng)估的結(jié)果，輸出檢修維護(hù)的具體措施，指導(dǎo)牽引系統(tǒng)的預(yù)防性維修。

4 PHM 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)牽引系統(tǒng)的工作原理及PHM系統(tǒng)的需求分析，PHM系統(tǒng)分為車載子系統(tǒng)、車載系統(tǒng)和地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)的3層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。3層結(jié)構(gòu)之間通過數(shù)據(jù)流聯(lián)結(jié)成功能緊密結(jié)合的統(tǒng)一整體。車載子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集牽引系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、特征參數(shù)提取，然后將各個(gè)車廂數(shù)據(jù)匯總至車載系統(tǒng)；車載系統(tǒng)接收同一列車各個(gè)車廂的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，對(duì)特征參數(shù)進(jìn)一步融合分析，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)車地傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)接收所有列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并融合檢修數(shù)據(jù)、外部環(huán)境數(shù)據(jù)等，采用大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和模型訓(xùn)練。

圖3 PHM系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)由牽引控制單元和輔助控制單元組成，采集列車運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（電壓、電流、溫度、列車速度、牽引功率等），具有采樣頻率高、運(yùn)算周期短等特點(diǎn)，同時(shí)受到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的限制，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄和特征數(shù)據(jù)變化趨勢分析。因此，車載子系統(tǒng)的主要功能如下。

（1）電氣部件的故障預(yù)警?？梢詫?shí)現(xiàn)接觸器和電壓 /電流、溫度傳感器的故障預(yù)警，對(duì)接觸器的動(dòng)作時(shí)間以及電壓/電流、溫度傳感器的數(shù)值分別設(shè)定預(yù)警閾值；當(dāng)采樣值超出預(yù)警閾值時(shí)進(jìn)行故障預(yù)警，同時(shí)將預(yù)警結(jié)果發(fā)送至車載系統(tǒng)。

（2）電氣部件的特征參數(shù)計(jì)算。對(duì)接觸器和電壓/電流、溫度傳感器的特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果通過車載系統(tǒng)發(fā)送至地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行電氣部件的健康狀態(tài)評(píng)估。

4.2 車載系統(tǒng)

車載系統(tǒng)匯總?cè)熊嚑恳刂茊卧洼o助控制單元的數(shù)據(jù)，在相同工況下對(duì)各個(gè)車廂的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)對(duì)比分析，具有數(shù)據(jù)維度多、采樣頻率較高等特點(diǎn)，且具有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力；然而同樣受到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的限制，其無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄。因此，車載系統(tǒng)的主要功能如下。

（1）電氣部件的故障預(yù)警。匯總?cè)熊囁熊噹能囕d子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)融合方法，對(duì)相同工況下的不同車廂數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)溫度傳感器異常預(yù)警和濾網(wǎng)臟堵預(yù)警。

（2）電氣部件的特征參數(shù)清洗和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)全列車所有車廂的車載子系統(tǒng)發(fā)送的特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，并實(shí)現(xiàn)在一段較長時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（3）車地?cái)?shù)據(jù)傳輸。將清洗后的全列車特征參數(shù)通過列車網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4.3 地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)

地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為PHM系統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)中心，匯總所有列車的車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄牽引系統(tǒng)的檢修維護(hù)數(shù)據(jù)、外部環(huán)境溫度數(shù)據(jù)等信息，采用大數(shù)據(jù)分析方法對(duì)牽引系統(tǒng)的特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、模型訓(xùn)練和管理，實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)的健康狀態(tài)監(jiān)測。地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)的主要功能如下。

（1）牽引系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總。匯總所有列車的車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)、牽引系統(tǒng)檢修數(shù)據(jù)、列車制造數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)建模和模型訓(xùn)練。對(duì)所有列車特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，并建立牽引系統(tǒng)的健康評(píng)估模型，分析特征參數(shù)的退化趨勢，進(jìn)行模型訓(xùn)練和模型管理。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢。將所有列車的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，為查詢歷史數(shù)據(jù)提供便利。

（4）生成維修維護(hù)建議。根據(jù)車載子系統(tǒng)、車載系統(tǒng)和地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)的故障預(yù)警和健康度評(píng)估結(jié)果，生成具體的檢修維護(hù)建議，指導(dǎo)現(xiàn)場人員進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，減小列車線上運(yùn)行時(shí)報(bào)出故障的概率。

5 PHM 技術(shù)應(yīng)用展望

針對(duì)牽引系統(tǒng)的工作原理，提出城軌列車牽引系統(tǒng)的PHM設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障預(yù)警和健康評(píng)估，從而為檢修決策提供依據(jù)，對(duì)牽引系統(tǒng)的潛在故障進(jìn)行提前預(yù)警，提高列車的檢修維護(hù)效率，同時(shí)減小列車上線運(yùn)行報(bào)出故障的概率，提高列車的運(yùn)營品質(zhì)。綜合前文對(duì)PHM系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn)與作用原理的闡述，在城軌列車牽引系統(tǒng)應(yīng)用PHM預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)以下效果。

（1）PHM系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)線電流傳感器和直流回路電壓傳感器的故障預(yù)警。分別對(duì)線電流傳感器和直流回路電壓傳感器設(shè)置預(yù)警閾值，當(dāng)采集的傳感器數(shù)值達(dá)到閾值時(shí)觸發(fā)預(yù)警，從而指導(dǎo)檢修人員在報(bào)出相關(guān)故障之前對(duì)電流傳感器和直流回路電壓傳感器進(jìn)行檢修。

（2）PHM系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)接觸器的故障預(yù)警。車載子系統(tǒng)計(jì)算接觸器的打開和閉合時(shí)間，當(dāng)打開和閉合時(shí)間超出閾值范圍時(shí)進(jìn)行預(yù)警，通知檢修人員對(duì)接觸器的主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢修和維護(hù)，分析接觸器打開和閉合超時(shí)的原因，從而避免接觸器發(fā)生卡合和卡分等故障。

（3）PHM系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)濾網(wǎng)臟堵預(yù)警。通過對(duì)牽引逆變器和輔助變流器的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和分析，建立不同工況和外部環(huán)境條件下的冷卻系統(tǒng)溫度變化模型，當(dāng)發(fā)生濾網(wǎng)臟堵時(shí)提前預(yù)警，避免濾網(wǎng)臟堵嚴(yán)重導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)散熱不足引發(fā)的故障。

（4）PHM系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的故障預(yù)警。通過車載子系統(tǒng)和車載系統(tǒng)對(duì)溫度傳感器的溫度信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)溫度信號(hào)發(fā)生較大偏差或離散度較大時(shí)，通知檢修人員對(duì)溫度傳感器進(jìn)行檢修和維護(hù)。

（5）PHM系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)的健康評(píng)估。采用大數(shù)據(jù)分析方法對(duì)牽引系統(tǒng)的特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和模型訓(xùn)練，綜合分析牽引系統(tǒng)的檢修維護(hù)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù)，通過長時(shí)間大量的數(shù)據(jù)積累，評(píng)估特征參數(shù)的退化趨勢，從而建立牽引系統(tǒng)的健康評(píng)估方法。由于實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)的健康評(píng)估需要對(duì)生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)跟蹤分析，需要對(duì)健康評(píng)估模型進(jìn)行持續(xù)不斷的驗(yàn)證、完善和優(yōu)化。

6 總結(jié)

隨著城市軌道交通的不斷智慧化發(fā)展，城軌列車智能化和檢修運(yùn)維智能化成為智慧城軌的發(fā)展趨勢之一。本文針對(duì)城軌列車的牽引系統(tǒng)提出PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立了車載子系統(tǒng)、車載系統(tǒng)和地面大數(shù)據(jù)平臺(tái)的3層PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在各層級(jí)之間通過數(shù)據(jù)流將其聯(lián)結(jié)成功能緊密結(jié)合的統(tǒng)一整體，能夠提高牽引系統(tǒng)的自我感知和自我監(jiān)測能力，實(shí)現(xiàn)部分電氣部件的提前故障預(yù)警和牽引系統(tǒng)的健康狀態(tài)監(jiān)測，對(duì)提高城軌列車牽引系統(tǒng)的檢修維護(hù)效率和運(yùn)營效率具有積極的推動(dòng)意義。對(duì)故障預(yù)警和健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建模和模型訓(xùn)練需要大量的檢修維護(hù)數(shù)據(jù)和運(yùn)營數(shù)據(jù)支撐；因此，城軌列車牽引系統(tǒng)的PHM建設(shè)將是個(gè)長期、不斷優(yōu)化和完善的過程。