和諧型機(jī)車故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

李成龍，喻冰春，李 鑫，李佳懿，楊 臻

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

我國(guó)和諧型機(jī)車保有量約12 000余臺(tái)，日總走行約700余萬(wàn)機(jī)車km，運(yùn)行跨度大、環(huán)境變化多、工況復(fù)雜，是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的重要?jiǎng)恿υ?，也是保障客貨運(yùn)輸服務(wù)的重要技術(shù)裝備。近年來(lái)，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司持續(xù)推進(jìn)和諧型機(jī)車修程修制改革工作，以成本支出大項(xiàng)的系統(tǒng)和部件維修為主要研究對(duì)象，優(yōu)化檢修的范圍、標(biāo)準(zhǔn)和方式，開展模塊化、數(shù)字化及精準(zhǔn)化維修，提升自主檢修能力，逐步構(gòu)建符合我國(guó)國(guó)情、路情的機(jī)車裝備運(yùn)用維修（簡(jiǎn)稱：運(yùn)維）體系[1]?，F(xiàn)階段，在機(jī)車故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM，fault Prediction and Health Management）方面取得了一些研究成果，和諧型機(jī)車專家診斷系統(tǒng)、機(jī)車走行部軸承健康管理系統(tǒng)已在部分鐵路局集團(tuán)公司機(jī)務(wù)段（簡(jiǎn)稱：局段）開展應(yīng)用，完成對(duì)牽引變流器、變壓器、主斷及高隔等關(guān)鍵部件的故障檢測(cè)、機(jī)車走行部軸承健康狀態(tài)評(píng)估與壽命周期預(yù)測(cè)；機(jī)車PHM+車輪系統(tǒng)相關(guān)研究工作也取得了階段性成果，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成車輪鏇修通知單、預(yù)測(cè)車輪剩余壽命等功能[2]。本文基于上述研究，采用大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)等技術(shù)，設(shè)計(jì)全國(guó)鐵路（簡(jiǎn)稱：全路）統(tǒng)一、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的和諧型機(jī)車PHM系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：PHM系統(tǒng)），為提升和諧型機(jī)車安全可靠性、提高裝備使用效率、降低維修成本提供全面的輔助決策支持，并支持和諧型機(jī)車修程修制優(yōu)化，全面提高機(jī)車裝備設(shè)計(jì)制造及運(yùn)維技術(shù)水平。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 搭建和諧型機(jī)車PHM數(shù)據(jù)平臺(tái)

搭建和諧型機(jī)車PHM數(shù)據(jù)平臺(tái)，提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)服務(wù)。針對(duì)和諧型機(jī)車及關(guān)鍵零部件全壽命周期內(nèi)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用、整備、檢修等環(huán)節(jié)，形成新造、運(yùn)維、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、環(huán)境等方面的PHM數(shù)據(jù)資源目錄，分析數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理機(jī)制，集成多系統(tǒng)PHM相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)化、降維、標(biāo)準(zhǔn)化處理，為PHM系統(tǒng)應(yīng)用提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 創(chuàng)建整車和部件PHM運(yùn)維構(gòu)型字典庫(kù)

以機(jī)車系統(tǒng)分類、18類重要零部件為基礎(chǔ)，研究和諧型機(jī)車修程修制改革方法，分析部件精準(zhǔn)維修涉及的重要零部件，進(jìn)一步定義和諧型機(jī)車運(yùn)維構(gòu)型的重要零部件目錄，梳理和規(guī)范不同機(jī)型的產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)和部件的名稱、位置及數(shù)量，形成PHM運(yùn)維構(gòu)型字典庫(kù)。

1.3 形成PHM系統(tǒng)模型集市

研究和諧型機(jī)車及其部件服役狀態(tài)的特征參數(shù)和變化規(guī)律，進(jìn)行PHM模型軟件開發(fā)、測(cè)試驗(yàn)證、部署使用，形成開放、規(guī)范的模型集市，為PHM系統(tǒng)提供健康評(píng)估類、故障預(yù)測(cè)類和視情維修類的模型集市支持。

1.4 搭建PHM系統(tǒng)

結(jié)合和諧型機(jī)車PHM的應(yīng)用需求，整合多源數(shù)據(jù)，與維修生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，搭建全路統(tǒng)一、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PHM系統(tǒng)，為各級(jí)用戶提供和諧型機(jī)車狀態(tài)綜合監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)測(cè)、健康評(píng)估管理、數(shù)字化精準(zhǔn)維修的信息化應(yīng)用服務(wù)支撐，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的和諧型機(jī)車PHM規(guī)范應(yīng)用服務(wù)體系。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

PHM系統(tǒng)總體架構(gòu)符合基于視情維修的開放體系結(jié)構(gòu)（OSA-CBM，Open System Architecture of Condition-Based Maintenance），如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集傳輸：通過(guò)消息隊(duì)列、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)授權(quán)等多種方式采集和諧型機(jī)車設(shè)計(jì)制造、運(yùn)維、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和環(huán)境的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和綜合利用。

（2）數(shù)據(jù)處理：完成采集數(shù)據(jù)的融合、特征提取和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。利用多源、多參數(shù)信息，以及歷史信息和經(jīng)驗(yàn)信息，分析其相關(guān)性，考慮其可信度和精確度，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和特征提取，實(shí)現(xiàn)PHM業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。

（3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：接收處理后的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判斷和諧型機(jī)車整車、零部件的狀態(tài)，根據(jù)預(yù)定的各種參數(shù)指標(biāo)限值或閾值進(jìn)行故障報(bào)警。

（4）健康評(píng)估：接收來(lái)自不同狀態(tài)健康評(píng)估所需要的數(shù)據(jù)及其他故障診斷、預(yù)測(cè)的結(jié)果，綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，基于和諧型機(jī)車及部件健康評(píng)估標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，評(píng)估和諧型機(jī)車及其重要零部件的健康狀態(tài)等級(jí)。

（5）故障預(yù)測(cè)：依據(jù)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)、故障記錄、工作狀態(tài)、歷史參數(shù)及性能演化趨勢(shì)，基于整車及部件不同類型的故障預(yù)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)和諧型機(jī)車未來(lái)可能發(fā)生的故障、健康狀態(tài)變化趨勢(shì)，提出維修周期建議或者下達(dá)維修任務(wù)等。

（6）維修決策：根據(jù)維修知識(shí)，依據(jù)健康評(píng)估結(jié)果及壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合機(jī)車運(yùn)行計(jì)劃、檢修計(jì)劃，給出回庫(kù)檢查、回庫(kù)維修等具體處置建議。

（7）模型：搭建整車及零部件故障預(yù)測(cè)模型、健康評(píng)估模型、維修決策模型，分別支持PHM應(yīng)用，并依據(jù)反饋信息不斷優(yōu)化和完善相關(guān)模型。

（8）任務(wù)下達(dá)：實(shí)現(xiàn)將PHM信息傳輸?shù)綑C(jī)車整備、檢修的運(yùn)維作業(yè)環(huán)節(jié)中，進(jìn)而將處理結(jié)果反饋到數(shù)據(jù)采集傳輸環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)信息的閉環(huán)管理[3]。

從對(duì)相關(guān)問(wèn)題的深度分析過(guò)程中，逐步認(rèn)識(shí)到為了增強(qiáng)多媒體設(shè)備的使用效能，彌補(bǔ)現(xiàn)階段多媒體管理缺陷，關(guān)鍵是引入高新智慧型管理技術(shù)，提高設(shè)備管理水平和使用效率，助推學(xué)校管理現(xiàn)代化。多媒體技術(shù)水平較高，基于技術(shù)管理工作的考慮，管理人員需要持續(xù)開展技術(shù)創(chuàng)新工作，以現(xiàn)代高效的管理手段，增強(qiáng)管理工作的便捷性，確保多媒體技術(shù)設(shè)備的合理使用。以下提出三種智慧型門禁管理多媒體設(shè)施、設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)，分析研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、完善系統(tǒng)功能。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

PHM系統(tǒng)依托大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)和諧型機(jī)車多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用。技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)源：采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括機(jī)務(wù)管理信息系統(tǒng)（JMIS，Jiwu Management Information System）運(yùn)維數(shù)據(jù)、中國(guó)機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷（CMD ，China locomotive remote Monitoring and Diagnosis）系統(tǒng)車載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（5T系統(tǒng)）地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)化設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)、局段自建系統(tǒng)數(shù)據(jù)、外部系統(tǒng)的調(diào)度和電務(wù)等相關(guān)數(shù)據(jù)、公共服務(wù)的地圖和天氣等環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集：通過(guò)Kafka、MQ等消息隊(duì)列組件采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)Web Service接口、授權(quán)等方式采集其他服務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)Sqoop組件抽取結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過(guò)Flume組件抽取視頻、音頻、圖片、文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

（3）分層存儲(chǔ)：對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、處理后，創(chuàng)建原始數(shù)據(jù)層（ODS，Operational Data Store）、匯總數(shù)據(jù)層（DWS，Data Warehouse Summary）、明細(xì)數(shù)據(jù)層（DWD，Data Warehouse Detail）、應(yīng)用數(shù)據(jù)層（ADS，Application Data Service）分層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為數(shù)據(jù)計(jì)算及展示應(yīng)用提供支撐。

（4）處理分析：利用Storm、Hive、Spark、聯(lián)機(jī)分析處理（OLAP，OnLine Analytical Processing）等組件，以及部署數(shù)據(jù)挖掘算法庫(kù)和工具，靈活運(yùn)用各種數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立模型集市，支持各種經(jīng)驗(yàn)類、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)類、機(jī)理類模型的構(gòu)建，采用批量計(jì)算、流計(jì)算、內(nèi)存計(jì)算等數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行分布式并行在線及離線計(jì)算。

（5）展示應(yīng)用：采用微服務(wù)架構(gòu)，面向各類用戶不同需求提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)、可視化報(bào)表綜合查詢、Web應(yīng)用、移動(dòng)端App應(yīng)用等[4-5]。

2.3 功能架構(gòu)

PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能架構(gòu)

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：包含全圖監(jiān)控、線路監(jiān)控、機(jī)車監(jiān)控、部件監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)從面到線、從線到點(diǎn)、從點(diǎn)到部分的全方位狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）健康評(píng)估：通過(guò)構(gòu)建不同維度的整車和部件的健康評(píng)估標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車和部件進(jìn)行不同等級(jí)的健康管理。

（3）故障預(yù)測(cè)：基于故障預(yù)測(cè)、視情維修等不同類型的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警管理、剩余壽命管理等。

（4）維修支持：將健康評(píng)估及故障預(yù)測(cè)的維修建議與機(jī)車回庫(kù)整備、回庫(kù)維修相結(jié)合，輔助支持回庫(kù)相關(guān)故障處理。

（5）性能演化分析：實(shí)現(xiàn)對(duì)不同機(jī)型的整車和重要零部件的可靠性分析、百萬(wàn)公里故障率分析，以及運(yùn)維統(tǒng)計(jì)分析等。

（6）模型管理：實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)類、健康評(píng)估類、視情維修類等不同類型的模型集市管理，以及模型評(píng)估管理。

（7）基礎(chǔ)管理：實(shí)現(xiàn)不同機(jī)型重要零部件裝配關(guān)系的運(yùn)維構(gòu)型管理，以及多種來(lái)源、多種類型的故障字典統(tǒng)一管理。

（8）數(shù)據(jù)管理：實(shí)現(xiàn)一車一檔、一件一檔、數(shù)據(jù)目錄、數(shù)據(jù)監(jiān)控等方面的數(shù)據(jù)綜合查詢管理功能[6]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PHM數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)

和諧型機(jī)車PHM數(shù)據(jù)來(lái)源廣、數(shù)據(jù)種類及結(jié)構(gòu)多樣、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高，利用Kafka消息隊(duì)列、Web Service服務(wù)接口、數(shù)據(jù)授權(quán)等多種方式采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多系統(tǒng)、跨平臺(tái)間平穩(wěn)、錯(cuò)峰、高效地接入和動(dòng)態(tài)更新；對(duì)匯集接入的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的合并、聚合、篩選和補(bǔ)齊等清洗處理，通過(guò)整車車號(hào)、關(guān)鍵零部件序列號(hào)/單件碼、構(gòu)型等基礎(chǔ)編碼，集成融合和諧型機(jī)車及關(guān)鍵部件全壽命周期數(shù)據(jù)，全面提高數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性、完整性、一致性和及時(shí)性；處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)用需求存儲(chǔ)在ODS、DWD、DWS、ADS等不同層的分布式數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，進(jìn)行分層組織管理，提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)支持；采用批量計(jì)算、流計(jì)算、內(nèi)存計(jì)算等處理方式進(jìn)行分布式并行大數(shù)據(jù)計(jì)算、算法計(jì)算，最終通過(guò)在云平臺(tái)部署PHM系統(tǒng)，為用戶提供健康評(píng)估、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)、維修支持、模型管理、基礎(chǔ)管理和數(shù)據(jù)管理等數(shù)據(jù)平臺(tái)服務(wù)[7]。

3.2 PHM運(yùn)維構(gòu)型字典庫(kù)

梳理電力、內(nèi)燃等不同動(dòng)力類型的和諧型機(jī)車，創(chuàng)建整車和重要零部件PHM運(yùn)維構(gòu)型字典庫(kù)。以機(jī)車系統(tǒng)分類、18類重要零部件為基礎(chǔ)，梳理和規(guī)范不同機(jī)型的主變壓器、主輔變流器、受電弓、真空主斷路器、制動(dòng)機(jī)、牽引電機(jī)、輪軸驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)、牽引通風(fēng)機(jī)、冷卻塔、網(wǎng)控系統(tǒng)等重要零部件的裝配結(jié)構(gòu)和部件名稱、位置及數(shù)量，形成重要零部件2級(jí)系統(tǒng)、零部件3級(jí)系統(tǒng)共5個(gè)層級(jí)的PHM運(yùn)維構(gòu)型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)樹，并統(tǒng)一零部件分類編碼。和諧型機(jī)車PHM運(yùn)維構(gòu)型字典庫(kù)示例如表1所示。

表1 和諧型機(jī)車PHM運(yùn)維構(gòu)型字典庫(kù)示例

3.3 PHM模型標(biāo)簽化及模型集市管理

實(shí)現(xiàn)從基于傳感器的報(bào)警診斷轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥悄芩惴?、?guī)則模型的預(yù)測(cè)預(yù)警。規(guī)范各機(jī)型整車及關(guān)鍵部件的PHM模型多層級(jí)標(biāo)簽、格式定義，包括PHM模型輸入/輸出數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)格式、模型白/黑盒封裝方式、模型實(shí)現(xiàn)環(huán)境及應(yīng)用條件等，形成PHM模型信息化集市管理，支持不同的整車、部件對(duì)象單元，以及故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估、視情維修等不同類型模型在PHM系統(tǒng)中的統(tǒng)一應(yīng)用管理。

4 應(yīng)用展望

4.1 快速診斷故障，減少過(guò)度維修

應(yīng)用PHM系統(tǒng)，全面管理整車及重要零部件的健康狀態(tài)，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理，輔助實(shí)現(xiàn)機(jī)車檢修從計(jì)劃預(yù)防修到數(shù)字化精準(zhǔn)維修的轉(zhuǎn)變。對(duì)于機(jī)車運(yùn)用中暴露出的大量個(gè)性化質(zhì)量問(wèn)題和故障，通過(guò)綜合大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)性、評(píng)估性模型，能夠做到“一車一方案，一部件一評(píng)估”，快速診斷、定位故障，提高主動(dòng)式快速應(yīng)急響應(yīng)能力，有效降低故障危害，并根據(jù)單一的整車和部件狀態(tài)，在不同時(shí)機(jī)安排不同級(jí)別的檢修項(xiàng)目，有效減少過(guò)度檢修、非計(jì)劃內(nèi)故障維修。

4.2 提前防范故障，保障運(yùn)輸安全

應(yīng)用PHM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)事故主動(dòng)預(yù)防，使維修更具智能性和主動(dòng)性。在提升設(shè)備服役可靠性的同時(shí)，保持和諧機(jī)車最佳可用性，從而提高機(jī)車綜合質(zhì)量，減少機(jī)車在途停車及發(fā)生晚點(diǎn)的情況，降低機(jī)車臨碎修故障率，提升機(jī)車運(yùn)行安全性，全面提升客貨運(yùn)輸質(zhì)量，保障鐵路運(yùn)輸安全。

4.3 提高機(jī)車質(zhì)量，降低運(yùn)維成本

應(yīng)用PHM系統(tǒng)，精準(zhǔn)掌控機(jī)車全壽命周期的技術(shù)狀態(tài)及其動(dòng)態(tài)變化，提高機(jī)車質(zhì)量，在減少維修活動(dòng)成本總量的同時(shí)，通過(guò)全壽命周期成本管理，實(shí)現(xiàn)整車及部件設(shè)備采購(gòu)價(jià)格逐步向全壽命周期成本定價(jià)的方式過(guò)渡，以安全可靠為原則，逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)車全壽命周期成本最小化[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著越來(lái)越多的和諧型機(jī)車奔馳在祖國(guó)廣袤的大地上，必將對(duì)機(jī)車運(yùn)維技術(shù)先進(jìn)性、高效性、可靠性提出更高要求。本文對(duì)和諧型機(jī)車PHM系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，基于大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)等技術(shù)，將PHM技術(shù)應(yīng)用于和諧型機(jī)車整車及部件統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)維體系中，構(gòu)建和諧型機(jī)車PHM數(shù)據(jù)平臺(tái)，創(chuàng)建PHM運(yùn)維構(gòu)型字典庫(kù)，形成PHM模型集市。和諧型機(jī)車PHM系統(tǒng)的研發(fā)，能夠提升機(jī)車故障預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)維修的智能化水平，從而為機(jī)車信息化建設(shè)的發(fā)展提供更好的源動(dòng)力。