軌道車(chē)輛造修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)研究

宋龍龍 姜艷 孫衛(wèi)平 徐桂紅

關(guān)鍵詞：軌道車(chē)輛；全生命周期；數(shù)據(jù)貫通；數(shù)據(jù)分析

0 引言

軌道車(chē)輛造修數(shù)據(jù)包含部件新造出廠(chǎng)履歷，關(guān)鍵檢測(cè)試驗(yàn)信息、各級(jí)分解檢修（含臨修）的檢修信息[1]，例如影響行車(chē)安全和秩序的關(guān)鍵零部件裝車(chē)及下車(chē)信息、性能參數(shù)，隨運(yùn)行里程和時(shí)間增加而衰退的性能參數(shù)，以及運(yùn)用和高級(jí)修故障率偏高部件的裝車(chē)時(shí)間、更換時(shí)間、偶換率等信息[2]。

通過(guò)造修數(shù)據(jù)采集和分析，可以掌握主要部件性能參數(shù)隨服役時(shí)間和運(yùn)用里程增加的變化規(guī)律，研究其性能變化規(guī)律與邊界條件參數(shù)（如線(xiàn)路、配屬、速度、實(shí)際工作時(shí)間、溫度、供應(yīng)商等）的關(guān)系[3]，為修程修制優(yōu)化及編制差異化檢修規(guī)程提供支撐，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部件選型及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供建議，并為后續(xù)精準(zhǔn)狀態(tài)修及預(yù)測(cè)修模型開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐[4]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究了一種軌道車(chē)輛造修數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，提升數(shù)據(jù)分析效率。

1 造修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析關(guān)鍵技術(shù)

1）統(tǒng)計(jì)量和趨勢(shì)分析

通過(guò)以統(tǒng)計(jì)量和趨勢(shì)分析對(duì)同型號(hào)產(chǎn)品、同類(lèi)型產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品的性能參數(shù)根據(jù)需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分析參數(shù)主要包括試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力，直接輸出測(cè)量值以及試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力與直接輸出測(cè)量值之間的內(nèi)在關(guān)系。試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力主要包括測(cè)試時(shí)的濕度、溫度等，輸出測(cè)量值即為可通過(guò)儀器等工具直接測(cè)量讀取的值，試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力和直接輸出測(cè)量值的關(guān)系為隨著試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力的變化直接輸出測(cè)量值的變化情況。

2）基于退化軌跡的可靠性評(píng)估

根據(jù)樣本產(chǎn)品性能參數(shù)測(cè)量值、合格值和時(shí)間里程信息，初步描繪各樣本產(chǎn)品性能退化軌跡，根據(jù)軌跡基本形狀選擇合適的模型，計(jì)算模型參數(shù)，基于模型和失效閾值推算各個(gè)樣本產(chǎn)品的偽失效壽命，并對(duì)偽失效壽命的分布進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，選取擬合度較好的分布即可計(jì)算得到產(chǎn)品可靠性曲線(xiàn)以及到達(dá)失效閾值時(shí)的壽命。

3）基于性能退化量分布的可靠性評(píng)估

根據(jù)樣本產(chǎn)品的性能參數(shù)測(cè)量值、合格值和時(shí)間里程信息，計(jì)算出各樣本產(chǎn)品退化量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并描繪出均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間或里程變化的曲線(xiàn)。根據(jù)曲線(xiàn)的形狀選擇合適的模型，計(jì)算出模型參數(shù)。得出均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間里程變化的方程，計(jì)算可靠性曲線(xiàn)以及產(chǎn)品到達(dá)失效閾值時(shí)的壽命。

2 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

整體架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循SOA的設(shè)計(jì)架構(gòu)思路[5]。交互層通過(guò)前后端分離的形式與應(yīng)用解耦，使交互層更加靈活，適應(yīng)不同崗位、不同場(chǎng)景的使用需求，前端技術(shù)使用基于JavaScript的前沿主流框架，和瀏覽器的整合性更好，體驗(yàn)更佳；應(yīng)用層主要采用JAVA技術(shù)，使用springboot、dubbo等互聯(lián)網(wǎng)主流的開(kāi)發(fā)框架，微服務(wù)、多線(xiàn)程、分布式的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)保障了應(yīng)用的響應(yīng)效率和硬件資源的充分利用。同時(shí)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，為了將現(xiàn)有功能和新的模塊功能有機(jī)結(jié)合又不影響原有模塊的功能及部署，將當(dāng)前模塊獨(dú)立為單獨(dú)的微服務(wù)，獨(dú)立提供相應(yīng)模塊所需的接口能力。保證了全部應(yīng)用邏輯的一致性和穩(wěn)定性，模塊結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性、可拓展性、可維護(hù)性以及動(dòng)態(tài)擴(kuò)容能力。同時(shí)，在框架的搭建上，采用開(kāi)源的框架，可以在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)有效地避免技術(shù)封鎖限制，因?yàn)殚_(kāi)源框架的通用性，使得開(kāi)發(fā)人員的培訓(xùn)學(xué)習(xí)周期變短，可以更快地進(jìn)行迭代升級(jí)工作，縮短開(kāi)發(fā)周期。降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)以上分析結(jié)果，架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

造修數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由獨(dú)立服務(wù)器或第三方虛擬機(jī)提供運(yùn)行環(huán)境，數(shù)據(jù)源從原有系統(tǒng)（如MRO）中通過(guò)ESB/行云調(diào)取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至中間臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，DARAMS 通過(guò)數(shù)據(jù)治理服務(wù)將臨時(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)通過(guò)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換等處理同步到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支持，整體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由MySQL提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，Redis提供高速緩存及共享session服務(wù)，elasticsearch 提供非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存?。òㄓ脩?hù)元數(shù)據(jù)、計(jì)算中間數(shù)據(jù)，系統(tǒng)日志及業(yè)務(wù)日志）。Python為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供方程求解、數(shù)據(jù)清洗等計(jì)算服務(wù)。Nginx負(fù)責(zé)模塊間路由及負(fù)載均衡。流量入口做了統(tǒng)一的權(quán)限認(rèn)證和服務(wù)調(diào)度，提高系統(tǒng)整體的安全級(jí)別，最終數(shù)據(jù)使用由前端WEB 圖表展示或API接口輸出其他系統(tǒng)使用。

造修數(shù)據(jù)分析模塊的主要功能是對(duì)采集到的造修數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，摸清收集項(xiàng)點(diǎn)測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，進(jìn)行不同型號(hào)、不同修程間的測(cè)量值趨勢(shì)對(duì)比分析、測(cè)量值對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的敏感度分析以及性能退化分析。分為以下四個(gè)子功能模塊：1）性能指標(biāo)分析；2）趨勢(shì)對(duì)比分析；3）試驗(yàn)環(huán)境分析；4）性能退化分析。

1）性能指標(biāo)分析

此模塊的功能是對(duì)產(chǎn)品各個(gè)采集場(chǎng)景的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析。實(shí)現(xiàn)利用帶正態(tài)擬合直方圖、箱線(xiàn)圖、批次圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，直觀展示數(shù)據(jù)的性能指標(biāo)的集中趨勢(shì)、分散趨勢(shì)、分布形態(tài)及可能的異常，為數(shù)據(jù)質(zhì)量提升奠定基礎(chǔ)，為性能退化分析中的分布選擇提供依據(jù)。模塊具體功能如下：

①根據(jù)需求創(chuàng)建分析模型，對(duì)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析，分析維度包括：型號(hào)、下車(chē)列號(hào)、批次號(hào)、采集場(chǎng)景、檢修前后和時(shí)間范圍；

②可對(duì)已創(chuàng)建模型進(jìn)行預(yù)覽、復(fù)制、修改、導(dǎo)出、刪除以及批量刪除操作；

③分析結(jié)果以圖表方式以柱形圖和箱線(xiàn)圖的形式展示。（圖2）

2）趨勢(shì)對(duì)比分析

此模塊的功能是對(duì)產(chǎn)品測(cè)量值或均值隨采集場(chǎng)景的變化情況進(jìn)行分析。實(shí)現(xiàn)利用柱形圖、箱線(xiàn)圖、折線(xiàn)圖和檢修前后差值圖對(duì)測(cè)量值在各修程間的變化趨勢(shì)，同時(shí)可以對(duì)比不同型號(hào)、不同個(gè)體間的趨勢(shì)和離散程度差異，用于識(shí)別性能指標(biāo)是否存在相對(duì)明確的退化趨勢(shì)，為性能退化分析中的退化參數(shù)擬合方式的選擇提供依據(jù)。模塊具體功能如下：

①根據(jù)需求創(chuàng)建分析模型，對(duì)產(chǎn)品測(cè)量值或均值隨采集場(chǎng)景的變化情況進(jìn)行分析，分析維度包括：型號(hào)、下車(chē)列號(hào)、批次號(hào)、檢修前后和時(shí)間范圍；②可對(duì)已創(chuàng)建模型進(jìn)行預(yù)覽、復(fù)制、修改、導(dǎo)出、刪除以及批量刪除操作；③分析結(jié)果以圖表方式以柱形圖和折線(xiàn)圖的形式展示。（圖3）

3）試驗(yàn)環(huán)境分析

此模塊的功能是對(duì)產(chǎn)品檢修前后測(cè)量值與試驗(yàn)環(huán)境溫度或濕度相關(guān)性進(jìn)行分析。實(shí)現(xiàn)利用帶回歸線(xiàn)的散布圖對(duì)測(cè)量值是否可能與檢測(cè)環(huán)境（溫度、濕度）有關(guān)；如果通過(guò)溫度、濕度的相關(guān)分析表明指標(biāo)變化與對(duì)應(yīng)因素存在較大的相關(guān)性，用戶(hù)需要剔除環(huán)境因素的影響后再進(jìn)行性能退化分析，從而保證性能退化分析結(jié)果的可信性。模塊具體功能如下：

①根據(jù)需求創(chuàng)建分析模型，對(duì)產(chǎn)品檢修前后測(cè)量值與試驗(yàn)環(huán)境溫度或濕度相關(guān)性進(jìn)行分析，分析維度包括：型號(hào)、下車(chē)列號(hào)、批次號(hào)、采集場(chǎng)景、環(huán)境應(yīng)力、檢修前后和時(shí)間范圍；②可對(duì)已創(chuàng)建模型進(jìn)行預(yù)覽、復(fù)制、修改、導(dǎo)出、刪除以及批量刪除操作；③分析結(jié)果以圖表方式以散點(diǎn)圖的形式展示。（圖4）

4）性能退化分析

此模塊的功能是對(duì)產(chǎn)品性能達(dá)標(biāo)概率進(jìn)行分析。

實(shí)現(xiàn)了基于正態(tài)分布和威布爾分布的性能退化量分布法理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能退化分析。提供線(xiàn)性、對(duì)數(shù)、指數(shù)及常數(shù)形式擬合性能指標(biāo)隨時(shí)間/里程的變化規(guī)律并建立性能退化模型，根據(jù)分析得到的指標(biāo)達(dá)標(biāo)概率等結(jié)果，可確定當(dāng)前各修程的檢修效果，或匹配適當(dāng)?shù)臋z修間隔周期，達(dá)到優(yōu)化檢修規(guī)程的目的。

模塊具體功能如下：①根據(jù)需求創(chuàng)建分析模型，利用退化量分布法對(duì)性能達(dá)標(biāo)概率進(jìn)行分析，分析維度包括：型號(hào)、下車(chē)列號(hào)、批次號(hào)、采集場(chǎng)景、檢修前后和時(shí)間范圍、分析方法；②可對(duì)已創(chuàng)建模型進(jìn)行預(yù)覽、復(fù)制、修改、導(dǎo)出、刪除以及批量刪除操作；③分析結(jié)果以圖表方式以散點(diǎn)圖和曲線(xiàn)圖的形式展示。（圖5）

3 造修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

客室空調(diào)機(jī)組檢修數(shù)據(jù)共涉及2個(gè)廠(chǎng)家、6個(gè)型號(hào)，共23個(gè)項(xiàng)點(diǎn)（包括整機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、逆變器等性能），目前主要從整機(jī)性能、部件性能（風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、逆變器等）兩方面選取9個(gè)項(xiàng)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以安裝座振動(dòng)加速度性能分析為例進(jìn)行說(shuō)明。

安裝座振動(dòng)加速主要用來(lái)判斷壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等振動(dòng)源部件振動(dòng)是否過(guò)大，或減震墊功能是否降低。目前四/五級(jí)修更新風(fēng)機(jī)軸承、清潔壓縮機(jī)表面、壓縮機(jī)安裝用減震墊狀態(tài)檢查。主要從不同修程、不同配屬路局、不同供應(yīng)商等維度開(kāi)展分析。（圖6、圖7）

通過(guò)以上分析可以看出：

1）A廠(chǎng)家產(chǎn)品表現(xiàn)較B廠(chǎng)家加速度較為平穩(wěn)。

2）隨運(yùn)用里程增加，振動(dòng)加速度呈上升趨勢(shì)，分析可能為壓縮機(jī)減震墊老化導(dǎo)致。

3）五級(jí)修壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)更新后，振動(dòng)加速度值有所改善。

4）振動(dòng)加速度與路局相關(guān)性不大，隨運(yùn)用里程增加呈上升趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文研究，制定了動(dòng)車(chē)組造修數(shù)據(jù)采集管理規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)，編制了造修數(shù)據(jù)采集模板，建立了造修數(shù)據(jù)采集分析平臺(tái)，對(duì)關(guān)鍵部件造修數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，分析了關(guān)鍵部件性能參數(shù)全生命周期變化規(guī)律，評(píng)估了影響關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)壽命的主要因素，形成分析報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵部件健康狀況和性能趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

通過(guò)造修數(shù)據(jù)采集和分析，掌握主要部件性能參數(shù)隨服役時(shí)間和運(yùn)用里程增加的變化規(guī)律，研究其性能變化規(guī)律與邊界條件參數(shù)（如線(xiàn)路、配屬、速度、實(shí)際工作時(shí)間、溫度、供應(yīng)商等）的關(guān)系，為修程修制優(yōu)化及編制差異化檢修規(guī)程提供支撐，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部件選型及設(shè)計(jì)優(yōu)化提供建議，并為后續(xù)精準(zhǔn)狀態(tài)修及預(yù)測(cè)為模型開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。