列車運行控制系統(tǒng)車載設(shè)備PHM 實施方案

黃 愿，劉 學(xué)

（中國鐵路成都局集團有限公司 成都電務(wù)維修段，成都 610000）

列車運行控制系統(tǒng)（簡稱：列控系統(tǒng)）是保障行車安全、提高運輸效率的安全苛求系統(tǒng)，其安全性和可靠性有極高要求。當(dāng)列車運行控制系統(tǒng)車載設(shè)備（簡稱：列控車載設(shè)備）故障時，會造成列車緊急停車，嚴重影響列車運行安全和運行效率。目前，列控車載設(shè)備采取計劃修和故障修相結(jié)合的維修模式，故障排查困難，故障定位不準，且部分故障不能復(fù)現(xiàn)，維修難度大，維修效率低，故障反復(fù)出現(xiàn)、虛警率高造成異常停車等使用安全風(fēng)險。

隨著傳感器技術(shù)、信號處理算法和人工智能等技術(shù)的不斷進步，故障預(yù)測及健康管理（PHM，Prognostics and Health Management）技術(shù)為機電一體化電子電氣設(shè)備的維修管理提供了具有重要實用價值和良好應(yīng)用前景解決方案。PHM 技術(shù)包括故障預(yù)測和健康管理2 個方面技術(shù)活動。故障預(yù)測通過預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)執(zhí)行其功能的狀態(tài)，確定部件正常工作的時間長度；健康管理根據(jù)診斷、預(yù)測信息以及可用資源和設(shè)備使用需求，做出適當(dāng)維修決策。應(yīng)用PHM 技術(shù)，識別和管理設(shè)備健康狀況，預(yù)測出現(xiàn)設(shè)備故障的大致時間點，推斷設(shè)備預(yù)期可用壽命，據(jù)此做出適宜的維修決策，便于提前規(guī)劃維修保障工作，支持更加精細化的視情維修（OC，On-Conditionmaintenance）[1]，有助于降低設(shè)備全壽命周期的使用和維護成本，降低設(shè)備事故發(fā)生率，提高系統(tǒng)安全性、完好性和任務(wù)成功性，保證設(shè)備運行高效率和高可靠性。列控車載設(shè)備是一種高度集成化的電子設(shè)備，具有機內(nèi)測試（BIT，Built-In-Test）功能，能夠?qū)崟r采集和記錄存儲各主要單元性能參數(shù)和運行狀態(tài)，為開展列控系統(tǒng)車載設(shè)備PHM 系統(tǒng)的研制提供了有利條件。

本文根據(jù)列控車載設(shè)備的特點和維修管理需求，運用PHM 理念和方法，提出列控車載設(shè)備PHM 實施方案，通過列控車載設(shè)備升級改造、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)建設(shè)，在完善列控車載設(shè)備BIT 和數(shù)據(jù)采集功能的基礎(chǔ)上，構(gòu)建列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)，實現(xiàn)列控車載設(shè)備關(guān)鍵單元和子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、健康管理、故障預(yù)測。

1 PHM 概述

1.1 PHM 概念

PHM 技術(shù)利用傳感器采集設(shè)備的主要性能參數(shù)及工作狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助各種智能推理算法來評估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前做出預(yù)測，包括確認零部件正常工作時長，推斷設(shè)備預(yù)期可用壽命，對設(shè)備大修等維修活動做出最適宜的決策，在故障出現(xiàn)前適時安排維修，降低次生故障，充分延長設(shè)備的穩(wěn)定狀態(tài)階段，延長設(shè)備生命周期，結(jié)合各種可用資源和采取一系列維修保障措施來實現(xiàn)視情維修。

著名的電子設(shè)備PHM 理論與技術(shù)研究機構(gòu)（馬里蘭大學(xué)的生命周期工程研發(fā)中心）將設(shè)備PHM 實現(xiàn)方式分為4 種：BIT、設(shè)置保險和預(yù)警裝置、監(jiān)控狀態(tài)參數(shù)、利用失效機理[2]。

（1）BIT：是指設(shè)備（系統(tǒng)）自我測試、自動檢測故障、故障導(dǎo)向安全的能力[3]。BIT 通過監(jiān)測電路、自查電路、修正電路、以及故障確認電路，提高裝備的維護性、測試性、自我診斷力、自動故障檢測及故障隔離性能。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、專家系統(tǒng)和分級測試等理論和技術(shù)應(yīng)用于BIT，產(chǎn)生了智能BIT 技術(shù)。智能BIT 技術(shù)不僅采用設(shè)備電路檢測，還利用設(shè)備狀態(tài)和歷史信息，結(jié)合溫度、濕度、振動、氣壓等環(huán)境信息，豐富故障預(yù)測的數(shù)據(jù)來源，以提高預(yù)測結(jié)果的準確性和可信度。

（2）設(shè)置保險和預(yù)警裝置：設(shè)置保險和預(yù)警裝置是指在電路中加裝故障報警電路[4]。報警電路與宿主電路安裝在同一個機柜內(nèi)，環(huán)境條件相同，工作原理一致；在設(shè)計時特別提高了報警電路的工作應(yīng)力（電流、電壓、功耗等），以較大的工作負載加快其失效進程，使其先于宿主電路出現(xiàn)故障，可根據(jù)預(yù)警裝置預(yù)測宿主電路出現(xiàn)故障的大致時間。

（3）監(jiān)控狀態(tài)參數(shù)：與機械類產(chǎn)品不同，電子產(chǎn)品耗損和性能退化過程難以監(jiān)測，且故障往往在時毫秒級的瞬間內(nèi)發(fā)生，故障預(yù)測難度較大。電子器件退化往往表現(xiàn)為性能參數(shù)衰減，因此可在監(jiān)測其性能參數(shù)（例如監(jiān)測模擬電路的功率，功耗、駐波、絕緣，阻抗，通斷及數(shù)字電路的時鐘、地址鎖存信號、數(shù)模轉(zhuǎn)換精度、總線操作及通信接口誤碼率等）的基礎(chǔ)上，建立故障預(yù)測模型，通過設(shè)置損耗、退化的物理量參數(shù)門限值作為故障判斷依據(jù)。通過采集電子產(chǎn)品功能性參數(shù)來預(yù)測故障，是可信度最高的故障預(yù)測方法，因而得到最廣泛的應(yīng)用[5]。

（4）利用失效機理：故障診斷的基礎(chǔ)是掌握設(shè)備故障機理。失效機理主要與設(shè)備壽命周期內(nèi)受到的各種負荷及應(yīng)力有關(guān)。設(shè)備在使用中受到振動、溫度等外部環(huán)境溫度的影響，異常振動和噪聲信號可為故障診斷提供了重要信息，設(shè)備負荷及環(huán)境的變化對設(shè)備運行狀態(tài)也有重要影響，往往是導(dǎo)致設(shè)備異常和運行失穩(wěn)的重要因素。設(shè)備在使用中的上電次數(shù)（電壓沖擊）、上電時長（設(shè)備老化）等因素，都會導(dǎo)致電子電氣設(shè)備性能損耗或物理性損傷，造成設(shè)備性能退化、壽命縮短。

1.2 PHM 分析框架

PHM 將機械、電氣和信息技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測、故障診斷、健康評估和維護決策的智能化。PHM 涉及對設(shè)備運行狀態(tài)的識別、研判和預(yù)報，需要充分利用特征量和各種經(jīng)驗知識（包括設(shè)備結(jié)構(gòu)、失效機理、動力學(xué)原理，以及設(shè)計、制造、安裝、運行、維修知識等），來研判設(shè)備狀態(tài)是否正常，并確定故障原因、部位及嚴重程度。設(shè)備故障往往不是由單一因素造成的，而是多種因素共同作用的結(jié)果，且設(shè)備故障原因不同，現(xiàn)象也不同，要根據(jù)設(shè)備的特有信息進行故障診斷。

設(shè)備故障診斷需要對設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)進行全面、綜合的分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析內(nèi)容，可以將PHM 分為6 個主題：傳感器數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康管理、故障診斷、故障預(yù)測和運維優(yōu)化，PHM 分析框架如圖1 所示。

圖1 PHM 分析框架

（1）傳感器數(shù)據(jù)處理：設(shè)計設(shè)備傳感器和運行狀態(tài)檢測設(shè)備，實時采集性能參數(shù)，監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。設(shè)計設(shè)備傳感器和運行狀態(tài)檢測設(shè)備，實時采集性能參數(shù)，監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。利用信號處理和特征提取方法，對采集到的設(shè)備性能參數(shù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析和處理，提取有用的信息。

（2）狀態(tài)監(jiān)測：根據(jù)近期的狀態(tài)監(jiān)測信息及時發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常。與經(jīng)典的SCADA、DCS 的閾值報警相比，PHM 要處理基于多個時間序列的異常模式檢測、異常趨勢識別等較復(fù)雜的報警規(guī)則，根據(jù)多傳感器融合及趨勢分析消除虛假報警。

（3）故障預(yù)測：基于故障的征兆（指在故障模式發(fā)生前或故障模式演變初期可以觀測到的異常）指示和設(shè)備的退化過程建模，預(yù)測設(shè)備的剩余壽命、失效時間及失效風(fēng)險。當(dāng)系統(tǒng)、分系統(tǒng)或部件可能出現(xiàn)小缺陷、早期故障，或逐漸降級到不能以最佳性能完成其規(guī)定功能的狀態(tài)時，選用適用的檢測方式和設(shè)計預(yù)測系統(tǒng)來檢測這些小缺陷、早期故障或性能降級，使裝備維護人員能夠預(yù)測故障發(fā)生時間，從而采取一系列預(yù)防性維修措施。

（4）健康管理：指在各系統(tǒng)處于運行狀態(tài)或工作狀態(tài)時，通過各種方式監(jiān)測系統(tǒng)運行參數(shù)，判斷系統(tǒng)在當(dāng)前狀況下是否正常工作，避免某些運行過程發(fā)生故障而引起整個設(shè)備系統(tǒng)癱瘓，防止此生故障發(fā)生，維持基本功能正常，提高設(shè)備利用效率和使用安全性，保證設(shè)備安全可靠運行。

（5）故障診斷：在獲取設(shè)備組件的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、瞬態(tài)數(shù)據(jù)、過程參數(shù)和運行工作狀態(tài)等信息的基礎(chǔ)上，用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法，建立模型對設(shè)備狀態(tài)進行診斷和預(yù)測，通過故障征兆計算、故障敏感參數(shù)提取和綜合性分析判斷，確定故障原因，得出符合實際的診斷結(jié)論，并制訂糾正措施。

（6）維護決策與優(yōu)化策略：基于健康評估結(jié)果和故障預(yù)測信息，制定有效的維護決策和優(yōu)化策略。

在上述分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的特點及復(fù)雜程度，綜合費用、時間、效能、設(shè)備使用壽命等多個目標，考慮資源約束、時間窗要求、合規(guī)性要求等約束條件，優(yōu)化維修人員分配、維修計劃和其它后勤保障活動。

1.3 PHM 系統(tǒng)基本構(gòu)成

通常，一個設(shè)備PHM 系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與特征提取模塊、智能診斷與預(yù)測模塊、維護決策與優(yōu)化模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊：根據(jù)電子設(shè)備的特點和監(jiān)測需求，選擇適用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳感器；采集到的數(shù)據(jù)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和通信機制傳送至后續(xù)模塊；對采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波和數(shù)據(jù)對齊，以消除干擾信號，確保不同傳感器采集的數(shù)據(jù)具有一致的時間標記，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析。

（2）數(shù)據(jù)處理與特征提取模塊：對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和特征提取，以減少噪聲干擾，提取代表設(shè)備健康狀態(tài)的特征參數(shù)，以及剔除異常值。

（3）智能診斷與預(yù)測模塊：基于歷史數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)算法，建立故障診斷模型，對設(shè)備故障類型的準確診斷和預(yù)測；基于傳感器數(shù)據(jù)和健康監(jiān)測指標，建立健康評估模型，通過監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)參數(shù)并提取相應(yīng)特征，判斷設(shè)備健康狀況。

（4）維護決策與優(yōu)化模塊：將故障診斷和健康評估結(jié)果以圖表、報警信息等形式輸出，以便用戶進行決策和處理，制定維護決策和優(yōu)化策略。維護決策包括預(yù)防性維護、修復(fù)性維護和優(yōu)化性維護等；優(yōu)化策略通過維護計劃的制定，包括維護時間、維護內(nèi)容和備件管理等?；谙到y(tǒng)提供的維護決策和優(yōu)化策略，運維人員可以及時采取相應(yīng)的措施，提高維修效率，降低設(shè)備故障率和減少停機時間，提高設(shè)備可靠性。

設(shè)備PHM 系統(tǒng)建立后，應(yīng)利用實際應(yīng)用中積累的數(shù)據(jù)和用戶反饋，對系統(tǒng)各功能模塊進行優(yōu)化和改進。例如，根據(jù)新的數(shù)據(jù)和故障案例，進一步優(yōu)化故障診斷模型和健康評估模型，提高故障診斷和健康評估的準確性。

2 列控車載設(shè)備實施PHM 需求分析

2.1 列控車載設(shè)備基本構(gòu)成

列控車載設(shè)備多數(shù)由車載安全計算機、軌道電路信息讀取器、應(yīng)答器信息接收單元、列車接口單元、記錄器、顯示器、無線通信單元、運行監(jiān)測系統(tǒng)等組成[6]。列控車載設(shè)備通過車-地信息傳輸通道接收地面系統(tǒng)傳輸?shù)牧熊囘\行控制信息，包括行車許 可（MA，Movement Authority）、線路數(shù)據(jù)等，經(jīng)計算生成列車速度控制曲線，監(jiān)督和控制列車安全、高速運行。當(dāng)列控車載設(shè)備發(fā)生故障時，會故障導(dǎo)向安全輸出制動，影響列車安全正點運行。

目前運用的列控車載設(shè)備有多種型號，主要有CTCS-0 級車載設(shè)備（即列車運行監(jiān)控裝置LKJ）、CTCS-2 級車載設(shè)備（即ATP，Automatic Train Protection，主要有200H、200C、200K）、CTCS-3級車載設(shè)備（主要有300T、300S、300H）。列控車載設(shè)備總合構(gòu)成如圖2 所示，紅色虛線框內(nèi)的單元為CTCS-0 級車載設(shè)備構(gòu)成，綠色虛線框內(nèi)的單元為CTCS-2 級車載設(shè)備構(gòu)成，黃色虛線框內(nèi)的單元為CTCS-3 級車載設(shè)備構(gòu)成。

圖2 列控車載設(shè)備總合構(gòu)成示意

（1）CTCS-0 級列控車載設(shè)備（即LKJ）的線路數(shù)據(jù)存儲在列控車載設(shè)備內(nèi)，根據(jù)列車司機在顯示器上輸入的線路號和車站代號，可讀取車載存儲器中對應(yīng)的線路數(shù)據(jù)；地面系統(tǒng)傳輸?shù)男熊囋S可則由軌道電路信息讀取器負責(zé)接收。安全計算機基于線路數(shù)據(jù)和行車許可，計算出列車速度控制曲線，并將測速單元輸出的實測速度與控制速度進行比較，當(dāng)實測速度大于控制速度時，通過列車接口單元將制動指令輸出至制動系統(tǒng)，降低列車速度，同時將相關(guān)控制信息顯示在司機顯示屏上。

（2）CTCS-2 級列控車載設(shè)備與CTCS-0 級車載設(shè)備區(qū)別是線路數(shù)據(jù)由車載存儲改由地面點式應(yīng)答器存儲，且車載設(shè)備增加了應(yīng)答器信息接單元，用于接收地面點式應(yīng)答器傳輸?shù)木€路數(shù)據(jù)；CTCS-2 級列控車載設(shè)備的行車許可與CTCS-0 級一樣，均來源于軌道電路信息讀取器。

（3）CTCS-3 級列控車載設(shè)備將線路數(shù)據(jù)和行車許可均改為由無線通信單元通過鐵路專用移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，應(yīng)答器信息接收單元僅用于接收列車定位信息。

為了保證行車安全，對直接涉及列車運行安全的設(shè)備單元（包括線路數(shù)據(jù)存儲與接收單元、行車許可接收單元、輸出制動指令的列車接口單元、內(nèi)部通信總線等）的安全等級要求特別嚴苛，這些單元將作為列控車載設(shè)備PHM 實施的重點。

2.2 目前故障分析與處置中存在的問題

（1）列控車載設(shè)備故障分析數(shù)據(jù)不足：列控車載設(shè)備一般具有運行日志和BIT 數(shù)據(jù)2 種數(shù)據(jù)。運行日志記錄列車運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括車載設(shè)備與外部部件（如應(yīng)答器信息接收單元、軌道電路信息讀取器、無線通信單元等）的信息交互狀態(tài)、接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容、以及列車運行控制數(shù)據(jù)（包括時間、列車位置、最高限速、列車時速、列控指令等）。機內(nèi)測試BIT 數(shù)據(jù)是列控車載設(shè)備各單元在測試狀態(tài)下記錄的報警信息和設(shè)備自檢情況，一般包括時間（機器時間）、故障代碼及自檢狀態(tài)等。現(xiàn)有列控車載設(shè)備存儲BIT 數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量特別小，目前裝車最多的2 種型號ATP 裝置的BIT 內(nèi)存容量分別只有183 Kb 和250 條文本，且未提供轉(zhuǎn)存設(shè)備。因此，這些BIT 數(shù)據(jù)只能循環(huán)記錄，只要時間稍長，歷史數(shù)據(jù)都會被新數(shù)據(jù)覆蓋而丟失，造成故障發(fā)生過程不可追溯，致使利用BIT 數(shù)據(jù)進行故障原因分析特別困難。

（2）數(shù)據(jù)分析軟件種類多、使用不便：列控車載設(shè)備生產(chǎn)廠家眾多，分析系統(tǒng)各異，分析人員需在多個數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)間來回切換操作，故障分析工具的使用繁瑣費力，且對分析人員專業(yè)技能要求較高。

（3）現(xiàn)有故障分析軟件缺乏智能：現(xiàn)有的列控車載設(shè)備故障分析軟件只有故障案例分析功能，沒有同一個車前后故障關(guān)聯(lián)分析，也沒有故障現(xiàn)象統(tǒng)計分析，更沒有實現(xiàn)大數(shù)據(jù)和智能建模分析，數(shù)據(jù)分析過多依維護人員經(jīng)驗水平，易造成故障處置不準確，故障重復(fù)出現(xiàn)。

（4）故障定位不準確、維修效率低下：目前列控車載設(shè)備的故障處置一般做法是根據(jù)故障代碼進行故障處理。當(dāng)故障代碼指向不明，或涉及2 個及上設(shè)備時，故障排查的準確性和及時性主要取決于維護人員技術(shù)水平。如果沒有故障代碼或者是故障代碼沒有包含在故障代碼庫內(nèi)（現(xiàn)場稱之為幽靈故障，即看不到、抓不到，試驗室也無法定位的故障）時，維護人員就不得不更換多個相關(guān)的部件及配線來預(yù)防維修；有時為確保安全，甚至進行列車空載運行試驗來確認故障已處理完畢；這些情形都會造成列控車載設(shè)備維修效率降低。

（5）PHM 相關(guān)產(chǎn)品研制工作分散重復(fù)：列控車載設(shè)備生產(chǎn)廠家、維護單位、鐵路相關(guān)科研單位都在開發(fā)PHM 產(chǎn)品，但都是針對單一設(shè)備型號，且研發(fā)工作各自為戰(zhàn)，重復(fù)投入，相關(guān)產(chǎn)品無法集成起來形成體系。

3 列控車載設(shè)備PHM 實施方案

3.1 目標

（1）提高列控車載設(shè)備數(shù)據(jù)采集能力，加強主要單元數(shù)據(jù)分析能力建設(shè)，為實現(xiàn)列控車載設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、健康管理、故障診斷提供高質(zhì)量海量數(shù)據(jù)。

（2）建立統(tǒng)一的列控車載設(shè)備PHM 系統(tǒng)平臺，采用開放式體系結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑺行吞柫锌剀囕d設(shè)備的各種數(shù)據(jù)分析軟件集成到該平臺中，對列控車載設(shè)備所有單元及子系統(tǒng)PHM 應(yīng)用實施統(tǒng)一規(guī)范管理，由該平臺統(tǒng)一提供應(yīng)用功能用戶界面，并使各軟件之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，方便故障診斷和健康評估功能的不斷補充和完善，方便用戶操作使用。

（3）新開發(fā)的列控車載設(shè)備應(yīng)采用分級、智能化BIT 機內(nèi)測試和狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控方式，便于開展失效機理分析；對影響行車且不能熱切冗余模塊，可采用保險和預(yù)警裝置的方法，形成新一代列控車載設(shè)備PHM 技術(shù)。

（4）開展大數(shù)據(jù)分析和智能分析，通過監(jiān)測設(shè)備性能參數(shù)衰減過程、專家系統(tǒng)設(shè)置報警門限值和智能分析模型，實現(xiàn)自動預(yù)警，防范故障發(fā)生，解決故障定位不準、維修效率低下的問題。

3.2 技術(shù)路線

列控車載設(shè)備PHM 實施技術(shù)路線如圖3 所示。

圖3 列控車載設(shè)備PHM 實施技術(shù)路線

（1）通過列控車設(shè)備加裝升級，補充和增強列控車載設(shè)備BIT 功能，利用5G 高速傳輸通道將車載設(shè)備實時檢測和過程監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至地面系統(tǒng)。

（2）完成列控車載設(shè)備關(guān)鍵單元數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)建設(shè)，對采集到的性能參數(shù)、運行狀態(tài)及過程監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行預(yù)處理和特征提取，剔除異常值，提取代表設(shè)備健康狀態(tài)的特征參數(shù)，為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、健康管理和故障預(yù)測提供高質(zhì)量海量數(shù)據(jù)。

（3）開發(fā)和建設(shè)列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)，實現(xiàn)主要車載設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、健康管理和故障預(yù)測，為準確發(fā)現(xiàn)和高效處理故障提供可靠信息[7]。

3.3 列控車載設(shè)備加裝升級

既有設(shè)備不能對重寫軟件代碼和更換硬件組件，只能通過加裝外部傳感器、監(jiān)測裝置及通信接口板件，來采集其工作狀態(tài)和性能參數(shù)數(shù)據(jù)，以便還原電路故障場景，追溯故障發(fā)生過程和確定故障點。

3.3.1 傳感器加裝

加裝非接觸式傳感器，采集其關(guān)鍵組件的物理特性參數(shù)，前期主要采集各電源模塊的電壓、電流、能耗、電磁干擾、溫度等參數(shù)，以及列車接口單元中信號指令繼電器開關(guān)的響應(yīng)速度測量值。傳感器的選擇要求輕便、無源、小型化。

3.3.2 通信協(xié)議監(jiān)測記錄器加裝

加裝通過安全評審?fù)ㄐ艆f(xié)議監(jiān)測記錄器，用以記錄MVB、Profibus、CTODL、以太網(wǎng)以及CAN 等各類總線的數(shù)據(jù)傳輸過程，監(jiān)測率傳輸通道占用情況，分析通信誤碼和通信時序，以結(jié)合磁場傳感器檢測接地回流信號的干擾和大電流電器啟停產(chǎn)生電磁環(huán)境的變化，來推斷各單元工作性能。

3.3.3 鐵路專用5G 移動通信設(shè)備加裝

鐵路專用5G 移動網(wǎng)絡(luò)擬開始建設(shè)，可為列控車載設(shè)備大容量數(shù)據(jù)實時傳輸提供高速通道，能夠?qū)⒘锌剀囕d設(shè)備所有檢測和過程監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，列控車載設(shè)備無需再考慮設(shè)置專門用于大量存儲及預(yù)處理BIT 數(shù)據(jù)的裝置。

3.4 列控車載設(shè)備數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

3.4.1 應(yīng)答器信息接收單元智能檢測站

應(yīng)答器信息接收單元檢測站采集發(fā)送功率、中心頻、天線靈敏度等用于衡量天線性能的參數(shù)。應(yīng)答器信息接收單元分析系統(tǒng)提取發(fā)送板功放回讀電壓值、單元電磁環(huán)境下EMC 值、解碼板解碼誤碼率等參數(shù)，對測量值進行設(shè)置門限值，以判斷應(yīng)答器信息接收單元故障。

3.4.2 軌道電路信息讀取器檢測基站

對軌道電路信息讀取器檢測基站升級，將列控設(shè)備監(jiān)測的系統(tǒng)（DMS）采集的感應(yīng)線圈采集的頻點變化、感應(yīng)幅值變化數(shù)據(jù)與列控車載設(shè)備上碼時間建立對比曲線，可監(jiān)測機車信號靈敏度和解碼能力，并可用于故障預(yù)測。

3.4.3 通信三接口自動分析系統(tǒng)

CTCS-3 級列控車載設(shè)備的Igsm-r、Um 接口監(jiān)測系統(tǒng)（ATP Interface MonitorinSyste，AMS）系統(tǒng)實時監(jiān)測ATP 設(shè)備車-地數(shù)據(jù)傳輸過程，生成車載電臺信令交互過程記錄數(shù)據(jù)[8]。車載電臺性能智能分析系統(tǒng)采集Abis 接口（GSM-R 網(wǎng)絡(luò)基站收發(fā)信機與基站控制器的接口）、A 接口（GSM-R 網(wǎng)絡(luò)基站控制器與移動交換中心的接口）、Ua 接口（GSM-R 網(wǎng)絡(luò)空中接口）的數(shù)據(jù)，并與AMS 記錄的數(shù)據(jù)進行對比分析，可發(fā)現(xiàn)車載電臺設(shè)備的異常。

3.4.4 ATP、LKJ 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

ATP、LKJ 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接收分別由DMS、LMD 監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)降孛娴倪\行日志，從中提取故障代碼，并根據(jù)定位誤差、時鐘準確性、按鍵次數(shù)等評價測速測距單元、時鐘芯片、按鍵的健康度，可用于故障預(yù)測。

3.5 列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)

3.5.1 系統(tǒng)構(gòu)成

列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）利用電務(wù)現(xiàn)有設(shè)備，通過5G 高速移動通信傳輸通道接收升級加裝的列控車載設(shè)備上傳的所有實時檢測和過程監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口自動接收各個地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)生成的分析結(jié)果數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)ATP、列控設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS，DMS，Dynamic Monitoring System）、動車組司機操控信息系統(tǒng)（EOAS，EMU Engineer Operation Analysis System）、LKJ、CRI 等主要車載設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、健康狀態(tài)和故障預(yù)測，支持列控車載設(shè)備維護決策，并與維修管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，形成故障處理過程管理閉環(huán)。列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）構(gòu)成如圖4 所示。

圖4 列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)構(gòu)成示意

3.5.2 主要功能

系統(tǒng)用戶包括系統(tǒng)管理員、分析人員、質(zhì)檢人員、車間管理人員、維修作業(yè)人員、庫管人員等角色，主要功能包括用戶管理、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、健康管理、故障預(yù)測、故障處理。

（1）用戶管理：系統(tǒng)管理員完成系統(tǒng)用戶角色設(shè)置、創(chuàng)建、刪除和修改用戶，設(shè)置用戶權(quán)限。

（2）數(shù)據(jù)采集：通過數(shù)據(jù)接口，自動從DMS、LMD、EOAS 監(jiān)測系統(tǒng)采集ATP、CIR、LKJ、DMS、EOAS 的報警信息及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，從新建BTM、MT、ATP、LKJ 智能分析系統(tǒng)獲取設(shè)備狀態(tài)特征數(shù)據(jù)。

（3）狀態(tài)監(jiān)測：接收數(shù)據(jù)采集到ATP、CIR、LKJ、DMS、EOAS 設(shè)備狀態(tài)及異常告警信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)時，系統(tǒng)發(fā)出聲光預(yù)警，提醒維修人員設(shè)備異常狀態(tài)需進行人工分析和處理。

（4）健康管理：接收數(shù)據(jù)采集到BTM、MT、ATP、LKJ 智能分析系統(tǒng)健康評估報告，統(tǒng)計物理特性參數(shù)，建立衰減趨勢模型，計算其剩余壽命或正常工作時長，對其設(shè)備進行壽命管理，充分利用電子盆浴曲線的穩(wěn)定狀態(tài)階段，延長生命周期。

（5）故障預(yù)測：監(jiān)測設(shè)備衰減趨勢曲線，一旦發(fā)現(xiàn)異常衰減情況，系統(tǒng)及時彈出聲光報警，由人工甄別分析判斷或由專家系統(tǒng)自動判斷是否為故障預(yù)兆；根據(jù)軌道電路信息讀取器、應(yīng)答器信息接收單元檢測基站對軌道電路接收和應(yīng)答器信息接收單元進行測試，發(fā)現(xiàn)物理參數(shù)達到故障參數(shù)據(jù)門限時，系統(tǒng)及時彈出聲光報警。

（6）故障處理：匯總由狀態(tài)監(jiān)測、健康管理、故障預(yù)測等模塊生成的異常狀態(tài)告警、壽命預(yù)警和故障預(yù)測信息，由分析人員確認后，系統(tǒng)自動生成維修工單，由維修車間安排作業(yè)班組進行處置；在故障處置過程中，通過智能穿戴設(shè)備向維修人員提供技術(shù)支持，并監(jiān)督維修人員是否按標準作業(yè)；維修人員故障處理完畢后，經(jīng)質(zhì)檢人員確認后，故障維修作業(yè)結(jié)束；系統(tǒng)自動生成維修記錄發(fā)送給維修管理系統(tǒng)，用于修改列控車載設(shè)備履歷及跟蹤故障處理效果。

3.5.3 故障處置過程

列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)也是實現(xiàn)統(tǒng)一資源調(diào)度和支持各保障部門高效協(xié)同的技術(shù)平臺，相關(guān)人員依據(jù)該系統(tǒng)傳遞的信息，能夠高效協(xié)同完成故障處置相關(guān)工作，形成故障處理過程閉環(huán)管理。

（1）當(dāng)系統(tǒng)自動生成故障分析報告后，由分析人員確認分析結(jié)論，并推送至復(fù)檢人員。

（2）質(zhì)檢人員對列控車載設(shè)備故障進行現(xiàn)場復(fù)核，在系統(tǒng)中確認故障需維修后，系統(tǒng)自動生成故障維修工單并推送給相應(yīng)的維修車間。

（3）維修車間車間管理人員按照系統(tǒng)發(fā)送的維修工單組織作業(yè)班組，并調(diào)動維修人員將維修所需的材料、配件送至作業(yè)點。

（4）作業(yè)人員到達作業(yè)點領(lǐng)用維修材料，展開維修活動；作業(yè)完成后通過系統(tǒng)提交作業(yè)記錄單。

（5）作業(yè)人員處理好故障后，交由質(zhì)檢人員或分析人員復(fù)核故障是否已處理完畢，并將故障處理過程中列控車載設(shè)備記錄的自檢和測試過程數(shù)據(jù)上傳送至系統(tǒng)。

（6）系統(tǒng)對故障處理后上傳的車載數(shù)據(jù)進行分析和診斷，并制定后續(xù)的處理措施。

（7）系統(tǒng)生成維修記錄并發(fā)送給維修管理系統(tǒng)，維修管理系統(tǒng)據(jù)此自動修改車載設(shè)備履歷，將其納入重點關(guān)注事項清單，以跟蹤故障處理效果。

4 列控車載設(shè)備PHM 實施計劃

2022 年，成都鐵路局集團有限公司（簡稱：成都局）將列控車載設(shè)備健康評估管理系統(tǒng)第一階段建設(shè)納入科研項目，對列控車載設(shè)備PHM 管理進行探索性研究，實施計劃初步劃分為3 個階段。

第1 階段（2023 年）：充分利用既有資源，結(jié)合少量硬件改造，搭建列控車載設(shè)備PHM 系統(tǒng)平臺框架，開發(fā)智能化大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，完成第一階段開放式系統(tǒng)建設(shè)；系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能夠通過智能診斷模型、專家分析系統(tǒng)或人工分析進行報警信息進行甄別，自動生成維修工單，形成故障處理信息管理閉環(huán)。

第2 階段（2024 年）：開發(fā)作業(yè)終端智能化穿載設(shè)備、車載MT 電臺智能化分析系統(tǒng)、LKJ 智能化分析系統(tǒng)及接入既有BTM 健康管理系統(tǒng)；完成TCR 故障預(yù)測、監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口和壽命管理大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的開發(fā)；完成自主化BTM 單元智能化分析系統(tǒng)的開發(fā)。

第3 階段（2025 年往后）：研制各類列控車載設(shè)備加裝的傳感器裝置，在試驗室完成測試驗證后，開展上車試驗，通過試驗后投入運用，以完善車載設(shè)備的狀態(tài)檢測功能；研制通信協(xié)議記錄器，完成各通信協(xié)議記錄器的安全SIL 四級認證，使之具備推廣應(yīng)用條件；完善列控車載設(shè)備建康評估管理系統(tǒng)工作，以全面實行列控車載設(shè)備故障預(yù)測與健康管理。

目前已開發(fā)的列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)的主界面如圖5 所示，通過可視化界面展示設(shè)備的健康狀態(tài)、故障診斷結(jié)果和預(yù)測信息，由形象直觀的圖標及不同顏色（紅、藍、灰、綠）標識列控車載設(shè)備健康狀況，維修管理人員可以及時了解列控車載設(shè)備的運用和維修情況，進行維護決策。

圖5 列控車載設(shè)備智能化健康評估系統(tǒng)主界面

5 結(jié)束語

結(jié)合列控車載設(shè)備的運用現(xiàn)狀，針對列控車載設(shè)備故障排查困難、故障定位不準、維修難度大、維修效率低的難題，采用PHM 理念和方法，提出列控車載設(shè)備PHM 實施方案，通過列控車載設(shè)備加裝升級和地面數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)建設(shè)，在完善列控車載設(shè)備BIT 和數(shù)據(jù)采集功能的基礎(chǔ)上，開發(fā)列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)，運用大數(shù)據(jù)分析和智能分析技術(shù)，實現(xiàn)車載設(shè)備關(guān)鍵單元和子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、健康狀態(tài)和故障預(yù)測，提高故障預(yù)測、診斷的準確性；并通過與維修管理系統(tǒng)的信息交互，建立起故障快速處置和閉環(huán)管理的維修保障機制。

目前，初步開發(fā)的列控車載設(shè)備健康評估系統(tǒng)已上線運行。本文實施的列控車載設(shè)備PHM 系統(tǒng)是一個開放、共享的一體化系統(tǒng)，為列控車載設(shè)備PHM 相關(guān)應(yīng)用整合提供了統(tǒng)一平臺。下一步，成都局電務(wù)維護管理部門將組織各設(shè)備廠家、研發(fā)團隊，共同拓展和完善系統(tǒng)，推動列控車載設(shè)備轉(zhuǎn)向視情維修，進一步提高列控車載設(shè)備可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS），為列控車載設(shè)備維修體制創(chuàng)新賦能。