宋德剛，牛齊明

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心， 青島 266111；2. 北京交通大學 計算機與信息技術學院， 北京 100044）

我國動車組目前實行“計劃預防修為主、事后維修補充”的維修體制[1]，針對該體制在實際應用過程中存在的不足,本文提出將故障預測與健康管理（PHM）應用于動車組維修體制中。結合動車組大數(shù)據(jù)的特點，運用人工智能等方法，實現(xiàn)故障預測、健康狀態(tài)評估以及維修策略的決策與優(yōu)化，以求延長高速動車組使用壽命、提高使用效率和降低運維成本。

工業(yè)大數(shù)據(jù)是指在工業(yè)領域中圍繞典型智能制造模式，整個產(chǎn)品全生命周期各個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)及相關技術和應用的總稱[2]。PHM是一種通過評估產(chǎn)品在實際生命周期條件下的可靠性來判定故障出現(xiàn)和減輕系統(tǒng)風險的技術或方法[3]。目前PHM的應用非常廣泛[4-9]，但在基于動車組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)研究和應用上較為缺乏。本文根據(jù)工業(yè)大數(shù)據(jù)和PHM的發(fā)展現(xiàn)狀，結合已有的PHM標準，提出了動車組PHM系統(tǒng)功能架構，并應用實例驗證使用方法。

1 PHM相關標準

目前，還沒有一套完善的PHM系統(tǒng)標準，由于PHM和故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控及健康管理的相關性，可以借鑒一些標準組織的相關標準。與PHM相關的主要標準大致分為5類：機內(nèi)測試（BIT）、狀態(tài)維護（CBM）、故障預測與健康管理（PHM）、健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)（HUMS）、飛行器綜合健康管理（IVHM），如表1所示。

1.1 機內(nèi)測試

機內(nèi)測試系統(tǒng)設計與應用指南（ARINC604）適用于設備早期階段的設計。PHM系統(tǒng)設計時可以借鑒機載維護系統(tǒng)設計指南（ARINC624）系統(tǒng)完整性的判斷[10]。

表1 PHM相關的標準

1.2 狀態(tài)維護

機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷標準（CM&D）中的開放式視情維修體系結構標準（ISO13374）可以為劃分PHM整體功能模塊提供指導。OSA-CBM是ISO13374的實現(xiàn)。標準指出PHM系統(tǒng)要有6個功能模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、健康評價、預兆評估和提出建議[11]。此標準適合具體設備的PHM系統(tǒng)設計。OSA-EAI是面向企業(yè)應用集成的標準。該標準有助于提出企業(yè)開放的綜合解決方案。美國SAE發(fā)布了多項關于燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)指南，其中有使用壽命監(jiān)視指南。

1.3 故障預測與健康管理

美國SAE發(fā)布了關于燃氣渦輪發(fā)動機健康管理系統(tǒng)指南，其中有發(fā)動機健康管理指南等。AIESTATE標準規(guī)范了測試系統(tǒng)和人工智能之間的接口；支持模塊化診斷架構。SIMICA標準定義了維修信息模型和提供了一種維護過程的XML方案。IEEE的P1856標準建立了電子系統(tǒng)的PHM框架。

1.4 其它

HUMS標準規(guī)范了數(shù)據(jù)交換標準、評估指標和傳感器接口規(guī)范。AC-29C MG-15主要針對旋翼機提供HUMS安裝、驗證和應用指南。ARP6290標準提供了綜合車輛健康管理系統(tǒng)體系結構開發(fā)指南，其中CBM系統(tǒng)是按ISO13374標準開發(fā)的。

通過比較和分析各種標準后，設計高速動車組PHM系統(tǒng)的框架參考OSA-CBM標準和OSAEAI標準；數(shù)據(jù)交換方式參照ISO13374標準和AIESTATE標準。

2 動車組PHM系統(tǒng)功能架構

2.1 系統(tǒng)設計

實現(xiàn)高速動車組PHM系統(tǒng),需建立具有針對性的軟硬件平臺，研究數(shù)據(jù)獲取、故障預測，分析各模型的適應性，并在某型高速動車組中進行實際驗證。

借鑒國外PHM軟件開發(fā)平臺可以提高動車組PHM系統(tǒng)的開發(fā)進度，主要的國外PHM軟件開發(fā)平臺如表2所示。

表2 國外PHM軟件開發(fā)平臺

2.2 系統(tǒng)組成

高速動車組PHM系統(tǒng)功能架構主要包括：車載PHM系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和地面PHM系統(tǒng)。車載PHM系統(tǒng)主要實現(xiàn)動車組各個子系統(tǒng)（如牽引子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)等）、車廂和整列車的健康狀態(tài)的評估和故障預測。地面PHM系統(tǒng)主要實現(xiàn)關鍵部件（如受電弓、軸承等）的故障預測、復雜的健康狀態(tài)的評估和綜合維修決策。在地面PHM系統(tǒng)中實現(xiàn)設計、生產(chǎn)、運用和維護等部門數(shù)據(jù)共享，提供全球在途高速列車的技術支持和遠程健康狀態(tài)監(jiān)測。通信系統(tǒng)主要有車載PHM系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、車地數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)各部分數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)功能

動車組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、故障預測、健康狀態(tài)評估、維修決策和可視化6個主要功能模塊。數(shù)據(jù)獲取模塊主要是通過各類傳感器收集部件、設備的相關數(shù)據(jù)或獲得其它系統(tǒng)的基礎、維修、環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊的功能是從下一層接收數(shù)據(jù)并對其進行清洗、特征提取等處理，使數(shù)據(jù)符合后續(xù)模型或算法的使用要求。故障預測模塊是基于歷史、狀態(tài)和維修數(shù)據(jù)等對運行中的部件、設備進行故障或壽命預測。健康狀態(tài)評估模塊對部件、設備和整車結構等的健康狀況進行量化，預測其未來狀態(tài)的趨勢。維修決策模塊主要負責根據(jù)預測結果和健康評估結果結合動車組運行計劃在故障發(fā)生前提出合理的維修建議?？梢暬K的功能是將預測結果或健康趨勢以友好的圖形方式展示給最終用戶。

考慮到數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)質量、安全和平臺的需要，系統(tǒng)還要有數(shù)據(jù)交換接口、賬號管理、資源管理和任務管理功能。數(shù)據(jù)交換接口模塊確保在不同的系統(tǒng)之間可以有效地交換數(shù)據(jù)。賬號管理模塊提供賬號管理功能，鑒權和授權。資源管理模塊負責管理和調度平臺的資源，提高整個系統(tǒng)的資源利用率。任務管理是監(jiān)控和管理不同的計算任務的模塊。

2.4 技術架構

動車組PHM系統(tǒng)的分層技術框架，如圖1所示。

數(shù)據(jù)獲取層：用數(shù)據(jù)采集設備分別對走行部、牽引設備、制動設備、高壓設備、電氣設備以及各類軸承等關鍵設備和部件，進行溫度、振動、圖像、視頻和力學參數(shù)等的采集。

數(shù)據(jù)處理層：各類傳感器采集的數(shù)據(jù)通過車載網(wǎng)絡傳輸?shù)杰囕d計算機；車載數(shù)據(jù)通過鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)或無線網(wǎng)絡等方式將數(shù)據(jù)傳到大數(shù)據(jù)平臺；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺。對于車載計算機中的數(shù)據(jù)進行在線數(shù)據(jù)的抽取、轉換和加載。對于大數(shù)據(jù)平臺中的集成數(shù)據(jù)根據(jù)部件或設備的特點進行特征提取或根據(jù)多元數(shù)據(jù)的相關性進行數(shù)據(jù)融合。

故障預測層：結合歷史數(shù)據(jù)和相關數(shù)據(jù)（天氣條件、地理條件、結構特性等）利用基于模型的方法、基于數(shù)據(jù)驅動的方法和基于統(tǒng)計的方法來建立故障預測模型，對動車組部件或設備進行故障程度的量化或發(fā)展趨勢的判斷。利用基于失效數(shù)據(jù)的方法、基于退化數(shù)據(jù)的方法和多源數(shù)據(jù)融合的方法進行關鍵部件剩余使用壽命的預測。

圖1 動車組PHM系統(tǒng)框架

健康狀態(tài)評估層：通過故障預測或剩余使用壽命預測的結果結合歷史數(shù)據(jù)和天氣地理等數(shù)據(jù)，綜合評估部件、設備、車廂和整車結構等的健康狀態(tài)等級。對于計算量小、重要的評估放在車載PHM系統(tǒng)中去評估；對于計算量大、復雜的評估放在地面PHM系統(tǒng)中去計算。

可視化層：將所獲得的預測結果數(shù)據(jù)，通過EChart等web圖表控件轉換為二維靜態(tài)或動態(tài)圖像，使得結果更為直觀。

維修決策層：利用維修經(jīng)驗和動車組檢修計劃、專家經(jīng)驗等對故障預測或剩余使用壽命預測的可視化結果進行聯(lián)合決策，根據(jù)故障預測的程度或健康等級提出合理的維修計劃。

3 動車組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)中的應用實例

牽引電機是動車組的核心部件之一，由于工作環(huán)境惡劣、負載變換頻繁以及動力作用大等因素使牽引電機軸承容易出現(xiàn)故障。當前投入運營的CRH380系列動車組上安裝了各類溫度傳感器，如軸溫傳感器，并通過無線網(wǎng)絡實時傳輸?shù)降孛妫o關鍵設備的實時健康評估提供了有利條件[12]。

實驗數(shù)據(jù)采集于運行階段的車載信息地面應用系統(tǒng)和檢修階段的動車組故障管理系統(tǒng)，溫度數(shù)據(jù)內(nèi)容包括環(huán)境溫度、動車牽引電機驅動側軸承溫度和非驅動側軸承溫度等。在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境（IDE）下，用Java語言開發(fā)相關回歸算法，對hive中溫度數(shù)據(jù)進行分析，并用EChart進行了可視化展示，如圖2所示。取軸承溫度和環(huán)境溫度的差值以排除環(huán)境溫度對軸承溫度的影響，根據(jù)采集的大量數(shù)據(jù)，通過公式1和公式2擬合出趨勢線（圖2中綠線），并用公式3得出溫度過高時的警戒線（圖2中紅線）[13]。其中，p為擬合系數(shù)，x為速度值，y為溫度值，Y為告警溫度值，E為溫度值的數(shù)學期望，σ 為溫度值的標準差。在紅綠兩條線之間的為牽引電機軸承正常的溫度變化范圍，超過紅色邊界線的點為異常工作溫度。

通過條形圖（圖3a所示）和折線圖（圖3b所示）等方式可以更加直觀地展示軸承溫度的變化范圍；系統(tǒng)中有多樣的可視化方式，可以輔助不同用戶對各類軸承的健康狀態(tài)做出直觀地評估和決策。

4 結束語

目前，動車組檢修是計劃預防維修體制，盲目性維修問題尤為突出，造成人力、物力的浪費，維修成本過高等一系列問題。本文提出基于大數(shù)據(jù)的高速動車組PHM系統(tǒng)的架構方案和應用實例，為建立動車組故障預測與健康管理系統(tǒng)提供參考，希望能更好地保障動車組運行安全，延長動車組使用壽命，降低動車組的維護成本。

圖2 加速過程中1車1牽引電機驅動側軸承溫度與環(huán)境溫度差值變化

圖3 300 km勻速運行1車電機2非驅動側軸承溫度與環(huán)境溫度差值