張瑞芳， 韓彥青， 苗 勇， 劉 峰， 楊紅運(yùn)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

目前軌道車輛的故障診斷技術(shù)主要是面向安全，研究的主要目的是預(yù)防大型事故的發(fā)生，以及故障后的統(tǒng)計(jì)，而沒有面向運(yùn)用和維護(hù)。且軌道車輛檢修采用周期維修、人工巡檢和事故搶修相結(jié)合的維修維護(hù)模式，可能導(dǎo)致維修不足或維修過剩。隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)和設(shè)備性能的退化，軌道車輛車載部件的安全隱患問題逐漸暴露出來，維修維護(hù)壓力也與日俱增。

作為典型的復(fù)雜機(jī)電混雜系統(tǒng)，軌道車輛及其系統(tǒng)和設(shè)備的復(fù)雜性、綜合化、智能化程度不斷提高，其生命周期成本，特別是維護(hù)和保障成本越來越高?；趶?fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性考慮，綜合利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能領(lǐng)域的最新研究成果，構(gòu)建基于主動(dòng)智能的運(yùn)維和應(yīng)急處置一體化體系，實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)追蹤評(píng)估、維保資源動(dòng)態(tài)配置、列車關(guān)鍵部件適時(shí)適度維修以及主動(dòng)安全運(yùn)維。

1 軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

目前，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)體系和關(guān)鍵技術(shù)的機(jī)車和動(dòng)車組的典型應(yīng)用研究都在有序開展[1-2]，現(xiàn)以機(jī)車平臺(tái)為例介紹軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)。

用于機(jī)車的軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)是基于機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))的。6A系統(tǒng)是針對(duì)機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)、防火、高壓絕緣、列車供電、走行部、視頻等危及安全的重要事項(xiàng)、重點(diǎn)部件和部位，采用實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)視、報(bào)警并可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、統(tǒng)一固態(tài)存儲(chǔ)和智能人機(jī)界面，整體研究設(shè)計(jì)而形成平臺(tái)化的安全防護(hù)裝置[3]。

目前6A系統(tǒng)作為和諧機(jī)車的標(biāo)準(zhǔn)配置，已在全路18個(gè)鐵路局安裝9 000余臺(tái)，在運(yùn)行過程中積累了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 各機(jī)務(wù)段迫切需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘。故可利用6A系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立全方位配套的地面遠(yuǎn)程安全監(jiān)控體系，利用積累的機(jī)車信息、故障分類與對(duì)比以及軟件的自學(xué)習(xí)能力進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)診斷，并與修程結(jié)合，與物料準(zhǔn)備、在線培訓(xùn)等相關(guān)項(xiàng)目統(tǒng)一整合到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，充分發(fā)揮遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)的作用。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)由車地通信設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、地面專家系統(tǒng)軟件構(gòu)成。運(yùn)用于機(jī)車的軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

6A系統(tǒng)車載主機(jī)具備無線通信能力，能夠?qū)崟r(shí)將6A系統(tǒng)車載故障報(bào)警通過地面基站和網(wǎng)關(guān)發(fā)送給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。具備USB下載接口，能夠通過移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備將數(shù)據(jù)下載至機(jī)務(wù)段查詢終端，并通過鐵路系統(tǒng)局域網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用大容量存儲(chǔ)硬盤，存儲(chǔ)6A原始文件和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

地面專家系統(tǒng)軟件以6A各子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)機(jī)車狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)、對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)并提示軌道車輛在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題或安全隱患。通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，不僅可以對(duì)6A各模塊的可靠性及穩(wěn)定性做出統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)，還可以形成對(duì)6A各子系統(tǒng)全面而客觀的統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)，為6A車載子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量的評(píng)判和軌道車輛的檢修等提供參考依據(jù)，幫助減少行車故障的發(fā)生。

圖1 運(yùn)用于機(jī)車的軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.2 功能設(shè)計(jì)

軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)主要功能如下：

(1)數(shù)據(jù)綜合管理

軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)中的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)軌道車輛各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理等工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)用、檢、修質(zhì)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合管理、檢測(cè)周期監(jiān)控等功能。通過對(duì)軌道車輛各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分析，為完善設(shè)備運(yùn)用與維護(hù)制度體系，優(yōu)化全路軌道車輛設(shè)備檢修管理，強(qiáng)化狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支持。

(2)數(shù)據(jù)綜合分析

通過采集的數(shù)據(jù)，軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)可以進(jìn)行專家分析，生成各子系統(tǒng)質(zhì)量狀況周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)、年報(bào)等專業(yè)報(bào)表，設(shè)備運(yùn)用情況、傷損預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)性等分析，優(yōu)化檢修周期。

(3)運(yùn)檢修閉環(huán)管理

通過軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)建立起一套關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)營(yíng)管理、檢修維護(hù)體系，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3 地面專家系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

地面專家系統(tǒng)軟件通過對(duì)各子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ?，不同時(shí)間不同車次的各子模塊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，利用專家先?yàn)知識(shí)，對(duì)各子模塊的故障、報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與診斷，綜合診斷出的軌道車輛故障，生成分項(xiàng)運(yùn)行報(bào)表，進(jìn)一步為用戶提供按多種關(guān)鍵字及多種條件組合的查詢方式，同時(shí)充分利用數(shù)據(jù)庫(kù)自身報(bào)表統(tǒng)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各種故障和報(bào)警進(jìn)行多元化分析和統(tǒng)計(jì)，給出所需要的各種統(tǒng)計(jì)圖和報(bào)表，圖2是針對(duì)地面專家系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計(jì)圖。

地面專家系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)功能獨(dú)立的程序，一個(gè)是數(shù)據(jù)分析程序，另一個(gè)是數(shù)據(jù)查詢程序。

數(shù)據(jù)分析程序包括以下功能模塊：

(1) 子系統(tǒng)診斷模塊： 瀏覽軌道車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)并分別對(duì)制動(dòng)、走行、列供、防火、視頻等子系統(tǒng)進(jìn)行診斷，定位故障發(fā)生的具體位置和子系統(tǒng)設(shè)備的使用狀態(tài)。

(2) 數(shù)據(jù)挖掘與故障診斷模塊：將車載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)行相關(guān)性分析，通過頻率分布、集中程度、離散程度等建立相關(guān)性模型，以識(shí)別系統(tǒng)的故障特征數(shù)據(jù)。

(3) 維修決策與優(yōu)化模塊：針對(duì)故障診斷結(jié)果，通過專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)模糊匹配，進(jìn)行決策分析，生成檢修派工信息。

數(shù)據(jù)查詢程序包括以下功能模塊：

(1) 運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢：提供一些如速度、壓力值、流量值、轉(zhuǎn)速大小等運(yùn)行曲線，一般以實(shí)際公里標(biāo)或時(shí)間為橫坐標(biāo)。提供各種范圍的分類或者組合查詢，例如查詢指定時(shí)間段內(nèi)的軌道車輛運(yùn)行記錄，查詢高于指定速度的軌道車輛運(yùn)行記錄，查詢信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)間段的軌道車輛運(yùn)行記錄。

圖2 地面專家系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖

(2)故障/報(bào)警統(tǒng)計(jì)模塊：通過分析和統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的故障和報(bào)警信息，提供給用戶例如關(guān)于超速行駛、信號(hào)滅燈、關(guān)機(jī)、信號(hào)異常、設(shè)備異常等分項(xiàng)和組合統(tǒng)計(jì)輸出結(jié)果。可提供給用戶日、周、月、季度等統(tǒng)計(jì)信息，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以報(bào)表、圖、EXCEL等形式顯示。

(3)檢修派工及處理回填：提供故障診斷結(jié)果的程式化分析功能。針對(duì)報(bào)警結(jié)果引導(dǎo)用戶分析報(bào)警數(shù)據(jù)及診斷依據(jù)；提供每日檢修派工信息的查詢，用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修。檢修完成回填處理結(jié)果。

(4)系統(tǒng)管理配置：通過集成化的中心系統(tǒng)管理操作界面，提供系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)配置、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、用戶和權(quán)限管理等系統(tǒng)管理配置功能。針對(duì)不同的用戶設(shè)置不同的權(quán)限，并對(duì)不同權(quán)限的用戶配置不同的查詢內(nèi)容和瀏覽界面等功能。

1.4 數(shù)據(jù)挖掘與故障診斷

車載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過頻率分布、集中程度、離散程度等建立相關(guān)性模型。將所提取的特征數(shù)據(jù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別進(jìn)行特征級(jí)數(shù)據(jù)融合，識(shí)別出故障特征數(shù)據(jù)。結(jié)合歷史交路運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障信息，與地面檢修信息融合，進(jìn)行相關(guān)性分析，并通過模糊專家系統(tǒng)進(jìn)行決策分析。故障診斷流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)挖掘與故障診斷流程圖

軌道車輛故障識(shí)別分為以下幾個(gè)步驟：

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于系統(tǒng)融合及沖突檢驗(yàn)，外部條件的真?zhèn)闻袛?運(yùn)行/庫(kù)內(nèi)/速度/偶發(fā)性故障)，各子系統(tǒng)自身的運(yùn)行特性(去除野值)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身故障排查等知識(shí)，完成故障報(bào)警有效性驗(yàn)證，運(yùn)行態(tài)/試驗(yàn)態(tài)分類。

數(shù)據(jù)分類工作分為4個(gè)層次，按速度信號(hào)，子系統(tǒng)運(yùn)行特性(離散/連續(xù))、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身故障、交路信息，完成如下功能：

①通過速度信號(hào)和交路信息，將運(yùn)行態(tài)/試驗(yàn)態(tài)分類；

②通過子系統(tǒng)運(yùn)行特性(離散/連續(xù))，將野值濾除；

③通過系統(tǒng)自身故障，將傳感器故障時(shí)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)；

(2)特征提取

特征提取主要對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從專家系統(tǒng)海量的特征數(shù)據(jù)中提取有用的事件信息。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)會(huì)以不同的信號(hào)形式表現(xiàn)出來，而特征信號(hào)對(duì)于故障識(shí)別尤為重要。特征描述分類兩種：

①事件特征

過程數(shù)據(jù)含有海量復(fù)雜的列車運(yùn)行信息，我們需要重點(diǎn)關(guān)注的是跟事件相關(guān)的有用特征，如列車運(yùn)行的速度，溫度，相關(guān)工況等，通過對(duì)這些信息的提取建立事件。

②頻次特征

頻次是指不同樣本空間占樣本容量的百分比，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警頻次分析則指通過對(duì)同一報(bào)警事件在每月全路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警事件所占的比重進(jìn)行分析，分析影響不同監(jiān)測(cè)設(shè)備的報(bào)警事件發(fā)生的概率大小，為設(shè)備的檢修提供指導(dǎo)。頻次信息的提取以一個(gè)交路為單位，需要從事件數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)中提取獲得。

(3)故障診斷

基于提取出的特征數(shù)據(jù)，采用如下幾種故障診斷算法：

①時(shí)間軸上的縱向、橫向相關(guān)性分析

縱向?qū)Ρ戎饕ㄟ^對(duì)指定車次的多趟數(shù)據(jù)疊加，分析數(shù)據(jù)在同一時(shí)間軸的變化和波動(dòng)情況。同時(shí)分析數(shù)據(jù)異常的自身和外部環(huán)境，了解故障發(fā)生的原因以及處理機(jī)制。

橫向?qū)Ρ葎t是通過對(duì)指定車次的歷史報(bào)警事件和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析該列車的監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)隨著時(shí)間變化發(fā)展趨勢(shì)。

②關(guān)鍵幀提取

可使用聚類技術(shù)來提取關(guān)鍵幀，將N幀數(shù)據(jù)聚類到K個(gè)群集合中，取各集合中的首幀作為關(guān)鍵幀。這樣可以解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)流過于龐大，數(shù)據(jù)存在時(shí)間和空間上的冗余問題。

(4)維修決策

將各子系統(tǒng)或設(shè)備的診斷信息進(jìn)行有效的融合后,按照一定的規(guī)則進(jìn)行推理，同時(shí)還要將有關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，為以后的查詢與分析做儲(chǔ)備，最后得出整個(gè)列車系統(tǒng)的故障維修知識(shí)庫(kù)。

決策樹提供了一種很自然的嵌入人類先驗(yàn)知識(shí)的機(jī)制，采用自頂向下的遞歸方式，在決策樹的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行屬性比較，根據(jù)不同屬性判斷從該節(jié)點(diǎn)向下的分支，在決策樹的葉節(jié)點(diǎn)得到結(jié)論。在提取事件特征時(shí)，通過加入一些知識(shí)庫(kù)的先驗(yàn)歷史維修策略和歷史故障處理反饋信息，作為決策樹的輸入信息，可大大提高決策樹的決策性能。

2 應(yīng)用案例分析

目前，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)體系和關(guān)鍵技術(shù)的動(dòng)車組的典型應(yīng)用研究尚在研發(fā)階段，機(jī)車運(yùn)維一體化平臺(tái)已投入運(yùn)用。

機(jī)車運(yùn)維一體化平臺(tái)在安全事故防護(hù)、路外與機(jī)車運(yùn)行相關(guān)事故分析、機(jī)車運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面發(fā)揮了較大作用，如停放制動(dòng)意外施加引起的脫軌事故防范與分析、內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力間火災(zāi)防控、電力機(jī)車電器火災(zāi)防控、運(yùn)行機(jī)車走行部軸承固死的及時(shí)報(bào)警等。

以制動(dòng)子系統(tǒng)為例，2014年8月1日晚，北京機(jī)務(wù)段HXD3C 1004機(jī)車擔(dān)當(dāng)補(bǔ)機(jī)時(shí)6A系統(tǒng)報(bào)“停放制動(dòng)異常施加”故障。圖中標(biāo)號(hào)與為停放制動(dòng)異常施加報(bào)警區(qū)域。當(dāng)速度大于5 km/h且停放缸壓力值低于370 kPa時(shí)，停放制動(dòng)非正常施加報(bào)警會(huì)觸發(fā)。圖中時(shí)間11:40至11:55時(shí)間段滿足報(bào)警條件，產(chǎn)生報(bào)警，之后由于速度變化報(bào)警解除，12:02附近又產(chǎn)生報(bào)警，12:04 后報(bào)警解除。

圖4 制動(dòng)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)

經(jīng)過對(duì)6A系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析，11:40至11:55內(nèi)集中報(bào)警時(shí)，對(duì)應(yīng)機(jī)車在北京站外線掛車底，正進(jìn)行項(xiàng)送作業(yè)。12:02報(bào)警"停放制動(dòng)異常施加"，對(duì)應(yīng)司機(jī)在北京站開出后發(fā)現(xiàn)異常后停車。通過機(jī)車運(yùn)維一體化平臺(tái)對(duì)6A系統(tǒng)數(shù)據(jù)的制動(dòng)運(yùn)行曲線進(jìn)行分析，可以看到機(jī)車在此時(shí)間段的運(yùn)行速度、列車管壓力及停放缸壓力變化。11:40至11:55時(shí)速度大于5 km/h，同時(shí)停放缸壓力為零，機(jī)車屬于1軸、6軸抱閘運(yùn)行，因此6A系統(tǒng)報(bào)警“停放制動(dòng)異常施加”。11:57當(dāng)機(jī)車停車后，停放缸壓力一直保持為零，對(duì)應(yīng)操作應(yīng)該是司機(jī)關(guān)閉了B40．06塞門，即切除停放制動(dòng)缸作用，據(jù)司機(jī)描述切除后同時(shí)到車下對(duì)1、6軸卡鉗進(jìn)行了人工緩解作業(yè)，此時(shí)停放缸不再產(chǎn)生制動(dòng)作用。12:02機(jī)車重新啟動(dòng)，運(yùn)行速度為大于5 km/h，停放缸壓力為零，6A系統(tǒng)認(rèn)為滿足報(bào)警條件，即進(jìn)行報(bào)警"停放制動(dòng)異常施加"，其實(shí)此時(shí)停放缸已經(jīng)被切除，停放缸不具有任何制動(dòng)作用。通過機(jī)車運(yùn)維一體化平臺(tái)的分析，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的報(bào)警進(jìn)行定位，從而排查報(bào)警或故障原因，切實(shí)有效地對(duì)機(jī)車狀態(tài)進(jìn)行全面診斷與分析。

從以上案例中看出，軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)可以對(duì)報(bào)警事件進(jìn)行細(xì)節(jié)展示與詳細(xì)分析，能夠更好地指導(dǎo)工作人員分析系統(tǒng)故障，為檢修作業(yè)提供指導(dǎo)支持，保障機(jī)車運(yùn)行安全。

3 結(jié)束語

軌道車輛運(yùn)維一體化平臺(tái)為機(jī)車管理部門提供全面、真實(shí)、可靠的故障信息和相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢，提供科學(xué)、直觀、多角度透視的故障統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。在此基礎(chǔ)上，可以更直觀的對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的實(shí)用性及有效性做出基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的評(píng)估，不僅有利于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的完善和技術(shù)的提高，應(yīng)用部門也可據(jù)此有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)配件儲(chǔ)備、合理的安排檢修人員、了解故障檢修重點(diǎn)，并提出對(duì)機(jī)車的科學(xué)改進(jìn)的意見，促進(jìn)軌道車輛制造與運(yùn)用技術(shù)的發(fā)展。