劉宏偉

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程越來(lái)越快，城市交通道路建設(shè)規(guī)模也在逐步擴(kuò)大，需要加大地鐵列車故障預(yù)測(cè)的研究，以加快地鐵列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)要積極利用現(xiàn)代科學(xué)和保障技術(shù)加強(qiáng)地鐵列車的建設(shè)工作。在地鐵建設(shè)中更多地使用故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)，有助于進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代地鐵的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。本文主要關(guān)注地鐵制動(dòng)系統(tǒng)分析的總體框架，進(jìn)一步進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)的探索，希望對(duì)未來(lái)在地鐵應(yīng)用和開發(fā)故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)方面提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：故障預(yù)測(cè);健康管理技術(shù);地鐵列車;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0076-02

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備在航空航天、通信、地鐵運(yùn)輸和工業(yè)化發(fā)展中的應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)備自動(dòng)化、集成化、智能化程度也越來(lái)越高。由于使用工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)所需的技術(shù)復(fù)雜性較高，開發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)和支持設(shè)備成本高，而工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)故障在實(shí)際使用中中逐漸增加。這就是為什么研究故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車上的應(yīng)用已經(jīng)成為管理者、科學(xué)家和研究人員的熱點(diǎn)的原因。

1 故障預(yù)測(cè)和健康管理簡(jiǎn)介

故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)首先解決地鐵列車的運(yùn)行問(wèn)題，如在維修后的維護(hù)模式、維護(hù)工作中的真實(shí)狀態(tài)維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)問(wèn)題。其次能夠降低維護(hù)和使用成本，增強(qiáng)設(shè)備的可用性，促進(jìn)維護(hù)時(shí)間評(píng)價(jià)任務(wù)的成功。通過(guò)研究制造設(shè)備狀態(tài)的方法來(lái)記錄、終身預(yù)測(cè)、健康檢查、數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)評(píng)估、生成建議等功能，具有高度的健康狀況智能評(píng)估功能，開放系統(tǒng)架構(gòu)，使軟件平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的主要組成部分

2.1 數(shù)據(jù)收集

各種傳感器用于收集待檢系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，采集的數(shù)據(jù)用于有效的信息轉(zhuǎn)換和信息傳遞。例如：檢測(cè)有關(guān)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)的信息。

2.2 信息處理

數(shù)據(jù)信息被處理成有效形式，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)被壓縮成數(shù)據(jù)，如頻譜、圖形和其他特征數(shù)據(jù)。例如：時(shí)域分配、頻域分配和其他功能。

2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

將該數(shù)據(jù)與預(yù)定的故障數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行比較，以監(jiān)視系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，并且可以根據(jù)預(yù)定的各種參數(shù)索引閾值來(lái)提供故障警報(bào)能力。例如：現(xiàn)場(chǎng)正常、異常數(shù)據(jù)量和數(shù)字比較功能。

2.4 健康評(píng)估

在大多數(shù)情況下，評(píng)估受監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況（例如，如果存在參數(shù)更改現(xiàn)象等），生成診斷故障日志，并確定發(fā)生故障的可能性。故障診斷基于各種運(yùn)行狀況，工作狀態(tài)和維護(hù)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。用于分析和評(píng)估識(shí)別數(shù)據(jù)和專家知識(shí)。

2.5 故障預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)故障的能力是故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的突出特征之一。在充分理解過(guò)程的前四個(gè)部分的基礎(chǔ)上，以評(píng)估和預(yù)測(cè)受監(jiān)控系統(tǒng)的未來(lái)健康狀況，并做出判斷，建議和采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。例如，使用模糊分析和其他測(cè)量方法的一般誤差預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率超過(guò)80%，這基本上證明使用故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)給出良好的結(jié)果。

2.6 健康管理

計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面，包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、警告、健康評(píng)估、預(yù)測(cè)、決策支持模塊數(shù)據(jù)等，這些設(shè)備與上述其他系統(tǒng)之間，通過(guò)人機(jī)界面過(guò)程數(shù)據(jù)交換信息。例如：通過(guò)I/O接口使用LED、蜂鳴器和其他提示。

3 故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車的應(yīng)用

根據(jù)故障預(yù)測(cè)與健康管理的技術(shù)要求，包括：數(shù)據(jù)采集（傳感器）、健康評(píng)估（數(shù)據(jù)庫(kù)）、支持決策（智能庫(kù)）等，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)是普遍存在的瓶頸，但是，必須遵循初學(xué)者到高級(jí)的一些事物的發(fā)展過(guò)程，從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，需要一個(gè)設(shè)計(jì)、測(cè)試、認(rèn)證、實(shí)踐和糾正，然后實(shí)踐的過(guò)程。故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車的應(yīng)用與航空領(lǐng)域故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的實(shí)施是一致的。目前故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在美國(guó)航空業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)得到應(yīng)用，日本的測(cè)試和評(píng)估設(shè)備已經(jīng)實(shí)施。日本、美國(guó)的發(fā)展模式成為我國(guó)地鐵列車發(fā)展的參考，在不同地區(qū)之間實(shí)現(xiàn)地鐵列車高效運(yùn)行。因此，我相信在不久的將來(lái)，地鐵（地鐵、高速列車等）能夠通過(guò)我們自己的研究，采取適合我國(guó)地鐵列車故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)。

3.1 傳感器設(shè)計(jì)

設(shè)備診斷中的傳感器按功能分為振動(dòng)傳感器、加速度傳感器、聲級(jí)計(jì)、溫度傳感器、光學(xué)傳感器等。特別是在電力系統(tǒng)的設(shè)備診斷中，大多數(shù)傳感器依賴于光纖、電壓互感器或使用霍爾器件的傳感器。它們必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性、靈敏度、穩(wěn)定性和抗干擾性。然而，隨著監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和復(fù)雜化，傳感器的類型和數(shù)量急劇增加。

通常，一種是用于檢測(cè)充電狀態(tài)的直接接觸型，另一種是用于檢測(cè)充電狀態(tài)的間接非接觸型。前者在電氣高壓試驗(yàn)中是危險(xiǎn)的，非接觸式與電氣負(fù)載設(shè)備無(wú)直接關(guān)系，如電磁感應(yīng)原理、霍爾原理、溫度測(cè)量原理和光電原理。其中強(qiáng)光電壓傳感器抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐惡劣環(huán)境、絕緣性能好、體積小、重量輕、靈敏度高，但是價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便。利用電磁感應(yīng)，霍爾原理電壓傳感器檢測(cè)電的存在和不存在。然而，存在電磁特性，并且靈敏度具有一些影響，并且在沒(méi)有電流的情況下不可能檢測(cè)導(dǎo)體的充電狀態(tài)。

靜電傳感技術(shù)是通過(guò)靜電晶體管（靜電感應(yīng)晶體管）充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置SIT，基于測(cè)量點(diǎn)電荷的功能分布建立傳感器模型，以獲得傳感器的空間靈敏度。數(shù)字傳感器由內(nèi)部放大器、數(shù)字模擬模塊和編解碼器組成。

3.2 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳感器

對(duì)于地鐵列車中的牽引電動(dòng)機(jī)的區(qū)域，充電狀態(tài)的非接觸檢測(cè)通過(guò)信息通道進(jìn)行。例如，地鐵車輛中有16個(gè)三相牽引電動(dòng)機(jī)（6組分組），總共48個(gè)線路（uvw）需要傳感器，每根電纜捆綁在一起，傳感器的IP地址是唯一的。該傳感器重量輕、易于安裝，具有高可靠性和安全性（防水、防塵）。因?yàn)閭鞲衅鳑](méi)有與地鐵車輛的牽引電動(dòng)機(jī)直接電接觸。最后，48個(gè)傳感器通過(guò)車輛數(shù)據(jù)線相互連接，并且它們的數(shù)據(jù)信息（模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)信號(hào)）被連續(xù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)控制器，并且計(jì)算機(jī)控制器根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)IP尋址，文件名自動(dòng)創(chuàng)建。

在測(cè)試臺(tái)上工作時(shí)，1500VDC和400VAC逆變器I/O的頻域和時(shí)域圖由單個(gè)傳感器檢測(cè)。以及在測(cè)試臺(tái)上工作時(shí)1100VAC牽引電機(jī)的頻域圖和時(shí)域圖。在信息設(shè)備的部分中可以觀察到其檢測(cè)時(shí)域和使用頻域的數(shù)據(jù)分析，特別是來(lái)自諧波理論表示可能發(fā)生電氣設(shè)備的故障。幫助維護(hù)人員提前做好機(jī)電設(shè)備的預(yù)防措施，這使研究人員可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)一段時(shí)間，建立標(biāo)準(zhǔn)模塊的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)。逐步改進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)的功能，以便可以創(chuàng)建故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)過(guò)程的一部分。因此，它起到了積極的作用?？茖W(xué)化的使用使隱患大大減少、維護(hù)成本可控、行政效率顯著提高。因此，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)和方法可以幫助開發(fā)更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的業(yè)務(wù)類型。

3.3 信息處理與狀態(tài)監(jiān)測(cè)

信息處理主要依賴于系統(tǒng)平臺(tái)上的工業(yè)PC控制器，基于“小波”分析“FFT”分析等，取決于DUT，并按需選擇軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算和分析過(guò)程。實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)用戶），根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求來(lái)完成數(shù)據(jù)I/O接口的軟件和圖表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。日本公司ATC故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)概念開發(fā)KS2000、KS3000和KS7000系列廣泛應(yīng)用于電力、石油、地鐵運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，并得到用戶的積極評(píng)價(jià)。在使用KS系列期間，我們發(fā)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)為用戶帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，這可以反映在故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)中。只有在設(shè)備需要維修時(shí)才能進(jìn)行必要的維護(hù)，避免不必要的維護(hù)和診斷工作?？梢源蟠鬁p少維修成本，提高維護(hù)的效率和質(zhì)量。

3.4 健康評(píng)估與安全決策

健康評(píng)估和安全決策是故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究的重點(diǎn)，因?yàn)槭澜缟嫌懈鞣N設(shè)備診斷設(shè)備，唯一缺少的是用戶報(bào)告的健康檢查和安全決策（評(píng)估），盡管有些軟件有這個(gè)功能，但評(píng)價(jià)內(nèi)容不全面。重點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)支架、發(fā)動(dòng)機(jī)隔離等，測(cè)試儀器的性價(jià)比較一般，原因是研究者不關(guān)心用戶生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備需要什么（支持故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的描述），不能真正收集數(shù)據(jù)并建立標(biāo)準(zhǔn)模塊的場(chǎng)景。在時(shí)間和過(guò)程方面需要漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。如果沒(méi)有堅(jiān)持不懈的努力，就不可能實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)。當(dāng)然，當(dāng)提供圖表分析時(shí)，用戶可以更清楚地知曉其中的故障，同時(shí)可能報(bào)告其他電氣系統(tǒng)（電池、UPS等），以便更好地進(jìn)行健康評(píng)估檢測(cè)，我們希望故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)能夠?yàn)榈罔F列車的發(fā)展做出進(jìn)一步貢獻(xiàn)。

4 展望未來(lái)

故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)逐漸吸引了人們的注意力，但它仍然距離現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用水平較遠(yuǎn)。除了一些機(jī)電設(shè)備之外，在大多數(shù)設(shè)備系統(tǒng)中還沒(méi)有很好地應(yīng)用電子產(chǎn)品的故障處理機(jī)制，并且一些僅僅是錯(cuò)誤檢測(cè)設(shè)備（例如本文檔中描述的靜電傳感器）而且不能預(yù)測(cè)錯(cuò)誤。此外，還需要進(jìn)行大量研究，以確定如何正確有效地評(píng)估系統(tǒng)狀況并做出最佳維護(hù)決策。鑒于故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)中使用的一些技術(shù)已經(jīng)通過(guò)實(shí)際使用得到驗(yàn)證，例如來(lái)自日本ATC公司的KS系列智能機(jī)電測(cè)試設(shè)備。

據(jù)報(bào)道，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在整個(gè)研究框架的各個(gè)部分都有相對(duì)清晰的發(fā)展思路，也面臨著許多現(xiàn)實(shí)的技術(shù)挑戰(zhàn)。雖然傳感器技術(shù)的發(fā)展為機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械診斷等溫度場(chǎng)提供了充分的信息收集方法，但仍然沒(méi)有更有效的方法來(lái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)，特別是電子元件的功率狀態(tài)。同時(shí)就監(jiān)控信息處理方法而言，實(shí)際系統(tǒng)是嚴(yán)格非線性的。因此，缺乏非線性系統(tǒng)的一般建模方法已逐漸成為研究前沿的研究課題。并且由于實(shí)際應(yīng)用往往是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有嚴(yán)重的非線性特征，如時(shí)變參數(shù)及其數(shù)學(xué)模型不存在或過(guò)于復(fù)雜，噪聲的統(tǒng)計(jì)特性不理想、不確定性和外部問(wèn)題的診斷和預(yù)測(cè)非常復(fù)雜。需要研究人員不斷加強(qiáng)對(duì)于故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的研究，促進(jìn)我國(guó)地鐵列車的高效發(fā)展與運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著地鐵線路不斷發(fā)展，城市地鐵向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，故障預(yù)測(cè)與健康管理應(yīng)不斷適應(yīng)新形勢(shì)，不斷優(yōu)化，為地鐵網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)提供更好的服務(wù)。因此，綜合預(yù)測(cè)方法已成為一個(gè)新的熱點(diǎn)，作為諧波分析方法，要整合各種獨(dú)特的信息（如頻率特性），加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備的研發(fā)，如故障機(jī)制、電壓損壞，對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行積極有效的預(yù)防。逐步加強(qiáng)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)在地鐵列車中的應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)地鐵列車的高效運(yùn)行和發(fā)展。

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