田 春，程夢婷，潘麗莎，吳萌嶺

（1.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2.廣州市地下鐵道總公司，廣東 廣州 510320）

城市軌道交通作為一種客容量大、安全、快速、舒適和節(jié)能的交通方式，其載運(yùn)量大、客流集中的特點(diǎn)，決定了城市軌道交通設(shè)備安全性和可靠性的極端重要性.軌道交通車輛的制動(dòng)系統(tǒng)是事關(guān)列車運(yùn)營安全的重要系統(tǒng)，必須確保其本身的安全可靠.制動(dòng)系統(tǒng)的故障的發(fā)展是漸變的［1］，如制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件中繼閥的故障就是以損耗型故障為主，存在一個(gè)性能逐漸劣化的過程［2］.在性能開始劣化至故障發(fā)生的臨界點(diǎn)之前的這段時(shí)間將隱患挖掘出來，進(jìn)行故障預(yù)測，采取主動(dòng)安全措施，是降低事故發(fā)生率和減少事故危害的必由之路.同時(shí)，隱患挖掘也能為維修決策提供指導(dǎo)，節(jié)省維護(hù)成本.

故障特征提取是隱患挖掘中最關(guān)鍵、最困難的問題之一［3］，采用信號(hào)處理的方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理以獲得有效的故障特征是目前的主要方法.信號(hào)處理研究的主要內(nèi)容包括了頻譜分析、統(tǒng)計(jì)方法和相關(guān)分析等.基于頻譜分析的故障特征提取是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，得到了最廣泛的應(yīng)用，如傅里葉變換，小波變換及各種改進(jìn)型的小波變換、希爾波特黃變換、walsh變換等方法［3－7］，但通常僅限于在軸承、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械及電路的故障診斷中應(yīng)用.而對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)這樣具有持續(xù)非周期變化的壓力、速度、加速度、電流電壓以及跳變的開關(guān)量等多種信號(hào)的復(fù)雜系統(tǒng)，基于頻譜分析的故障特征提取方法并不適用，相關(guān)的研究較少.

本文針對(duì)某型地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合車載傳感器得到的在途運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)常用氣制動(dòng)故障進(jìn)行分析，提出了通過對(duì)CV壓力（中繼閥前端的壓力）的跟隨性能進(jìn)行描述來提取故障特征，針對(duì)CV目標(biāo)壓力的變化情況，將制動(dòng)全過程劃分為幾個(gè)特點(diǎn)明顯的典型階段，并根據(jù)各自特點(diǎn)的不同采取了不同的特征提取方法：相關(guān)分析法、平均絕對(duì)誤差法和直接提取法.以系統(tǒng)處于健康狀態(tài)時(shí)的連續(xù)28次正常制動(dòng)工況和試驗(yàn)臺(tái)模擬的3類5種典型隱患工況為對(duì)象進(jìn)行了故障特征提取，分析不同故障特征對(duì)不同隱患識(shí)別的有效性，說明提取出的故障特征能夠有效地表征系統(tǒng)當(dāng)前性能，為隱患挖掘提供判據(jù)，為晚點(diǎn)事故、安全事故的減少及維修決策提供指導(dǎo).

1 常用氣制動(dòng)氣路分析

本文以某型城軌列車制動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象分析常用氣制動(dòng)，氣控制單元?dú)饴啡鐖D1所示，氣路走向?yàn)椋褐黠L(fēng)管／主風(fēng)缸→制動(dòng)風(fēng)缸單向閥→制動(dòng)風(fēng)缸→EP閥（電空轉(zhuǎn)換閥）→緊急閥→緊急保護(hù)閥→空重車閥→中繼閥→防滑閥→制動(dòng)缸.

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)常用氣制動(dòng)控制氣路圖Fig.1 Control pneumatic diagram of service air braking system

CV壓力即中繼閥前壓力信號(hào)，對(duì)應(yīng)著車輛氣制動(dòng)力的大小，是制動(dòng)系統(tǒng)的中間控制變量，它能夠反映常用氣制動(dòng)中制動(dòng)控制系統(tǒng)的性能.若常用氣制動(dòng)控制系統(tǒng)存在隱患時(shí)，CV實(shí)際壓力與CV目標(biāo)壓力之間的跟隨性能將變差，本文對(duì)如何利用在途數(shù)據(jù)從CV壓力跟隨性能中提取出能夠表征系統(tǒng)當(dāng)前性能狀態(tài)的故障特征進(jìn)行了探索.

圖2顯示了一次典型的常用氣制動(dòng)過程中CV目標(biāo)壓力和CV實(shí)際壓力的變化過程.由圖2可見，制動(dòng)系統(tǒng)在車速8km·h－1時(shí)接到常用制動(dòng)信號(hào)，制動(dòng)電子控制單元（BECU）結(jié)合當(dāng)時(shí)的載重信號(hào)和制動(dòng)級(jí)位以及與電制動(dòng)配合的需要，計(jì)算CV目標(biāo)壓力，在初始階段漸漸上升至150kPa左右，后于地鐵列車防止沖動(dòng)和精確停車的需要，存在一段目標(biāo)壓力大范圍變化的反復(fù)過程：先逐漸減小為0，接著進(jìn)行保持制動(dòng)，施加70%的常用全制動(dòng)力（約200kPa），期間制動(dòng)力也有減小，最后再返回并穩(wěn)定在保持制動(dòng)力所需的壓力值附近，直到列車啟動(dòng)且起動(dòng)力矩足夠大時(shí)，才進(jìn)行制動(dòng)緩解，壓力下降為0.

圖2 一次常用氣制動(dòng)CV壓力變化過程及典型階段劃分Fig.2 Change progress of CV pressure in one service air braking and typical stages divided

2 基于CV壓力跟隨性能的故障特征提取

故障特征提取中如何將快速性和精確性兩個(gè)存在于同一過程中的耦合故障特征進(jìn)行解耦從而提取出較準(zhǔn)確的延遲時(shí)間和誤差是關(guān)鍵問題.如第1節(jié)分析，按模式運(yùn)行的地鐵列車一次常用氣制動(dòng)全過程具有幾個(gè)特點(diǎn)明顯的部分，本節(jié)據(jù)此進(jìn)行了典型制動(dòng)階段劃分，針對(duì)各階段不同的特點(diǎn)采用不同的方法進(jìn)行解耦從而提取故障特征，提取出的故障特征應(yīng)能反映系統(tǒng)的當(dāng)前性能狀態(tài).

2.1 CV壓力變化典型階段劃分

針對(duì)常用氣制動(dòng)全過程的特點(diǎn)，將一次常用氣制動(dòng)全過程分為三個(gè)特點(diǎn)明顯的典型階段，如圖2所示：

（1）階段1：減速階段.車速從8km·h－1降為0，目標(biāo)壓力和實(shí)際壓力均上升至一峰值再下降到0的快速動(dòng)態(tài)變化過程.此階段目標(biāo)壓力變化大而迅速，對(duì)系統(tǒng)的快速性和精確性都提出了較大的要求，可通過延遲時(shí)間、誤差等指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前性能做出評(píng)價(jià)；

（2）階段2：停車保持階段.為了防止車輛沖動(dòng)，也由于精確對(duì)門的需要，CV目標(biāo)壓力從0躍升至一較大值后有若干點(diǎn)急劇回落，最后又上升并穩(wěn)定在該值附近.跳變點(diǎn)很少，影響可忽略不計(jì)，該階段的CV目標(biāo)壓力基本維持不變，而CV實(shí)際壓力向著一目標(biāo)值持續(xù)增長，類似控制系統(tǒng)中階躍輸入的系統(tǒng)響應(yīng)，借鑒調(diào)整時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度以求得延遲時(shí)間和誤差來對(duì)系統(tǒng)的快速性和精確性兩個(gè)方面的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；

（3）階段3：緩解階段.列車緩解時(shí)，CV壓力下降至0的階段.此階段與停車保持階段有相似之處，但目標(biāo)值向反方向跳變，由于空氣制動(dòng)系統(tǒng)充放氣特性并不相同，因此對(duì)其進(jìn)行故障特征提取仍是有必要的，但它的目標(biāo)壓力和實(shí)際壓力的最終值都為0，計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差沒有意義，所以僅對(duì)本階段提取緩解時(shí)間作為故障特征.

2.2 減速階段特征提取方法

互相關(guān)函數(shù)是描述兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)在任意兩個(gè)不同時(shí)刻的取值之間的相關(guān)程度的函數(shù)，當(dāng)它出現(xiàn)極大值時(shí)，說明該點(diǎn)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的匹配程度最高.基于互相關(guān)函數(shù)這一特點(diǎn)，本文在減速階段采用互相關(guān)系數(shù)法對(duì)CV目標(biāo)壓力和CV實(shí)際壓力之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行度量來對(duì)減速階段進(jìn)行解耦從而提取故障特征，提取出延遲時(shí)間M1，誤差E1和最大相關(guān)系數(shù)Cc三個(gè)故障特征.具體公式如下：

式（1）～（4）中：m為CV實(shí)際壓力和CV目標(biāo)壓力之間延遲的采樣點(diǎn)數(shù)；R（m）為CV目標(biāo)壓力與CV實(shí)際壓力的互相關(guān)函數(shù)；R（m）max為互相關(guān)函數(shù)的最大值；m1為互相關(guān)系數(shù)取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)延遲的采樣個(gè)數(shù)；Δt為采樣間隔時(shí)間，Δt＝0.05s，N為采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)；i為采樣點(diǎn)次序，p實(shí)際，i＋m1為該第（i＋m1）個(gè)采樣點(diǎn)的CV實(shí)際壓力；p目標(biāo)，i為第i個(gè)采樣點(diǎn)的CV目標(biāo)壓力.

2.3 停車保持階段故障特征提取方法

如第2.1節(jié)中分析，選取延遲時(shí)間和誤差作為本階段的故障特征，在控制系統(tǒng)中，調(diào)整時(shí)間指的是實(shí)際輸出收斂至目標(biāo)值的一定范圍（通常為±5%或±2%）內(nèi)的最小時(shí)間，穩(wěn)態(tài)誤差是實(shí)際輸出的收斂值與目標(biāo)值之間的誤差，借鑒此調(diào)整時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差的選取及計(jì)算方法，在本階段，取CV實(shí)際壓力與CV目標(biāo)壓力的誤差值第一次達(dá)到目標(biāo)值的±5%之內(nèi)所需的時(shí)間為延遲時(shí)間M2，取進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后的所有點(diǎn)計(jì)算平均絕對(duì)誤差作為誤差E2，如圖3所示.

2.4 緩解階段故障特征提取方法

如第2.1節(jié)中分析，直接選取制動(dòng)緩解時(shí)間作為故障特征M3，為了消除緩解初始時(shí)刻壓力大小對(duì)緩解時(shí)間的影響，選取壓力從指定壓力值（180kPa）降至0所需的時(shí)間為緩解時(shí)間M3，如圖4所示.

圖4 緩解階段（階段3）故障特征提取方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of fault feature extraction method in release phase（Phase 3）

3 故障特征分析

為了研究上述6個(gè)故障特征對(duì)常用氣制動(dòng)故障隱患識(shí)別能力，本節(jié)結(jié)合正常工況數(shù)據(jù)和多種類型的隱患工況的數(shù)據(jù)對(duì)故障特征進(jìn)行對(duì)比分析.正常工況數(shù)據(jù)來源于某型地鐵列車在途運(yùn)行的28次常用制動(dòng)工況數(shù)據(jù)，該28次工況在系統(tǒng)健康狀態(tài)良好時(shí)連續(xù)發(fā)生，經(jīng)歷了該地鐵線路的始發(fā)站到終點(diǎn)站的完整過程，包含了每個(gè)站點(diǎn)各自的復(fù)雜條件，具有代表性，下文中將這些制動(dòng)工況簡稱為正常工況.隱患工況的數(shù)據(jù)通過故障模擬試驗(yàn)的手段獲得，為此課題組在該型地鐵列車可靠性性試驗(yàn)臺(tái)（圖5）上進(jìn)行了故障注入，模擬典型的隱患工況.

圖5 某型地鐵列車可靠性試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Reliability test rig of a subway train

3.1 故障模擬

由軌道交通維保部門對(duì)故障的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和相關(guān)研究顯示［8－12］，導(dǎo)致CV壓力跟隨性能劣化的常用氣制動(dòng)故障的原因主要有電空轉(zhuǎn)換中繼閥（包括EP閥、緊急閥、空重車閥、中繼閥）的故障、由密封件老化或熱脹冷縮等原因造成的泄漏及管接頭等處的氣路泄漏等.

圖6 制動(dòng)閥間歇性失靈發(fā)生在階段1（隱患工況A1）時(shí)CV壓力變化過程Fig.6 CV pressure change process while brake valve failing intermittently in Phase 1（hidden trouble A1）

本文通過模擬EP閥間歇性故障和漏氣故障來觀察隱患工況下CV實(shí)際壓力與CV目標(biāo)壓力的跟隨狀況，分別得到三類典型隱患工況，包括EP閥中的制動(dòng)閥間歇性失靈類隱患，記為A；EP閥中的緩解閥間歇性失靈類隱患，記為B；中繼閥前的管路漏氣類隱患，記為C.又按隱患發(fā)生階段的不同，分為以下5種工況：A1、A2、B1、B3和C，其中，字母代表隱患類別，數(shù)字代表發(fā)生階段（1、2、3分別對(duì)應(yīng)階段1、階段2和階段3，無數(shù)字代表發(fā)生在全程）.5種隱患工況分別進(jìn)行10次試驗(yàn)，記為X－n（X為隱患種類標(biāo)識(shí)，n∈［1，10］，為相應(yīng)隱患的試驗(yàn)次序）.具體如下：

圖7 制動(dòng)閥間歇性失靈發(fā)生在階段2（隱患工況A2）CV壓力變化過程Fig.7 CV pressure change process while brake valve failing intermittently in Phase 2（hidden trouble A2）

隱患工況A1、A2：EP閥中的制動(dòng)閥間歇性失靈分別發(fā)生在階段1和階段2，此種隱患工況下CV實(shí)際壓力與CV目標(biāo)壓力的變化過程如圖6和圖7所示.因階段3為緩解階段，并未使用制動(dòng)閥，制動(dòng)閥是否有隱患不會(huì)影響性能，因此無需對(duì)階段3的該類隱患工況進(jìn)行分析.

隱患工況B1、B3：EP閥中的緩解閥間歇性失靈分別發(fā)生在階段1和階段3，此種隱患工況下CV實(shí)際壓力與CV目標(biāo)壓力的變化過程如圖8和圖9所示.因階段2為停車保持階段，CV壓力向著一較大目標(biāo)上升，緩解閥幾乎不起作用，緩解閥是否有隱患對(duì)性能幾乎無影響，故對(duì)階段2的該類隱患工況不予分析.

隱患工況C：中繼閥前管路漏氣，發(fā)生在整個(gè)氣制動(dòng)過程中.此種隱患工況下CV實(shí)際壓力與CV目標(biāo)壓力的變化過程如圖10所示，由圖中可見：CV實(shí)際壓力對(duì)目標(biāo)壓力跟隨的滯后性較大.

3.2 結(jié)合正常工況和隱患工況的故障特征分析

用第2節(jié)所述各方法對(duì)所有正常工況和模擬隱患工況進(jìn)行故障特征提取，得到各故障特征量.為了消除量綱產(chǎn)生的影響，分別將各階段不同故障特征歸一化到［0，1］上，使得各故障特征均為隨性能劣化遞增的量綱一值，分別記為：延遲時(shí)間M′1、誤差E′1、相關(guān)系數(shù)C′c、延遲時(shí)間M′2、誤差E′2和緩解時(shí)間M′3.得到歸一化后的各階段故障特征分別如圖11～13所示，圖中制動(dòng)工況的序號(hào)即連續(xù)28次常用制動(dòng)的次序，A1、A2、B1、B3和C分別代表相應(yīng)隱患工況.

圖8 緩解閥間歇性失靈發(fā)生在階段1（隱患工況B1）時(shí)CV壓力變化過程Fig.8 CV pressure change process while release valve failing intermittently in Phase 1（hidden trouble B1）

為評(píng)估故障特征量的有效性，采用對(duì)故障隱患的響應(yīng)準(zhǔn)則，即當(dāng)存在故障隱患時(shí)，特征量幅值偏離正常狀態(tài)時(shí)的值.本文通過對(duì)比28次正常工況和5種隱患工況，評(píng)估6個(gè)故障特征量的有效性和適應(yīng)性.圖11為歸一化后的階段1故障特征：延遲時(shí)間M′1、誤差E′1和相關(guān)系數(shù)C′c在28次正常工況（1～28）和三類典型故障模擬的5種隱患工況（A1、A2、B1、B3和C）時(shí)的取值.由圖中可見，對(duì)比各故障特征量在隱患工況和正常工況時(shí)的幅值，故障特征量延遲時(shí)間M′1在隱患工況A2、B1和B3時(shí)的幅值與正常工況一致，即延遲時(shí)間M′1對(duì)與隱患工況A2、B1和B3相對(duì)應(yīng)的隱患無響應(yīng)，因此不能識(shí)別這三種故障隱患.相反，此故障特征量在隱患工況A1和C時(shí)的幅值偏離正常工況，因此它能夠識(shí)別隱患A1和隱患C這兩類故障.同理分析可知：故障特征量誤差E′1能夠?qū)﹄[患A1、隱患B1和隱患C進(jìn)行識(shí)別，相關(guān)系數(shù)C′c也能夠?qū)﹄[患A1、隱患B1和隱患C進(jìn)行識(shí)別.

圖12為歸一化后的階段2故障特征：延遲時(shí)間M′2和誤差E′2在28次正常工況（1～28）和三類典型故障模擬的5種隱患工況（A1、A2、B1、B3和C）時(shí)的取值.如圖12所示：故障特征量誤差E′2在5種隱患工況時(shí)的幅值均與正常工況一致，即誤差E′2對(duì)與本文討論的5種隱患工況相對(duì)應(yīng)的三類故障隱患均無響應(yīng)，，因此它不能識(shí)別本文所討論的任何隱患.同理分析可知：延遲時(shí)間M′2能夠識(shí)別隱患A2.

圖9 緩解閥間歇性失靈發(fā)生在階段3（隱患工況B3）時(shí)CV壓力變化過程Fig.9 CV pressure change process while release valve failing intermittently in Phase 3（hidden trouble B3）

圖11 歸一化后的階段1故障特征：延遲時(shí)間M′1、誤差E′1Fig.11 Normalized fault features of Phase 1：delay time M′1，error E′1

圖12 歸一化后的階段2故障特征：延遲時(shí)間M′2和誤差E′2和相關(guān)系數(shù)C′cFig.12 Normalized fault features of Phase 2：delay time M′2，error E′2and correlation coefficient C′c

圖13 歸一化后的階段3故障特征：緩解時(shí)間M′3Fig.13 Normalized fault features of Phase 3：release time M′3

圖13為歸一化后的階段3故障特征：延遲時(shí)間M′3在28次正常工況（1～28）和三類典型故障模擬的5種隱患工況（A1、A2、B1、B3和C）時(shí)的取值.從圖中可見：對(duì)比故障特征量緩解時(shí)間M′3在隱患工況和正常工況時(shí)的幅值，它在隱患工況B3時(shí)的幅值明顯高于正常工況，即此故障特征量對(duì)隱患工況B3對(duì)應(yīng)的故障隱患有響應(yīng)，因此它能夠識(shí)別隱患B3.

將上述分析的歸一化的各階段故障特征與對(duì)應(yīng)識(shí)別隱患的列出表格形式，見表1，從表中分析可知：①各階段的故障特征能夠?qū)Πl(fā)生在相應(yīng)階段的隱患進(jìn)行識(shí)別，為了盡可能多地識(shí)別隱患，有必要對(duì)每個(gè)階段都進(jìn)行故障特征提??；② 延遲時(shí)間類故障特征不能對(duì)緩解閥故障進(jìn)行識(shí)別；③ 只有誤差E′2不能識(shí)別任何隱患，其余故障特征均能識(shí)別至少一個(gè)甚至三個(gè)隱患；④ 所有隱患都能被至少一個(gè)甚至三個(gè)故障特征識(shí)別，能夠被越多故障特征識(shí)別的隱患在挖掘時(shí)判據(jù)將越充分，識(shí)別準(zhǔn)確率將越高.

綜上所述，本文提取的6個(gè)故障特征除誤差E′2外，各有其適應(yīng)的隱患類型，能夠?qū)θ?種隱患工況進(jìn)行識(shí)別，為隱患挖掘提供了有效判據(jù).

表1 歸一化的故障特征與對(duì)應(yīng)識(shí)別隱患列表Tab.1 Mapping table of normalized fault features and hidden trouble

4 結(jié) 論

（1）以某型在途運(yùn)行的地鐵列車為分析對(duì)象，選擇CV壓力跟隨性能指標(biāo)作為故障特征.根據(jù)在途運(yùn)行的地鐵列車CV目標(biāo)壓力變化特點(diǎn)，將常用氣制動(dòng)過程劃分為減速階段、停車保持階段和緩解階段等三個(gè)制動(dòng)階段.針對(duì)各階段的特點(diǎn)，提出了對(duì)應(yīng)各階段故障特征提取方法.減速階段采用互相關(guān)系數(shù)法對(duì)CV目標(biāo)壓力和CV實(shí)際壓力之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行度量來對(duì)減速階段進(jìn)行解耦從而提取出延遲時(shí)間M1，誤差E1和最大相關(guān)系數(shù)Cc三個(gè)故障特征；停車保持階段采用延遲時(shí)間M2，平均絕對(duì)誤差E2為故障特征量；緩解階段采用制動(dòng)緩解時(shí)間M3作為故障特征量.

（2）在制動(dòng)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了故障注入，試驗(yàn)?zāi)M了EP閥中的制動(dòng)閥間歇性失靈類隱患、EP閥中的緩解閥間歇性失靈類隱患以及中繼閥前的管路漏氣類隱患故障等三類典型隱患故障，采用對(duì)故障隱患的響應(yīng)準(zhǔn)則，對(duì)比各故障特征量在隱患工況和正常工況時(shí)的幅值，探討了各故障特征對(duì)不同隱患工況的識(shí)別能力.故障特征量延遲時(shí)間M1能夠識(shí)別隱患A1和隱患C這兩類故障；故障特征量誤差E1能夠識(shí)別隱患A1、隱患B1和隱患C進(jìn)行，相關(guān)系數(shù)C′c能夠識(shí)別隱患A1、隱患B1和隱患C進(jìn)行.故障特征量誤差E2不能識(shí)別本文所討論的任何隱患.延遲時(shí)間M2能夠識(shí)別隱患A2.故障特征量緩解時(shí)間M3能夠識(shí)別故障隱患B3.

（3）提取出的6個(gè)故障特征對(duì)本文討論的三類5種典型故障隱患工況識(shí)別能力不同，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)故障隱患的特點(diǎn)選擇合適的故障特征量.

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