袁海斌，　張春華，　范俊巍

地鐵鋼軌損傷健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁海斌1，張春華1，范俊巍2

（1.北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191；2.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司線路公司，北京100082）

針對(duì)城市地鐵鋼軌損傷維護(hù)預(yù)測(cè)的需要，研究建立基于超聲探測(cè)的鋼軌損傷健康管理系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法.提出基于決策分析的健康管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，對(duì)其中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行討論.用分層設(shè)計(jì)思想定義各功能模塊，采用軟件技術(shù)和自動(dòng)化數(shù)據(jù)流處理，實(shí)現(xiàn)主界面模塊、用戶管理模塊、線路管理模塊、線路匹配模塊等的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì).系統(tǒng)能結(jié)合不同環(huán)境條件下的歷史數(shù)據(jù)集和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)鋼軌疲勞壽命預(yù)測(cè).

健康管理；預(yù)測(cè)；決策支持；鋼軌損傷

作為城市公共交通骨干的地鐵系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著大量高密度乘客快速運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，其運(yùn)營(yíng)安全極為重要.作為地鐵車(chē)輛行駛載體的鋼軌的健康狀況，是影響地鐵運(yùn)行安全的一個(gè)極為重要的方面.由于受到多種環(huán)境因素的影響，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中地鐵鋼軌會(huì)逐漸發(fā)生一些累積損傷，并在各種載荷因素的作用下不斷發(fā)展，產(chǎn)生漸變故障并最終超越鋼軌的載荷界限，發(fā)生斷裂等各種軌道損傷破壞.

通過(guò)對(duì)在役地鐵鋼軌及其焊縫進(jìn)行周期性無(wú)損探傷，積累觀測(cè)數(shù)據(jù)并分析，研究鋼軌損傷的識(shí)別及預(yù)測(cè)，對(duì)出現(xiàn)損傷的鋼軌進(jìn)行及時(shí)檢修、更換，是保障地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全的重要措施.因此，研究針對(duì)地鐵鋼軌損傷預(yù)測(cè)的健康管理系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)地鐵鋼軌的主動(dòng)維護(hù)和預(yù)測(cè)管理，從而實(shí)現(xiàn)地鐵軌道的自動(dòng)化、智能化維護(hù)管理具有重要意義.

故障預(yù)測(cè)與健康管理能根據(jù)預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求等，對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策.當(dāng)前，對(duì)健康管理的研究和應(yīng)用正處于廣泛而深入的階段，有不同的理論和系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)［1-2］.一般情況下，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，得到系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理（包括預(yù)處理、特征分析等），進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和分析，最終通過(guò)預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，給出系統(tǒng)的剩余可用壽命預(yù)測(cè).

本文針對(duì)超聲地鐵軌道安全監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)軟件技術(shù)和智能自動(dòng)化的數(shù)據(jù)流處理的需求，引入智能決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，DSS）模型，研究建立地鐵鋼軌損傷預(yù)測(cè)健康管理系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn).由于智能DSS具有良好的交互式和強(qiáng)大的擴(kuò)展性，在不同領(lǐng)域均取得成功應(yīng)用，尤其在人工智能技術(shù)的支持下對(duì)智能DSS的研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，并能有機(jī)地集成到健康管理系統(tǒng)作為決策模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)維護(hù)指導(dǎo)功能.

1　健康管理系統(tǒng)框架

1.1DSS

DSS的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及管理（如DSS輔助決策的層次與綜合程度）、技術(shù)（如硬件和網(wǎng)絡(luò)的選擇）以及行為（如人機(jī)接口和DSS對(duì)于個(gè)體和群體的潛在影響）等一系列的問(wèn)題［3］.DSS是輔助決策者通過(guò)數(shù)據(jù)、模型和知識(shí)，以人機(jī)交互方式進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).1980年，Sprague提出DSS系統(tǒng)三部件結(jié)構(gòu)，即會(huì)話部件、數(shù)據(jù)部件和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、模型部件和模型庫(kù)管理系統(tǒng)［4］.這種三部件結(jié)構(gòu)明確DSS的組成，也反映DSS的關(guān)鍵技術(shù)，即數(shù)據(jù)庫(kù)管理、模型庫(kù)管理、部件接口和系統(tǒng)的綜合集成.

在遵循DSS設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，針對(duì)健康管理系統(tǒng)中鋼軌損傷判斷和預(yù)測(cè)的實(shí)際特點(diǎn)，從整體上把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則；遵循這些設(shè)計(jì)原則進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，使得系統(tǒng)的功能利于使用并方便擴(kuò)展.DSS框架如圖1所示.

1.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為以數(shù)據(jù)為輸入的系統(tǒng)，首先需要解決數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次設(shè)計(jì).將整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)層次分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，分別代表數(shù)據(jù)庫(kù)、文件和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等.為將代表知識(shí)的數(shù)據(jù)清晰、明確地表達(dá)出來(lái)，采用實(shí)體-聯(lián)系方法（即E-R模型）建立知識(shí)層次的概念性數(shù)據(jù)模型，將數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)支持的實(shí)際數(shù)據(jù)模型，即數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu).各個(gè)層次對(duì)象以數(shù)據(jù)表的形式存在，數(shù)據(jù)庫(kù)中的表格以及各表格之間的關(guān)系表明對(duì)象之間的層次關(guān)系如圖2所示.

圖1　DSS框架Fig.1　DSS framework

圖2　ER模型Fig.2　ER module

為提高系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度，采用鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算.鏈表是一種常見(jiàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一種線性表.鏈表不會(huì)按照線性順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)里存放指向下一節(jié)點(diǎn)的指針.鏈表在進(jìn)行插入操作時(shí)，可達(dá)到O⑴的復(fù)雜度，與順序表相比運(yùn)行效率更快.應(yīng)用鏈表結(jié)構(gòu)，可有效克服數(shù)組鏈表需提前知道數(shù)據(jù)大小的缺點(diǎn)，更好地利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間，在內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理上更加靈活.使用鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算后，常規(guī)數(shù)組排列關(guān)聯(lián)項(xiàng)目的方式可能不同于這些數(shù)據(jù)項(xiàng)目在記憶體或磁盤(pán)上順序，數(shù)據(jù)存取往往在不同的排列順序中轉(zhuǎn)換.利用鏈表結(jié)構(gòu)不需預(yù)先知道數(shù)據(jù)大小的特點(diǎn)，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)依次將數(shù)據(jù)庫(kù)中各條線路的必要信息加載至鏈表即可.線路鏈表模型見(jiàn)圖3，圖中每條線路都屬于鏈表中的1個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)鏈表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置很容易實(shí)現(xiàn).

圖3　線路鏈表模型Fig.3　Line linked list module

1.3系統(tǒng)功能模塊

分層設(shè)計(jì)是軟件開(kāi)發(fā)中經(jīng)常用到的方法，目前已有很多成功的設(shè)計(jì)實(shí)例，如網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的OSI 7層模型等.將系統(tǒng)按層次劃分，不但可以使系統(tǒng)層次清晰、功能明確、易于實(shí)現(xiàn)，而且代碼組成靈活，方便系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí).系統(tǒng)功能模塊劃分如圖4所示.

圖4　系統(tǒng)功能模塊劃分Fig.4　Function module addressed in the system

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)文件層、管理層和人機(jī)接口層等3層.最底層為數(shù)據(jù)和文件層，包括硬件采集模塊、文件系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)等；中間層為管理層，管理層的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不僅擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)文件層與人機(jī)接口層之間的數(shù)據(jù)通信，其自身各模塊之間也存在數(shù)據(jù)和信息的通信；人機(jī)接口層主要用于顯示各類(lèi)信息以及接收人機(jī)交互指令等.

2　損傷判定和壽命預(yù)測(cè)

在實(shí)際的鋼軌健康管理系統(tǒng)中，對(duì)損傷的判定不僅依靠探傷設(shè)備采集的探測(cè)數(shù)據(jù)信息，而且需要將專(zhuān)家和維護(hù)人員對(duì)物理?yè)p傷的判斷因素考慮進(jìn)去.為此，研究開(kāi)發(fā)多重?fù)p傷判定的決策方法，能有效結(jié)合物理?yè)p傷和超聲數(shù)據(jù)測(cè)定，實(shí)現(xiàn)綜合的損傷判定.多重?fù)p傷判定模塊見(jiàn)圖5.

采用該判定模塊，結(jié)合探測(cè)數(shù)據(jù)判定，可顯示超聲探傷的波形文件和錄像文件，并提供DAC／AVG輔助曲線的繪制.若損傷判定信息來(lái)自波形文件，系統(tǒng)自動(dòng)從波形文件中讀取檢測(cè)時(shí)間.在物理?yè)p傷因素參考下，系統(tǒng)提供典型損傷的圖片參照，可對(duì)任何一種損傷類(lèi)型做出選擇，作為物理?yè)p傷輔助判定.用戶也可針對(duì)損傷圖片，查看損傷的介紹、形成原因等，同時(shí)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫(kù)中同類(lèi)型損傷的比較，進(jìn)一步提高損傷判定的準(zhǔn)確率.

鋼軌壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為：由線路原始統(tǒng)計(jì)和檢測(cè)損傷數(shù)據(jù)組成的綜合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)模型為威布爾預(yù)測(cè)模型.預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)線路預(yù)測(cè)信息管理，進(jìn)入線路預(yù)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù).目前，國(guó)內(nèi)外研究鋼軌損傷預(yù)測(cè)方法［5-6］有很多，而威布爾法實(shí)際應(yīng)用較為廣泛.由于威布爾分布存在3個(gè)參數(shù)，準(zhǔn)確的參數(shù)估計(jì)較為困難，本文提出一種利用下山單純形算法進(jìn)行威布爾三參數(shù)估計(jì)方法，通過(guò)加載不同線路的測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)下山單純形算法進(jìn)行威布爾的三參數(shù)估計(jì)，并可計(jì)算相應(yīng)誤差［7］.損傷壽命預(yù)測(cè)如圖6所示.

圖5　多重?fù)p傷判定模塊Fig.5　Multiple damage decision module

圖6　損傷壽命預(yù)測(cè)Fig.6　Damage life prediction

在工程上，鋼軌重傷的累計(jì)失效率F（t）有2種表示方式：一種為無(wú)量綱，直接表示；另一種用每公里線路上鋼軌傷的重傷數(shù)，即單位為“根／km”.本文采用第1種方式.假定歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中有n組重傷和通過(guò)總質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并假設(shè)由威布爾模型得到的第i組（i=1，2，…，n）通過(guò)總質(zhì)量為ti時(shí)，計(jì)算的重傷累計(jì)失效率為F（ti），而實(shí)際統(tǒng)計(jì)的失效率為Fi，則目標(biāo)函數(shù)f為統(tǒng)計(jì)失效率與計(jì)算失效率的誤差平方和，即

利用下山單純形法迭代，使得目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的（m0，γ0，η0）即為威布爾模型三參數(shù)的最優(yōu)估計(jì).下山單純形法的結(jié)果不受初始單純形的影響，但構(gòu)造合理的初始單純形有利于加快收斂速度，避免算法陷入無(wú)效的局部極值點(diǎn)的產(chǎn)生.

下山單純形法能很好地?cái)M合鋼軌重傷威布爾分布的3個(gè)參數(shù).在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)可能存在一定的偏差，操作人員需適當(dāng)調(diào)整3個(gè)參數(shù)的估計(jì)值，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)威布爾三參數(shù)微調(diào)模塊.

完成下山單純形法擬合參數(shù)后，操作人員可點(diǎn)擊誤差分析，進(jìn)入誤差分析模塊.在誤差分析界面，用戶可以直接輸入威布爾參數(shù)值，分析各數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的誤差和總誤差，也可在原有計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)滑動(dòng)條進(jìn)行微調(diào).

3　結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)地鐵鋼軌損傷健康管理系統(tǒng)需求，將決策支持技術(shù)引入，建立基于決策支持的鋼軌損傷預(yù)測(cè)維護(hù)管理功能模塊，討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件功能層次開(kāi)發(fā)，并建立采用下山單純形法的鋼軌損傷預(yù)測(cè)模型.該模型結(jié)合探測(cè)數(shù)據(jù)與物理?yè)p傷分析，能有效提高損傷判定的準(zhǔn)確性，并能預(yù)測(cè)出損傷鋼軌的壽命.

系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的健康管理系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)鋼軌損傷判定和預(yù)測(cè)管理功能.由于系統(tǒng)的模塊化和層次化設(shè)計(jì)，各功能模塊可靈活地嵌入到城市地鐵軌道安全監(jiān)控系統(tǒng)中，為地鐵軌道的損傷預(yù)測(cè)及維護(hù)管理方法和思路提供參考.

［1］Kunche S，Chen C，Pecht M.A review of PHM system’s architectural frameworks［C］／／54th Meeting Soc Machinery Failure Prevention Technol.Dayton，2012.

［2］彭宇，劉大同.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)故障預(yù)測(cè)和健康管理綜述［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35（3）：481-495.

［3］鄧蘇，張維明，黃宏斌，等.決策支持系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］陳文偉.決策支持系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)［M］.3版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

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（編輯俞紅衛(wèi)）

Development on Health Management System for Subway Rail Damage

YUAN Haibin1，ZHANGChunhua1，F(xiàn)AN Junwei2
（1.School of Automation Science and Electrical Engineering，BEIHANG University，Beijing 100191，China；2.The Line Company，Beijing Mass Transit Railway Operation Corporation，Beijing 100082，China）

Based on the need for subway rail damage maintenance and prediction，a method of rail damage health management system based on ultrasonic detection was proposed and implemented.Framework of health management system based on decision support analysis was put forward，system database，file system and data structure were discussed as well.Methodology of hierarchical level was introduced according to module definition.Modules of main interface，user management interface，line management interface，line match interface were designed and developed with the use of software technique and automated data stream processing.Historical data set and test data set was integrated with the system in order to address module description of rail defect and damage propagation，so as to achieve rail fatigue life prediction.

heal thmanagement；prediction；decisionsupport；raildamage

TP 319

A

1671-7333（2015）03-0282-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.03.014

2015-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61273165）

袁海斌（1971-），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樵\斷預(yù)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用.E-mail：yuanhb＠buaa.edu.cn