宋德剛，牛齊明

（1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 技術(shù)中心， 青島 266111；2. 北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100044）

我國(guó)動(dòng)車(chē)組目前實(shí)行“計(jì)劃預(yù)防修為主、事后維修補(bǔ)充”的維修體制[1]，針對(duì)該體制在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的不足,本文提出將故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組維修體制中。結(jié)合動(dòng)車(chē)組大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，運(yùn)用人工智能等方法，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估以及維修策略的決策與優(yōu)化，以求延長(zhǎng)高速動(dòng)車(chē)組使用壽命、提高使用效率和降低運(yùn)維成本。

工業(yè)大數(shù)據(jù)是指在工業(yè)領(lǐng)域中圍繞典型智能制造模式，整個(gè)產(chǎn)品全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù)及相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的總稱(chēng)[2]。PHM是一種通過(guò)評(píng)估產(chǎn)品在實(shí)際生命周期條件下的可靠性來(lái)判定故障出現(xiàn)和減輕系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)或方法[3]。目前PHM的應(yīng)用非常廣泛[4-9]，但在基于動(dòng)車(chē)組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)研究和應(yīng)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(jié)合已有的PHM標(biāo)準(zhǔn)，提出了動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)，并應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證使用方法。

1 PHM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，還沒(méi)有一套完善的PHM系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，由于PHM和故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控及健康管理的相關(guān)性，可以借鑒一些標(biāo)準(zhǔn)組織的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。與PHM相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)大致分為5類(lèi)：機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）、狀態(tài)維護(hù)（CBM）、故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）、健康和使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（HUMS）、飛行器綜合健康管理（IVHM），如表1所示。

1.1 機(jī)內(nèi)測(cè)試

機(jī)內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南（ARINC604）適用于設(shè)備早期階段的設(shè)計(jì)。PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以借鑒機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南（ARINC624）系統(tǒng)完整性的判斷[10]。

表1 PHM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

1.2 狀態(tài)維護(hù)

機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷標(biāo)準(zhǔn)（CM&D）中的開(kāi)放式視情維修體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（ISO13374）可以為劃分PHM整體功能模塊提供指導(dǎo)。OSA-CBM是ISO13374的實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)指出PHM系統(tǒng)要有6個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測(cè)、健康評(píng)價(jià)、預(yù)兆評(píng)估和提出建議[11]。此標(biāo)準(zhǔn)適合具體設(shè)備的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)。OSA-EAI是面向企業(yè)應(yīng)用集成的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)有助于提出企業(yè)開(kāi)放的綜合解決方案。美國(guó)SAE發(fā)布了多項(xiàng)關(guān)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(yù)測(cè)與健康管理

美國(guó)SAE發(fā)布了關(guān)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)指南，其中有發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理指南等。AIESTATE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了測(cè)試系統(tǒng)和人工智能之間的接口；支持模塊化診斷架構(gòu)。SIMICA標(biāo)準(zhǔn)定義了維修信息模型和提供了一種維護(hù)過(guò)程的XML方案。IEEE的P1856標(biāo)準(zhǔn)建立了電子系統(tǒng)的PHM框架。

1.4 其它

HUMS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估指標(biāo)和傳感器接口規(guī)范。AC-29C MG-15主要針對(duì)旋翼機(jī)提供HUMS安裝、驗(yàn)證和應(yīng)用指南。ARP6290標(biāo)準(zhǔn)提供了綜合車(chē)輛健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)指南，其中CBM系統(tǒng)是按ISO13374標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的。

通過(guò)比較和分析各種標(biāo)準(zhǔn)后，設(shè)計(jì)高速動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)的框架參考OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)和OSAEAI標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)交換方式參照ISO13374標(biāo)準(zhǔn)和AIESTATE標(biāo)準(zhǔn)。

2 動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng),需建立具有針對(duì)性的軟硬件平臺(tái)，研究數(shù)據(jù)獲取、故障預(yù)測(cè)，分析各模型的適應(yīng)性，并在某型高速動(dòng)車(chē)組中進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

借鑒國(guó)外PHM軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以提高動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，主要的國(guó)外PHM軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)如表2所示。

表2 國(guó)外PHM軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

2.2 系統(tǒng)組成

高速動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)主要包括：車(chē)載PHM系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和地面PHM系統(tǒng)。車(chē)載PHM系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組各個(gè)子系統(tǒng)（如牽引子系統(tǒng)、制動(dòng)子系統(tǒng)等）、車(chē)廂和整列車(chē)的健康狀態(tài)的評(píng)估和故障預(yù)測(cè)。地面PHM系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件（如受電弓、軸承等）的故障預(yù)測(cè)、復(fù)雜的健康狀態(tài)的評(píng)估和綜合維修決策。在地面PHM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)用和維護(hù)等部門(mén)數(shù)據(jù)共享，提供全球在途高速列車(chē)的技術(shù)支持和遠(yuǎn)程健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通信系統(tǒng)主要有車(chē)載PHM系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、車(chē)地?cái)?shù)據(jù)交換系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)據(jù)交換系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)功能

動(dòng)車(chē)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(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估、維修決策和可視化6個(gè)主要功能模塊。數(shù)據(jù)獲取模塊主要是通過(guò)各類(lèi)傳感器收集部件、設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)或獲得其它系統(tǒng)的基礎(chǔ)、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(duì)其進(jìn)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(yù)測(cè)模塊是基于歷史、狀態(tài)和維修數(shù)據(jù)等對(duì)運(yùn)行中的部件、設(shè)備進(jìn)行故障或壽命預(yù)測(cè)。健康狀態(tài)評(píng)估模塊對(duì)部件、設(shè)備和整車(chē)結(jié)構(gòu)等的健康狀況進(jìn)行量化，預(yù)測(cè)其未來(lái)狀態(tài)的趨勢(shì)。維修決策模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和健康評(píng)估結(jié)果結(jié)合動(dòng)車(chē)組運(yùn)行計(jì)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(yù)測(cè)結(jié)果或健康趨勢(shì)以友好的圖形方式展示給最終用戶(hù)。

考慮到數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)質(zhì)量、安全和平臺(tái)的需要，系統(tǒng)還要有數(shù)據(jù)交換接口、賬號(hào)管理、資源管理和任務(wù)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(hào)管理模塊提供賬號(hào)管理功能，鑒權(quán)和授權(quán)。資源管理模塊負(fù)責(zé)管理和調(diào)度平臺(tái)的資源，提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。任務(wù)管理是監(jiān)控和管理不同的計(jì)算任務(wù)的模塊。

2.4 技術(shù)架構(gòu)

動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)的分層技術(shù)框架，如圖1所示。

數(shù)據(jù)獲取層：用數(shù)據(jù)采集設(shè)備分別對(duì)走行部、牽引設(shè)備、制動(dòng)設(shè)備、高壓設(shè)備、電氣設(shè)備以及各類(lèi)軸承等關(guān)鍵設(shè)備和部件，進(jìn)行溫度、振動(dòng)、圖像、視頻和力學(xué)參數(shù)等的采集。

數(shù)據(jù)處理層：各類(lèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰?chē)載計(jì)算機(jī)；車(chē)載數(shù)據(jù)通過(guò)鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等方式將數(shù)據(jù)傳到大數(shù)據(jù)平臺(tái)；地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺(tái)。對(duì)于車(chē)載計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(xiàn)數(shù)據(jù)的抽取、轉(zhuǎn)換和加載。對(duì)于大數(shù)據(jù)平臺(tái)中的集成數(shù)據(jù)根據(jù)部件或設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行特征提取或根據(jù)多元數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

故障預(yù)測(cè)層：結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)（天氣條件、地理?xiàng)l件、結(jié)構(gòu)特性等）利用基于模型的方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法和基于統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)建立故障預(yù)測(cè)模型，對(duì)動(dòng)車(chē)組部件或設(shè)備進(jìn)行故障程度的量化或發(fā)展趨勢(shì)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(jìn)行關(guān)鍵部件剩余使用壽命的預(yù)測(cè)。

圖1 動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)框架

健康狀態(tài)評(píng)估層：通過(guò)故障預(yù)測(cè)或剩余使用壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和天氣地理等數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估部件、設(shè)備、車(chē)廂和整車(chē)結(jié)構(gòu)等的健康狀態(tài)等級(jí)。對(duì)于計(jì)算量小、重要的評(píng)估放在車(chē)載PHM系統(tǒng)中去評(píng)估；對(duì)于計(jì)算量大、復(fù)雜的評(píng)估放在地面PHM系統(tǒng)中去計(jì)算。

可視化層：將所獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)EChart等web圖表控件轉(zhuǎn)換為二維靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像，使得結(jié)果更為直觀。

維修決策層：利用維修經(jīng)驗(yàn)和動(dòng)車(chē)組檢修計(jì)劃、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)等對(duì)故障預(yù)測(cè)或剩余使用壽命預(yù)測(cè)的可視化結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合決策，根據(jù)故障預(yù)測(cè)的程度或健康等級(jí)提出合理的維修計(jì)劃。

3 動(dòng)車(chē)組大數(shù)據(jù)PHM系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例

牽引電機(jī)是動(dòng)車(chē)組的核心部件之一，由于工作環(huán)境惡劣、負(fù)載變換頻繁以及動(dòng)力作用大等因素使?fàn)恳姍C(jī)軸承容易出現(xiàn)故障。當(dāng)前投入運(yùn)營(yíng)的CRH380系列動(dòng)車(chē)組上安裝了各類(lèi)溫度傳感器，如軸溫傳感器，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?，給關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)健康評(píng)估提供了有利條件[12]。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于運(yùn)行階段的車(chē)載信息地面應(yīng)用系統(tǒng)和檢修階段的動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度和非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度等。在Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）下，用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)相關(guān)回歸算法，對(duì)hive中溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并用EChart進(jìn)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(duì)軸承溫度的影響，根據(jù)采集的大量數(shù)據(jù)，通過(guò)公式1和公式2擬合出趨勢(shì)線(xiàn)（圖2中綠線(xiàn)），并用公式3得出溫度過(guò)高時(shí)的警戒線(xiàn)（圖2中紅線(xiàn)）[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(xué)期望，σ 為溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差。在紅綠兩條線(xiàn)之間的為牽引電機(jī)軸承正常的溫度變化范圍，超過(guò)紅色邊界線(xiàn)的點(diǎn)為異常工作溫度。

通過(guò)條形圖（圖3a所示）和折線(xiàn)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(hù)對(duì)各類(lèi)軸承的健康狀態(tài)做出直觀地評(píng)估和決策。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，動(dòng)車(chē)組檢修是計(jì)劃預(yù)防維修體制，盲目性維修問(wèn)題尤為突出，造成人力、物力的浪費(fèi)，維修成本過(guò)高等一系列問(wèn)題。本文提出基于大數(shù)據(jù)的高速動(dòng)車(chē)組PHM系統(tǒng)的架構(gòu)方案和應(yīng)用實(shí)例，為建立動(dòng)車(chē)組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)提供參考，希望能更好地保障動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全，延長(zhǎng)動(dòng)車(chē)組使用壽命，降低動(dòng)車(chē)組的維護(hù)成本。

圖2 加速過(guò)程中1車(chē)1牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度與環(huán)境溫度差值變化

圖3 300 km勻速運(yùn)行1車(chē)電機(jī)2非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承溫度與環(huán)境溫度差值