潘 瑩

（上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海 200245）

0 引言

隨著軌道交通技術(shù)的飛速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為世界最大的城市軌道交通市場(chǎng)；與此同時(shí)，軌道交通設(shè)備的復(fù)雜程度也日益增加，這極大地增加了檢修人員的工作量，對(duì)車輛的可靠性和可用性也帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[1]。隨著乘客對(duì)于乘坐準(zhǔn)點(diǎn)率、舒適性、靈活性等需求的日益提高，其與服務(wù)水平增長(zhǎng)之間的矛盾也日益凸顯。目前城市軌道交通車輛運(yùn)用主要存在以下問(wèn)題：（1）檢修效率低。目前國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)正處于蓬勃發(fā)展期，但檢修新模式的技術(shù)應(yīng)用、設(shè)備配置與規(guī)模增長(zhǎng)不匹配，檢修的壓力日益嚴(yán)峻；城市軌道交通需要檢修的裝備數(shù)量巨大，以人工檢查為主的檢修方式檢修效率低、檢修質(zhì)量參差不齊，且檢修數(shù)據(jù)還是以紙質(zhì)工單為主，數(shù)據(jù)分散不利于統(tǒng)計(jì)，錄入過(guò)程煩瑣且容易出錯(cuò)，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代城市軌道交通列車檢修要求[2-3]。（2）維修成本高。以上海地鐵為例，目前上海地鐵擁有列車5 172 輛，車輛維修人員超過(guò)3 000 人；到2020 年，全網(wǎng)絡(luò)線路總長(zhǎng)將超800 km，配屬列車1 222 列、7 514 輛，按傳統(tǒng)模式計(jì)算，需要檢修人員約4 500 人。按照上海地鐵人均用工成本25 萬(wàn)元/年計(jì)算，屆時(shí)年需用工成本將高達(dá)11.25 億元[4]?？梢?jiàn)，以人工檢查為主的檢修方式用工成本不斷攀升，企業(yè)負(fù)擔(dān)重，難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。（3）隨著運(yùn)營(yíng)車輛服役時(shí)間的延長(zhǎng)，車輛設(shè)備的老化愈加嚴(yán)重，設(shè)備維護(hù)的頻次和要求不斷提高[2]。這些問(wèn)題的解決需要主機(jī)廠和各系統(tǒng)供應(yīng)商能提供一套方案來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛設(shè)備和系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、故障預(yù)測(cè)和健康評(píng)估[4-5]，對(duì)車輛故障進(jìn)行提前預(yù)防，降低檢修成本；同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，分析故障機(jī)理，對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，提高其使用壽命[6]。

由此，故障預(yù)測(cè)和健康管理（fault prediction and health management, PHM）系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。PHM 技術(shù)利用傳感器采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，借助大數(shù)據(jù)、人工智能等推理算法來(lái)監(jiān)控、預(yù)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)[7-8]，在系統(tǒng)發(fā)生故障之前對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)有的資源信息提供一系列的維護(hù)保障建議或決策，是一種集狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、健康預(yù)測(cè)與評(píng)估及運(yùn)維決策于一體的綜合技術(shù)[8]。傳統(tǒng)的故障后維修或定期檢修是基于當(dāng)前健康狀態(tài)的故障檢測(cè)與診斷，而PHM 系統(tǒng)是對(duì)未來(lái)健康狀態(tài)的預(yù)測(cè)，變被動(dòng)式的維修活動(dòng)為主動(dòng)式的維護(hù)保障活動(dòng)，可顯著提高裝備的可靠性和可用性[8-9]。針對(duì)地鐵車輛檢修運(yùn)維要求的日益提高，本文提出了一種從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析到故障診斷和維修支持的故障預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）系統(tǒng)，并對(duì)其系統(tǒng)功能和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)描述。

1 系統(tǒng)架構(gòu)和功能

PHM 系統(tǒng)首先通過(guò)傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)對(duì)地鐵車輛各系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理；再通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模等技術(shù)手段推理故障模式和故障原因，從而給出維修建議；同時(shí)基于歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析系統(tǒng)部件的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障提前預(yù)警。

1.1 PHM 系統(tǒng)架構(gòu)

PHM 系統(tǒng)通過(guò)智能傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器作為最底層的數(shù)據(jù)獲取元件，感受被測(cè)對(duì)象的相應(yīng)參數(shù)（振動(dòng)、溫度、光強(qiáng)、電壓等）變化，并將采集到的物理量轉(zhuǎn)換為便于后續(xù)傳輸與處理的電信號(hào)[8,10]。所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)清洗、特征提取、同類或異類數(shù)據(jù)的信息融合等處理之后，PHM 系統(tǒng)運(yùn)用失效模型及智能推理算法評(píng)估車輛系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障的部位、時(shí)間及使用壽命，并給出合理的維修保障建議[8,11]。地鐵車輛PHM 系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 地鐵車輛PHM 系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig. 1 Architecture diagram of the metro vehicle PHM system

1.2 PHM 系統(tǒng)功能

PHM 系統(tǒng)是地鐵車輛智能運(yùn)維的基礎(chǔ)，包含狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警、健康評(píng)估、維修建議、統(tǒng)計(jì)分析與模型培養(yǎng)等功能。

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警功能。狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能支持對(duì)線路和車輛系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行集中展示與監(jiān)控，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和關(guān)鍵監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并基于專家系統(tǒng)和故障知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)故障診斷。故障預(yù)警功能支持通過(guò)閾值預(yù)警、趨勢(shì)預(yù)警、突變預(yù)警和模型預(yù)警[11-12]這4 種方式對(duì)車輛設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和報(bào)警。

（2）健康評(píng)估功能。其包括系統(tǒng)健康評(píng)估、關(guān)鍵部件壽命評(píng)估、健康等級(jí)瀏覽和健康等級(jí)趨勢(shì)瀏覽等子功能。系統(tǒng)健康評(píng)估功能支持通過(guò)健康等級(jí)評(píng)定算法和模型對(duì)軌道交通設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)健康評(píng)估。關(guān)鍵件壽命評(píng)估功能支持通過(guò)大數(shù)據(jù)建模、正常行為分析與可靠性分析等方法實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)設(shè)備關(guān)鍵部件的壽命評(píng)估，關(guān)鍵部件的范圍在項(xiàng)目實(shí)施中結(jié)合實(shí)際可采集數(shù)據(jù)的范圍和質(zhì)量進(jìn)行商定[13]。健康等級(jí)瀏覽功能支持對(duì)軌道交通系統(tǒng)設(shè)備按健康等級(jí)進(jìn)行排序及可視化展示。健康等級(jí)趨勢(shì)瀏覽功能支持瀏覽健康等級(jí)變化趨勢(shì)以及健康等級(jí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)或性能指標(biāo)取值等信息。

（3）維修建議功能。其涉及性能排隊(duì)、備件需求預(yù)測(cè)及維修建議等子功能。性能排隊(duì)功能支持通過(guò)大數(shù)據(jù)建模結(jié)合設(shè)備履歷對(duì)軌道交通系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行性能排隊(duì)，采用運(yùn)籌優(yōu)化算法提出維修計(jì)劃的優(yōu)化建議并推送至智能維修業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)模塊。備件需求預(yù)測(cè)功能支持基于軌道交通設(shè)備的性能指標(biāo)并結(jié)合預(yù)測(cè)模型進(jìn)行備品備件需求預(yù)測(cè)和規(guī)劃。維修建議功能支持基于故障診斷結(jié)果、性能排隊(duì)結(jié)果及健康評(píng)估結(jié)果生成維修需求，并自動(dòng)將維修需求轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)工單，經(jīng)人工確認(rèn)后自動(dòng)推送至智能維修業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)[10]。

（4）統(tǒng)計(jì)分析和模型培養(yǎng)功能。其包括統(tǒng)計(jì)分析與模型優(yōu)化、算法管理、模型訓(xùn)練、模型分類管理及模型版本管理等功能。統(tǒng)計(jì)分析與模型優(yōu)化功能通過(guò)對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為專業(yè)建模人員進(jìn)行建模和模型優(yōu)化提供參考；專業(yè)建模人員在此基礎(chǔ)上完成特征定義，確定特征提取算法、必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法及計(jì)算流程；確定建模算法框架及訓(xùn)練樣本，通過(guò)實(shí)時(shí)的故障分析進(jìn)行建模及模型優(yōu)化。算法管理功能，系統(tǒng)提供算法管理，支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、隸屬度計(jì)算、劣化度分析、模糊綜合評(píng)判等大數(shù)據(jù)分析算法[3,9]。模型訓(xùn)練功能支持選擇合適的樣本進(jìn)行模型訓(xùn)練和測(cè)試，確定模型結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)，以支持“一設(shè)一模型”。模型分類管理功能支持從建模對(duì)象、算法分類、應(yīng)用場(chǎng)景、模型效果等維度對(duì)模型進(jìn)行分類管理與標(biāo)簽化管理[14]。模型版本管理功能結(jié)合不同版本模型的應(yīng)用場(chǎng)景，為健康管理系統(tǒng)及車載中央維護(hù)系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?/p>

1.3 PHM 系統(tǒng)規(guī)劃流程

圖2 PHM 系統(tǒng)規(guī)劃V 型圖Fig. 2 V - shaped diagram of the PHM system planning

PHM 系統(tǒng)規(guī)劃的第一階段是需求定義和可行性分析。該階段首先是深入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研業(yè)主的運(yùn)營(yíng)需求和分析車輛歷史故障，通過(guò)系統(tǒng)故障的分布和運(yùn)營(yíng)指標(biāo)的要求明確關(guān)鍵故障和重點(diǎn)研究的系統(tǒng)部件；接著是進(jìn)行系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)和預(yù)警的可行性分析以及系統(tǒng)平臺(tái)搭建的軟硬件條件。第二階段的數(shù)據(jù)層定義是在明確運(yùn)營(yíng)的痛點(diǎn)和重點(diǎn)之后，對(duì)數(shù)據(jù)采集層進(jìn)行部署，確定分析層級(jí)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集類型以及建模對(duì)象。完成數(shù)據(jù)層的定義后，建模系統(tǒng)也基本鎖定。第三階段就是模型選擇。模型建立通常有機(jī)理驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及機(jī)理和數(shù)據(jù)的混合驅(qū)動(dòng)3 種方式。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是完全依賴于實(shí)測(cè)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析的手段建立數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，從而判斷故障趨勢(shì)進(jìn)行模型選擇；機(jī)理驅(qū)動(dòng)是基于系統(tǒng)的工作原理和邏輯圖建立的故障模型。但機(jī)理驅(qū)動(dòng)可能存在系統(tǒng)接口邏輯的缺失，不利用整車的故障預(yù)測(cè)，而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)則對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高，且數(shù)據(jù)處理的工作量很大，因此在實(shí)際的模型選擇過(guò)程中多采用數(shù)據(jù)和機(jī)理混合驅(qū)動(dòng)的模型。模型是PHM 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，而關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定則是故障預(yù)警和維修建議的基礎(chǔ)，傳感器的合理選擇、安裝位置的精確選取以及故障閾值的設(shè)置對(duì)PHM 系統(tǒng)的預(yù)測(cè)、預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。完成前期的調(diào)研和底層的基礎(chǔ)建設(shè)工作后，進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)行和優(yōu)化迭代，即圖2 中step5，step6 和step7 這3 個(gè)階段。

2 應(yīng)用實(shí)例

目前該P(yáng)HM 系統(tǒng)已經(jīng)在北京、上海、廣州和深圳等城市的多條地鐵線路上得到實(shí)際應(yīng)用。PHM 系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋地鐵車輛車門、空調(diào)、受電弓、走行部和牽引輔助系統(tǒng)等多個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)；同時(shí)在部分地鐵線路中還增加了車載中央維護(hù)系統(tǒng)（central maintenance system，CMS），通過(guò)增加邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，從各個(gè)車載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理、設(shè)備性能檢測(cè)等邊緣計(jì)算。下面重點(diǎn)介紹幾個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)和健康評(píng)估系統(tǒng)功能。

2.1 中央維護(hù)系統(tǒng)（CMS）

中央維護(hù)系統(tǒng)由車載中央維護(hù)計(jì)算機(jī)（central maintenance computer，CMC）及地面系統(tǒng)組成。車載CMC 接入車輛以太維護(hù)網(wǎng)及MVB 網(wǎng)，采集列車空調(diào)系統(tǒng)、走行部和弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)以及列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、控制參數(shù)等；通過(guò)MVB 網(wǎng)采集目前MVB 通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)，通過(guò)以太維護(hù)網(wǎng)采集新增的監(jiān)測(cè)信息點(diǎn)數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 車載數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)框圖Fig. 3 Structure diagram of vehicle data transmission

CMC 采用“雙主機(jī)+隔離卡”的物理結(jié)構(gòu)，其內(nèi)端機(jī)接入中央維護(hù)總線，并與列車控制與管理系統(tǒng)（train control and management system, TCMS）及其他系統(tǒng)連接，主要進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)；外端機(jī)實(shí)現(xiàn)故障報(bào)告、性能監(jiān)測(cè)功能。內(nèi)端機(jī)和外端機(jī)之間設(shè)置了隔離卡，通過(guò)私有協(xié)議從內(nèi)端機(jī)擺渡數(shù)據(jù)到外端機(jī)；此外可以通過(guò)車地通信單元與地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

CMC 采集車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)進(jìn)行故障影響分析，評(píng)估車輛運(yùn)行的安全性，并且給出故障的應(yīng)急處理建議，形成包括故障描述、安全評(píng)估結(jié)果和應(yīng)急處理措施的故障報(bào)告；同時(shí)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，構(gòu)建性能檢測(cè)模型，檢測(cè)性能突變或退化情況，并根據(jù)性能檢測(cè)結(jié)果給出性能預(yù)警和運(yùn)維建議。

2.2 走行部PHM 系統(tǒng)

走行部PHM 系統(tǒng)由車載故障診斷系統(tǒng)和地面健康管理系統(tǒng)組成。車載故障診斷系統(tǒng)將采集和診斷分析后得到的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)（報(bào)警數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)）通過(guò)MVB 協(xié)議實(shí)時(shí)發(fā)送至司機(jī)室顯示屏進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)指導(dǎo)列車的運(yùn)維工作；同時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可通過(guò)無(wú)線傳輸協(xié)議實(shí)時(shí)發(fā)送至地面進(jìn)行顯示。列車入庫(kù)后，車載系統(tǒng)采集的離線數(shù)據(jù)將上傳至地面數(shù)據(jù)庫(kù)，地面系統(tǒng)接收處理車載系統(tǒng)下發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與離線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)健康評(píng)估、剩余運(yùn)營(yíng)里程預(yù)測(cè)功能，輸出各類可供顯示的數(shù)據(jù)；同時(shí)走行部PHM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)也可以通過(guò)軟件接口（接口協(xié)議經(jīng)雙方協(xié)商并簽署確定）與現(xiàn)場(chǎng)（用戶端）原有的工單系統(tǒng)、生產(chǎn)、運(yùn)維系統(tǒng)形成交互，開展維修預(yù)判、智能管控功能，在地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)與健康管理工作，達(dá)到狀態(tài)維修、主動(dòng)預(yù)防等目的。

走行部PHM 系統(tǒng)通過(guò)安裝在走行部關(guān)鍵部件上的復(fù)合傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)沖擊力、振動(dòng)力及溫度這3 個(gè)物理量，并通過(guò)基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)走行部關(guān)鍵部件的車載在線實(shí)時(shí)診斷，可以實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警和分級(jí)報(bào)警，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛的運(yùn)行和維修工作[16]。其設(shè)備主機(jī)、傳感器等主要部件如圖4 所示。

圖4 走行部PHM 系統(tǒng)主要設(shè)備Fig. 4 Main equipments of the running part PHM system

2.3 車門PHM 系統(tǒng)

車門PHM 系統(tǒng)功能主要包括遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)、故障診斷和故障預(yù)測(cè)。

（1）遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)功能?？梢赃h(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)地鐵車門的工作情況，使得各級(jí)管理人員和工程人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程了解車門的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。

（2）故障診斷功能。系統(tǒng)自動(dòng)采集車門各種運(yùn)行數(shù)據(jù)信息（包含門控器的自診斷信息），通過(guò)車門的典型故障規(guī)則知識(shí)庫(kù)，智能判斷當(dāng)前的車門是否產(chǎn)生了故障以及故障的原因和檢修方案；通過(guò)監(jiān)測(cè)門系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)優(yōu)先預(yù)測(cè)門系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，如無(wú)法電動(dòng)關(guān)門、開不到位、3 s 不解鎖、阻力過(guò)小、阻力過(guò)大等故障，并能初步分析出產(chǎn)生這些故障的原因和給出檢修建議。

（3）故障預(yù)測(cè)功能。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集車輛運(yùn)行過(guò)程中的車門數(shù)據(jù)信息，與該車門的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；并基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的大數(shù)據(jù)分析，判斷車門是否工作于亞健康狀態(tài)，給出未來(lái)可能出現(xiàn)的故障，同時(shí)給出可能引起問(wèn)題的部件位置和檢修范圍。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，首先調(diào)整車門以太網(wǎng)架構(gòu)，通過(guò)在每節(jié)車上增加一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)，使得每節(jié)車的所有車門均可以接入車輛以太網(wǎng)中，為大量數(shù)據(jù)的傳輸提供一個(gè)足夠帶寬的網(wǎng)絡(luò)鏈路；其次在每個(gè)車門系統(tǒng)中均增加一個(gè)車門開門到位檢測(cè)開關(guān)，用來(lái)對(duì)比每次車門全開位置檢測(cè)開關(guān)激活時(shí)的門頁(yè)位置數(shù)值間的差異，從而判斷與之相關(guān)的電機(jī)電氣特性或者門控器內(nèi)部檢測(cè)模塊的相應(yīng)狀態(tài)；最后對(duì)門控器的軟件進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析功能。

2.4 弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)PHM 系統(tǒng)

弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)PHM 系統(tǒng)主要對(duì)受電弓羊角變形、斷裂、缺失、異物查詢以及燃弧率和觸點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量，分析受電弓的健康狀態(tài)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析預(yù)測(cè)受電弓零部件的壽命。系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5 所示。系統(tǒng)通過(guò)安裝車頂采集單元和車內(nèi)處理單元將弓網(wǎng)高清視頻、弓網(wǎng)燃弧視頻和弓網(wǎng)溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)弓網(wǎng)圖像進(jìn)行壓縮處理并分析缺陷，通過(guò)MVB總線自動(dòng)上報(bào)至TCMS，并在人機(jī)界面(man-machine interface, MMI)上進(jìn)行故障提示。車載缺陷數(shù)據(jù)可通過(guò)乘客信息系統(tǒng)（PIS）上傳至地面服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和展示。

圖5 弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)PHM 系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Equipment structure diagram of the pantograph-catenary monitoring PHM system

2.5 PHM 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該P(yáng)HM 系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)裝車用于上海地鐵某線路上。經(jīng)過(guò)2 年多的實(shí)踐和探索，設(shè)備運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)基本能夠正常下載，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的車輛故障報(bào)警，準(zhǔn)確率達(dá)90%，為維保人員的故障修提供了支持。雖然目前所采集的數(shù)據(jù)量還不足以支持故障預(yù)警和健康評(píng)估，需要積累更多車輛壽命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，但維保人員數(shù)量已減少20%，人車比從0.4 降低到0.36，檢修效率提高了10%。另一方面，由于加裝了智能設(shè)備，車輛采購(gòu)成本增加了3%，但預(yù)計(jì)30 年維保的人力成本將降低23%，因此，全壽命周期成本可降低20%左右。

3 結(jié)語(yǔ)

基于智能運(yùn)維技術(shù)在地鐵車輛的廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種以地鐵車輛走行部系統(tǒng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)和車門系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ)，通過(guò)車載中央維護(hù)計(jì)算設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以及實(shí)時(shí)在線分析，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)部件的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)和健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的故障預(yù)測(cè)和健康評(píng)估技術(shù)。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有效降低了車輛上線期間故障引起的風(fēng)險(xiǎn)，保障了運(yùn)營(yíng)安全；同時(shí)減少了過(guò)度維修次數(shù)，縮短了設(shè)備生命周期的維修時(shí)間，提高了維修效率，減少了人工工時(shí)并降低了維保成本。但智能化技術(shù)在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用還需進(jìn)一步完善，如模型的優(yōu)化、故障數(shù)據(jù)的分析以及各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合都有待提高。未來(lái)，城市軌道交通故障預(yù)測(cè)和健康評(píng)估系統(tǒng)將突破各子系統(tǒng)PHM 的局限，從整車角度出發(fā)，關(guān)注各系統(tǒng)和專業(yè)的接口，實(shí)現(xiàn)整車的智能維保。