李權(quán)福，余祖俊，楊勁松

（1.神華鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100120；2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

近年來，故障預(yù)測與健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)技術(shù)不斷發(fā)展逐漸成為可靠性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測手段不斷豐富，設(shè)備剩余壽命預(yù)測相關(guān)方法的提出，使鐵路貨車施行基于運(yùn)行狀態(tài)的維修策略（CBM）成為可能。

本文以神華鐵路貨車作為研究對(duì)象，神華鐵路貨車的檢修制度以“日常檢查、定期檢修”的計(jì)劃預(yù)防修為主。定期檢修目前主要有廠修、段修兩級(jí)修程，隨著車輛技術(shù)裝備不斷升級(jí)，車輛零部件的使用壽命與可靠性已經(jīng)得到了大幅度提升，且由于貨車使用效率不同，執(zhí)行定期檢修時(shí)車輛的實(shí)際技術(shù)狀態(tài)也不盡相同，普遍存在過度檢修的現(xiàn)象。因此，傳統(tǒng)貨車的修程修制已不適應(yīng)于神華鐵路發(fā)展的要求，將零部件壽命管理與車輛技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測相結(jié)合，并運(yùn)用科學(xué)的管理手段實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)列車部件“狀態(tài)修”，已成為列車維修模式的必然發(fā)展趨勢。

神華貨車有著“固定編組、固定車次”的特點(diǎn)，同一列車車次對(duì)應(yīng)固定車輛編組，定點(diǎn)裝卸、循環(huán)使用。并且神華貨車使用工況單一，載荷、運(yùn)行線路相對(duì)固定著中管理模式有利于分析零部件的失效規(guī)律是施行狀態(tài)修的有利條件。神華鐵路貨車信息技術(shù)管理系統(tǒng)（HMIS）、神華鐵路“5T”系統(tǒng)（TPDS、TADS、TFDS、THDS、TWDS）的大量應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修提供了技術(shù)保障和重要的數(shù)據(jù)支撐。因此，利用現(xiàn)有的鐵路貨車信息化系統(tǒng)結(jié)合PHM的相關(guān)技術(shù)，對(duì)我國鐵路貨車現(xiàn)行維修制度進(jìn)行改革，由預(yù)防性計(jì)劃修逐漸過渡為狀態(tài)修具有可行性。要實(shí)現(xiàn)鐵路火車維修制度由“計(jì)劃修”到“狀態(tài)修”的轉(zhuǎn)變，如何對(duì)車輛健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判別和預(yù)測就成為關(guān)鍵。本文提出的綜合判別模型狀態(tài)修綜合診斷模型綜合利用了PHM、FEMCA分析、層次分析法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路火車狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)估和俢程判斷。

1 概述

1.1 PHM 技術(shù)

故障預(yù)測與健康管理(prognostics and health management，PHM) 作為新一代裝備的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高裝備安全性和任務(wù)成功性，提高保障效能、降低保障費(fèi)用具有重要作用。

對(duì)于鐵路火車狀態(tài)修來說，主要需要利用PHM技術(shù)中關(guān)于故障預(yù)測與維修策略優(yōu)化的相關(guān)方法。要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的綜合判別，就要對(duì)車輛運(yùn)用過程中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測。同時(shí)，根據(jù)預(yù)測情況合理安排維修時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)維修策略的優(yōu)化。車輛上不同零部件具有不同的失效形式，因此，應(yīng)采用不同的故障預(yù)測方法。故障預(yù)測方法分類很多，最常見的可以分為基于模型的故障預(yù)測技術(shù)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障預(yù)測技術(shù)、基于概率統(tǒng)計(jì)的故障預(yù)測技術(shù)。

（1）基于模型的故障預(yù)測技術(shù)?；谀Ｐ偷墓收项A(yù)測方法假定可以獲得對(duì)象系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型。這種方法通過對(duì)功能損傷的計(jì)算來評(píng)估關(guān)鍵零部件的損傷程度，通過建立物理模型或隨機(jī)過程建模，用來評(píng)估部件剩余壽命。對(duì)于鐵路火車來說，例如，根據(jù)疲勞應(yīng)力對(duì)車輪剝離掉塊的建模，根據(jù)裂紋擴(kuò)展規(guī)律對(duì)鉤舌、牽引桿等裂紋進(jìn)行建模，進(jìn)而預(yù)測失效時(shí)間。

（2）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障預(yù)測技術(shù)。目前，對(duì)裝備的監(jiān)測方式不斷完善，監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷豐富。基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障診斷方法逐漸成為故障預(yù)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障預(yù)測技術(shù)又可以分為基于直接監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障預(yù)測技術(shù)和基于間接監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障預(yù)測技術(shù)。這兩種方法在鐵路火車故障預(yù)測中都有涉及。例如，通過對(duì)車輪輪廓尺寸的監(jiān)測，根據(jù)車輪磨耗退化數(shù)據(jù)構(gòu)建車輪退化模型進(jìn)而預(yù)測車輪剩余壽命，便屬于基于直接監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障預(yù)測方法。THDS系統(tǒng)通過對(duì)軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承故障的識(shí)別就屬于基于間接監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法。

（3）基于概率統(tǒng)計(jì)的故障預(yù)測技術(shù)。很多故障的出現(xiàn)具有較強(qiáng)的偶發(fā)性，沒有明顯的退化過程，那么，可以通過從過去故障歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性角度進(jìn)行故障預(yù)測，這種方法稱為基于概率統(tǒng)計(jì)的故障預(yù)測方法。例如，對(duì)于重載貨車來說鉤舌裂紋是導(dǎo)致鉤舌報(bào)廢的常見故障。對(duì)鉤舌失效可通過對(duì)大量失效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到基于當(dāng)前使用里程的失效條件概率分布，可以用來衡量零部件的性能。

1.2 FEMCA 技術(shù)

失效模式與影響分析(Failure Models and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)是一種綜合分析技術(shù)，主要用來探討系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)組件各種可能發(fā)生的失效因素，并分析造成失效的概率和嚴(yán)重度。使用FMECA方法需要專家運(yùn)用自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)車輛在使用過程中可能出現(xiàn)的各種故障的危害度和易發(fā)度給出定量描述。根據(jù)FMECA技術(shù)可以確定對(duì)車輛運(yùn)行安全影響較大的零部件及失效模式作為診斷模型的評(píng)價(jià)范圍。

1.3 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）基于實(shí)際情況，將決策者對(duì)事物評(píng)價(jià)的主觀思維過程模型化。AHP是一種主觀評(píng)價(jià)方法，依靠專家經(jīng)驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)際情況判斷權(quán)重，優(yōu)點(diǎn)是所需數(shù)據(jù)信息量少、計(jì)算簡單。

鐵路火車屬于多部件復(fù)雜系統(tǒng)，不同零部件具有不同的故障形式，不同零部件的健康狀態(tài)對(duì)車輛整體運(yùn)行狀態(tài)的影響也不相同。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)，就需要合理分配各零部件之間的權(quán)重。根據(jù)層次分析法，首先，要根據(jù)車輛機(jī)構(gòu)建立零部件的層級(jí)關(guān)系，然后，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)每個(gè)零部件的“危害度”和“易發(fā)度”進(jìn)行評(píng)價(jià)，再根據(jù)層次分析法計(jì)算每個(gè)層級(jí)各個(gè)部分之間的權(quán)重關(guān)系。

2 總體方案

狀態(tài)修綜合判別模型總體方案包括以下兩個(gè)層次的內(nèi)容：

一方面，要利用PHM中剩余壽命預(yù)測相關(guān)技術(shù)，結(jié)合歷史檢修數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)車輛關(guān)鍵零部件的退化過程和失效規(guī)律進(jìn)行建模并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行剩余壽命預(yù)測。

另一方面，依靠先進(jìn)的車輛綜合檢測技術(shù)與裝備體系，掌握車輛零部件技術(shù)狀態(tài)，對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估。將剩余壽命預(yù)測模型與車輛技術(shù)狀態(tài)檢測模型相融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件狀態(tài)的綜合評(píng)分，進(jìn)而對(duì)車輛、車列進(jìn)行評(píng)分，對(duì)車輛健康狀態(tài)進(jìn)行綜合研判，指導(dǎo)修程的合理判定。模型總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線

狀態(tài)修綜合判別模型具體研究內(nèi)容包括以下4個(gè)方面：

（1）建立零部件剩余壽命預(yù)測模型。根據(jù)神華貨車零部件壽命管理特點(diǎn)對(duì)貨車全部零部件重新開展分類管理，將鐵路火車零部件劃分為三類：全壽命零部件、使用壽命零部件、狀態(tài)壽命零部件。其中，全壽命零部件為具有規(guī)定的使用里程或使用年限，到限之后需要報(bào)廢的零部件，如搖枕、側(cè)架，各種橡膠件等，使用壽命零部件是指沒有固定使用期限，根據(jù)零部件的性能參數(shù)情況判斷是否還可以繼續(xù)使用，如車輪、交叉支撐裝置等。狀態(tài)壽命零部件是指對(duì)運(yùn)行安全影響較小，成本較低，在使用時(shí)往往是批量更換的，如各種螺栓、拉鉚釘?shù)?。?duì)于全壽命零部件和使用壽命零部件，首先，進(jìn)行FMECA分析，根據(jù)不同零部件故障的危害度，利用層次分析法確定不同零部件的權(quán)重。故障模式及影響分析，確定退化特征，從而建立零部件剩余壽命預(yù)測模型。

（2）建立車輛技術(shù)狀態(tài)檢測系統(tǒng)模型。針對(duì)貨車中利用5T檢測設(shè)備（THDS、TPDS、TADS、TFDS、TWDS）進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的零部件，如軸承、輪對(duì)等，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，對(duì)單T數(shù)據(jù)進(jìn)行沿運(yùn)營里程（時(shí)間軸）的縱向深度挖掘，基于故障案例數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，建立零部件的單T檢測系統(tǒng)模型，預(yù)測并評(píng)估零部件狀態(tài)。針對(duì)THDS數(shù)據(jù)，研究軸承故障預(yù)警算法；針對(duì)TPDS數(shù)據(jù)，研究車輪踏面損傷預(yù)測算法和運(yùn)行品質(zhì)不良分析；針對(duì)TADS數(shù)據(jù)，研究軸承的早期故障診斷；針對(duì)TFDS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)零部件故障定位；針對(duì)TWDS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的技術(shù)狀態(tài)檢測。同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)方法深度分析和挖掘各檢測設(shè)備數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，建立多T檢測系統(tǒng)關(guān)聯(lián)模型，分析5T報(bào)警的時(shí)序關(guān)聯(lián)性，通過多T檢測數(shù)據(jù)預(yù)測和評(píng)估零部件狀態(tài)，進(jìn)行綜合評(píng)判和提級(jí)處理。結(jié)合單T檢測系統(tǒng)模型和多T檢測系統(tǒng)關(guān)聯(lián)模型，綜合對(duì)零部件進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。

（3）建立車列健康診斷模型?；谏鲜隽悴考Ｓ鄩勖Ｐ秃蛙囕v技術(shù)狀態(tài)檢測系統(tǒng)模型，融合兩個(gè)模型的輸出結(jié)果，綜合進(jìn)行零部件狀態(tài)評(píng)估，研究狀態(tài)修扣修標(biāo)準(zhǔn)，建立修程判別模型；根據(jù)零部件影響列車運(yùn)行安全的重要程度，設(shè)計(jì)零部件權(quán)重系數(shù)，利用綜合評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛狀態(tài)評(píng)價(jià)，同時(shí)，給出建議檢修以及需要批量更換的零部件清單；在零部件、車輛狀態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，結(jié)合修程判別模型，給出整列車的健康診斷報(bào)告和車列健康狀態(tài)診斷報(bào)告。

（4）車輛俢程判別模型。當(dāng)?shù)玫揭涣熊囍懈鬏v車各個(gè)零部件的健康狀態(tài)后，要根據(jù)這些信息對(duì)一列車進(jìn)行俢程判定，根據(jù)關(guān)鍵零部件的剩余壽命以及在線監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警情況構(gòu)建車輛俢程判斷模型，通過俢程判別模型實(shí)現(xiàn)對(duì)維修計(jì)劃和運(yùn)輸組織的指導(dǎo)。

3 關(guān)鍵零部件剩余壽命預(yù)測模型

零部件的性能退化過程在里程維度體現(xiàn)為剩余壽命里程逐漸減小的過程。為了實(shí)現(xiàn)在確定檢修時(shí)機(jī)時(shí)充分考慮零部件健康狀態(tài)，我們不僅要考慮零部件當(dāng)前的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，還要實(shí)現(xiàn)零部件剩余壽命預(yù)測。對(duì)于鐵路火車零部件的剩余壽命預(yù)測來說，主要可以分為退化類零部件的剩余壽命預(yù)測和失效類零部件剩余壽命預(yù)測。

3.1 退化類零部件剩余壽命預(yù)測模型

退化類零部件是指在運(yùn)用過程中有明顯的退化趨勢，可以用一個(gè)或者多個(gè)退化量來表征，通過對(duì)退化過程的建模和設(shè)定退化閾值來預(yù)測剩余壽命。例如，我們可以根據(jù)TWDS監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)踏面圓周磨耗的監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建車輪的退化模型，進(jìn)而預(yù)測車輪的鏇修時(shí)機(jī)。

3.2 失效類零部件剩余壽命預(yù)測模型

對(duì)于失效類零部件沒有明顯的退化過程，很難建立退化模型，對(duì)于這一類零部件剩余壽命預(yù)測模型所給出的是在某次檢修中未失效的條件下，再使用一定里程會(huì)失效的概率情況。通過條件失效概率衡量零部件的健康狀態(tài)，進(jìn)而指導(dǎo)車輛的評(píng)分和俢程判斷。

3.3 基于“5T”系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測模型

軌邊監(jiān)測設(shè)備是對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是重要手段，目前，對(duì)于鐵路火車來說主要是“5T”系統(tǒng)。通過對(duì)“5T”監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的挖掘和整合，能夠在實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和預(yù)警?；凇?T”系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測模型要分別對(duì)針對(duì)各系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)的特點(diǎn)構(gòu)建對(duì)零部件的評(píng)價(jià)模型。

（1）基于THDS的軸承故障預(yù)警。當(dāng)前THDS系統(tǒng)已經(jīng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承狀態(tài)的監(jiān)測，對(duì)熱軸故障進(jìn)行報(bào)警。但要實(shí)現(xiàn)利用THDS監(jiān)測數(shù)據(jù)制度狀態(tài)修體制下車輛狀態(tài)評(píng)價(jià)，需要構(gòu)建基于THDS監(jiān)測數(shù)據(jù)的軸承故障預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)在THDS系統(tǒng)報(bào)警前發(fā)現(xiàn)有故障趨勢的是軸承，并得到異常程度用于指導(dǎo)軸承狀態(tài)評(píng)價(jià)和修程修制的制定。應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)、時(shí)間序列分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)THDS當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向規(guī)律分析，體現(xiàn)縱向的、歷史的、全過程的數(shù)據(jù)分析。軸承在發(fā)生故障之前的檢測數(shù)據(jù)大多都有一些異常情況。研究檢測設(shè)備全過程檢測數(shù)據(jù)在運(yùn)行里程維度的發(fā)展趨勢并進(jìn)行規(guī)律性的預(yù)判，在規(guī)律中分析出里程和規(guī)律之間的關(guān)系。對(duì)單個(gè)檢測設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，并做出趨勢預(yù)判，對(duì)預(yù)測狀態(tài)設(shè)定不同的分值，分出各個(gè)級(jí)別，按不同劃分等級(jí)設(shè)置扣分指標(biāo)。當(dāng)單個(gè)檢測設(shè)備檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)異?；蜷g斷性異常，或檢測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯上升趨勢，其扣分分值做適度提級(jí)處理。

（2）基于TADS的軸承狀態(tài)評(píng)價(jià)。目前，TADS主要實(shí)現(xiàn)的是軸承早期故障的識(shí)別，通過對(duì)報(bào)警故障的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)TADS的預(yù)警時(shí)間較長，因此，在利用TADS數(shù)據(jù)對(duì)軸承進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，不僅要考慮近期當(dāng)前報(bào)警情況，也應(yīng)考慮較長時(shí)間段內(nèi)的報(bào)警情況。在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)時(shí)應(yīng)考慮一下幾個(gè)方面：第一，考慮報(bào)警等級(jí)高低。從TADS系統(tǒng)的報(bào)警機(jī)理上來考慮，報(bào)警等級(jí)越高證明該軸承故障特征越明顯。第二，考慮報(bào)警故障類型是否相同。如果每次報(bào)警的TADS系統(tǒng)給出的故障類型一致性越好，則證明故障的可信度越高。否則，則可能認(rèn)為故障的典型性不高或者存在誤報(bào)可能。第三，考慮報(bào)警頻率、是否連續(xù)。報(bào)警的頻率越高或出現(xiàn)連續(xù)報(bào)警，則可認(rèn)為故障的可能性越高。

（3）基于TPDS的踏面損傷評(píng)價(jià)。TPDS系統(tǒng)的一個(gè)重要功能是對(duì)踏面損傷進(jìn)行監(jiān)測。通過分析踏面損傷案例的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及列檢現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大部分踏面損傷存在逐步發(fā)展的過程。發(fā)展過程主要有兩種表現(xiàn)形式：第一，從TPDS監(jiān)測數(shù)據(jù)上來看，表現(xiàn)為非零最大沖擊當(dāng)量出現(xiàn)逐漸頻繁，非零最大沖擊當(dāng)量數(shù)值逐漸增加，由初期的偶爾出現(xiàn)低于報(bào)警級(jí)別的最大沖擊當(dāng)量到后期連續(xù)出現(xiàn)達(dá)到踏面損傷報(bào)警級(jí)別的最大沖擊當(dāng)量。第二，從踏面損傷報(bào)警的現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)來看，對(duì)于未達(dá)到處理限度的踏面損傷其損傷程度逐漸發(fā)展。因此，在根據(jù)TPDS監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建對(duì)車輪踏面損傷的評(píng)價(jià)模型時(shí)，要充分考慮歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（4）基于TFDS的零部件狀態(tài)評(píng)價(jià)。TFDS系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)多種車體下部故障，對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測具有重要作用。如果對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行量化評(píng)分，TFDS系統(tǒng)報(bào)警情況也具有重要參考價(jià)值。通過對(duì)TFDS系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行梳理，可將TFDS系統(tǒng)報(bào)警劃分成三類：第一類：報(bào)警代表零部件完全失效，如丟失、裂損、折斷類。如出現(xiàn)此類報(bào)警應(yīng)將該零部件得分歸零。第二類：報(bào)警代表零部件性能下降，保存部分功能，彎曲、變形類。如出現(xiàn)此類報(bào)警，應(yīng)將該零部件適當(dāng)扣分。第三類：報(bào)警代表零部件本身未故障，但其方位或配合關(guān)系存在問題，如竄出、方位不正。如出現(xiàn)此類報(bào)警，應(yīng)將該零部件所屬大部件適當(dāng)扣分。

（5）基于TWDS的車輪狀態(tài)評(píng)價(jià)。TWDS監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)囕嗇喞叽邕M(jìn)行有效監(jiān)測，TWDS系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容包括輪緣厚度、踏面圓周磨耗、輪輞厚度等?；赥WDS的車輪狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，根據(jù)車輪各指標(biāo)和使用限值制定扣分標(biāo)準(zhǔn)。

（6）多T 聯(lián)合軸承故障預(yù)警。多T聯(lián)合的主要思路是TH軸溫信息結(jié)合TP+TA+TF歷史信息回溯情況，對(duì)聯(lián)合報(bào)警進(jìn)行提級(jí)處理。當(dāng)THDS系統(tǒng)有報(bào)警信息或模型預(yù)警時(shí)，同時(shí)，查詢TPDS、TADS和TFDS之前一段時(shí)間的報(bào)警記錄，查詢是否有踏面擦傷、TA早期報(bào)警以及軸承甩油等故障，對(duì)于有同時(shí)報(bào)警的軸承進(jìn)行聯(lián)合預(yù)警、提級(jí)扣分處理。當(dāng)TADS出現(xiàn)報(bào)警、TPDS出現(xiàn)踏面損傷報(bào)警或該輪位處于踏面損傷模型預(yù)警狀態(tài)，查詢前兩次軸溫探測是否處于報(bào)警、預(yù)警、溫度最大值，對(duì)原有模型狀態(tài)檢測扣分進(jìn)行提級(jí)，建議在線修時(shí)重點(diǎn)檢查。

4 車輛綜合評(píng)分模型

車輛綜合評(píng)分的原則是對(duì)零部件、大部件分別進(jìn)行評(píng)分，再按權(quán)重累加，再減去提級(jí)扣分項(xiàng)，得到車輛得分?？鄯猪?xiàng)包括5T狀態(tài)檢測扣分項(xiàng)及列檢扣分項(xiàng)，按照零部件級(jí)別、大部件級(jí)別、車輛級(jí)別，分別對(duì)對(duì)應(yīng)等級(jí)進(jìn)行扣分。評(píng)分原則如圖2所示。

4.1 零部件評(píng)分模型

零部件評(píng)分的總體原則為：以壽命作為基礎(chǔ)得分，狀態(tài)監(jiān)測作為扣分項(xiàng)。

壽命評(píng)分可分為全壽命零部件的壽命評(píng)分和使用壽命的壽命評(píng)分。對(duì)于僅有壽命限度的全壽命零部件，如軸向橡膠墊、軸箱橡膠墊、彈性旁承體、心盤磨耗盤、滑塊磨耗套、旁承磨耗板等零部件，根據(jù)使用里程進(jìn)行壽命評(píng)分。對(duì)于使用壽命零部件，沒有固定的使用里程年限要構(gòu)建剩余壽命預(yù)測模型對(duì)退化量或者失效概率進(jìn)行預(yù)測。

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測扣分要結(jié)合THDS、TPDS、TADS、TFDS、TWDS系統(tǒng)的監(jiān)測情況綜合得出扣分。

4.2 車輛件評(píng)分模型

圖3 計(jì)算方式示意圖

當(dāng)?shù)玫矫總€(gè)零部件的評(píng)分后，要根據(jù)不同零部件、大部件的權(quán)重得到車輛的整體評(píng)分，如圖3所示。各零部件以及大部件的權(quán)重可以根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)利用層次分析法計(jì)算得到。

由專家對(duì)計(jì)算出的最終權(quán)值進(jìn)行進(jìn)行合理性評(píng)判，結(jié)合各零部件的得分與權(quán)重，計(jì)算上一層級(jí)的得分。

逐層向上計(jì)算可得到零部件、大部件、車輛的得分，如圖3所示，其中，x表示零部件得分，y表示大部件得分，λ表示各部分的權(quán)重，ω1,2,…,m表示狀態(tài)檢測扣分項(xiàng)，并進(jìn)行總的判斷一致性檢驗(yàn)，即對(duì)零部件、大部件的相對(duì)權(quán)重和整合遞階層次模型的判斷一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，得到最終的車輛大部件及零部件權(quán)值。

4.3 車列評(píng)分模型

車列評(píng)分模型基于車輛評(píng)分模型，并綜合考慮列車中各車輛得分分布、距下次修程剩余里程等因素計(jì)算車列得分，如圖4所示。

圖4 車列評(píng)分模型示意圖

5 車輛俢程判別模型

5.1 鐵路貨車狀態(tài)修修程設(shè)置

為更準(zhǔn)確地反映列車及車輛的不同技術(shù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修實(shí)時(shí)監(jiān)測、科學(xué)評(píng)判、精準(zhǔn)修理、降低成本的目標(biāo)，對(duì)鐵路貨車狀態(tài)修的修程設(shè)置進(jìn)行了細(xì)分。

狀態(tài)修修程主要是針對(duì)列車運(yùn)行過程中車輛及零部件發(fā)生規(guī)律性和離散性故障特點(diǎn)，對(duì)整列車規(guī)律性故障的針對(duì)性修理，兼顧離散性故障的針對(duì)性修理，對(duì)不同的批量失效的零部件進(jìn)行合理匹配，建立不同級(jí)別的修程，減少過度分解、檢測和修理。具體俢程設(shè)置如下：

（1）在線修：在線修針對(duì)個(gè)別車輛技術(shù)狀態(tài)不良。作業(yè)時(shí)，進(jìn)行常規(guī)外觀檢查，結(jié)合系統(tǒng)預(yù)報(bào)，故障確認(rèn)處置，應(yīng)急處理，信息歸檔。維修主要內(nèi)容為卸空及高坡人工檢查，針對(duì)途中預(yù)報(bào)的故障進(jìn)行應(yīng)急處置。包括對(duì)現(xiàn)有5T監(jiān)測設(shè)備報(bào)警信息的處理以及對(duì)模型中單T和多T聯(lián)合預(yù)警得出需重點(diǎn)檢查車輛的人工檢查。

（2）Z1修：Z1修針對(duì)整列車閘瓦磨耗集中到限的狀態(tài)及個(gè)別車輛技術(shù)狀態(tài)不良。作業(yè)時(shí)，不架車、不分鉤，包括臨修。維修主要內(nèi)容為批量更換閘瓦；結(jié)合系統(tǒng)預(yù)報(bào)的個(gè)別故障進(jìn)行針對(duì)性修理；處理關(guān)門車、破損車、輪軸和鉤緩等故障車。

（3）Z2修：Z2修針對(duì)整列車輪對(duì)磨耗集中到限的狀態(tài)及個(gè)別車輛技術(shù)狀態(tài)不良。作業(yè)時(shí)，為架車、分鉤；轉(zhuǎn)向架和鉤緩裝置不分解。維修主要內(nèi)容為批量更換輪對(duì)；鉤舌探傷或更換；制動(dòng)閥維修或更換；結(jié)合系統(tǒng)預(yù)報(bào)的個(gè)別故障進(jìn)行針對(duì)性修理。作業(yè)內(nèi)容覆蓋Z1修。

（4）Z3修：Z3修針對(duì)整列車轉(zhuǎn)向架和鉤緩裝置中關(guān)鍵零部件壽命、磨耗集中到限狀態(tài)及個(gè)別車輛技術(shù)狀態(tài)不良。作業(yè)時(shí)，架車、分鉤；分解轉(zhuǎn)向架和鉤緩裝置。維修主要內(nèi)容為對(duì)轉(zhuǎn)向架、鉤緩裝置、制動(dòng)裝置等零部件進(jìn)行更換；結(jié)合系統(tǒng)預(yù)報(bào)的個(gè)別故障進(jìn)行針對(duì)性修理。作業(yè)內(nèi)容覆蓋Z2修。

（5）Z4修：Z4修針對(duì)整列車關(guān)鍵大部件探傷集中到期狀態(tài)。作業(yè)時(shí)，架車、分鉤；車輛各部位全面分解。維修主要內(nèi)容為對(duì)車輛及各部位進(jìn)行全面分解、除銹、探傷、檢測、試驗(yàn)等，全面恢復(fù)性能。

5.2 修程判別模型總體方法

根據(jù)車輛健康狀態(tài)參數(shù)，即零部件壽命參數(shù)、5T監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷修程。對(duì)于5T監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)5T發(fā)生預(yù)警或報(bào)警未達(dá)到立即攔停的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在列檢處進(jìn)行檢查、繼續(xù)跟蹤，當(dāng)報(bào)警達(dá)到攔停和扣車標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，車列進(jìn)入在線修或摘車臨修。

對(duì)于零部件剩余壽命參數(shù)，主要考慮閘瓦、輪對(duì)。以閘瓦批量到限作為進(jìn)入Z1修的主要指標(biāo)，同時(shí)，考慮車體破損和關(guān)門車。

以輪對(duì)檢修作為進(jìn)入Z2修、Z3修的主要指標(biāo)，同時(shí)，考慮軸承、制動(dòng)閥、鉤舌等零部件檢修周期到限和部分全壽命零部件壽命到限，并根據(jù)Z1修時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

以大部件批量達(dá)到檢修周期和零部件批量到限作為進(jìn)入Z4修的主要指標(biāo)。當(dāng)有個(gè)別車輛的閘瓦到限時(shí)，進(jìn)入列檢更換，當(dāng)有個(gè)別輪對(duì)需要更換時(shí)，扣車進(jìn)入在線修或摘車臨修。修程整體判定流程如圖5所示。

6 結(jié)語

利用PHM相關(guān)技術(shù)將狀態(tài)修的理念應(yīng)用于鐵路火車維修領(lǐng)域，將是我國鐵路火車維修制度改革的重要方向。本文構(gòu)建了一個(gè)鐵路火車貨車狀態(tài)修綜合診斷模型，綜合考慮車輛零部件剩余壽命，軌邊監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)等情況得出車輛、車列綜合評(píng)分。根據(jù)關(guān)鍵零部件性能狀態(tài)和車輛車列的綜合得分指導(dǎo)俢程的選擇。通過本文提出的綜合診斷模型，能夠?yàn)槲覈F路火車狀態(tài)修的推廣提供參考。

圖5 俢程判別流程圖