章 陽

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094)

高速動車組本身是一個復雜系統(tǒng)，它是由車體、轉(zhuǎn)向架、網(wǎng)絡、高壓、牽引、制動等多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)的設備狀態(tài)都與高速列車的運營安全密切相關。與國外高鐵發(fā)達國家相比，中國高速列車修程修制較短，隨著運營高速列車數(shù)量的快速增加，維修成本將大幅度上升。安全運營與降低運維成本是中國高速列車發(fā)展狀態(tài)下急需解決的問題。

時速350公里復興號動車組已經(jīng)投入運營兩年，制動系統(tǒng)具備實時故障診斷功能，能夠?qū)崿F(xiàn)“故障導向安全”機制，確保列車運行安全。隨著越來越多的復興號動車組投入運營，中國高鐵的安全運營、日常檢修維護工作將會面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此，研究制動系統(tǒng)故障預測和健康評估方法，進一步提高其安全可靠性，成為目前的一個急迫的課題。

與實時故障檢測與故障導向安全概念不同，制動系統(tǒng)“故障預測與健康管理(PHM)”是指利用先進的傳感和數(shù)據(jù)傳輸技術，獲取制動系統(tǒng)運行狀態(tài)信息和故障信息，通過大數(shù)據(jù)、人工智能等相關技術，進行狀態(tài)監(jiān)測與故障預測，同時對系統(tǒng)進行健康評估，統(tǒng)計故障規(guī)律，結合地面維修資源，給出維修決策，實現(xiàn)關鍵部件的預防性維修，降低檢修成本，降低運營故障率，從而保證復興號動車組的運營品質(zhì)和運營效率。

1 制動系統(tǒng)PHM主要功能

制動系統(tǒng)PHM主要功能包括：

(1)數(shù)據(jù)采集和處理，利用各類傳感和監(jiān)測設備，采集制動系統(tǒng)故障預警和健康管理所需的各類原始數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸、分類、清洗。

(2)故障預警，基于大數(shù)據(jù)建模，通過特征指標對制動系統(tǒng)重要功能、關鍵零部件進行故障預警，指導提前進行檢查處理。

(3)性能監(jiān)測，對關鍵零部件特征指標的計算，監(jiān)測其性能變化趨勢。

(4)零部件剩余壽命預測，監(jiān)測制動系統(tǒng)關鍵零部件的工作次數(shù)、工作時間、工作環(huán)境等狀態(tài)參數(shù)，依據(jù)其理論或試驗壽命，預測其剩余壽命。

(5)健康管理，基于對制動系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征提取，對各關鍵零部件剩余壽命的估算，以及歷史故障記錄等進行的健康狀態(tài)綜合評價。

(6)維修決策，通過故障預警、性能監(jiān)測、剩余壽命預測等數(shù)據(jù)，指導運維部門對制動系統(tǒng)進行預防修、對修程修制提出優(yōu)化的建議等，這部分是制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的頂層應用。

2 制動系統(tǒng)PHM關鍵技術

制動系統(tǒng)PHM關鍵技術包括：

(1)狀態(tài)監(jiān)測與健康管理技術，要求利用先進的傳感器獲得盡可能精確的系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，通過設計更先進的數(shù)據(jù)分析技術獲得對系統(tǒng)健康狀況的評估。

(2)診斷技術，定位出屬于早期故障狀態(tài)，不足以使制動系統(tǒng)完全失效的故障模塊或零部件。

(3)預測技術，通過設計預測系統(tǒng)，檢測制動系統(tǒng)某個功能、某個關鍵零部件的相關參數(shù)，當其出現(xiàn)性能下降，而有可能導致故障時候，提前進行預警，指導維修，防患于未然。

(4)信息融合技術，通過多個傳感器數(shù)據(jù)進行協(xié)同、互補或競爭，與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)互相結合，以提高診斷結果的準確性，增加可信度。

(5)人工智能技術，包括專家系統(tǒng)(基于模型的推理、基于案例的推理、基于規(guī)則的推理)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、遺傳算法等。使用這些手段進行推理獲得對制動系統(tǒng)狀態(tài)的準確監(jiān)控和故障診斷。

3 制動系統(tǒng)PHM總體架構設計

為了保障動車組制動系統(tǒng)整體的安全可靠性，提升數(shù)據(jù)智能管理分析和輔助決策能力，構筑制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)總體架構(見圖 1)。以復興號動車組為例，該系統(tǒng)獲取在線運營的復興號動車組制動控制單元BCU和中央控制單元CCU通過WTDS回傳的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、BCU內(nèi)部記錄數(shù)據(jù)、車載MVB記錄數(shù)據(jù)、環(huán)境信息等海量異構多態(tài)的數(shù)據(jù)，并存儲于地面大數(shù)據(jù)平臺，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選、歸類等信息處理手段，實現(xiàn)由短到長各時間尺度上的PHM功能，主要包括：制動系統(tǒng)重要功能和關鍵零部件的故障預警與故障快速診斷、制動系統(tǒng)健康評估與關鍵零部件的剩余壽命預測，以及可靠性分析和風險評估。最終結合成本、時間等維護相關信息，形成最優(yōu)維護策略。

圖1 動車組制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)架構

3.1 制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)源

動車組制動系統(tǒng)PHM需要的數(shù)據(jù)來源主要有：BCU、CCU、TCU、維修維護記錄、環(huán)境信息、試驗臺測試數(shù)據(jù)等。各車的BCU、CCU、TCU會將采集到的各壓力傳感器、速度傳感器、隔離塞門、制動指令線、各安全環(huán)路等的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，以及制動控制邏輯的過程計算數(shù)據(jù)，記錄在BCU內(nèi)的SD卡中、并通過MVB發(fā)送至車載遠程無線傳輸裝置(WTD)主機，WTD通過3G/4G無線網(wǎng)絡傳回地面大數(shù)據(jù)平臺。維護維修記錄、環(huán)境信息、試驗臺測試數(shù)據(jù)等，通過人工導入接口，也存入大數(shù)據(jù)平臺。

3.2 地面大數(shù)據(jù)平臺

地面大數(shù)據(jù)平臺實時接收或人工導入來自WTDS的列車各系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)、運維部門的檢修記錄、生產(chǎn)部門的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、試驗臺的測試數(shù)據(jù)等。在此平臺上，可對數(shù)據(jù)進行清洗、分析，和展示?；诖髷?shù)據(jù)平臺，可搭建PHM模型，進行動車組制動系統(tǒng)運行狀態(tài)評估、重要功能故障預警、關鍵零部件性能監(jiān)控和剩余壽命評估、故障事件記錄等，為客戶提供智能運維服務。

3.3 PHM系統(tǒng)通信方案

動車組制動系統(tǒng)內(nèi)各車的BCU將自身采集的數(shù)據(jù)和邏輯運算過程數(shù)據(jù)，通過MVB總線或列車以太網(wǎng)發(fā)送給車載PHM主機匯集和初步處理，之后由車載WTD主機通過4G/5G等無線傳輸方式實時傳輸至地面大數(shù)據(jù)平臺。如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)通信方案

3.4 PHM應用模塊

動車組制動系統(tǒng)PHM應用模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣密度、故障嚴重程度、零部件重要性等，可分為車輛、列車、地面3種。例如，對于壓力傳感器自身故障預測、壓力變換閥性能衰退預警等，需要ms級的數(shù)據(jù)采樣密度，而WTDS受無線通訊帶寬的限制，無法回傳這類數(shù)據(jù)，就需要在單車BCU內(nèi)建數(shù)據(jù)預處理或故障預警模型。對于列車級的、且需要比較小的數(shù)據(jù)采樣間隔的重要功能的故障預警，例如總風管貫通性、減速度偏離等，可在車載PHM主機上，實時收集全列的相關數(shù)據(jù)，建模進行預處理和診斷。對于對數(shù)據(jù)采樣密度要求不高的故障預警、故障規(guī)律統(tǒng)計、零部件性能與環(huán)境因素關系等的模型，可在地面建模實現(xiàn)。

3.5 PHM結果展示模塊

動車組制動系統(tǒng)故障預警結果，可通過故障代碼、圖形、報表等方式展現(xiàn)。例如，在地面監(jiān)測中心的監(jiān)控計算機界面上，實時彈出故障預警信息，包括故障代碼、故障名稱、故障描述、報警時間、維修指示、維修確認等，處理完成后，可進行故障處理確認，解除預警；需要展示曲線變化的數(shù)據(jù)，比如總風壓力、停放制動壓力，可以以時間坐標進行壓力變化曲線展示，方便故障確認和分析。

4 技術路線與方案研究

根據(jù)前述，動車組制動系統(tǒng)PHM包括車輛、列車、地面3個層級，實現(xiàn)故障預警和制動系統(tǒng)健康狀態(tài)評估。針對缺乏測點、無傳感器監(jiān)測的部件，研究地面試驗方法對其進行壽命評估。針對測點不足或傳感器件精度不夠的情況，研究更合理的傳感器布置方案、更精確的故障預測方案。為此，需要對各層級的故障預警方案進行設計研究。

4.1 車輛級故障預警方案

目前，動車組制動系統(tǒng)具備車輛級的實時故障診斷功能，但是實時故障診斷的缺陷是不能提前預警，無法支持預防修，在運行途中發(fā)生了實時故障，必須停車處理，影響運營秩序。因此，很有必要建立車輛級故障預警模型，在列車運用過程中，實時檢測關鍵數(shù)據(jù)，分析關鍵零部件的性能變化，提前發(fā)現(xiàn)性能下降或工作不穩(wěn)定的關鍵零部件，以故障代碼的型式，提示給地面檢修人員，指導其在一級修工作中進行檢查，提前維修。

根據(jù)對數(shù)據(jù)采集密度要求、BCU自身的計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力，并考慮零部件的重要性，對關鍵零部件進行車輛級建模，實現(xiàn)故障預警，例如：

壓力變換閥故障預警：在制動過程中，根據(jù)其輸入和輸出壓力，計算其壓力變比，判斷是否符合設計要求；根據(jù)制動施加、緩解過程中，其輸出壓力的上升、下降隨時間變化曲線，預判其性能是否穩(wěn)定。

預控壓力傳感器故障預警：根據(jù)預控壓力目標值、相關測點壓力互相對比、輸出電流值的變化等，預判其性能是否下降。

4.2 列車級故障預警方案

對于列車級的，對數(shù)據(jù)采集密度和實時性要求較高的重要功能的故障預警，各車輛BCU可將數(shù)據(jù)通過實時以太網(wǎng)(TRDP)傳輸至車載PHM主機，在PHM主機上建立故障預警模型或數(shù)據(jù)預處理模型，實現(xiàn)車載數(shù)據(jù)處理，并將預警結果或數(shù)據(jù)預處理結果實時回傳地面大數(shù)據(jù)中心。例如：

耗風量預警：在列車運行過程中，根據(jù)空壓機工作狀態(tài)、一定時間內(nèi)總風壓力的下降值、耗風設備工作情況等，計算耗風量，將計算結果發(fā)送至地面大數(shù)據(jù)平臺。

空壓機打風能力預警：列車初上電空壓機啟動時，根據(jù)啟動的空壓機數(shù)量、初始壓力、停機壓力、工作時間、耗風設備工作情況等，計算空壓機打風能力，將計算結果發(fā)送至地面大數(shù)據(jù)平臺。

4.3 地面級故障預警方案

在地面大數(shù)據(jù)平臺上，收集了動車組各子系統(tǒng)實時回傳的數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、維修維護記錄、環(huán)境信息、試驗臺測試數(shù)據(jù)等，因此，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗、動態(tài)展示、建立模型、預測分析等功能，實現(xiàn)產(chǎn)品從設計、工藝、制造、交付、運維的全生命周期數(shù)據(jù)管理。而對于制動系統(tǒng)故障預警、健康管理需求而言，可以將那些對數(shù)據(jù)實時性和采樣密度要求不高、需要結合其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)、或者對列車級PHM主機的預處理結果進行二次處理等建模工作，在地面大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)。例如：

耗風量和空壓機打風能力變化趨勢統(tǒng)計：根據(jù)前述列車級預處理模型計算之后發(fā)回地面的結果，按時間軸繪制出其變化曲線，然后判斷其性能是否有下降趨勢。

滑行狀態(tài)分析：根據(jù)列車常出現(xiàn)滑行時所處的線路位置及天氣情況，利用大數(shù)據(jù)分析線路對滑行的潛在影響及趨勢。

故障分布規(guī)律研究：統(tǒng)計列車運營過程中發(fā)生的故障，結合列車運行線路、氣候環(huán)境等數(shù)據(jù)，研究各種故障的時間、空間分布規(guī)律，對特定環(huán)境條件下的大概率故障進行預警，指導預防性檢修工作。

4.4 無傳感部件剩余壽命評估方案

對于無傳感測點的、重要的機械或電氣部件，無法通過實時數(shù)據(jù)來進行故障預警，在地面搭建試驗臺進行疲勞試驗、加速老化試驗等，計算其使用壽命，作為參考依據(jù)，用以評估其剩余使用壽命。例如：

對氣動閥、板裝繼電器等無傳感監(jiān)控的零部件：進行地面試驗，評估使用壽命；在地面大數(shù)據(jù)平臺，設計模型，根據(jù)列車運行數(shù)據(jù)，計算此類零部件的工作次數(shù)、工作時間，再結合使用環(huán)境數(shù)據(jù)，評估其剩余使用壽命。

4.5 更精確的故障預測方案

對于影響列車運行安全的重要功能或關鍵零部件，為了更精確地實現(xiàn)故障預測，可研究增加傳感測點、增加數(shù)據(jù)采集設備、故障預測算法等。例如：

總風壓力傳感器故障預警：在頭車設置一個高精度高穩(wěn)定性壓力傳感器，將它測量的總風壓力值作為基準，其他總風壓力傳感器的測量值與其進行對比，若偏差達到設定范圍，進行故障預警。

5 總結與展望

動車組制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)以狀態(tài)監(jiān)測技術、關鍵零部件故障預測與健康管理算法、無線通信技術和大數(shù)據(jù)技術為依托，調(diào)用海量數(shù)據(jù)實施PHM算法，將診斷評估結果以故障代碼、圖形、報表等方式呈現(xiàn)。通過對動車組制動系統(tǒng)PHM方案的研究，我們期望在將來，能使運維人員實時掌握制動系統(tǒng)的健康狀況，能為診斷和預判動車組制動系統(tǒng)故障、運行狀態(tài)提供一個高效的平臺系統(tǒng)，在短時間尺度上實現(xiàn)故障預警，在中時間尺度上實現(xiàn)制動系統(tǒng)健康評估和關鍵零部件剩余壽命預測，在長時間尺度上實現(xiàn)制動系統(tǒng)可靠性分析與風險評估，為動車組制動系統(tǒng)開展預防修、降低實時故障、保障運營效率提供支持，也為修程修制優(yōu)化提供決策依據(jù)。