謝 帥，盧 勇，張 棟

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510310）

0 引言

電子板件性能直接影響城軌車輛的正線運營質(zhì)量，而隨著長期使用，伴隨板件上電容、電感、電阻、MOS 管、光耦、二極管等元件性能也會逐漸衰變，這些電路基本元件衰變都會對電路整體性能造成影響，導(dǎo)致電路衰變，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致電路失效。

目前城軌車輛電子板件基本采用故障更換的方式。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障，失去正常運行功能后，對其進行維修，該維護階段簡單原始、采購成本低，但是極易導(dǎo)致城軌車輛的正線故障，是引起車輛重大晚點事故的主要原因。根據(jù)廣州地鐵城軌運維管理系統(tǒng)中2018 年的數(shù)據(jù)，由于電子板件故障導(dǎo)致的車輛3 min以上的晚點故障為總故障的65%，而對于電子板件老化現(xiàn)象較為嚴(yán)重的廣州地鐵一號線，故障占比更是高達90%，目前的故障維護已經(jīng)不能滿足實際的使用需求。因此，若能在電子板件性能衰變初期，還未對車輛系統(tǒng)造成重大危害時，根據(jù)一些監(jiān)測手段及時預(yù)測產(chǎn)品的剩余壽命，制定相應(yīng)的系統(tǒng)運行維護策略，具有非?，F(xiàn)實意義。

近年來，故障預(yù)測和健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）方法得到廣泛運用和推廣，包括航空航天、通訊、電子設(shè)備、機械制造等行業(yè)，PHM 在降低維修保障費用、減少維修次數(shù)、降低故障發(fā)生風(fēng)險方面有著良好的運用[1]。目前，關(guān)于電子板件性能衰變的研究方法可以按照基于模型的方法和基于數(shù)據(jù)的方法分為2 類：基于模型的電子板件性能衰變研究方法通過建立電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對電路性能衰變的分析；結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，利用少量衰變數(shù)據(jù)預(yù)測未來數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對電路性能衰減分析[2]。由于城軌車輛電子板件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素多，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，通過對產(chǎn)品的失效時間進行統(tǒng)計分析和特征量提取，根據(jù)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗建模方法，預(yù)測得出電子板件的剩余壽命。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動PHM方法

目前關(guān)于電子板件壽命預(yù)測的方法大致分為2類，即基于失效物理（Physics of Failure,PoF）方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動（Data Driven,DD）方法[2]?；谑锢淼姆椒ㄔ诋a(chǎn)品失效機理的基礎(chǔ)上進行建模分析，往往較為復(fù)雜，對改善城軌車輛現(xiàn)場維護而言，很難開展卓有成效的研究和獲取較高的實際價值；而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法僅僅對產(chǎn)品的失效時間進行統(tǒng)計分析，實際上是一種依賴于數(shù)據(jù)的經(jīng)驗建模方法，對于分析復(fù)雜、條件有限的現(xiàn)場而言，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的壽命預(yù)測方法是不錯的選擇。本文將對數(shù)據(jù)驅(qū)動PHM 的運用流程做介紹，并結(jié)合生產(chǎn)實際，對運用過程中的重點和難點加以歸納。

1.1 對象選擇

根據(jù)城軌車輛電子板件的故障影響大小和故障率大小2個維度繪制四象限分解圖，如圖1所示。

圖1 故障維修模式

針對第一象限故障率高、故障影響大的板件，宜采用預(yù)防性維修或者改善板件設(shè)計等維護方式，如電壓傳感器、速度傳感器等；針對第三象限故障率低、故障影響小的板件，采用事后故障維修模式（RM）可最大化地平衡安全與成本的關(guān)系，如牽引控制單元（DCU）板件、空調(diào)控制板件；針對第四象限故障率高、故障影響小的宜采用事后故障維修或者預(yù)防性維修（PM）方式，可以從維修成本和減少故障處理時間次數(shù)等2個維度考慮，如客室燈管、鎮(zhèn)流器、頭燈、尾燈等。

較之于RM 和PM 維護方式，PHM 一般用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、發(fā)生頻率不高，一旦發(fā)生影響很大的電子板件，即位于第二象限的部件，如城軌車輛系統(tǒng)中電子制動單元（ECU）電子板件、中央控制單元（VCU）電子板件等。這類板件往往采購價格很高，因此不適合PM 維修模式；但為了保證板件的可靠性，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此RM維修模式也不適用；PHM 基于對電子板件的剩余壽命預(yù)測，采取能有效降低板件發(fā)生系統(tǒng)性故障的手段，既能降低采購成本，又能有效提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集

對于目前大多數(shù)城軌車輛電子板件的狀態(tài)檢查維修通常有以下3種：外觀檢查法、無電電阻值測量法、有電電壓及波形測量法[3]。但對于未發(fā)生系統(tǒng)性損壞或者宕機的電子板件，通常的方式往往無法做出狀態(tài)評判，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、維修經(jīng)驗的積累和維修大數(shù)據(jù)的運用，越來越多的手段可以被利用來實現(xiàn)電子板件衰變檢測的狀態(tài)評估。

1.2.1 故障分析和在線監(jiān)測

城市軌道交通車輛電子板件在出廠生產(chǎn)時，通常為批量化的產(chǎn)品，在原料來源、生產(chǎn)加工工藝、存放環(huán)境等方面存在諸多的一致性，因此產(chǎn)品的運用狀態(tài)、使用壽命、衰變程度都有著一定的相似性。在電子板件批量出現(xiàn)原件衰變前，狀態(tài)更差一些的板件會有一定的故障表現(xiàn)和參數(shù)畸變，這些為研究電子板件的衰變提供了很好的參考依據(jù)和警示作用。

2012 年廣州地鐵A1 型車GTO 門控板故障有5起，但到2013年就多達了23起，對正線的行車造成了較大的影響，而且故障表現(xiàn)基本都可以歸結(jié)為GTO 門控板的發(fā)光二極管功率衰變下降。如果2012年能夠及時從5起故障中深入分析故障原因，并采取更換發(fā)光二極管的措施，則可有效提高列車的運用效能。因此對故障的有效分析是狀態(tài)維護管理的良好手段。

而對于電子板件出現(xiàn)的瞬時故障，采用在線監(jiān)測的手段可有效捕捉故障時刻的相關(guān)數(shù)字、模擬量，對電子板件的參數(shù)畸變分析也大有裨益。2015年廣州地鐵一號線出現(xiàn)了多起A1 型車在開門后出現(xiàn)溜車的故障，而這些故障極有可能造成客傷事件，最終通過利用多通道示波器在線監(jiān)測的方法，成功捕捉到了在列車快停穩(wěn)施加保壓階段，DCU（牽引控制單元）板件板載繼電器異常無法斷開，導(dǎo)致列車停穩(wěn)自動開門后仍有保壓制動緩解信號給出，造成列車溜車[4]，并在后續(xù)展開的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)DCU的板載K7繼電器存在普遍性能衰變的問題。

1.2.2 維修數(shù)據(jù)運用

利用電子板件更換維修記錄，結(jié)合電路結(jié)構(gòu)原理，為電子板件衰變元件的篩選提供了有效的途徑。對于電子板件的衰變，必然伴隨著越來越多的故障，通過對故障數(shù)據(jù)的完善利用，對于判斷電子板件的故障原因和開展健康管理具有非常重要的作用，隨著故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)的增加，電子板件的部件故障的統(tǒng)計分類也越來越具有價值和必要性。

1.2.3 電子板件關(guān)鍵數(shù)據(jù)測試

電子板件在使用過程中，存在電場、輻射、溫度等應(yīng)力，導(dǎo)致板件中的各個基本電路元件也會隨時間發(fā)生衰變。在城軌車輛維修車間，在沒有專業(yè)檢測設(shè)備和大量計算仿真分析的條件下，電子板件的衰變檢測可以使用以下幾種方法。

（1）利用示波器、萬用表等設(shè)備對電路中關(guān)鍵節(jié)點位置初態(tài)電壓、電流值幅值，電壓、電流上升率等參數(shù)，并與新板件對比測量，尋找差異性。其中，關(guān)鍵節(jié)點位置可根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，重點對無源元件三極管、功率MOS 管、變壓器，有源元件芯片輸入輸出位置等加以測量確定。

（2）利用紅外溫度測試儀、功率測試儀、診斷測試儀、示波器等設(shè)備對電路中關(guān)鍵節(jié)點位置穩(wěn)態(tài)溫升、紋波電壓、功率、通訊頻率等參數(shù)進行對比測量，對于溫度、電流上升率等參數(shù)異常的板件進行篩選鑒別。測試過程中應(yīng)盡可能地達到滿載的測試條件，以盡可能地滿足對于正線工況的模擬。

（3）利用萬用表、LCR 測試儀等對存在外觀、發(fā)熱量或回路電壓、電流值異常的回路元件進行進一步的測試。而常見的衰變元件包括電解電容、薄膜電阻、MOSFET、三極管、光耦等。

1.3 特征識別和選擇

特征識別是指基于對城軌電子板件的監(jiān)測和分析，從狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件分析數(shù)據(jù)中識別出可能與電子板件健康狀態(tài)相關(guān)的特征。性能變量識別方法主要通過對單個或多個狀態(tài)監(jiān)測變量進行，采用多種分析方法得到與電子板件元件衰變或故障相關(guān)的特征，并將此特征用于故障診斷或預(yù)測。

在電子板件衰變檢測的實際運用中，結(jié)合電路原理圖，在狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，對電子板件電路的相關(guān)節(jié)點對比測量，識別出特征值異常的回路和元件。特征值異常的識別應(yīng)建立在對板件電路結(jié)構(gòu)原理掌握的基礎(chǔ)之上，如在電壓前級輸入部分，重點電壓幅值、電壓上升率、電壓紋波等判斷電壓輸入前級的濾波質(zhì)量；在隔離轉(zhuǎn)換部分，重點對元件溫度、電壓紋波及響應(yīng)時間等重點識別；在芯片輸出或變壓輸出部分，重點對電壓輸出的零點漂移、輸出幅值等重點關(guān)注。特征識別和選擇同樣可通過維修數(shù)據(jù)的運用，篩選出關(guān)聯(lián)度較高的部件進行參數(shù)測試，再通過試驗的方式進一步確認(rèn)異常特征量。

1.4 特征融合

特征融合的意義在于通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將同類電子板件衰變做特征異常量的歸納，發(fā)現(xiàn)電子板件的最小公約的故障原因，有針對性地開展健康管理，這樣既能更明確地確認(rèn)電子板件系統(tǒng)衰變原因，又能將維護的成本和風(fēng)險降到最低。

特征值的識別和選擇為特征的融合提供了依據(jù)，再通過對同類電子板件基本狀態(tài)的整理，如批次、使用時間、使用環(huán)境等，將具有廣泛性的異常特征量進行融合，從而確定引起電子板件系統(tǒng)衰變的元件。

1.5 剩余壽命預(yù)測

在研究城軌車輛電子板件故障預(yù)測之前，需要對電子板件的衰變效應(yīng)做一定的闡述。

有研究證明，在電路的使用過程中，衰變效應(yīng)是一個影響電路使用壽命并且是不可避免的效應(yīng)。在電子板件數(shù)字電路和模擬電路這兩部分中，由于模擬電路具有模擬量輸出抗干擾能力弱、隨時間連續(xù)變化等特點，使其成為了對電子系統(tǒng)衰變影響較大的部分[5]。城軌車輛電子板件在長期運行中，由于工作時間長和電氣柜密封條件不良、溫度濕度變化大等外部環(huán)境影響，導(dǎo)致性能的逐漸衰變，對于模擬電路來說，電路中基本元件衰變是造成電路性能衰變的主要原因。表1 所示為電子板件中典型的元件以及對應(yīng)的衰變指標(biāo)。

表1 電子板件典型的組成部件及對應(yīng)的性能衰變主要指標(biāo)

城軌車輛電子板件中電阻、電容、MOSFET、二極管等器件大量使用，大量的研究表明，在典型工作條件下，由元件故障導(dǎo)致電路故障的主要為電解電容、薄膜電阻，MOSFET故障。在實際運用中，對電路中上述主要元器件做失效分析，進而進行故障預(yù)測是PHM的一個重要環(huán)節(jié)。

1.5.1 電解電容失效分析及剩余壽命預(yù)測

電解電容的陽極金屬氧化膜部分是影響其性能的主要部分。城軌電子板件中多以鋁電解電容故障為主，本文以此為分析對象，其等效電路模型如圖2所示，在其工作過程中，陽極金屬氧化膜會因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而不斷增厚，等效串聯(lián)電阻由于其變厚而增大，嚴(yán)重的情況下，電解電容會發(fā)生擊穿或者功能喪失。其主要表現(xiàn)為電容值C 的減小和等效電阻值RESR值的增大。

圖2 鋁電解電容簡化等效電路模型

根據(jù)運用較為廣泛的電解電容的衰變模型[6]，如式（1）所示：

式中：r 為衰變速率；A 為相關(guān)系數(shù)；E 為激活能；k為波耳茲曼常數(shù)；T為工作時的熱力學(xué)溫度。

由于鋁電解電容通常在電路中起著儲能和濾波的作用，其工作頻率較低，進而在核溫為T 時，t 時刻的RESR（t）與其初始值RESR（0）近似關(guān)系如式（2）所示：

式中：k 為常數(shù)，由電容的材料結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。

不同的文獻中對應(yīng)著不同的電解電容失效判據(jù)。參考關(guān)于電解電容失效判據(jù)[7-9]，結(jié)合城軌車輛電子板件的長時間使用、可靠性要求高等特點，綜合分析，本文以RESR增大為初始值的2.8 倍或者電容值減小為初始值的80%作為電解電容器的失效判據(jù)。根據(jù)式（1）的衰變關(guān)系，結(jié)合RESR的閥值便可得電解電容的剩余壽命。

1.5.2 薄膜電阻失效分析及剩余壽命預(yù)測

金屬薄膜電阻器的失效模式主要有開路、短路和阻值異常。引起金屬薄膜電阻衰變的原因包括材料的結(jié)構(gòu)變化、電阻氧化、腐蝕、焊腳接觸不良等[10]。工作環(huán)境溫度與使用時間是造成金屬薄膜電阻器發(fā)生衰變的主要因素，其衰變模型可以描述為[11]：

式中：R0為電阻的初始值；為電阻在t 時刻的衰變率；α 為常數(shù)；T 為工作時的熱力學(xué)溫度；Eα為激活能；k為波爾茲曼常數(shù)，k=8.617×10-5eV/K。

通過對薄膜電阻衰變機理分析，薄膜電阻常表現(xiàn)為隨著工作時間增加，其阻值會不斷增大。在實際運用中，針對確定的薄膜電阻型號，通過使用的環(huán)境溫度值和電阻變化值的運用計算，即可預(yù)測薄膜電阻的剩余壽命。

1.5.3 MOSFET失效分析及剩余壽命預(yù)測

MOSFET在城軌車輛電子板件故障中占有很大的比例，其性能衰變失效將直接影響電路工作效率、溫升指標(biāo)和技術(shù)性能，本文將以運用較為廣泛的VD?MOSFET 為討論對象。VDMOS 的封裝焊接層疲勞被認(rèn)為是一種主要失效模式，其可等效為理想開關(guān)和導(dǎo)通電阻的串聯(lián)形式，并且可以把導(dǎo)通電阻分為6個部分[12]：

式中：Rs為源區(qū)串聯(lián)電阻；Rch為溝道電阻；Racc為積累層電阻；RJ為相鄰兩P 阱間的電阻；RN+為N+層的導(dǎo)通電阻；Repi為高阻外延層電阻。

導(dǎo)通電阻增量的經(jīng)驗衰變模型為：

式中：t 為VDMOS 的工作時間；a、b 為衰變模型參數(shù)。

因此，將導(dǎo)通電阻Rw作為反映VDMOS 衰變程度的特征參數(shù)，依據(jù)加速實驗結(jié)果，結(jié)合城軌車輛對電子板件可靠性的需求，以Rw超過0.045 Ω作為VDMOS 的失效判據(jù)[13]。實際運用中，根據(jù)對應(yīng)型號MOSFET 的壽命曲線，結(jié)合Rw實際測量過程中與閾值的對應(yīng)關(guān)系，便可得出MOSFET的剩余壽命。

1.6 健康管理

電子板件上元器件剩余壽命的預(yù)測結(jié)果，可作為電子板件是否會發(fā)生功能性故障的重要依據(jù)，然而現(xiàn)今國內(nèi)外對電子板件元件衰退致使系統(tǒng)性失效問題尚沒有較為確定的評估方法，而基于電子板件的失效物理分析對于分析元件與系統(tǒng)的關(guān)系仍存在大量的不確定性問題。因此對于電子板件的維護而言，電子板件其元件狀態(tài)的故障預(yù)測對于板件是否會發(fā)生系統(tǒng)性故障預(yù)測也并非一成不變。數(shù)據(jù)驅(qū)動的健康管理方式正好能有效平衡技術(shù)瓶頸所帶來的技術(shù)與維護成本之間的關(guān)系。

電子板件健康管理的核心目的為降本、增效，決策過程中應(yīng)充分考慮元器件故障預(yù)測結(jié)果、電子板件功能性故障歷史頻率及后果、電子板件元器件更換成本、電子板件整體更換成本及后期維護成本等項點，給出對應(yīng)維護、維修的決策建議，或?qū)S護、維修進行動態(tài)地調(diào)整和優(yōu)化建模等。

圖3 電源板前級電壓輸入回路

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動PHM實例

以廣州地鐵A1 型車制動系統(tǒng)電源板為例，以實例方式介紹數(shù)據(jù)驅(qū)動PHM的運用。

A1 型車ECU（制動控制單元）電源板負(fù)責(zé)單節(jié)車ECU 板件、緊急電磁閥等部件的供電，該電源板為多路不同電壓等級輸入電源，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，且已持續(xù)使用超過20 年，內(nèi)部元件老化現(xiàn)象嚴(yán)重。ECU 電源板一旦正線發(fā)生故障，司機需切除對應(yīng)車輛的2個B09，造成列車清客和重大晚點，嚴(yán)重影響運營，加之備件緊缺、采購困難、板件老化嚴(yán)重，因此對該板進行故障預(yù)測和健康管理具有重要意義和現(xiàn)實價值。

統(tǒng)計從2015年至今共計送修30塊制動系統(tǒng)電源板，核查維修記錄，返修板件已查明原因的共計24塊，其故障點較為分散，如表2所示。

表2 廣州地鐵A1型車ECU電源板部件故障及次數(shù)

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，對故障的原因做進一步歸類分析，故障次數(shù)較多的啟動MOS 管（V10），JT1 小板，JT5小板均集中在+110 V電壓輸入回路或啟動MOS管（V10）直接輸出回路，從而確定對該電子板件的元件衰變檢測重點放在+110 V 前級電壓輸入回路內(nèi)，為制動系統(tǒng)電源板的隱患降低和健康管理提供了較好的方向指引。

結(jié)合電路結(jié)構(gòu)圖，80%以上已查明故障原因的元件都位于DC+110 V輸入及鄰近電路。利用示波器對比測量V10輸入電壓，舊板件明顯比新板件電壓上升率快，電壓紋波明顯。如圖4所示。

圖4 新舊電源板前級電壓輸入電壓特征對比

利用熱成像儀，故障較多的元件恰恰溫度普遍偏高，且對比板件溫升的差異，明顯有些板件溫升過快。如圖5所示。

圖5 故障電源板溫度特征

進一步檢查，V10MOS管、JT1板、JT5板損壞故障原因為輸入電容異常導(dǎo)致。電源輸入級的C5、C6損耗值增加，更換后充電時間增加了55%；C12，C13電容損耗值增加，更換后電壓穩(wěn)定性大幅提高。

經(jīng)過對另外5塊故障的ECU電源板溫升檢測，都存在空載工作15 min 后比新板溫度高至少5～10℃，輸入電壓緩沖時間短80%，電壓紋波明顯等特征。更換C5、C16、C12、C13 電容后與新件測量值基本相同。

抽取列車正在運用的5 塊A1 型車制動系統(tǒng)電源板做研究，對其電解電容C5、C6、C12、C13 做預(yù)測和評估，其衰變規(guī)律符合式（2），測試結(jié)果如表3所示。

表3 新舊板件C12、C13關(guān)鍵參數(shù)測量值

其中，以新件等效電阻RESR作為初始值RESR（0），RESR（t）衰變?yōu)槌跏贾档?0%作為閥值。

結(jié)果表明：50%的電解電容RESR衰變量超過閥值，80%的衰變量超過閥值的90%，100%的衰變量超過閥值的80%。A1 型車制動系統(tǒng)電源板大部分使用時間已超過20 年，如不改善，很可能導(dǎo)致電源板故障爆發(fā)，而實際中2018年的A1型車制動電源板故障數(shù)量也環(huán)比2017年大幅上漲80%。

根據(jù)故障預(yù)測的結(jié)果，同時由于制動系統(tǒng)電源板故障后影響大，考慮到制動系統(tǒng)3年后將全面升級改造、人力成本、維修風(fēng)險等，采取了以下措施。

（1）第一階段。利用熱成像儀溫度異常檢測的方式，立即開展既有車輛制動電源板普查整改工作?？紤]到備件數(shù)量、采購周期及工作量等因素，對板件中溫度存在異常的，電解電容C5、C6、C12、C13全部更換，第一階段共發(fā)現(xiàn)14塊電源板存在溫度異常過高的現(xiàn)象，故障占比11%，經(jīng)整改后，未再出現(xiàn)過制動系統(tǒng)電源板故障。

（2）第二階段。根據(jù)對電容可靠性模型及可靠性平臺仿真分析，故障率將一直呈現(xiàn)故障高發(fā)態(tài)勢，因此待采購的備件到貨后，對所有A1 型車制動系統(tǒng)電源板電解電容C5、C6、C12、C13全部更換。

通過對A1 型車制動系統(tǒng)電源板的衰變檢測及健康管理，達到了用較小的成本大幅提升車輛制動系統(tǒng)可靠性的目標(biāo)。

3 結(jié)束語

隨著城軌車輛電子板件的長期使用，電子板老化、元件性能下降問題逐漸突顯，電子板件故障頻次越來越高，對正線運營秩序影響較大，尤其是制動、控制、診斷等電子板件一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致車輛晚點或救援等故障。目前行業(yè)內(nèi)無相關(guān)的理論實踐的系統(tǒng)管理體系，通過對關(guān)鍵典型電路板件的衰變規(guī)律的檢測分析，提出基于電子元器件性能衰變檢測的預(yù)防性檢測維修體系并實踐，從而實現(xiàn)對電子板件故障的提前預(yù)防，提升地鐵正線運行的可靠性。

目前，數(shù)據(jù)驅(qū)動PHM 總體研究框架下的各個行業(yè)領(lǐng)域均有良好的推廣，同時也面臨許多現(xiàn)實的挑戰(zhàn)。城軌車輛電子板件的PHM 運用目前仍處在探索階段，檢測手段和系統(tǒng)壽命評估仍有很大的空間進一步完善，但隨著近年來中國城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，車輛設(shè)備可靠性和維護成本之間關(guān)系如果通過技術(shù)和流程優(yōu)化的手段加以簡化，必將為管理決策提供有力的支持，最終實現(xiàn)降本、增效的維護策略。