楊 晨

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

故障管理是動車組運(yùn)用維修中的重要環(huán)節(jié)，是確保動車組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。隨著動車組修程修制的改革、數(shù)字化精準(zhǔn)維修的推進(jìn)和現(xiàn)場動車組運(yùn)維業(yè)務(wù)的深入，故障數(shù)據(jù)的采集途徑越來越多，除了傳統(tǒng)的人工錄入方式，還有來自各種自動化設(shè)備的檢測和不同信息化系統(tǒng)的診斷。多種多樣的故障數(shù)據(jù)采集來源，導(dǎo)致故障數(shù)據(jù)體量大增，且不同來源的故障數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、處理流程、存儲位置等方面各不相同，這給動車組故障統(tǒng)一管理和多源故障關(guān)聯(lián)分析帶來了不少困難。

為了使動車組故障分析水平得到顯著提升，打破故障分析僅停留在單一系統(tǒng)內(nèi)的割裂局面成為關(guān)鍵。本文針對動車組多源故障數(shù)據(jù)特點(diǎn)，構(gòu)建動車組多源故障管理平臺，設(shè)計(jì)提出多源故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理流程，實(shí)現(xiàn)對多源故障的統(tǒng)一、閉環(huán)管理，為運(yùn)用維修單位管理人員能夠及時掌握動車組所有故障、合理安排檢修生產(chǎn)活動提供便利。

1 動車組多源故障管理現(xiàn)狀分析

動車組故障來源主要包括檢修故障、乘務(wù)故障、運(yùn)行設(shè)備故障、自動化設(shè)備檢測和一些監(jiān)測系統(tǒng)，多來源故障為故障的統(tǒng)一分析帶來了許多困難，主要原因在以下幾個方面。

1.1 故障數(shù)據(jù)體量巨大

動車組故障數(shù)據(jù)來源涵蓋了人工檢查、各類檢測監(jiān)測設(shè)備、建模分析等各個方面，數(shù)據(jù)來源廣泛，而且隨著信息化、智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，諸如動車組車載無線傳輸系統(tǒng)（WTDS）、動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（PHM）、動車組運(yùn)行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TEDS）等一大批信息化系統(tǒng)接連上線，數(shù)據(jù)體量不斷攀升。

1.2 故障數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各異

動車組多源故障結(jié)構(gòu)各不相同。（1）行車設(shè)備故障強(qiáng)調(diào)故障影響，數(shù)據(jù)包含是否造成停車、停車時間、是否形成事故、責(zé)任劃分、是否啟用救援等信息；（2）WTDS 和PHM 系統(tǒng)故障包含大量動車組傳感器參數(shù)及外部環(huán)境數(shù)據(jù)；（3）地面安全監(jiān)測系統(tǒng)故障包含圖像、聲音、探測站等數(shù)據(jù)。

1.3 故障確認(rèn)流程不同

動車組多源故障的確認(rèn)流程也不盡相同。（1）檢修故障、乘務(wù)日志故障、行車設(shè)備故障都是由人工直接確認(rèn)的故障，不需要復(fù)核；（2）自動化設(shè)備故障、WTDS 故障、PHM 故障、地面安全監(jiān)測故障都需要人工復(fù)核后才能真正形成一條故障。

1.4 數(shù)據(jù)存儲位置不統(tǒng)一

動車組多源故障數(shù)據(jù)分布于全路范圍內(nèi)的眾多信息系統(tǒng)中。（1）檢修故障、乘務(wù)日志故障、行車設(shè)備故障都由相關(guān)人員錄入至動車組管理信息系統(tǒng)中；（2）自動化設(shè)備故障存儲在檢修設(shè)備信息系統(tǒng)中；（3）WTDS 故障、PHM 故障、地面安全監(jiān)測故障分別存儲在各自的管理信息系統(tǒng)中。

2 動車組故障來源分析

2.1 動車組檢修故障

檢修故障指動車組檢修過程中的故障，主要包括運(yùn)用檢修故障、高級檢修故障和委外檢修故障3 類。其中，運(yùn)用檢修故障和高級檢修故障主要指各修程檢修作業(yè)時由人工檢查發(fā)現(xiàn)的故障。委外檢修指檢修車間將動車組拆解后的零部件交與第三方單位進(jìn)行承修，委外檢修故障即為該第三方單位發(fā)現(xiàn)的故障。委外檢修故障不含動車組的車組、車廂信息，只含有動車組配件信息。

2.2 乘務(wù)故障

乘務(wù)故障指動車組乘務(wù)巡檢過程中的故障，也稱乘務(wù)日志故障，是隨車機(jī)械師在動車組在出庫?運(yùn)行?入庫過程中，按照規(guī)定進(jìn)行巡檢填報(bào)的“隨車機(jī)械師乘務(wù)日志”和“動車組故障交接記錄單”中的故障[1]。該部分故障主要包括動車組服務(wù)設(shè)施發(fā)現(xiàn)的異常，如動車組車門、座椅、衛(wèi)生間等設(shè)施的臟污、破損、零件缺失及其他車組結(jié)構(gòu)的異常，如轉(zhuǎn)向架異音、異響。

2.3 行車設(shè)備故障

當(dāng)動車組因故障或其它行車設(shè)備原因造成列車運(yùn)行途中停車或晚點(diǎn)時，還將形成行車設(shè)備故障。行車設(shè)備故障發(fā)生后，由故障發(fā)生地所在鐵路局集團(tuán)公司上報(bào)至中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱：國鐵集團(tuán)），并需要擔(dān)當(dāng)局集團(tuán)公司和國鐵集團(tuán)對故障進(jìn)行分析。

2.4 自動化設(shè)備檢測的故障

自動化設(shè)備檢測的故障指動車運(yùn)用所和檢修車間的各類檢修檢測設(shè)備發(fā)現(xiàn)的故障，包括動車組輪對故障動態(tài)檢測設(shè)備、受電弓檢測系統(tǒng)、車底檢測機(jī)器人、空心車軸探傷設(shè)備、輪輞輪輻探傷設(shè)備等。該部分故障主要是動車組的特定部位的檢測超限、缺陷記錄，如動車組輪對故障動態(tài)檢測設(shè)備主要檢測輪對各類尺寸、擦傷、探傷缺陷[2]，車底檢測機(jī)器人主要對動車組車底部位部件進(jìn)行圖像檢查[3]。隨著修程修制改革和一級修機(jī)檢人檢相結(jié)合的開展，該來源故障將占有越來越大的比重。

2.5 動車組WTDS 診斷的故障

系統(tǒng)通過采集動車組牽引、制動、軸溫等關(guān)鍵子系統(tǒng)，以及車門、空調(diào)、衛(wèi)生間等客服設(shè)施工作狀態(tài)及監(jiān)控故障報(bào)警信息，結(jié)合動車組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的運(yùn)行參數(shù)和工作環(huán)境參數(shù)，為司機(jī)、隨車機(jī)械師對列車及相關(guān)設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控、操作提供服務(wù)[4]。隨著PHM 系統(tǒng)的建設(shè)與實(shí)施，WTDS 數(shù)據(jù)將越來越多通過模型完成故障診斷。

2.6 動車組PHM 診斷的故障

PHM 匯集了動車組新造、檢修運(yùn)用、檢測、監(jiān)測、環(huán)境等多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)手段建立模型，實(shí)現(xiàn)動車組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控、故障預(yù)警預(yù)測、層次化的健康評估、視情維修，修程修制優(yōu)化等功能[5]。PHM 實(shí)時計(jì)算的運(yùn)行參數(shù)主要來自WTDS 系統(tǒng)，通過模型預(yù)測或規(guī)則診斷出動車組的運(yùn)行異常。

2.7 地面安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的故障

地面安全監(jiān)測系統(tǒng)主要指動車組運(yùn)行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TEDS）、動車組滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）等軌邊設(shè)備[6-8]。該類設(shè)備通過圖像、聲音等方式對高速運(yùn)行的動車組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)的故障多集中在動車組的車底部位。

3 動車組多源故障管理平臺設(shè)計(jì)

3.1 動車組多源故障管理平臺架構(gòu)

為了提高動車組故障分析效率，統(tǒng)一分析多源故障，結(jié)合動車組多源故障數(shù)據(jù)來源分析，搭建動車組多源故障管理平臺，如圖1 所示。

圖1 動車組多源故障管理平臺架構(gòu)示意

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層

平臺建設(shè)的基礎(chǔ)保障，在各動車段和國鐵集團(tuán)建立運(yùn)行環(huán)境，為整個平臺提供基礎(chǔ)服務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)資源層

完成平臺數(shù)據(jù)資源的規(guī)劃設(shè)計(jì)和分類管理，對動車組多源故障數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有效的采集、組織和存儲，采用大數(shù)據(jù)手段對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的計(jì)算分析。

（3）應(yīng)用服務(wù)層

實(shí)現(xiàn)基于動車組多源故障數(shù)據(jù)的軟件和應(yīng)用服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)資源層關(guān)鍵技術(shù)

在動車組多源故障管理平臺的數(shù)據(jù)資源層，只有通過規(guī)范形式對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建，才能實(shí)現(xiàn)故障的統(tǒng)一管理及應(yīng)用服務(wù)層的各項(xiàng)功能。

3.2.1 多源故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

圖2 動車組多源故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系

本文按照故障處理流程角度將故障相關(guān)要素信息進(jìn)行分層歸類，構(gòu)建的多源故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系，如圖2 所示，分為故障發(fā)現(xiàn)層、故障主體層、解決方案層、故障處理層、故障分析層5 個維度。

（1）故障發(fā)現(xiàn)層

故障發(fā)生時的所有外部信息，是進(jìn)行故障分析及預(yù)測時的重要參考信息。

（2）故障主體層

描述故障發(fā)生時的主體對象信息。包括車組級信息、配件級信息和故障現(xiàn)象信息。

（3）解決方案層

故障的建議解決方案，是故障知識庫的累積，也是維修能力的體現(xiàn)。

（4）故障處理層

故障發(fā)生后相關(guān)人員的應(yīng)對措施，該層是故障閉環(huán)的關(guān)鍵。包括故障途中處置與庫內(nèi)處理信息。

（5）故障分析層

從故障發(fā)現(xiàn)到處理結(jié)束后對整個故障閉環(huán)流程的分析評價(jià)以及對故障影響后果的分析。

故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系的建立有利于統(tǒng)一動車組多源故障數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)利用價(jià)值，且該標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系中的各層級信息相對獨(dú)立，能更方便地運(yùn)用各類數(shù)學(xué)方法與大數(shù)據(jù)模型對故障數(shù)據(jù)提取分析，以輔助研究動車組部件的全生命周期管理。

3.2.2 多源故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理關(guān)鍵技術(shù)

（1）故障合并

由于動車組多源故障的存在，很可能出現(xiàn)同一條故障多次發(fā)現(xiàn)的情況，為保證故障分析的有效性，降低故障分析時冗余數(shù)據(jù)的影響，定義故障主體信息為一條故障數(shù)據(jù)的唯一判斷依據(jù)，即故障主體一致的多條故障才可以被合并為一條故障。故障合并可能發(fā)生在故障發(fā)現(xiàn)時，也可能發(fā)生在故障分析中。

（2）統(tǒng)一故障字典

不同來源的動車組故障數(shù)據(jù)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)對故障現(xiàn)象進(jìn)行描述，包括各系統(tǒng)、各主機(jī)廠乃至各鐵路局集團(tuán)公司之間的故障字典都不相同，為故障統(tǒng)一分析帶來難度。因此采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系對故障進(jìn)行管理的前提是建立一套完整并適用于全路和各個主機(jī)廠的故障字典。

3.3 應(yīng)用服務(wù)層主要功能

3.3.1 故障閉環(huán)管理

故障閉環(huán)管理是動車組故障最基本需求，指一條故障從發(fā)現(xiàn)到該故障狀態(tài)變?yōu)椤耙烟幚怼钡恼麄€流程。故障閉環(huán)管理包括故障采集、故障下發(fā)分配和故障處理回填3 部分：（1）故障采集實(shí)現(xiàn)多源故障數(shù)據(jù)通過各種方式進(jìn)入故障管理系統(tǒng)；（2）各檢修單位將故障分配至具體檢修人員進(jìn)行處理；（3）故障處理回填實(shí)現(xiàn)檢修人員對故障處理情況填寫。結(jié)果為已處理，該故障閉環(huán)；未處理完畢，進(jìn)入遺留故障等待下一次入庫檢修下發(fā)分配后再次處理。

3.3.2 故障統(tǒng)計(jì)分析

多源故障查詢和統(tǒng)計(jì)分析對動車組檢修故障進(jìn)行匯總，提供故障詳細(xì)信息的查詢、故障多維度統(tǒng)計(jì)功能。使管理人員充分了解動車組多源故障的分布情況及變化趨勢，為故障趨勢分析及改進(jìn)檢修工作提供依據(jù)。

3.3.3 故障知識庫管理

建立故障知識庫，對動車組歷史故障實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、專業(yè)化管理，提高故障信息的準(zhǔn)確度和利用價(jià)值，便于通過數(shù)據(jù)分析掌握動車組故障規(guī)律。

3.3.4 重點(diǎn)故障管理

將動車組經(jīng)常發(fā)生的故障或重點(diǎn)部件的故障通過自動和人工篩選成為重點(diǎn)故障，記錄重點(diǎn)故障的模式、原因、處置過程等，以便積累維修知識和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)故障處理和日常檢修。

3.3.5 故障預(yù)測與維修決策管理

結(jié)合交路、環(huán)境等外部因素，通過大數(shù)據(jù)分析動車組高故障率部件故障發(fā)生規(guī)律和性能演化趨勢，尋找故障隱患，生成預(yù)防性維修方案，排除潛在故障。

4 結(jié)束語

本文通過對動車組故障數(shù)據(jù)來源進(jìn)行分析，提出了動車組多源故障管理平臺的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過構(gòu)建動車組故障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)動車組多源故障統(tǒng)一管理，以及故障閉環(huán)管理、統(tǒng)計(jì)分析、故障知識庫管理、重點(diǎn)故障管理、故障預(yù)測與維修決策管理等功能。動車組多源故障管理平臺目前還在設(shè)計(jì)階段，尤其是多源故障數(shù)據(jù)的匯集，仍需要與各個系統(tǒng)建立完備的接口協(xié)議。而且故障預(yù)測與維修決策模型建立，仍需要對動車組不同部位的故障數(shù)據(jù)反復(fù)驗(yàn)證分析，開展更深的研究。