禹 建 偉，師 帥

(西安軌道交通集團有限公司 運營分公司，陜西 西安 710018)

故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)是指利用傳感器采集系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過先進的故障診斷和預測模型，對監(jiān)測對象的健康狀況進行評估，對其故障發(fā)生進行預測，為監(jiān)測對象的檢修與維護提供指導，從而大幅度提高運維效率。PHM最早起源于20世紀70年代，應用主要集中于航空發(fā)動機領(lǐng)域[1-3]，目前已經(jīng)在石化、能源、制藥、離散制造等行業(yè)的設備運營中得到廣泛的發(fā)展[4]。

目前，國內(nèi)在線運營的地鐵車輛超過4萬輛，地鐵車輛的檢修與維護遵循的是按照運營周期或者運營里程進行定期修，定期修方式存在過度維修的缺點，浪費資源；通過PHM系統(tǒng)對車輛各系統(tǒng)的健康狀況以及故障進行診斷與預測，根據(jù)車輛各系統(tǒng)的狀態(tài)進行狀態(tài)維修，可避免車輛各系統(tǒng)的過度維修，從而提高地鐵車輛的運維效率。

1 制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)的組成

制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)[5]主要包括車載狀態(tài)傳感器、制動系統(tǒng)車載PHM單元及地面PHM平臺三部分。車載狀態(tài)傳感器是指在車輛上安裝的與制動系統(tǒng)運行相關(guān)的狀態(tài)傳感器，利用車載狀態(tài)傳感器采集更多的車輛狀態(tài)信息用于車載PHM單元進行相關(guān)的故障預測與健康管理；制動系統(tǒng)車載PHM單元具備傳感器參數(shù)采集、制動系統(tǒng)運營狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取、故障診斷、故障預測、信息存儲及數(shù)據(jù)傳輸功能，負責制動系統(tǒng)故障預測與健康管理，診斷結(jié)果可以通過司機顯示屏進行顯示，便于司機與檢修人員查看制動系統(tǒng)狀態(tài)或者將實時診斷結(jié)果上報匯總到車輛PHM平臺進行統(tǒng)一管理；地面PHM平臺針對接入的車輛制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立產(chǎn)品的故障診斷、預測模型，實現(xiàn)運維管理，包括人員調(diào)度、備件管理及現(xiàn)場維修等。制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)功能

制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)采集、故障診斷、故障預測、健康狀態(tài)評判及運維任務管理等。

2.1 數(shù)據(jù)采集

制動系統(tǒng)PHM數(shù)據(jù)采集主要通過2種方式：通過網(wǎng)絡通信獲取制動系統(tǒng)自身的運營狀態(tài)數(shù)據(jù)以及通過車載PHM單元采集車載傳感器數(shù)據(jù)。

制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)可以通過制動系統(tǒng)與車載PHM之間的網(wǎng)絡通信接口獲取制動系統(tǒng)在車輛運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。表1為PHM系統(tǒng)獲取的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容。

表1 制動系統(tǒng)運行過程中PHM獲取的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容

為了更全面地評估制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，還需要在車輛上安裝其他輔助傳感器來綜合評估制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，新增傳感器由車載PHM單元采集，表2為車載PHM單元主要新增傳感器。

表2 車載PHM單元新增傳感器

2.2 故障診斷技術(shù)研究

制動系統(tǒng)車載PHM單元根據(jù)制動系統(tǒng)故障報警結(jié)果進行診斷定位分析，綜合故障時刻的各部件狀態(tài)數(shù)據(jù)、車輛運營數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)專家經(jīng)驗和實踐經(jīng)驗相結(jié)合建立的診斷模型對故障進行診斷，故障診斷結(jié)果可精確到最小可更換單元，提升現(xiàn)場故障排查效率。

電空制動系統(tǒng)壓力傳感器的2種常見故障為信號輸出漂移及無信號輸出，基于GM模型與Elman神經(jīng)網(wǎng)絡組合模型的方法可以及時檢測出傳感器發(fā)生的時刻，將故障壓力傳感器數(shù)據(jù)置為無效，并發(fā)出維修警告，指導檢修人員進行維護[6]；壓力傳感器數(shù)據(jù)無效后可通過冗余壓力傳感器進行相關(guān)的調(diào)壓與制動狀態(tài)輸出，避免故障傳感器輸出的非正常信號引起制動系統(tǒng)無制動力輸出或者制動不緩解故障的發(fā)生，提高故障發(fā)生后列車在線運行效率。

表3為制動系統(tǒng)常見故障診斷清單。

表3 制動系統(tǒng)常見故障診斷清單

2.3 故障預測技術(shù)

車載PHM單元主要針對存在早期征兆的故障進行預警，將預警結(jié)果發(fā)送至地面平臺進行進一步分析，在車載PHM單元運算能力范圍內(nèi)實現(xiàn)在線故障預測功能，復雜預警模型放置地面PHM系統(tǒng)實現(xiàn)其功能，故障預測的結(jié)果與車輛日常檢修維護周期相結(jié)合，逐步實現(xiàn)定期修到狀態(tài)修的過渡。

城軌車輛正常運營過程中，由于空氣制動系統(tǒng)的施加與緩解，中繼閥內(nèi)部的橡膠膜板以及彈簧部件會重復動作，由于磨損或制動力衰退，會導致中繼閥的性能偏離其標稱值。以中繼閥壽命預測為例進行研究，研究由線性模型與卡爾曼濾波器構(gòu)成的中繼閥自適應模型。如圖2所示，中繼閥線性模型中增加了表示由于部件老化性能蛻變導致偏離其標稱特性程度的健康參數(shù)；卡爾曼濾波器根據(jù)輸出的偏離量估算中繼閥狀態(tài)變量與部件健康參數(shù)，并對線性模型中健康參數(shù)進行修正，保證線性模型對于中繼閥對象的自適應跟蹤能力。

圖2 中繼閥自適應模型原理圖

卡爾曼濾波器是部件自適應模型的關(guān)鍵構(gòu)成部分，濾波器根據(jù)中繼閥與線性模型輸出的參數(shù)之間的殘差向量估算狀態(tài)變量與不可測量的部件健康參數(shù)，并將其用于修正線性模型中的對應參數(shù)，從而保證模型對中繼閥輸出的自適應跟蹤。

公式(1)描述了健康參數(shù)與中繼閥線性模型狀態(tài)、輸出參數(shù)之間的關(guān)系。在實際應用中，只有中繼閥的輸出參數(shù)(壓力、響應時間)是直接可測的，卡爾曼濾波器可以通過系統(tǒng)輸出參數(shù)估計系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，因此，將中繼閥健康參數(shù)Δp增廣為狀態(tài)向量，得到部件的線性模型：

(1)

式中：Δp——部件健康變化參數(shù)；

Δx——部件輸出的健康狀態(tài)；

ω——測量噪聲，通常認為是高斯噪聲信號；

υ——系統(tǒng)噪聲，通常認為是高斯噪聲信號；

Δy——部件健康狀態(tài)的測量參數(shù)；

Δμ——部件健康參數(shù)；

A、B、C、D、L、M——確定的常數(shù)。

公式(2)為設計的卡爾曼濾波器。

(2)

式中：K——卡爾曼濾波器增益矩陣。

由公式(2)可見，通過增廣中繼閥健康參數(shù)為狀態(tài)向量，卡爾曼濾波器可根據(jù)模型與中繼閥輸出量的偏差估計狀態(tài)變量，得到部件健康參數(shù)估計結(jié)果。

制動系統(tǒng)主要故障預測清單見表4。

表4 制動系統(tǒng)主要故障預測清單

2.4 健康狀態(tài)評判

制動系統(tǒng)車載PHM單元根據(jù)故障診斷以及預測的結(jié)果評估制動系統(tǒng)當前所屬健康狀態(tài)。表5為制動系統(tǒng)健康等級評估。

表5 制動系統(tǒng)健康等級評估

2.5 運維任務管理

制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)將車載PHM單元與地面PHM平臺故障診斷以及預測的結(jié)果匯總到地面PHM平臺，地面PHM平臺結(jié)合車輛的故障影響、故障權(quán)重、維修歷史、備件管理、人員派遣以及車輛調(diào)度等信息，實現(xiàn)運維管理，形成最終決策,主要包括作業(yè)人員調(diào)度、故障確認、現(xiàn)場維修、維修確認及運營優(yōu)化等環(huán)節(jié)。圖3為運維任務管理流程圖。

圖3 運維任務管理流程圖

3 制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)主要部件

3.1 車載PHM單元

制動系統(tǒng)車載PHM單元主要包含電源板卡、行車數(shù)據(jù)記錄板卡、數(shù)據(jù)采集板卡及PHM管理板卡。電源板卡主要為車載PHM單元供電；行車數(shù)據(jù)記錄板卡集成了原有制動系統(tǒng)維護裝置(制動系統(tǒng)行車記錄儀)功能，具備CAN總線數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；?shù)據(jù)采集板卡主要實現(xiàn)車輛新增傳感器數(shù)據(jù)采集功能，為PHM單元的健康管理提供環(huán)境參考數(shù)據(jù)；PHM管理板卡為車載PHM單元的核心板卡，CPU集成部件的健康管理模型，通過獲取的制動系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、車輛參數(shù)數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)，對制動系統(tǒng)各部件進行故障診斷與故障預測，實現(xiàn)制動系統(tǒng)健康管理功能。圖4為制動系統(tǒng)車載PHM單元主要結(jié)構(gòu)。

圖4 制動系統(tǒng)車載PHM單元主要結(jié)構(gòu)

3.2 地面PHM平臺

制動系統(tǒng)地面PHM平臺可以設置在制動系統(tǒng)生產(chǎn)廠家或者地鐵用戶。地面PHM平臺具備系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸、故障診斷、故障預測、系統(tǒng)健康評估以及運維決策等功能。

車輛在線路運行過程中可以通過4G無線方式將列車運營過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面PHM平臺或者車輛回庫后通過軌旁的無線局域網(wǎng)實現(xiàn)車輛運營數(shù)據(jù)的收集。地面PHM平臺采集相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行車載故障診斷及預測分析，與車載PHM單元相比，具有處理數(shù)據(jù)量大、計算資源多等特點，可進行復雜算法計算、多車輛大容量數(shù)據(jù)對比分析等。如圖5所示，通過地面顯示平臺可以實時顯示在線車輛制動系統(tǒng)制動缸壓力、電制動力、制動施加狀態(tài)、停放施加狀態(tài)、車輛載荷信息及故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)與展望

以地鐵車輛目前檢修維護發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，設計了一套車輛制動系統(tǒng)PHM系統(tǒng)，可以對車輛制動系統(tǒng)運行過程、車輛運行環(huán)境等數(shù)據(jù)進行采集，通過智能專家診斷算法實現(xiàn)制動系統(tǒng)的故障診斷、故障預測以及系統(tǒng)健康狀態(tài)評估，綜合車輛調(diào)度、備件準備、人員調(diào)度等信息對車輛故障進行處理。

目前國內(nèi)軌道交通車輛的健康管理硬件平臺已經(jīng)日趨完善，與國外主要PHM廠家的主要差距在于部件的健康模型的準確性，而能正確預測部件的故障預測模型更難。如何將專家經(jīng)驗和實踐經(jīng)驗相結(jié)合是軌道交通車輛PHM系統(tǒng)的核心，相信隨著國內(nèi)各車輛子系統(tǒng)運營經(jīng)驗的增多，故障健康管理的模型準確性會逐步提高。