宋文彬，張棟，吳斌

（1.中國鐵路上海局集團有限公司 車輛部，上海 200071；2.中國鐵路上海局集團有限公司 科技和信息化部，上海 200071）

0 引言

故障預測與健康管理技術（Prognostics and Health Management，PHM）［1］已被廣泛應用于國際軍事、航空航天等領域［2］。在軌道交通領域，西門子與阿爾斯通公司也建立了各自的PHM系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對軌道車輛及基礎設備的遠程監(jiān)控、快速診斷和預防性故障預測，同時還利用PHM技術對關鍵部件的健康狀態(tài)進行實時評估，預測未來風險并進行修程的優(yōu)化［3］。近年來，中國國家鐵路集團有限公司、鐵路局集團公司及動車組主機企業(yè)也開展了動車組PHM技術應用探索工作，其中中國鐵路上海局集團有限公司（簡稱上海局集團公司）依托動車組遠程無線傳輸數(shù)據(jù)（WTD）及動車組運維過程數(shù)據(jù)，開發(fā)了動車組故障預測與健康管理系統(tǒng)（簡稱地面PHM系統(tǒng)）并在全路范圍初步試用，能夠?qū)崿F(xiàn)動車組故障預警預測、部件視情維修及應急輔助決策等功能［4］；中車長春軌道客車股份有限公司（簡稱長客股份公司）依托自主研發(fā)設計的復興號動車組平臺，開展了智能化的探索工作，其中新一代復興號智能動車組搭載了車載故障預測與健康管理系統(tǒng)（簡稱車載PHM系統(tǒng)），能夠?qū)崿F(xiàn)動車組故障的預警、預測等功能。隨著智能動車組的廣泛應用，如何用好車載PHM系統(tǒng)［5］，深化研究車載與地面PHM系統(tǒng)之間的分工協(xié)作關系，探索PHM系統(tǒng)應用場景，對于我國未來高速鐵路的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化具有重要意義［6］。

基于現(xiàn)階段智能動車組PHM系統(tǒng)應用情況，探討車載PHM系統(tǒng)優(yōu)化建議及地面PHM系統(tǒng)與車載PHM系統(tǒng)之間的分工融合方案，通過搭建一套車地聯(lián)動的PHM系統(tǒng)平臺，探索PHM技術在動車組運維方面的進一步應用。

1 車載PHM系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 車載PHM系統(tǒng)架構(gòu)

以CR400BF平臺智能動車組為例，每列智能動車組均設置了車載PHM系統(tǒng)，主要由車載PHM單元、智能集成監(jiān)控屏及手持移動終端3個部分組成，采用以太網(wǎng)及車載Wi-Fi進行通信，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)車載實時狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、故障預警預測和壽命件動作次數(shù)統(tǒng)計預警等功能［7］。

目前車載PHM系統(tǒng)涵蓋了智能動車組高壓、牽引、制動、網(wǎng)絡、走行部和車門等關鍵系統(tǒng)，采用正向設計和問題導向雙原則，共部署了模型39類，在智能集成監(jiān)控屏和手持移動終端進行模型預警提示，并通過遠程數(shù)據(jù)無線傳輸設備（WTD）實現(xiàn)預警信息的數(shù)據(jù)落地。車載PHM系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 車載PHM系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 工作原理

（1）數(shù)據(jù)接入：車載PHM單元通過列車以太網(wǎng)，采用標準TRDP通信協(xié)議從列車總線上采集關鍵系統(tǒng)及部件的狀態(tài)參數(shù)、故障參數(shù)等信息［7］，一方面按照解析協(xié)議對采集的數(shù)據(jù)進行處理后存儲在車載PHM系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)庫，另一方面通過以太網(wǎng)直接接收來自其他子系統(tǒng)計算產(chǎn)生的PHM預警信息，并進行存儲。

（2）數(shù)據(jù)計算：一方面車載PHM單元通過已部署的預警預測模型對基礎數(shù)據(jù)進行計算，產(chǎn)生車載PHM預警故障，另一方面車載PHM單元對關鍵環(huán)路繼電器、接觸器的動作信息等數(shù)據(jù)進行采集。

（3）數(shù)據(jù)傳輸：車載PHM單元將PHM預警數(shù)據(jù)進行打包處理，發(fā)送至以太網(wǎng)、智能監(jiān)控屏及WTD裝置通過以太網(wǎng)獲取車載PHM故障預警信息進行顯示及發(fā)送。同時車載PHM單元經(jīng)過列車專用Wi-Fi將PHM預警數(shù)據(jù)及關鍵參數(shù)數(shù)據(jù)進行打包處理發(fā)送至手持移動終端進行展示。

（4）數(shù)據(jù)展示：智能監(jiān)控屏通過以太網(wǎng)獲取車載PHM故障預警信息及關鍵參數(shù)信息，將數(shù)據(jù)解析后在智能監(jiān)控屏進行展示。WTD裝置將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至地面，經(jīng)數(shù)據(jù)解析后在地面PHM系統(tǒng)進行展示。手持移動終端利用列車內(nèi)部專用的具有安全措施的局域網(wǎng)Wi-Fi與車載PHM單元進行數(shù)據(jù)交互［7］，經(jīng)過解析協(xié)議解析后在手持移動終端界面對參數(shù)數(shù)據(jù)及預警故障進行展示。

1.3 應用情況

目前，車載PHM系統(tǒng)僅在復興號智能動車組搭載，截至2022年2月，全路共計配屬了17列智能動車組，涉及長客股份公司設計生產(chǎn)的12列CR400BF-BZ/GZ/Z型動車組以及中車青島四方機車車輛股份有限公司設計生產(chǎn)的5列CR400AF-BZ/Z型動車組。

車載PHM系統(tǒng)主要實現(xiàn)了車載實時狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示，故障預警、預測，壽命件動作次數(shù)統(tǒng)計預警等功能，其中長客股份公司設計生產(chǎn)的CR400BF-BZ/GZ/Z型智能動車組車載PHM系統(tǒng)共計搭載了7個系統(tǒng)39類故障預警模型，目前主要通過車載智能監(jiān)控屏展示，以及經(jīng)WTD設備落地至地面PHM系統(tǒng)進行展示和應用。車載PHM系統(tǒng)預報故障作為地面PHM系統(tǒng)的有效補充手段，可以指導動車組維修單位進行故障分析及車組檢修。同時針對壽命件動作次數(shù)功能，研究制定了壽命件動作次數(shù)統(tǒng)計應用方案，通過長期跟蹤壽命件使用情況，為后期高級修到限壽命件的更換以及修程優(yōu)化奠定數(shù)據(jù)基礎。

1.4 優(yōu)化方向

（1）車載PHM模型采用狀態(tài)參數(shù)的形式進行傳輸，當需要升級新模型時，需對車載PHM主機中狀態(tài)參數(shù)協(xié)議進行更新，同時手持移動終端、智能監(jiān)控屏需同步進行軟件升級，變更傳輸協(xié)議，地面PHM系統(tǒng)也需要同步更新解析協(xié)議，否則無法顯示新增的PHM預警。上述更新方式導致目前車載PHM系統(tǒng)在模型配置、模型驗證及迭代升級等方面一定程度上受限于其他部件的軟件升級，預警模型更新靈活性有待進一步提高。

（2）車載PHM單元根據(jù)PHM預警的數(shù)據(jù)需求制定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，從以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)獲取，未能充分考慮后續(xù)PHM系統(tǒng)預警模型拓展及關聯(lián)數(shù)據(jù)的展示需求，每當預警模型開發(fā)需要新的數(shù)據(jù)時，均需變更PHM單元與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集底層協(xié)議，PHM系統(tǒng)擴展性受到一定限制，數(shù)據(jù)存儲全面性有待進一步提高。

（3）車載PHM模型與地面PHM模型存在預警規(guī)則不統(tǒng)一、部分預警規(guī)則重復等問題，同時部分車載PHM系統(tǒng)預警預測模型由TCU或安全監(jiān)測主機進行計算，車載PHM系統(tǒng)僅接收計算后的預警結(jié)果，與車載3級故障代碼間的關系有待進一步明確。

（4）手持移動終端僅通過車載Wi-Fi專用內(nèi)網(wǎng)與車載PHM主機進行通信，無法實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，隨車機械師相關的日常巡檢信息和發(fā)現(xiàn)的故障信息數(shù)據(jù)無法通過手持移動終端進行處理落地，在深度整合動車組隨車機械師相關業(yè)務場景，融合動車組交路、運用信息、動車組全景等其他外部數(shù)據(jù)方面還有待進一步完善。

第三步，應用Surfer軟件(11版本或更高)導入上述第二步編輯后的翻漿冒泥病害區(qū)域底界控制點數(shù)據(jù)文件，設定等值線平面圖的比例尺(建議設定為1∶100)，設定插值方法為克里金插值法，生成網(wǎng)格節(jié)點數(shù)據(jù)文件。

2 車載PHM系統(tǒng)優(yōu)化建議

2.1 優(yōu)化車載PHM通信協(xié)議

將車載PHM系統(tǒng)預警信息以故障代碼形式進行傳輸，不以狀態(tài)參數(shù)形式進行傳輸?shù)姆绞?，?yōu)化車載PHM通信協(xié)議，當新增或是變更PHM預警信息時，傳輸協(xié)議無需變更，僅需更改不同終端的解析字典即可，提高車載PHM模型部署的便利性，同時避免變更傳輸協(xié)議時的智能監(jiān)控屏、WTD設備及手持移動終端的軟件升級工作，提高車載PHM系統(tǒng)靈活性。

2.2 拓展PHM系統(tǒng)模型來源

深度融合車載及地面PHM系統(tǒng)，拓展車載PHM系統(tǒng)功能，鐵路局集團公司、主機廠及供應商共同做好車載PHM模型的部署研究工作，車載PHM系統(tǒng)設置獨立模塊，可將鐵路局集團公司、主機廠及供應商自行研發(fā)的模型獨立部署至車載PHM系統(tǒng)。

2.3 擴展智能監(jiān)控屏展示內(nèi)容

目前智能監(jiān)控屏作為車載PHM系統(tǒng)在動車組上唯一的展示界面，僅實現(xiàn)了對軸溫等溫度數(shù)據(jù)曲線的繪制和展示，但對于關鍵一、二級故障代碼，尚未實現(xiàn)對其關聯(lián)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時展示。建議研究通過對智慧監(jiān)控屏處理能力及存儲能力進行升級的方式，實現(xiàn)故障代碼與環(huán)境數(shù)據(jù)聯(lián)動顯示的功能，如當預報網(wǎng)壓超過限定值故障代碼時，無需下載車載數(shù)據(jù)，點擊詳情即可查看故障發(fā)生時刻前后5 min網(wǎng)壓具體數(shù)值，進一步提高故障報警后的處置效率。

2.4 改進PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則

車載PHM系統(tǒng)功能拓展方面，研究增加預警故障的環(huán)境數(shù)據(jù)關聯(lián)功能，現(xiàn)階段地面PHM系統(tǒng)預警受限于數(shù)據(jù)精度，往往無法查看故障預警前后的詳細數(shù)據(jù)，此時若該模型由車載PHM系統(tǒng)負責，車載PHM單元在產(chǎn)生該條預警后，同步截取預警時間段前后的詳細環(huán)境數(shù)據(jù)進行打包，經(jīng)由WTD傳輸至地面PHM系統(tǒng)，此時地面分析人員可以查看預警時間段的高精度參數(shù)數(shù)據(jù)，有利于故障的分析研判。

3 PHM系統(tǒng)分工研究

3.1 地面PHM系統(tǒng)實現(xiàn)功能

上海局集團公司自主開發(fā)搭建地面PHM系統(tǒng)，通過建立運算模型，對動車組遠程實時無線傳輸數(shù)據(jù)（WTD）和運用檢修數(shù)據(jù)進行分析［8］，按照“PHM+安全保障”和“PHM+運維技術”兩大研究方向進行系統(tǒng)平臺建設。

安全保障研究方面，主要基于動車組各類實時運用數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展動車組健康監(jiān)測、故障預警預測、應急輔助決策、重點故障管理、安全輔助保障等5個方面的技術研究，以業(yè)務管理的安全高效為目標導向，利用數(shù)學建模、VR全景、神經(jīng)網(wǎng)絡等先進技術，實現(xiàn)動車組日常運維中遠程故障的智能預警、關鍵系統(tǒng)部件的實時狀態(tài)預警預測、列車途中故障的應急輔助指揮和支持、重點故障的信息管理、源頭質(zhì)量和技術改造管理、踏面硌傷輔助排查以及防寒打溫的智能管理［4］。

運維技術研究方面，基于動車組運維技術現(xiàn)狀的分析，通過對動車組關鍵部件系統(tǒng)全生命周期性能演化規(guī)律的研究，開展動車組部件視情維修、輪對精準旋修、修程修制優(yōu)化、健康評估、檢修計劃管理等5個方面的技術研究，運用物理模型推演、計算機輔助仿真分析、基于證據(jù)理論的指數(shù)融合、專家系統(tǒng)及機器學習等工具方法，實現(xiàn)動車組部分重要部件的狀態(tài)修、輪對旋修方案的精準優(yōu)化、維修項目和間隔的組包優(yōu)化與評估管理、各類健康評價指數(shù)的生成與擬合、日常運用檢修計劃和方案的智能編排與決策支持。地面PHM系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 地面PHM系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 車載PHM系統(tǒng)與地面PHM系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

地面PHM系統(tǒng)獲取動車組數(shù)據(jù)主要依托動車組遠程實時無線傳輸數(shù)據(jù)（WTD），因受限于無線網(wǎng)絡帶寬及傳輸速率，導致動車組大部分部件參數(shù)數(shù)據(jù)僅能做到分鐘級，數(shù)據(jù)精度相對不高，同時數(shù)據(jù)丟包、數(shù)據(jù)延遲問題時有發(fā)生。地面PHM系統(tǒng)優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)來源眾多，無論是互聯(lián)網(wǎng)上的外部環(huán)境數(shù)據(jù)，還是動車組檢修過程數(shù)據(jù)及相關檢測設備數(shù)據(jù)，都可以作為地面PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)補充，同時得益于地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲庫的大容量，地面PHM系統(tǒng)可以開展多角度、多維度、長時間跨度的數(shù)據(jù)分析工作。

車載PHM系統(tǒng)直接通過列車以太網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度較高，可達毫秒級，且無數(shù)據(jù)丟包及延遲問題，但受限于單臺主機算力及數(shù)據(jù)存儲限制，執(zhí)行長時間、多維度跨度的數(shù)據(jù)計算較為困難，同時車載PHM系統(tǒng)受限于數(shù)據(jù)來源，僅能獲取動車組以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，無法獲取動車組運用檢修等數(shù)據(jù)進行綜合分析判斷［9］。

3.3 車載PHM系統(tǒng)與地面PHM系統(tǒng)融合方案

3.3.1 數(shù)據(jù)處理分工

將車載PHM系統(tǒng)、地面PHM系統(tǒng)及車載3級故障代碼進行分工，將原先子系統(tǒng)計算產(chǎn)生的PHM預警納入3級代碼進行管理，車載PHM系統(tǒng)負責對實時性要求高、計算量小的預警模型［10］（如網(wǎng)壓、網(wǎng)流類數(shù)據(jù)）或是未納入WTD傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)開發(fā)的預警模型，地面PHM系統(tǒng)負責對實時性要求較低、數(shù)據(jù)精度要求不高的預警模型（如溫度類數(shù)據(jù)）或是對算力要求較高的多維度長時間數(shù)據(jù)計算的預警模型，車載3級故障代碼負責車載設備（如TCU、BCU）獨立運算產(chǎn)生的且不需要車載PHM系統(tǒng)單元參與數(shù)據(jù)運算的預警模型。

3.3.2 隨車機械師手持終端數(shù)據(jù)融合

通過設置防火墻等方式，實現(xiàn)隔離互聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi或是SIM卡與車載Wi-Fi間的通信，常規(guī)情況下手持移動終端通過專用Wi-Fi網(wǎng)絡連接車載PHM系統(tǒng)主機實現(xiàn)相關參數(shù)展示及PHM預警接收功能，當需要執(zhí)行乘務管理及應急處置相關業(yè)務時，切換至車載互聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi網(wǎng)絡或是通過SIM卡訪問互聯(lián)網(wǎng)，通過自研APP與地面PHM系統(tǒng)進行互通，進行相應的動車組運用情況查詢、故障上傳及查詢、乘務作業(yè)管理、應急輔助決策等，貼合隨車機械師應用場景，拓展車載PHM系統(tǒng)功能。

3.3.3 維修決策應用拓展

地面PHM系統(tǒng)與車載PHM系統(tǒng)融合后，原先在地面PHM系統(tǒng)進行運算的相關視情維修決策算法可以下放至車載PHM系統(tǒng)執(zhí)行，用以解決一些需要高精度參數(shù)進行積分計算的模型規(guī)則，例如針對牽引變流器濾網(wǎng)臟堵視情維修模型，車載PHM系統(tǒng)可以更加精確地采集牽引變流器功率、進出口水溫、環(huán)境溫度乃至通風機電流參數(shù)，在車載PHM系統(tǒng)本地進行模型計算完畢后，直接將濾網(wǎng)臟堵情況傳送至地面PHM系統(tǒng)。同時地面PHM系統(tǒng)可以將車載PHM系統(tǒng)切片發(fā)送的短時高精度數(shù)據(jù)包進行長時間維度的分析，如通過收集失穩(wěn)、平穩(wěn)性預報警故障前后的高精度平穩(wěn)性指標數(shù)據(jù)，配合動車組交路、公里標、速度、車型等信息，進行綜合分析，判斷出動車組的平穩(wěn)性健康指數(shù)及異常區(qū)段信息。

3.3.4 健康評估研究

車載PHM系統(tǒng)可直接從以太網(wǎng)中采集數(shù)據(jù)，在此基礎上可開展動車組關鍵部件壽命研究，如采集動車組高壓制動關鍵繼電器動作次數(shù)、空壓機動作次數(shù)及動作時間、車門開關門動作次數(shù)等，對關鍵部件的服役情況可以進行詳細記錄，同時通過在車載PHM系統(tǒng)設置閾值規(guī)則，當相關指標超出設計閾值時，則將相關健康評估情況推送至地面PHM系統(tǒng)，為動車組的健康評估奠定數(shù)據(jù)基礎［11］。地面PHM系統(tǒng)與車載PHM系統(tǒng)融合架構(gòu)見圖3。

圖3 地面PHM系統(tǒng)與車載PHM系統(tǒng)融合架構(gòu)

4 結(jié)束語

智能動車組目前配屬量較小，投入運用時間較短，車載PHM系統(tǒng)相關應用場景還不夠豐富，相關功能未能緊密貼合現(xiàn)場實際，通過研究車載PHM系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出車載PHM系統(tǒng)優(yōu)化建議，探索車載PHM系統(tǒng)與地面PHM系統(tǒng)融合方案，可為推動智能動車組PHM系統(tǒng)建設、開展動車組修程修制改革及健康狀態(tài)評估、后續(xù)智能動車組量產(chǎn)車型車載PHM系統(tǒng)搭建提供參考與借鑒。