李 燕

（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)

0 引言

京張高速鐵路(北京北—張家口)是世界上第一條最高設(shè)計(jì)速度350 km/h的高寒、大風(fēng)沙高速鐵路，是2022年北京冬奧會(huì)的重要交通保障設(shè)施。北京北動(dòng)車運(yùn)用所配屬的CR400BF-G高寒型動(dòng)車組和CR400BF-C智能型動(dòng)車組，承擔(dān)京張高速鐵路開行任務(wù)。高寒、智能動(dòng)車組是京張高速鐵路“智能裝備”的核心組成部分。

隨著航天、航空、軌道交通等復(fù)雜裝備智能化水平的不斷提高及維修理論的不斷發(fā)展，故障預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)已經(jīng)成為提高裝備安全性和可靠性、降低裝備全壽命周期費(fèi)用的關(guān)鍵核心技術(shù)[1]。為提高京張高速鐵路精準(zhǔn)化、精細(xì)化管理和服務(wù)水平，保障冬奧會(huì)期間動(dòng)車組安全高效運(yùn)行，作為大力推動(dòng)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與鐵路業(yè)務(wù)深度融合，深化智能高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的典型示范，首次在京張高速鐵路配屬的復(fù)興號(hào)動(dòng)車組上開展PHM研究和系統(tǒng)應(yīng)用的先行先試，作為動(dòng)車組運(yùn)用檢修系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展與延伸，實(shí)現(xiàn)PHM在途故障的超前預(yù)警，以及視情維修信息可在動(dòng)車組運(yùn)用檢修系統(tǒng)中進(jìn)行流程貫通和交互閉環(huán)，有效提高動(dòng)車組運(yùn)行保障能力，提升運(yùn)用效率和效益，改善了運(yùn)行秩序，并為PHM技術(shù)在全路應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 動(dòng)車組PHM技術(shù)概述

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

PHM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天等多個(gè)領(lǐng)域[2-3]。在軌道交通領(lǐng)域，西門子建立的Railigent平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道車輛和基礎(chǔ)設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控、快速診斷和預(yù)防性故障預(yù)測(cè)；阿爾斯通建立的智能管理系統(tǒng)Health Hub，實(shí)現(xiàn)從車輛級(jí)到基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)的智能管理。近年來，我國也在大力發(fā)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)及可靠性維修等PHM相關(guān)技術(shù)的研究，并將其列入國家“863”發(fā)展計(jì)劃，并且在航空航天系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

在PHM技術(shù)研究方面，國內(nèi)很多學(xué)者對(duì)動(dòng)車組PHM相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了不同程度的探索與研究，為動(dòng)車組PHM的應(yīng)用提供理論支撐。在國內(nèi)動(dòng)車組PHM研究領(lǐng)域，按照中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國鐵集團(tuán)”)發(fā)布的《動(dòng)車組故障預(yù)測(cè)和健康管理(PHM)研究實(shí)施工作方案》，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研發(fā)動(dòng)車組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)，并在武清主數(shù)據(jù)中心部署。

動(dòng)車組屬于典型的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，以分布式、網(wǎng)絡(luò)化方式集成了機(jī)、電、氣、熱等多個(gè)物理域的部件，部件之間以多種物理作用復(fù)雜交互，導(dǎo)致故障表現(xiàn)高度復(fù)雜化。我國鐵路部門普遍采用計(jì)劃維修(即定期維修)體制，未來維修方式應(yīng)該在精確掌握列車狀態(tài)的前提下，逐漸向狀態(tài)維修體制過渡，通過信息技術(shù)匯集動(dòng)車組新造、運(yùn)用、檢修、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)以及環(huán)境等海量數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)車組PHM研究，對(duì)動(dòng)車組故障進(jìn)行提前預(yù)警、對(duì)整車及部件健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估、對(duì)關(guān)鍵部件壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高動(dòng)車組運(yùn)維效率、降低維修成本、保障動(dòng)車組運(yùn)行安全，是未來高速鐵路技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

1.2 動(dòng)車組PHM定義

動(dòng)車組PHM是指利用各類先進(jìn)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)車組運(yùn)行的各類狀態(tài)參數(shù)及特征信號(hào)，借助各種智能推理算法和模型(如物理模型、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等)來評(píng)估動(dòng)車組的健康狀態(tài)，在其故障發(fā)生前對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障決策，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修[2]。

1.3 動(dòng)車組PHM模型

動(dòng)車組PHM模型是指利用動(dòng)車組新造、運(yùn)用、檢修、環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)，借助算法對(duì)動(dòng)車組系統(tǒng)或其部件進(jìn)行故障預(yù)測(cè)、故障診斷、健康評(píng)估及運(yùn)維決策的邏輯組合，包括屬性集合、編碼、輸入、用戶配置參數(shù)、算法集合、輸出，包括模型名稱、類型、建模對(duì)象、研發(fā)單位、適用車組、適用環(huán)境、版本、運(yùn)行環(huán)境、邏輯規(guī)則等屬性的集合。

1.4 PHM與動(dòng)車組運(yùn)用檢修關(guān)系

動(dòng)車組PHM系統(tǒng)通過機(jī)輛信息管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，從動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)(EMIS)、動(dòng)車組車載信息無線傳輸系統(tǒng)(WTDS)、動(dòng)車組運(yùn)行故障圖像監(jiān)控系統(tǒng)(TEDS)等系統(tǒng)獲取動(dòng)車組相關(guān)數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)部署的預(yù)警、預(yù)測(cè)模型(閾值模型、機(jī)理算法、專家算法等)，對(duì)未來時(shí)間段內(nèi)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警，給出視情維修建議，并將結(jié)果傳遞給EMIS，實(shí)現(xiàn)各類預(yù)警故障的綜合閉環(huán)管理；通過機(jī)輛信息管理平臺(tái)和集成服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)廠及零部件造修企業(yè)的信息交互，促進(jìn)設(shè)計(jì)、制造、維修技術(shù)的改進(jìn)。

2 動(dòng)車組PHM技術(shù)體系

PHM技術(shù)不僅是一種先進(jìn)的測(cè)試、維修技術(shù)，更是一種全面的故障檢修、故障隔離、故障預(yù)測(cè)及狀態(tài)管理技術(shù)，涉及的主要技術(shù)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)、故障預(yù)測(cè)技術(shù)、狀態(tài)維修決策技術(shù)和驗(yàn)證與評(píng)估技術(shù)等7個(gè)領(lǐng)域[2]。京張動(dòng)車組PHM技術(shù)的應(yīng)用尚不能全面覆蓋上述7個(gè)領(lǐng)域，但也已形成自己的核心技術(shù)鏈，包括動(dòng)車組PHM規(guī)范體系、WTDS數(shù)據(jù)解析技術(shù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、異構(gòu)模型跨平臺(tái)部署技術(shù)和基于構(gòu)型的PHM預(yù)警預(yù)測(cè)流轉(zhuǎn)技術(shù)。規(guī)范體系中的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，全方位制約、管理、支撐著PHM流程和數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)。

2.1 動(dòng)車組PHM技術(shù)體系架構(gòu)

PHM系統(tǒng)的技術(shù)體系架構(gòu)主要體現(xiàn)為需求分析、總體架構(gòu)、功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)。

2.1.1 需求分析

根據(jù)動(dòng)車組PHM總體需求調(diào)研，按用戶層級(jí)劃分，可分為國鐵集團(tuán)用戶、鐵路局集團(tuán)公司用戶、動(dòng)車/車輛段用戶，共3個(gè)層級(jí)；按業(yè)務(wù)范疇劃分，可分為模型構(gòu)建用戶、業(yè)務(wù)管理用戶、應(yīng)急監(jiān)控用戶、數(shù)據(jù)分析用戶等；結(jié)合用戶層級(jí)與業(yè)務(wù)范圍劃分，國鐵集團(tuán)用戶按業(yè)務(wù)范圍劃分，又可劃分為業(yè)務(wù)管理用戶、模型構(gòu)建用戶；鐵路局集團(tuán)公司用戶按業(yè)務(wù)范圍劃分，又可劃分為業(yè)務(wù)管理用戶、模型構(gòu)建用戶；動(dòng)車/車輛段用戶按業(yè)務(wù)范圍劃分，又可劃分為應(yīng)急監(jiān)控用戶、業(yè)務(wù)管理用戶、數(shù)據(jù)分析用戶、模型構(gòu)建用戶。

2.1.2 總體架構(gòu)

動(dòng)車組PHM系統(tǒng)在國鐵集團(tuán)進(jìn)行一級(jí)部署，搭建面向國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司、動(dòng)車/車輛段、動(dòng)車組運(yùn)用所的統(tǒng)一應(yīng)用，為路內(nèi)用戶提供運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)、健康管理、視情維修、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用功能。系統(tǒng)于2020年9月在京張高速鐵路開展先行先試，并根據(jù)用戶反饋，持續(xù)進(jìn)行各類功能、模型、數(shù)據(jù)、流程等方面的改進(jìn)和優(yōu)化。動(dòng)車組PHM系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2.1.3 功能架構(gòu)

動(dòng)車組PHM系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集和傳輸、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)、維修決策、健康狀態(tài)評(píng)估和可視化等主要功能模塊，動(dòng)車組PHM功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 動(dòng)車組PHM功能架構(gòu)Fig.2 Functional architecture of PHM for EMUs

（1）數(shù)據(jù)采集和傳輸。通過各類傳感器收集部件、設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)或獲得其它系統(tǒng)的基礎(chǔ)履歷、新造設(shè)計(jì)、維修與環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理。從上一層信息流接收數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行清洗、治理、特征提取等處理，使數(shù)據(jù)符合后續(xù)模型或算法的使用要求。

（3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在運(yùn)行中的單一系統(tǒng)或設(shè)備中， 針對(duì)某幾項(xiàng)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)參數(shù)，結(jié)合專家知識(shí)庫進(jìn)行閾值與邏輯組合判斷。

（4）故障預(yù)測(cè)。以模型為載體，針對(duì)多設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、基礎(chǔ)履歷數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取及模型綜合研判，也可結(jié)合環(huán)境參數(shù)進(jìn)行綜合故障預(yù)測(cè)。

（5）維修決策。也稱決策支持，是基于歷史狀態(tài)信息、維修履歷進(jìn)行部件狀態(tài)評(píng)估，在系統(tǒng)或設(shè)備性能退化或失效之前提供有效的維修措施。

（6）健康評(píng)估和可視化。對(duì)部件、設(shè)備和整車結(jié)構(gòu)等的健康狀況進(jìn)行量化，預(yù)測(cè)其未來狀態(tài)趨勢(shì)，以可視化或系統(tǒng)接口方式實(shí)現(xiàn)的結(jié)果展示與表達(dá)。

2.1.4 邏輯架構(gòu)

動(dòng)車組PHM系統(tǒng)重在識(shí)別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和決策保障，是提高動(dòng)車組運(yùn)用效率、提升檢修質(zhì)量、降低維修成本、優(yōu)化修程修制的重要技術(shù)手段。面向動(dòng)車組線上應(yīng)急處置、日常運(yùn)用管理、高級(jí)檢修管理以及健康評(píng)估管理4種業(yè)務(wù)場(chǎng)景，PHM系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)之間的交互融合主要體現(xiàn)在EMIS、多平臺(tái)行車安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及主機(jī)企業(yè)與核心供應(yīng)商三大板塊。動(dòng)車組PHM邏輯架構(gòu)如圖3所示，通過傳統(tǒng)方式描述動(dòng)車組PHM系統(tǒng)各業(yè)務(wù)場(chǎng)景中與外部數(shù)據(jù)交互流程、系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程，與國鐵集團(tuán)和鐵路局集團(tuán)公司用戶、主機(jī)企業(yè)(核心供應(yīng)商)和模型研發(fā)單位等PHM系統(tǒng)參與方的業(yè)務(wù)活動(dòng)流程，以及相關(guān)核心PHM系統(tǒng)元數(shù)據(jù)處理技術(shù)、模型封裝技術(shù)和評(píng)價(jià)與驗(yàn)證技術(shù)，構(gòu)成完整邏輯架構(gòu)。

圖3 動(dòng)車組PHM邏輯架構(gòu)Fig.3 Logical architecture of PHM for EMUs

2.1.5 物理架構(gòu)

遵循我國鐵路大數(shù)據(jù)中心“數(shù)據(jù)集中存放、集中治理”的規(guī)劃，依據(jù)動(dòng)車組PHM系統(tǒng)總體技術(shù)方案相關(guān)設(shè)計(jì)，動(dòng)車組PHM系統(tǒng)依托分布式存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，打造集“易用性、伸縮性、開放性”于一體的系統(tǒng)平臺(tái)，自下向上整個(gè)架構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)接入層、基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。動(dòng)車組PHM物理架構(gòu)如圖4所示。

圖4 動(dòng)車組PHM物理架構(gòu)Fig.4 Physical architecture of PHM for EMUs

數(shù)據(jù)接入層可通過鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)從機(jī)輛信息管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)獲取路內(nèi)既有支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過鐵路外部服務(wù)網(wǎng)獲取主機(jī)企業(yè)及關(guān)鍵設(shè)備供應(yīng)商數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)設(shè)施層支撐PHM系統(tǒng)硬件資源調(diào)配及網(wǎng)絡(luò)鏈路安全。主要通過對(duì)基礎(chǔ)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源的池化和虛擬化，為上層應(yīng)用與服務(wù)提供統(tǒng)一硬件資源調(diào)度和監(jiān)控管理，支持按需分配與硬件資源的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，并通過標(biāo)準(zhǔn)化接口向上層提供計(jì)算、存儲(chǔ)等基礎(chǔ)服務(wù)，提高IT資源的易用性、敏捷性。平臺(tái)層包括數(shù)據(jù)平臺(tái)層和集成平臺(tái)層。數(shù)據(jù)平臺(tái)層面向數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析挖掘，通過資源調(diào)度、多租戶管理等手段，打造松耦合、高效和高可用的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)；集成平臺(tái)層通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、安全認(rèn)證及報(bào)表組件等，提供服務(wù)運(yùn)行環(huán)境與模型管理，實(shí)現(xiàn)中間件服務(wù)，面向應(yīng)用開發(fā)，提供安全可靠的平臺(tái)支撐。

2.2 動(dòng)車組PHM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

PHM系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、跨學(xué)科的“系統(tǒng)之上的系統(tǒng)”。一是PHM系統(tǒng)有自身的功能架構(gòu)，簡(jiǎn)單理解為信息采集模塊、核心處理模塊和輸出交互模塊；二是PHM系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、管理的對(duì)象又是構(gòu)成動(dòng)車組的各個(gè)重要系統(tǒng)，乃至是整車平臺(tái)，因此不同具體對(duì)象系統(tǒng)會(huì)帶來不同的PHM具體技術(shù)。此外，PHM系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)還應(yīng)符合系統(tǒng)工程的全壽命周期過程，充分考慮其需求、設(shè)計(jì)、交互、驗(yàn)證等技術(shù)環(huán)節(jié)，才能保證PHM系統(tǒng)的合理、高效。

綜上考慮，從動(dòng)車組PHM系統(tǒng)的功能組成(采集、處理、交互)、技術(shù)組成(轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)PHM、牽引系統(tǒng)PHM、制動(dòng)系統(tǒng)PHM、控制系統(tǒng)PHM和車身PHM等)以及系統(tǒng)工程(方案論證、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證應(yīng)用等) 3個(gè)維度出發(fā)，綜合優(yōu)化形成動(dòng)車組PHM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，動(dòng)車組PHM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系如圖5所示。

圖5 動(dòng)車組PHM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系Fig.5 Standard specification system of PHM for EMUs

2.3 動(dòng)車組PHM指標(biāo)體系

2.3.1 狀態(tài)指標(biāo)和健康指標(biāo)的構(gòu)建方法

動(dòng)車組PHM狀態(tài)指標(biāo)(CI)是指，通過傳感器采集與某一個(gè)或多個(gè)故障現(xiàn)象相關(guān)的物理量，并經(jīng)過特定算法計(jì)算得到參數(shù)，該參數(shù)的變化能反映特定故障模式或故障產(chǎn)生與否及其變化，狀態(tài)指標(biāo)的開發(fā)過程就是故障特征提取和量化評(píng)估的過程。健康指標(biāo)(HI)是指由單個(gè)狀態(tài)指標(biāo)值或多個(gè)狀態(tài)指標(biāo)值的融合產(chǎn)生的，觸發(fā)部件維護(hù)行為的指示符。健康指標(biāo)是進(jìn)行了狀態(tài)評(píng)估的狀態(tài)指標(biāo)，狀態(tài)指標(biāo)的值可能是非常的多，但是經(jīng)過與不同的評(píng)估閾值進(jìn)行比較，得到少數(shù)幾個(gè)健康指標(biāo)的值，動(dòng)車組PHM指標(biāo)構(gòu)建方法如圖6 所示。

圖6 動(dòng)車組PHM指標(biāo)構(gòu)建方法Fig.6 Index construction method of PHM for EMUs

2.3.2 失效機(jī)理分析

失效模式、影響與嚴(yán)酷度分析(FMECA)通常作為以可靠性為中心維護(hù)(RCM)分析的一部分，是了解狀態(tài)指標(biāo)正在開發(fā)的系統(tǒng)、子系統(tǒng)或部件的起點(diǎn)。動(dòng)車組的部分部件產(chǎn)生故障后有一個(gè)劣化的過程，狀態(tài)指標(biāo)需要能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)部件的故障，尤其是早期故障，并能夠基于狀態(tài)指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)對(duì)故障的劣化情況進(jìn)行跟蹤，為故障部件的維修保障提供可靠的決策依據(jù)。

2.3.3 狀態(tài)指標(biāo)構(gòu)建

狀態(tài)指標(biāo)的構(gòu)建實(shí)際上就是構(gòu)建全面的、有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估參數(shù)體系，這些參數(shù)體系應(yīng)用于狀態(tài)評(píng)估能夠發(fā)現(xiàn)(早期)故障并具備低的虛警率，應(yīng)用于趨勢(shì)監(jiān)測(cè)能夠有效地反映故障劣化/性能退化狀態(tài)。檢測(cè)算法是計(jì)算特征參數(shù)的方法和流程，在應(yīng)用中需要編碼嵌入至數(shù)據(jù)處理單元中。檢測(cè)算法的開發(fā)通常是一個(gè)迭代的過程，從預(yù)處理后的數(shù)據(jù)中提取特定故障模式相關(guān)的特征，應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)、故障注入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定該特征是否能表征特定故障模式的發(fā)生與否及退化過程，提取的特征應(yīng)具有普遍性的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于同一型號(hào)的所有裝備。通過大量的數(shù)據(jù)分析，不斷地對(duì)特征進(jìn)行優(yōu)化，兼顧特征的靈敏性和有效性。

2.3.4 狀態(tài)指標(biāo)驗(yàn)證

確保狀態(tài)指標(biāo)有效的唯一方法是用數(shù)據(jù)測(cè)試狀態(tài)指標(biāo)。對(duì)于改型設(shè)計(jì)的動(dòng)車組，可充分利用類似型號(hào)的歷史數(shù)據(jù)，尤其是典型的故障案例數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證狀態(tài)指標(biāo)；對(duì)于新研設(shè)計(jì)的動(dòng)車組，可進(jìn)行故障注入試驗(yàn)，結(jié)合仿真的手段進(jìn)行狀態(tài)指標(biāo)的驗(yàn)證。在動(dòng)車組PHM開發(fā)的早期階段，來自類似部件產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)或來自仿真模擬故障注入數(shù)據(jù)，可有效測(cè)試狀態(tài)指標(biāo)。隨著動(dòng)車組PHM的不斷成熟，供應(yīng)商的實(shí)際PHM設(shè)備被應(yīng)用于測(cè)試和數(shù)據(jù)的采集，如果具備足夠的時(shí)間和資源，則狀態(tài)指標(biāo)的測(cè)試和迭代改進(jìn)仍可通過這種方式來實(shí)現(xiàn)。

3 動(dòng)車組PHM關(guān)鍵技術(shù)

3.1 動(dòng)車組PHM異構(gòu)模型跨平臺(tái)部署方法

基于動(dòng)車組PHM模型技術(shù)規(guī)范，利用容器封裝技術(shù)，采用任務(wù)流部署方式，解決異構(gòu)模型跨平臺(tái)部署問題，支撐動(dòng)車組PHM模型的管理與應(yīng)用。1個(gè)動(dòng)車組PHM模型的任務(wù)流程可大致分為4個(gè)階段：輸入數(shù)據(jù)獲取、輸入數(shù)據(jù)處理、模型程序調(diào)用、結(jié)果輸出。采用Streamsets工作流，通過拖拽和連線的方式，從多項(xiàng)不同的數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建批處理和流式數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速獲取、操作及寫入，提高業(yè)務(wù)處理速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的統(tǒng)一管理。

3.2 動(dòng)車組PHM大數(shù)據(jù)處理性能優(yōu)化方法

針對(duì)動(dòng)車組數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)增長(zhǎng)快、應(yīng)用差異化大等特點(diǎn)，利用ETL、數(shù)據(jù)倉庫、分布式并行計(jì)算、流式計(jì)算等高效的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研究動(dòng)車組車載實(shí)時(shí)、軌旁監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理、應(yīng)用等過程優(yōu)化方法，全面提高動(dòng)車組PHM系統(tǒng)響應(yīng)性能，滿足全路動(dòng)車組實(shí)時(shí)故障預(yù)測(cè)和預(yù)警需求，支持動(dòng)車組途中應(yīng)急處置和回庫檢修處置建議的快速推送。

動(dòng)車組安裝WTDS協(xié)議會(huì)隨著車載軟件的升級(jí)而發(fā)生變化，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)WTDS協(xié)議信息采集，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可基于ELT工具Streamsets Data Collector，利 用kafka Consumer組 件 訂 閱kafka消息隊(duì)列，通過訂閱采集動(dòng)車組安裝WTDS協(xié)議的kafka消息隊(duì)列來完成。

全路動(dòng)車組每天產(chǎn)生WTDS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)大約為600 GB，平均每秒產(chǎn)生5 000條記錄，主要包含車載故障、運(yùn)行參數(shù)、GPS、EOAS等消息數(shù)據(jù)。通過Spark Streaming計(jì)算框架編寫分布式流式計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)WTDS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接入、轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，提高數(shù)據(jù)處理速度。

3.3 動(dòng)車組PHM數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)分析和挖掘工作中，最不能被忽視的部分就是數(shù)據(jù)預(yù)處理。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，對(duì)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性要求變得沒那么重要，但對(duì)于數(shù)據(jù)類別的錯(cuò)誤、時(shí)效性干擾或極值的出現(xiàn)，依然需要進(jìn)行干預(yù)和處理。在PHM的應(yīng)用中，海量數(shù)據(jù)主要用于應(yīng)用的展示和模型計(jì)算，前者所呈現(xiàn)出的曲線規(guī)律輔助鐵路局集團(tuán)公司用戶直觀判斷參數(shù)變化的異常與否，后者根據(jù)事件相關(guān)的參數(shù)變量進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)警計(jì)算。針對(duì)PHM數(shù)據(jù)出現(xiàn)的不完整、有噪聲和數(shù)據(jù)不一致等問題，在數(shù)據(jù)被利用之前進(jìn)行以下5個(gè)方面的預(yù)處理。

（1）重聯(lián)打通車數(shù)據(jù)分離。重聯(lián)指的是將2列同型號(hào)的動(dòng)車組聯(lián)掛運(yùn)行。重聯(lián)打通車是指車載故障發(fā)送數(shù)據(jù)動(dòng)車組與故障發(fā)生動(dòng)車組不同，比如A車1車廂會(huì)發(fā)送B車1車廂的數(shù)據(jù)。重聯(lián)打通車主要發(fā)生在CRH380B系列車型中，系統(tǒng)在處理中首先將不同動(dòng)車組的數(shù)據(jù)分離出來，更正設(shè)備號(hào)，然后再按照去重、去除異常值等繼續(xù)進(jìn)行處理。

（2）過濾參數(shù)異常值。車載設(shè)備在加電啟動(dòng)后，或在傳輸過程中，個(gè)別部件傳感器會(huì)有數(shù)據(jù)突然的增高或降低現(xiàn)象，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段對(duì)不同車型的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理，并根據(jù)需要定義可能發(fā)生跳變現(xiàn)象的參數(shù)上限和下限，對(duì)于超出正常范圍的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行忽略和補(bǔ)缺。

（3）SDR、GPS、故障數(shù)據(jù)去重。車載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障在發(fā)送、傳輸中，由于車地傳輸信息交換前，對(duì)操作模式的狀態(tài)互相達(dá)成協(xié)定的數(shù)據(jù)丟失或冗余傳輸保障的需要，存在相同時(shí)間點(diǎn)、相同位置數(shù)據(jù)包重復(fù)問題。在數(shù)據(jù)被應(yīng)用和計(jì)算前，要對(duì)同一時(shí)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行匯集，并對(duì)數(shù)據(jù)包頭中“數(shù)據(jù)包時(shí)間”相同的數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行去重，以屏蔽重復(fù)數(shù)據(jù)帶來的顯示與計(jì)算干擾。

（4）GPS數(shù)據(jù)清洗。對(duì)動(dòng)車組實(shí)時(shí)在線GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行國界判斷，去掉正常運(yùn)行軌跡中出現(xiàn)的動(dòng)車組信號(hào)漂移到海面、國外等不符合實(shí)際位置的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)；通過計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻GPS坐標(biāo)與上一時(shí)刻GPS坐標(biāo)的距離去除動(dòng)車組實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡中GPS噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)接入時(shí)間集成。改善車載數(shù)據(jù)延遲相當(dāng)困難，但精確測(cè)量每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的高精度的時(shí)間標(biāo)記可以量化并且掌控時(shí)間延遲帶來的問題。動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)的發(fā)生時(shí)間作為原始數(shù)據(jù)包含在每包運(yùn)行參數(shù)和故障數(shù)據(jù)的頭部，實(shí)時(shí)回傳地面，但車地傳輸中的地面接入時(shí)間是數(shù)據(jù)進(jìn)入到地面接收服務(wù)器的Kafka隊(duì)列時(shí)才生成，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理時(shí)同步將數(shù)據(jù)接入時(shí)間寫入到每包SDR數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)合規(guī)性、故障排除、容量規(guī)劃等的檢測(cè)和應(yīng)用做好數(shù)據(jù)集成。

4 京張高速鐵路應(yīng)用情況分析

4.1 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組新造、運(yùn)用檢修、監(jiān)測(cè)檢測(cè)等全生命周期多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯集，實(shí)施運(yùn)用了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、特征提取融合等技術(shù)，打通了“局、廠、造、修”數(shù)據(jù)通道，為動(dòng)車組PHM業(yè)務(wù)應(yīng)用及模型構(gòu)建提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)服務(wù)。

（2）首次建立開放應(yīng)用平臺(tái)，開展全路動(dòng)車組多維度運(yùn)行狀態(tài)在途實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組智能分析和超前預(yù)警，保障動(dòng)車組在途運(yùn)行安全；推動(dòng)了動(dòng)車組定期檢修向視情維修的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組關(guān)鍵部件報(bào)警、預(yù)警處理信息在動(dòng)車組運(yùn)用檢修系統(tǒng)的全流程閉環(huán)管理。

（3）首次通過5G公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)WTDS非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)落地。通過5G公網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車載設(shè)備與國鐵集團(tuán)MTUP平臺(tái)的交互認(rèn)證和數(shù)據(jù)傳輸，并實(shí)現(xiàn)在國鐵集團(tuán)內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)的存儲(chǔ)落地，驗(yàn)證了通道、技術(shù)可行性。

4.2 應(yīng)用效果

（1）2020年9月，動(dòng)車組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)首先在京張高速鐵路涉及的北京北運(yùn)用所開展先行先試和視情維修應(yīng)用試點(diǎn)，通過內(nèi)置在動(dòng)車組PHM計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的PHM計(jì)算模型，支撐京張高速鐵路動(dòng)車組的在線智能分析和視情維修應(yīng)用。

（2）動(dòng)車組PHM系統(tǒng)中視情清網(wǎng)模型滿足應(yīng)用需求和安全性要求。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，依靠系統(tǒng)中視情清網(wǎng)模型指導(dǎo)冬季CR400BF平臺(tái)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)濾網(wǎng)清潔工作，按時(shí)間維度計(jì)算，清網(wǎng)周期平均延長(zhǎng)至原有固定(I2修)周期的2.68倍。

（3）動(dòng)車組PHM系統(tǒng)內(nèi)置模型的超前預(yù)警，有效預(yù)防動(dòng)車組在途故障的發(fā)生。京張智能動(dòng)車組牽引電機(jī)、空調(diào)等部件根據(jù)閾值進(jìn)行報(bào)警，經(jīng)北京北動(dòng)車運(yùn)用所確認(rèn)開展清潔、維修工作，有效提高動(dòng)車組運(yùn)行保障能力，提升運(yùn)用效率和效益。

（4）2021年6月，通過5G公網(wǎng)方式對(duì)京張高速鐵路智能動(dòng)車組WTDS非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下載進(jìn)行試驗(yàn)，完成數(shù)據(jù)傳輸效率分析，提高WTDS非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下載效率，為后續(xù)全路動(dòng)車組WTDS非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下載建設(shè)提供試驗(yàn)依據(jù)，也為PHM分析提供更全面的數(shù)據(jù)支撐。動(dòng)車組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 動(dòng)車組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)界面Fig.7 Interface of PHM system for EMUs

5 結(jié)束語

在前期研究動(dòng)車組PHM的基礎(chǔ)上，提出涵蓋需求分析、總體架構(gòu)、功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)的動(dòng)車組PHM技術(shù)體系，創(chuàng)新地從功能組成、技術(shù)組成以及系統(tǒng)工程3個(gè)維度出發(fā)，綜合優(yōu)化形成了動(dòng)車組PHM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，歸納描述了動(dòng)車組PHM關(guān)鍵技。動(dòng)車組PHM系統(tǒng)于2020年9月首先在京張高速鐵路涉及的北京北運(yùn)用所開展先行先試和視情維修應(yīng)用試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組在途超前預(yù)警和視情維修信息在EMIS運(yùn)用檢修系統(tǒng)的流程貫通和交互閉環(huán)，有效提高動(dòng)車組運(yùn)行保障能力，并進(jìn)一步提升動(dòng)車組運(yùn)用效率和效益，改善運(yùn)行秩序。