李成龍，喻冰春，李 鑫，李佳懿，楊 臻

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

我國和諧型機車保有量約12 000余臺，日總走行約700余萬機車km，運行跨度大、環(huán)境變化多、工況復(fù)雜，是鐵路運輸生產(chǎn)的重要動力源，也是保障客貨運輸服務(wù)的重要技術(shù)裝備。近年來，中國國家鐵路集團有限公司持續(xù)推進和諧型機車修程修制改革工作，以成本支出大項的系統(tǒng)和部件維修為主要研究對象，優(yōu)化檢修的范圍、標準和方式，開展模塊化、數(shù)字化及精準化維修，提升自主檢修能力，逐步構(gòu)建符合我國國情、路情的機車裝備運用維修（簡稱：運維）體系[1]?，F(xiàn)階段，在機車故障預(yù)測與健康管理（PHM，fault Prediction and Health Management）方面取得了一些研究成果，和諧型機車專家診斷系統(tǒng)、機車走行部軸承健康管理系統(tǒng)已在部分鐵路局集團公司機務(wù)段（簡稱：局段）開展應(yīng)用，完成對牽引變流器、變壓器、主斷及高隔等關(guān)鍵部件的故障檢測、機車走行部軸承健康狀態(tài)評估與壽命周期預(yù)測；機車PHM+車輪系統(tǒng)相關(guān)研究工作也取得了階段性成果，實現(xiàn)了自動生成車輪鏇修通知單、預(yù)測車輪剩余壽命等功能[2]。本文基于上述研究，采用大數(shù)據(jù)和云平臺等技術(shù)，設(shè)計全國鐵路（簡稱：全路）統(tǒng)一、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的和諧型機車PHM系統(tǒng)（簡稱：PHM系統(tǒng)），為提升和諧型機車安全可靠性、提高裝備使用效率、降低維修成本提供全面的輔助決策支持，并支持和諧型機車修程修制優(yōu)化，全面提高機車裝備設(shè)計制造及運維技術(shù)水平。

1 設(shè)計目標

1.1 搭建和諧型機車PHM數(shù)據(jù)平臺

搭建和諧型機車PHM數(shù)據(jù)平臺，提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)服務(wù)。針對和諧型機車及關(guān)鍵零部件全壽命周期內(nèi)設(shè)計、制造、運用、整備、檢修等環(huán)節(jié)，形成新造、運維、監(jiān)測、檢測、環(huán)境等方面的PHM數(shù)據(jù)資源目錄，分析數(shù)據(jù)采集、存儲、管理機制，集成多系統(tǒng)PHM相關(guān)數(shù)據(jù)，進行清洗、轉(zhuǎn)化、降維、標準化處理，為PHM系統(tǒng)應(yīng)用提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 創(chuàng)建整車和部件PHM運維構(gòu)型字典庫

以機車系統(tǒng)分類、18類重要零部件為基礎(chǔ)，研究和諧型機車修程修制改革方法，分析部件精準維修涉及的重要零部件，進一步定義和諧型機車運維構(gòu)型的重要零部件目錄，梳理和規(guī)范不同機型的產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)和部件的名稱、位置及數(shù)量，形成PHM運維構(gòu)型字典庫。

1.3 形成PHM系統(tǒng)模型集市

研究和諧型機車及其部件服役狀態(tài)的特征參數(shù)和變化規(guī)律，進行PHM模型軟件開發(fā)、測試驗證、部署使用，形成開放、規(guī)范的模型集市，為PHM系統(tǒng)提供健康評估類、故障預(yù)測類和視情維修類的模型集市支持。

1.4 搭建PHM系統(tǒng)

結(jié)合和諧型機車PHM的應(yīng)用需求，整合多源數(shù)據(jù)，與維修生產(chǎn)有機結(jié)合，搭建全路統(tǒng)一、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PHM系統(tǒng)，為各級用戶提供和諧型機車狀態(tài)綜合監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測、健康評估管理、數(shù)字化精準維修的信息化應(yīng)用服務(wù)支撐，實現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的和諧型機車PHM規(guī)范應(yīng)用服務(wù)體系。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

PHM系統(tǒng)總體架構(gòu)符合基于視情維修的開放體系結(jié)構(gòu)（OSA-CBM，Open System Architecture of Condition-Based Maintenance），如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集傳輸：通過消息隊列、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)授權(quán)等多種方式采集和諧型機車設(shè)計制造、運維、監(jiān)測、檢測和環(huán)境的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合和綜合利用。

（2）數(shù)據(jù)處理：完成采集數(shù)據(jù)的融合、特征提取和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。利用多源、多參數(shù)信息，以及歷史信息和經(jīng)驗信息，分析其相關(guān)性，考慮其可信度和精確度，進行數(shù)據(jù)融合和特征提取，實現(xiàn)PHM業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和管理。

（3）狀態(tài)監(jiān)測：接收處理后的數(shù)據(jù)，實時判斷和諧型機車整車、零部件的狀態(tài)，根據(jù)預(yù)定的各種參數(shù)指標限值或閾值進行故障報警。

（4）健康評估：接收來自不同狀態(tài)健康評估所需要的數(shù)據(jù)及其他故障診斷、預(yù)測的結(jié)果，綜合狀態(tài)監(jiān)測信息，基于和諧型機車及部件健康評估標簽?zāi)Ｐ停u估和諧型機車及其重要零部件的健康狀態(tài)等級。

（5）故障預(yù)測：依據(jù)監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)、故障記錄、工作狀態(tài)、歷史參數(shù)及性能演化趨勢，基于整車及部件不同類型的故障預(yù)測和壽命預(yù)測模型，預(yù)測和諧型機車未來可能發(fā)生的故障、健康狀態(tài)變化趨勢，提出維修周期建議或者下達維修任務(wù)等。

（6）維修決策：根據(jù)維修知識，依據(jù)健康評估結(jié)果及壽命預(yù)測結(jié)果，結(jié)合機車運行計劃、檢修計劃，給出回庫檢查、回庫維修等具體處置建議。

（7）模型：搭建整車及零部件故障預(yù)測模型、健康評估模型、維修決策模型，分別支持PHM應(yīng)用，并依據(jù)反饋信息不斷優(yōu)化和完善相關(guān)模型。

（8）任務(wù)下達：實現(xiàn)將PHM信息傳輸?shù)綑C車整備、檢修的運維作業(yè)環(huán)節(jié)中，進而將處理結(jié)果反饋到數(shù)據(jù)采集傳輸環(huán)節(jié)，實現(xiàn)信息的閉環(huán)管理[3]。

從對相關(guān)問題的深度分析過程中，逐步認識到為了增強多媒體設(shè)備的使用效能，彌補現(xiàn)階段多媒體管理缺陷，關(guān)鍵是引入高新智慧型管理技術(shù)，提高設(shè)備管理水平和使用效率，助推學(xué)校管理現(xiàn)代化。多媒體技術(shù)水平較高，基于技術(shù)管理工作的考慮，管理人員需要持續(xù)開展技術(shù)創(chuàng)新工作，以現(xiàn)代高效的管理手段，增強管理工作的便捷性，確保多媒體技術(shù)設(shè)備的合理使用。以下提出三種智慧型門禁管理多媒體設(shè)施、設(shè)備的自動化系統(tǒng)，分析研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、完善系統(tǒng)功能。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

PHM系統(tǒng)依托大數(shù)據(jù)、云平臺等技術(shù)，實現(xiàn)對和諧型機車多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、分析和應(yīng)用。技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)源：采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括機務(wù)管理信息系統(tǒng)（JMIS，Jiwu Management Information System）運維數(shù)據(jù)、中國機車遠程監(jiān)測與診斷（CMD ，China locomotive remote Monitoring and Diagnosis）系統(tǒng)車載監(jiān)測數(shù)據(jù)、鐵路車輛運行安全監(jiān)測系統(tǒng)（5T系統(tǒng)）地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動化設(shè)備檢測數(shù)據(jù)、局段自建系統(tǒng)數(shù)據(jù)、外部系統(tǒng)的調(diào)度和電務(wù)等相關(guān)數(shù)據(jù)、公共服務(wù)的地圖和天氣等環(huán)境數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集：通過Kafka、MQ等消息隊列組件采集實時數(shù)據(jù)，通過Web Service接口、授權(quán)等方式采集其他服務(wù)數(shù)據(jù)，通過Sqoop組件抽取結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過Flume組件抽取視頻、音頻、圖片、文件等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

（3）分層存儲：對采集后的數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換、處理后，創(chuàng)建原始數(shù)據(jù)層（ODS，Operational Data Store）、匯總數(shù)據(jù)層（DWS，Data Warehouse Summary）、明細數(shù)據(jù)層（DWD，Data Warehouse Detail）、應(yīng)用數(shù)據(jù)層（ADS，Application Data Service）分層存儲的數(shù)據(jù)倉庫，為數(shù)據(jù)計算及展示應(yīng)用提供支撐。

（4）處理分析：利用Storm、Hive、Spark、聯(lián)機分析處理（OLAP，OnLine Analytical Processing）等組件，以及部署數(shù)據(jù)挖掘算法庫和工具，靈活運用各種數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)算法，建立模型集市，支持各種經(jīng)驗類、數(shù)據(jù)驅(qū)動類、機理類模型的構(gòu)建，采用批量計算、流計算、內(nèi)存計算等數(shù)據(jù)處理方式進行分布式并行在線及離線計算。

（5）展示應(yīng)用：采用微服務(wù)架構(gòu)，面向各類用戶不同需求提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)、可視化報表綜合查詢、Web應(yīng)用、移動端App應(yīng)用等[4-5]。

2.3 功能架構(gòu)

PHM系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能架構(gòu)

（1）狀態(tài)監(jiān)測：包含全圖監(jiān)控、線路監(jiān)控、機車監(jiān)控、部件監(jiān)控等功能，實現(xiàn)從面到線、從線到點、從點到部分的全方位狀態(tài)實時監(jiān)測。

（2）健康評估：通過構(gòu)建不同維度的整車和部件的健康評估標簽，實現(xiàn)對整車和部件進行不同等級的健康管理。

（3）故障預(yù)測：基于故障預(yù)測、視情維修等不同類型的模型，實現(xiàn)對預(yù)測發(fā)生的故障進行預(yù)警管理、剩余壽命管理等。

（4）維修支持：將健康評估及故障預(yù)測的維修建議與機車回庫整備、回庫維修相結(jié)合，輔助支持回庫相關(guān)故障處理。

（5）性能演化分析：實現(xiàn)對不同機型的整車和重要零部件的可靠性分析、百萬公里故障率分析，以及運維統(tǒng)計分析等。

（6）模型管理：實現(xiàn)故障預(yù)測類、健康評估類、視情維修類等不同類型的模型集市管理，以及模型評估管理。

（7）基礎(chǔ)管理：實現(xiàn)不同機型重要零部件裝配關(guān)系的運維構(gòu)型管理，以及多種來源、多種類型的故障字典統(tǒng)一管理。

（8）數(shù)據(jù)管理：實現(xiàn)一車一檔、一件一檔、數(shù)據(jù)目錄、數(shù)據(jù)監(jiān)控等方面的數(shù)據(jù)綜合查詢管理功能[6]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PHM數(shù)據(jù)平臺服務(wù)

和諧型機車PHM數(shù)據(jù)來源廣、數(shù)據(jù)種類及結(jié)構(gòu)多樣、數(shù)據(jù)實時性和數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高，利用Kafka消息隊列、Web Service服務(wù)接口、數(shù)據(jù)授權(quán)等多種方式采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多系統(tǒng)、跨平臺間平穩(wěn)、錯峰、高效地接入和動態(tài)更新；對匯集接入的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行標準化、規(guī)范化的合并、聚合、篩選和補齊等清洗處理，通過整車車號、關(guān)鍵零部件序列號/單件碼、構(gòu)型等基礎(chǔ)編碼，集成融合和諧型機車及關(guān)鍵部件全壽命周期數(shù)據(jù)，全面提高數(shù)據(jù)的有效性、準確性、完整性、一致性和及時性；處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)用需求存儲在ODS、DWD、DWS、ADS等不同層的分布式數(shù)據(jù)倉庫中，進行分層組織管理，提供統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)支持；采用批量計算、流計算、內(nèi)存計算等處理方式進行分布式并行大數(shù)據(jù)計算、算法計算，最終通過在云平臺部署PHM系統(tǒng)，為用戶提供健康評估、狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、維修支持、模型管理、基礎(chǔ)管理和數(shù)據(jù)管理等數(shù)據(jù)平臺服務(wù)[7]。

3.2 PHM運維構(gòu)型字典庫

梳理電力、內(nèi)燃等不同動力類型的和諧型機車，創(chuàng)建整車和重要零部件PHM運維構(gòu)型字典庫。以機車系統(tǒng)分類、18類重要零部件為基礎(chǔ)，梳理和規(guī)范不同機型的主變壓器、主輔變流器、受電弓、真空主斷路器、制動機、牽引電機、輪軸驅(qū)動、柴油機、牽引通風(fēng)機、冷卻塔、網(wǎng)控系統(tǒng)等重要零部件的裝配結(jié)構(gòu)和部件名稱、位置及數(shù)量，形成重要零部件2級系統(tǒng)、零部件3級系統(tǒng)共5個層級的PHM運維構(gòu)型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)樹，并統(tǒng)一零部件分類編碼。和諧型機車PHM運維構(gòu)型字典庫示例如表1所示。

表1 和諧型機車PHM運維構(gòu)型字典庫示例

3.3 PHM模型標簽化及模型集市管理

實現(xiàn)從基于傳感器的報警診斷轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥悄芩惴ā⒁?guī)則模型的預(yù)測預(yù)警。規(guī)范各機型整車及關(guān)鍵部件的PHM模型多層級標簽、格式定義，包括PHM模型輸入/輸出數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)格式、模型白/黑盒封裝方式、模型實現(xiàn)環(huán)境及應(yīng)用條件等，形成PHM模型信息化集市管理，支持不同的整車、部件對象單元，以及故障預(yù)測、健康評估、視情維修等不同類型模型在PHM系統(tǒng)中的統(tǒng)一應(yīng)用管理。

4 應(yīng)用展望

4.1 快速診斷故障，減少過度維修

應(yīng)用PHM系統(tǒng)，全面管理整車及重要零部件的健康狀態(tài)，進行故障預(yù)測和健康管理，輔助實現(xiàn)機車檢修從計劃預(yù)防修到數(shù)字化精準維修的轉(zhuǎn)變。對于機車運用中暴露出的大量個性化質(zhì)量問題和故障，通過綜合大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測性、評估性模型，能夠做到“一車一方案，一部件一評估”，快速診斷、定位故障，提高主動式快速應(yīng)急響應(yīng)能力，有效降低故障危害，并根據(jù)單一的整車和部件狀態(tài)，在不同時機安排不同級別的檢修項目，有效減少過度檢修、非計劃內(nèi)故障維修。

4.2 提前防范故障，保障運輸安全

應(yīng)用PHM系統(tǒng)，實現(xiàn)事故主動預(yù)防，使維修更具智能性和主動性。在提升設(shè)備服役可靠性的同時，保持和諧機車最佳可用性，從而提高機車綜合質(zhì)量，減少機車在途停車及發(fā)生晚點的情況，降低機車臨碎修故障率，提升機車運行安全性，全面提升客貨運輸質(zhì)量，保障鐵路運輸安全。

4.3 提高機車質(zhì)量，降低運維成本

應(yīng)用PHM系統(tǒng)，精準掌控機車全壽命周期的技術(shù)狀態(tài)及其動態(tài)變化，提高機車質(zhì)量，在減少維修活動成本總量的同時，通過全壽命周期成本管理，實現(xiàn)整車及部件設(shè)備采購價格逐步向全壽命周期成本定價的方式過渡，以安全可靠為原則，逐步實現(xiàn)機車全壽命周期成本最小化[8]。

5 結(jié)束語

隨著越來越多的和諧型機車奔馳在祖國廣袤的大地上，必將對機車運維技術(shù)先進性、高效性、可靠性提出更高要求。本文對和諧型機車PHM系統(tǒng)進行總體設(shè)計，基于大數(shù)據(jù)和云平臺等技術(shù)，將PHM技術(shù)應(yīng)用于和諧型機車整車及部件統(tǒng)一標準運維體系中，構(gòu)建和諧型機車PHM數(shù)據(jù)平臺，創(chuàng)建PHM運維構(gòu)型字典庫，形成PHM模型集市。和諧型機車PHM系統(tǒng)的研發(fā)，能夠提升機車故障預(yù)測、精準維修的智能化水平，從而為機車信息化建設(shè)的發(fā)展提供更好的源動力。