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王軍，中國中車集團(tuán)有限公司

丁榮軍，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司

編者按

高速列車健康監(jiān)測與管理是集成力學(xué)、機(jī)械、電子、可靠性等多學(xué)科知識并具有多學(xué)科緊耦合特性的綜合性技術(shù)。發(fā)展高速列車健康監(jiān)測與管理技術(shù)為我國高速鐵路的長距離、大規(guī)模、高密度運(yùn)營提供了關(guān)鍵支撐，對車輛服役狀態(tài)的全面感知、精準(zhǔn)評估、快速響應(yīng)具有重大意義。

中國工程院丁榮軍院士研究團(tuán)隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2023年第2期發(fā)表《中國高速列車健康監(jiān)測與管理：進(jìn)展及展望》一文。文章闡述了健康監(jiān)測與管理對高速列車的重要價值，回顧了近20年中國高速列車健康監(jiān)測與管理的發(fā)展歷程：從安全監(jiān)控到關(guān)鍵系統(tǒng)健康監(jiān)測，再到一體化、全壽命周期的運(yùn)維管理；總結(jié)了列車全方位狀態(tài)監(jiān)測、精準(zhǔn)評估與診斷預(yù)測、車輛遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)、智能運(yùn)維決策支持等方面的重大技術(shù)突破。文章還進(jìn)一步展望了廣域全過程適應(yīng)性、列車數(shù)據(jù) / 計算資源一體化管理與應(yīng)用、基于健康監(jiān)測與管理的列車設(shè)計、車 – 線 – 站一體化智能運(yùn)維等未來發(fā)展方向，以期應(yīng)對中國高速鐵路面臨的高效安全運(yùn)維、深度降本降耗等發(fā)展挑戰(zhàn)，推動中國高速列車技術(shù)持續(xù)領(lǐng)先。

一、前言

經(jīng)過近20年的發(fā)展，中國高速鐵路（高鐵）成為世界上規(guī)模最大、運(yùn)營區(qū)域最廣、服役環(huán)境最復(fù)雜的軌道交通系統(tǒng)；截至2021年年底，高鐵營業(yè)里程為4×104?km，高速列車共有4153標(biāo)準(zhǔn)組，高鐵通達(dá)93%的城市（50萬人以上）。速度提升和規(guī)模擴(kuò)大對動車組持續(xù)保持安全、可靠、高效運(yùn)營提出了重大挑戰(zhàn)。發(fā)展高速列車健康監(jiān)測與管理（PHM）技術(shù)，對車輛服役狀態(tài)的全面感知、精準(zhǔn)評估、快速響應(yīng)，中國高鐵長距離、大體量、高密度的安全高效運(yùn)營具有重大意義。

PHM理念源于直升機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)監(jiān)控，隨后在航空、航天、船舶等領(lǐng)域的裝備上獲得廣泛應(yīng)用。隨著軌道交通裝備行業(yè)發(fā)展重心由規(guī)?；圃燹D(zhuǎn)向全壽命周期內(nèi)的運(yùn)營維護(hù)保養(yǎng)，運(yùn)用先進(jìn)的PHM技術(shù)來提升高速列車的安全性及可靠性，受到廣泛關(guān)注。歐盟Shift2Rail項目支持軌道交通綜合監(jiān)測系統(tǒng)、信息技術(shù)服務(wù)解決方案的創(chuàng)新研究，目標(biāo)是將軌道交通系統(tǒng)服務(wù)的可靠性和正點率提高50%。法國阿爾斯通公司應(yīng)用Health Hub、Train Tracer等健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)從車輛到基礎(chǔ)設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)測與智能管理。近年來，軌道交通裝備國際知名企業(yè)針對列車關(guān)鍵系統(tǒng)的健康監(jiān)測需求推出系列解決方案，如日立鐵路公司正在更新運(yùn)營車輛的無線數(shù)字系統(tǒng)，可實時監(jiān)測轉(zhuǎn)向架和輪對的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)計將列車因轉(zhuǎn)向架和輪對檢修而停運(yùn)的時間減少50%。

高速列車是機(jī)械、電氣、電子信息等技術(shù)高度集成的復(fù)雜大系統(tǒng)，包含眾多關(guān)鍵技術(shù)和配套技術(shù)。在高速移動條件下，列車與周圍環(huán)境的相互作用機(jī)制復(fù)雜，車 – 線 – 網(wǎng) – 氣流耦合效應(yīng)強(qiáng)烈，增加了列車運(yùn)營問題分析的復(fù)雜性以及預(yù)防處置的挑戰(zhàn)性。高速列車PHM是集成力學(xué)、機(jī)械、電子、可靠性等多學(xué)科知識并具有多學(xué)科緊耦合特性的綜合性技術(shù)。需從氣動、強(qiáng)度、動力學(xué)、電磁、控制等基礎(chǔ)理論及工程技術(shù)出發(fā)，綜合采用仿真、試驗等方法，研究系統(tǒng)部件失效機(jī)理，采用與之相匹配的感知技術(shù)，獲取系統(tǒng)及部件實時運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)；融合設(shè)計制造數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)、云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能（AI）等信息處理手段，開展高速列車的實時狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測、健康評估；結(jié)合可協(xié)調(diào)的檢修維護(hù)資源，提供精準(zhǔn)的維修決策支持，保障高速列車的安全運(yùn)行和視情維修。

中國高鐵建設(shè)規(guī)模大、服役環(huán)境復(fù)雜、分布區(qū)域廣，實施高速列車PHM面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)。經(jīng)歷了從先期技術(shù)探索到逐漸深化應(yīng)用的發(fā)展歷程，建立了較完善的高速鐵路安全技術(shù)體系（見圖1），提升了車輛的安全性、可用度、完好性并降低了維修保障成本。本文立足高鐵運(yùn)營的可靠性與安全性需求，回顧中國高速列車PHM的發(fā)展歷程，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)突破、展望未來發(fā)展方向，以期為高速列車技術(shù)體系構(gòu)建、高速鐵路高質(zhì)量發(fā)展等研究提供基礎(chǔ)參考。

二、中國高速列車健康監(jiān)測與管理發(fā)展歷程

中國高速列車PHM始終伴隨高鐵行業(yè)創(chuàng)新、列車運(yùn)維需求、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展，經(jīng)歷了列車運(yùn)營安全監(jiān)控模式，關(guān)鍵系統(tǒng)PHM技術(shù)，一體化、全壽命周期的智能運(yùn)維管理體系3個主要階段。

（一）列車運(yùn)行安全監(jiān)控模式

在高速列車投入運(yùn)營初期，PHM探索主要以列車運(yùn)行安全監(jiān)控為主，由車載監(jiān)控、軌旁檢測兩部分組成。① 在車載監(jiān)控方面，通過列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，但監(jiān)測項點有限、參數(shù)較少、頻次較低，列車狀態(tài)及診斷結(jié)果的數(shù)據(jù)無法實時落地。② 在軌旁檢測方面，延續(xù)鐵路客車和機(jī)車的成熟應(yīng)用經(jīng)驗，沿用了鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控（5T）系統(tǒng)模式（針對客貨車運(yùn)行安全進(jìn)行動態(tài)檢測和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控）；發(fā)展了高速列車軌旁安全檢測系統(tǒng)并在干線大節(jié)點上進(jìn)行部署，在列車中低速通過的時間段進(jìn)行軸箱軸承、車體底部與側(cè)面零部件松脫或異常（見圖2）、車輪多邊形、踏面損傷等方面的安全檢測；與動車組管理信息系統(tǒng)（EMIS）、動車組車載信息無線傳輸系統(tǒng)（WTDS）聯(lián)動，實現(xiàn)高速列車故障預(yù)警與應(yīng)急處置功能。

在檢修方面，建立了包括運(yùn)用修（一、二級修）和高級修（三、四、五級修）在內(nèi)的五級修業(yè)務(wù)體系。在缺少高速列車運(yùn)維服務(wù)經(jīng)驗及可借鑒成熟模式的情況下，逐步形成了高速列車檢修規(guī)程、售后包保服務(wù)模式。

（二）列車關(guān)鍵系統(tǒng)PHM技術(shù)

在京滬高鐵開通（2011年）、自主研發(fā)的CRH380系列高速列車大規(guī)模上線運(yùn)用后，中國高速列車運(yùn)營數(shù)量及配屬范圍不斷擴(kuò)大，車輛運(yùn)行速度提升至300~350 km/h，對高速列車的安全保障與運(yùn)維管理提出了新要求。高速列車PHM研究進(jìn)一步深化，重點針對車載端，就影響列車運(yùn)營安全的關(guān)鍵系統(tǒng)PHM實施技術(shù)攻關(guān)。研制了高速列車關(guān)鍵系統(tǒng)車載在線監(jiān)測系統(tǒng)，擴(kuò)充了列車部件狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)（如CRH380AL傳感器數(shù)量超過1000個）并提高了數(shù)據(jù)獲取的實時性，增強(qiáng)了診斷預(yù)警功能。

關(guān)于車載監(jiān)測，在列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上增加了走行部監(jiān)測系統(tǒng)（見圖3）、供電安全監(jiān)測系統(tǒng)（見圖4），與軌旁檢測系統(tǒng)互補(bǔ)以形成高速列車運(yùn)行安全雙重保障。在走行部監(jiān)測方面，研制了實時軸溫檢測、失穩(wěn)檢測等裝置，實現(xiàn)了基于溫度閾值判斷軸承嚴(yán)重故障、基于構(gòu)架橫向加速度評價列車運(yùn)行穩(wěn)定性并實時預(yù)警的能力。在牽引供電監(jiān)測方面，研制了接觸網(wǎng)安全巡檢、運(yùn)行狀態(tài)檢測等裝置，實現(xiàn)了接觸網(wǎng)運(yùn)行、懸掛狀態(tài)等參數(shù)的異常檢測能力。此外，動車組車載遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備實現(xiàn)了列車狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的小容量、低密度、定時發(fā)送，以車輛狀態(tài)及故障信息的實時落地支撐了運(yùn)營列車的故障排除與應(yīng)急處置。

在檢修方面，持續(xù)推進(jìn)修程修制優(yōu)化、檢修技術(shù)創(chuàng)新，有效降低了高速列車百萬千米故障率。各鐵路局、主機(jī)廠共同參與高速列車檢修規(guī)程、檢修技術(shù)條件、檢修工藝等的優(yōu)化，切實提升了檢修質(zhì)量并降低了維修成本。主機(jī)廠建立了標(biāo)準(zhǔn)化售后服務(wù)模式，涵蓋售后服務(wù)體系、專業(yè)化檢修團(tuán)隊、三級應(yīng)急支持體系。依托國家“十二五”科技支撐計劃支持，完成了“智能高速列車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及樣車研制”項目，深化了高速列車全息化感知技術(shù)研究，構(gòu)建了智能高速列車系統(tǒng)應(yīng)用平臺。

（三）一體化、全壽命周期的智能運(yùn)維體系

隨著“復(fù)興號”系列高速列車投入運(yùn)營，基于“本構(gòu)安全+智能運(yùn)維”理念，積極運(yùn)用大數(shù)據(jù)、AI、第四代 / 第五代移動通信（4G/5G）技術(shù)，建立了覆蓋高速列車全壽命周期的管理運(yùn)維體系、車 – 地一體化PHM平臺。

在車載端，針對高速列車在感知點分布廣（“復(fù)興號”的監(jiān)測點超過2500項）、數(shù)據(jù)類型多樣、狀態(tài)交錯關(guān)聯(lián)條件下的高速實時監(jiān)測問題，構(gòu)建了列車三級狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，集成牽引、制動、走行部等各子系統(tǒng)的健康管理功能，基于分布式架構(gòu)實現(xiàn)一體化的采集、計算、存儲、通信（見圖5）。采用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行車輛網(wǎng)絡(luò)信息高效傳輸，可兼容CRH380、CR300/400等車型，車 – 地遠(yuǎn)程實時傳輸間隔由之前的30 s縮短至5 s。

在地面端，構(gòu)建了高速列車健康監(jiān)測與專家支持系統(tǒng)，可接收列車實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；挖掘?qū)崟r監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)，開發(fā)了列車關(guān)鍵部件的故障診斷預(yù)測模型超過100個。實現(xiàn)在營動車組服役狀態(tài)的實時監(jiān)測、診斷預(yù)警、遠(yuǎn)程技術(shù)支持、維修決策，向各鐵路局推送預(yù)判、預(yù)警、報警信息，支持對列車故障的高效分析和快速處置。

在運(yùn)維體系方面，構(gòu)建了以可靠性為中心、覆蓋全壽命周期的運(yùn)維管理體系（見圖6），提高了運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性；以維護(hù) / 維修 / 運(yùn)行（MRO）系統(tǒng)為支撐，建立了高速列車故障字典及運(yùn)維數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計和分析系統(tǒng)及部件的失效規(guī)律，科學(xué)優(yōu)化檢修修程。

圍繞高速列車PHM技術(shù)，在國家、中國國家鐵路集團(tuán)有限公司、中國中車集團(tuán)有限公司等層級項目的支持下完成了系列重點研發(fā)任務(wù)。2015—2016年，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司實施了“動車組故障預(yù)測與健康管理研究”等項目。2016年，中國中車集團(tuán)有限公司啟動了“軌道交通裝備故障預(yù)測與健康管理技術(shù)研究與應(yīng)用”項目，旨在建立車組運(yùn)維數(shù)據(jù)庫，依托大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)故障診斷、預(yù)測及維修決策。2016年，“先進(jìn)軌道交通”國家重點研發(fā)計劃項目中的“軌道交通系統(tǒng)安全保障技術(shù)”項目啟動，以高速鐵路系統(tǒng)運(yùn)營安全感知與預(yù)警的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)為研究重點。2017年，工業(yè)和信息化部智能制造新模式應(yīng)用項目“基于大數(shù)據(jù)云平臺的軌道交通裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)新模式應(yīng)用”啟動，構(gòu)建遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)技術(shù)與支撐平臺，涵蓋狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測。此外，積極開展國際合作，共建國際聯(lián)合研究中心，舉辦軌道交通結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方向的國際會議。

三、中國高速列車健康監(jiān)測與管理關(guān)鍵技術(shù)突破

基于新型傳感、通信、AI、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，中國高速列車PHM研究在包括數(shù)據(jù)獲取、診斷預(yù)測、決策支持在內(nèi)的全流程上取得技術(shù)突破，形成了高速列車全壽命周期內(nèi)（研發(fā)、設(shè)計、制造、檢修維護(hù)）的數(shù)據(jù)采集及建模分析能力，構(gòu)建了組件成套、場景可定制的支撐技術(shù)與工具化系統(tǒng)，切實提升了高速列車的運(yùn)維安全性和經(jīng)濟(jì)性。

（一）大跨度、全天候工況下列車運(yùn)行狀態(tài)多維監(jiān)測技術(shù)

高速列車的系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)間相互作用關(guān)系均較復(fù)雜，關(guān)鍵系統(tǒng)及核心部件的失效機(jī)理、數(shù)據(jù)表征特性各異。集成并融合視頻圖像、振動溫度、光纖傳感、聲發(fā)射等傳感技術(shù)，輔以配套的數(shù)據(jù)采集儀和解調(diào)軟件，實現(xiàn)列車結(jié)構(gòu)件、走行部、車頂高壓、車門等關(guān)鍵子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)獲?。ㄒ妶D7）。

在高速列車運(yùn)行過程中，車體底架、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)部件受交變載荷、異常沖擊、環(huán)境腐蝕等長期作用，可能出現(xiàn)疲勞、腐蝕、裂紋等潛在損傷。為了保障列車結(jié)構(gòu)的長期服役安全，率先開展了高速列車結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用。研制了集成光纖光柵和智能壓電傳感器的柔性化、高性能感知網(wǎng)絡(luò)，能夠與結(jié)構(gòu)共形匹配。開發(fā)了滿足車載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、適應(yīng)車輛服役環(huán)境的集成化、模塊化、低功耗監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)從疲勞累積到損傷萌發(fā)、再到損傷演化的全過程實時監(jiān)測。

車載結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)變檢測范圍為±5000 με、損傷檢出尺寸小于3 mm。在結(jié)構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，采用貪心算法確定光纖光柵串連測點的最優(yōu)路徑，解決了車體結(jié)構(gòu)測點多、范圍廣、走線難的問題。轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架結(jié)構(gòu)多為厚板，為此通過分析壓電導(dǎo)波傳播在關(guān)注區(qū)域的可達(dá)性以匹配壓電換能器的陣列密度，提高了損傷檢測效率和定位精度。在傳感網(wǎng)絡(luò)、車載系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性方面，通過臺架試驗和線路跟蹤測試，持續(xù)優(yōu)化設(shè)計、制造、防護(hù)等工藝，滿足振動沖擊、交變濕熱、電磁干擾等服役環(huán)境對系統(tǒng)安全性和可靠性的要求。

走行部事關(guān)列車運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性，包含車輪、齒輪箱、軸承等高速旋轉(zhuǎn)部件；受輪軌高速作用、異常振動、曲線通過等影響，可能出現(xiàn)磨耗異常、踏面損傷、潤滑不良、軸承損傷等潛在故障，甚至觸發(fā)列車降速運(yùn)行或停車等嚴(yán)重影響運(yùn)營秩序的應(yīng)急處置措施。新研的走行部監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)軸溫、軸承振動沖擊、失穩(wěn)性能、平穩(wěn)性能的“四合一”實時監(jiān)測，全面覆蓋走行部動力學(xué)性能異常、旋轉(zhuǎn)件運(yùn)轉(zhuǎn)異常等監(jiān)測預(yù)警要素；具有集約、高效、可靠融合的應(yīng)用特征，節(jié)省監(jiān)測成本約20%，節(jié)約安裝空間約40%。

（二）列車關(guān)鍵系統(tǒng)狀態(tài)精準(zhǔn)評估與診斷預(yù)測技術(shù)

中國高速列車性能優(yōu)異且可靠性高。然而高速列車運(yùn)營的故障樣本稀缺，成為開展?fàn)顟B(tài)評估、故障診斷與預(yù)測的難題。針對列車關(guān)鍵子系統(tǒng)數(shù)據(jù)特征的差異性，融合列車關(guān)鍵設(shè)備機(jī)理、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理等數(shù)據(jù)分析方法，提出了相應(yīng)的解決方案。

對于列車車頂高壓系統(tǒng)的受電弓，主要監(jiān)測運(yùn)行過程中的火花、結(jié)構(gòu)異常、附著異物等。針對列車廣域高速運(yùn)動的特征，提出了一種融入行業(yè)專家經(jīng)驗信息，帶有異常樣本增廣、多尺度感受野卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)、預(yù)訓(xùn)練特征提取器的異常檢測方法，突破了小樣本、復(fù)雜且瞬變背景條件下基于視頻的深度學(xué)習(xí)工程應(yīng)用技術(shù)，革新了基于視頻的受電弓狀態(tài)實時評估及模型輕量化技術(shù)。受電弓的火花、異物、結(jié)構(gòu)異常等檢測模型，單幀檢測時間小于40 ms（見圖8），檢測精準(zhǔn)度由傳統(tǒng)圖像處理方法的75%提升至95%以上，已在新造智能高速列車上獲得部署應(yīng)用。

列車牽引系統(tǒng)部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是列車PHM的重點對象。針對牽引系統(tǒng)多數(shù)設(shè)備（正常運(yùn)行）數(shù)據(jù)信息量小、故障樣本稀缺的問題，采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)和小樣本學(xué)習(xí)方法（如弱標(biāo)簽學(xué)習(xí)、多維數(shù)據(jù)特征聚合、度量學(xué)習(xí)），實現(xiàn)了牽引變流器 / 變壓器 / 電機(jī)的濾網(wǎng)堵塞故障診斷與預(yù)測。某型高速列車牽引變流器濾網(wǎng)堵塞模型的運(yùn)行結(jié)果（見表1）與實際濾網(wǎng)臟堵情況一致（或比清洗記錄提前一天），可據(jù)此優(yōu)化濾網(wǎng)清洗時間，預(yù)防由濾網(wǎng)臟堵引起的變流器故障。

針對車體底架、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)，采用概率成像方法進(jìn)行安全評估，損傷成像的定位精度優(yōu)于5%。采用載荷 – 應(yīng)變線性疊加方法重構(gòu)結(jié)構(gòu)全場應(yīng)力，實現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的動態(tài)評估。

針對走行部旋轉(zhuǎn)部件（如聯(lián)軸節(jié)、軸箱軸承），采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、共振解調(diào)、階次跟蹤算法進(jìn)行故障診斷，聯(lián)軸節(jié)的故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到99%。集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解、流行學(xué)習(xí)、深度置信網(wǎng)絡(luò)、最小二乘支持向量機(jī)、長短時記憶網(wǎng)絡(luò)、遷移學(xué)習(xí)等算法，在走行部旋轉(zhuǎn)部件故障診斷中也獲得廣泛應(yīng)用。

表1　濾網(wǎng)堵塞檢測模型運(yùn)用結(jié)果?

（三）集成化、綜合性的列車遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)平臺

中國高速列車數(shù)量多、型號多、運(yùn)營里程多，產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)資源。為有效利用列車運(yùn)營的實時監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)，將大數(shù)據(jù)、云計算、AI等信息技術(shù)與列車運(yùn)維服務(wù)相結(jié)合，充分挖掘車輛全生命周期數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的價值；在車載PHM的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了集成化、綜合性的遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)平臺，集狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與預(yù)測等功能于一體，為動車組檢修提供決策支持，推動計劃性預(yù)防修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。目前，運(yùn)維服務(wù)平臺部署的列車關(guān)鍵設(shè)備故障診斷預(yù)警模型超過240個，支持約1600列在線運(yùn)營高速列車的服役狀態(tài)實時監(jiān)測和預(yù)警。

以中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司為例，與高速列車運(yùn)維相關(guān)的設(shè)計、制造、運(yùn)用、檢修、環(huán)境等數(shù)據(jù)兩年內(nèi)即達(dá)到2 PB。在列車全壽命周期數(shù)據(jù)管理方面，建立了車輛一體化數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，貫通了設(shè)計、制造、檢修、運(yùn)維的全鏈條，實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)采集。搭建了基于Hadoop+Spark混合架構(gòu)的大數(shù)據(jù)運(yùn)維平臺（見圖9），利用實時傳輸+Kafka+Spark的數(shù)據(jù)接收與解析技術(shù)，實現(xiàn)高通量連續(xù)性數(shù)據(jù)的快速處理。建立了松耦合、互操作、可重用、可重組的架構(gòu)，數(shù)據(jù)集成接入及發(fā)布方法，提供數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)換、服務(wù)組合、服務(wù)管理、安全訪問能力。實現(xiàn)全路在線運(yùn)營高速列車數(shù)據(jù)的實時物聯(lián)接入，形成高速列車全壽命周期的數(shù)據(jù)資源池并可即用即取，其中傳感器超過100種，數(shù)據(jù)測點超過2×107個。

在運(yùn)維數(shù)據(jù)的分析挖掘方面，突破了面向高速列車的分布式系統(tǒng)及異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與治理技術(shù)。以列車構(gòu)型為類別，融合相應(yīng)的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，有效整合同類型號車輛的運(yùn)行狀態(tài)、故障情況、運(yùn)用信息、檢修信息、歷史裝車信息、運(yùn)行工況信息等數(shù)據(jù)。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等AI算法挖掘高速列車運(yùn)營數(shù)據(jù)、企業(yè)運(yùn)營數(shù)據(jù)、用戶產(chǎn)品運(yùn)維數(shù)據(jù)，據(jù)此預(yù)測和預(yù)判列車關(guān)鍵部件故障；提出故障處理建議方案，規(guī)避影響車輛運(yùn)行安全的潛在問題，增強(qiáng)安全運(yùn)營保障能力。

（四）基于PHM的高速列車檢修和智能運(yùn)維服務(wù)體系

隨著中國高速列車配屬數(shù)量的快速增長，車輛的運(yùn)用可靠性、運(yùn)用檢修效率、檢修成本效益等問題愈發(fā)突出。運(yùn)維需求發(fā)生轉(zhuǎn)變，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)一步增強(qiáng)，需要以較低的運(yùn)維成本確保列車安全并可靠運(yùn)行。高速列車PHM技術(shù)的發(fā)展為優(yōu)化車輛檢修和運(yùn)維服務(wù)提供了關(guān)鍵支撐。

在檢修方面，采用以可靠性為中心的維修理念以及PHM技術(shù)，推動高速列車檢修由預(yù)防性維修轉(zhuǎn)向基于狀態(tài)的檢修及預(yù)測性維修。根據(jù)列車故障診斷與預(yù)測結(jié)果，構(gòu)建以RCM（以可靠性為中心的維修）為核心的檢修體系；分析全壽命周期內(nèi)的可靠性變化趨勢，提出合理的全壽命周期檢修要求，為修程修制的制定及優(yōu)化提供科學(xué)且標(biāo)準(zhǔn)的方法。

在運(yùn)維服務(wù)方面，融合云計算、虛擬可視化技術(shù)，構(gòu)建了組件成套、場景可定制、功能可配置的遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)技術(shù)與工具系統(tǒng)；突破距離、時間、設(shè)備的限制，形成了聯(lián)網(wǎng)化、數(shù)據(jù)化、可視化、主動化的高速列車智能運(yùn)維服務(wù)模式（見圖10）。配件管理是運(yùn)維服務(wù)的重要內(nèi)容，基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)、差分整合移動平均自回歸等需求預(yù)測方法實現(xiàn)配件庫存的精準(zhǔn)預(yù)測；構(gòu)建了基于全國庫存統(tǒng)一調(diào)度的列車配件庫存管理模式，實現(xiàn)配件庫存的分級管理、統(tǒng)一調(diào)度，平均供應(yīng)周期由30天縮短至15天以內(nèi)，備品備件的列均成本降低超過40%。遠(yuǎn)程運(yùn)維支持中心以PHM為內(nèi)核，借助MRO系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)等信息化手段，形成了故障監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)、處置分析等能力；顯著減少了技術(shù)人員現(xiàn)場支持次數(shù)，使高速列車應(yīng)急運(yùn)維故障處理效率提升50%以上。

四、中國高速列車健康監(jiān)測與管理技術(shù)展望

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（一）范圍更廣、過程更全、融合更緊密的PHM

2022年11月，中國參與建設(shè)的印度尼西亞雅萬高鐵成功試驗運(yùn)行，對推動中國高鐵“走出去”起到示范效應(yīng)。隨著中國高速列車應(yīng)用覆蓋更多的國家和地區(qū)，列車在運(yùn)營過程中將經(jīng)歷嚴(yán)寒、酷暑、干燥、濕熱、鹽霧、風(fēng)沙等更加復(fù)雜的服役環(huán)境，這對列車各子系統(tǒng)設(shè)備的可靠性提出了新要求。對于確保列車高安全性、高可用性的PHM系統(tǒng)，需進(jìn)一步深化研究工作以適應(yīng)更為廣域復(fù)雜的服役環(huán)境：

① 集成先進(jìn)傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)，開展列車關(guān)鍵系統(tǒng)與核心部件運(yùn)行狀態(tài)的全范圍、全壽命周期、全過程實時動態(tài)監(jiān)測；

② 研制高可靠性、高性能PHM系統(tǒng)平臺設(shè)備，為各子系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)測模型運(yùn)行等提供堅實基礎(chǔ)；

③ 通過線路試驗，闡明設(shè)備失效機(jī)理并豐富樣本數(shù)據(jù)庫，克服傳統(tǒng)失效機(jī)理難以準(zhǔn)確表征列車在復(fù)雜服役環(huán)境下運(yùn)行狀態(tài)的不足；

④ 將AI、大數(shù)據(jù)技術(shù)與失效機(jī)理、專家經(jīng)驗深度結(jié)合，開發(fā)復(fù)雜服役環(huán)境下列車關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確表征方法，提升PHM的精準(zhǔn)度。

（二）列車數(shù)據(jù) / 計算資源一體化管理與應(yīng)用

高速列車設(shè)備眾多、布局分散，目前采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以自行采集和處理相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，再將處理結(jié)果上傳列車網(wǎng)絡(luò)。這類數(shù)據(jù)處理方式，丟失了可反映設(shè)備性能變化的豐富暫態(tài)信息。高速列車的新型車載設(shè)備具有顯著增強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理及計算能力，在此背景下針對列車各主要設(shè)備的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度具備技術(shù)可行性。全面采集并充分挖掘相關(guān)設(shè)備在性能劣化過程中出現(xiàn)的豐富暫態(tài)信息，構(gòu)成開發(fā)性能優(yōu)異的預(yù)測 / 診斷模型、實現(xiàn)列車精準(zhǔn)的PHM等增強(qiáng)能力的堅實基礎(chǔ)。

（三）基于PHM的列車關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計

高速列車PHM是在傳統(tǒng)列車安全監(jiān)控基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。傳統(tǒng)設(shè)計以防止車輛設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障、能夠阻止故障進(jìn)一步發(fā)展為準(zhǔn)則，這種方式難以對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（反映設(shè)備是否出現(xiàn)性能劣化以及劣化程度的一組顯式或隱式特征參數(shù)）進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，不足以支持列車PHM的深化研究。在新型高速列車的設(shè)計階段即規(guī)劃列車PHM的功能分布，在設(shè)計流程中融入數(shù)據(jù)采集、診斷模型運(yùn)行等PHM需求；從車輛總體方案“源頭”實施列車PHM，革新高速列車PHM技術(shù)的應(yīng)用水平。

（四）車 – 線 – 站一體化智能運(yùn)維

高鐵是包括動車組、通信信號、牽引供電、工務(wù)工程、運(yùn)營調(diào)度、客運(yùn)服務(wù)六大子系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)工程。當(dāng)前的主流方式是各子系統(tǒng)在專有領(lǐng)域展開智能運(yùn)維研究，但具體業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)相對獨立，“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象突出，高質(zhì)量開展數(shù)據(jù)共享難度較大。實現(xiàn)高鐵跨系統(tǒng)、跨功能、整合聯(lián)動的智能運(yùn)維管控，是中國高速列車智能運(yùn)維的未來發(fā)展方向，需探索并構(gòu)建車 – 線 – 站一體化智能運(yùn)維模式，深化多專業(yè)設(shè)備綜合聯(lián)動監(jiān)視、跨專業(yè)數(shù)據(jù)聯(lián)動分析等技術(shù)研究。

來源：中國工程院院刊