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文章來(lái)源：《中國(guó)鐵路》編輯部

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陸航，?中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所

董威，?中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司

董光磊，北京縱橫機(jī)電科技有限公司

0?引言

故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and HealthManagement，PHM）技術(shù)是在美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)國(guó)家航空航天局的大力推動(dòng)下不斷發(fā)展、成熟起來(lái)的，其發(fā)展過(guò)程分為4個(gè)階段：（1）人工/設(shè)備測(cè)試階段。20世紀(jì)50、60年代，隨著可靠性理論、環(huán)境試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)及質(zhì)量檢測(cè)方法的誕生，維修人員通過(guò)測(cè)試設(shè)備在飛機(jī)外進(jìn)行檢測(cè)、排故，機(jī)載設(shè)備僅需監(jiān)測(cè)關(guān)鍵系統(tǒng)的少量參數(shù)。（2）機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）的故障診斷階段。20世紀(jì)70年代至80年代中期，針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的飛機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的自動(dòng)檢測(cè)與隔離。（3）綜合診斷與系統(tǒng)監(jiān)控階段。20世紀(jì)80年代后期至90年代，PHM技術(shù)應(yīng)用從航空領(lǐng)域進(jìn)入軌道交通領(lǐng)域，6K型電力機(jī)車實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)的分析與故障診斷、隔離，SS4、SS8型電力機(jī)車也應(yīng)用了模塊化自檢模式。（4）復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)和健康管理階段。20世紀(jì)末，美國(guó)國(guó)家航空航天局提出飛行器健康監(jiān)控的體系性概念，以支持新一代運(yùn)載器的高性能要求。此后，PHM技術(shù)開始在各行業(yè)盛行。

總體而言，PHM利用傳感器采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，借助信息技術(shù)、人工智能推理算法，對(duì)系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估、監(jiān)控與管理。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)有資源信息，提供一系列維護(hù)保障建議或決策。因此，PHM是一種集故障檢測(cè)、隔離、健康評(píng)估、健康預(yù)測(cè)及維護(hù)決策于一體的綜合技術(shù)。21世紀(jì)以來(lái)，各領(lǐng)域的PHM系統(tǒng)相繼問(wèn)世，推動(dòng)該技術(shù)日益成熟并向?qū)嵱没较虬l(fā)展。PHM技術(shù)以美軍戰(zhàn)斗機(jī)為代表，通過(guò)全面狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、隔離定位、預(yù)測(cè)和決策管理技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)F35等戰(zhàn)斗機(jī)任務(wù)成功率提升、使用和維修保障費(fèi)用降低，是實(shí)現(xiàn)美軍經(jīng)濟(jì)可承受性目標(biāo)（Economic Affordability）的關(guān)鍵使能技術(shù)。

隨著鐵路的快速發(fā)展，安全、舒適、可靠的高速動(dòng)車組成為乘客首選的快捷交通服務(wù)載運(yùn)工具。截至2022年6月，全路共計(jì)超過(guò)4000列標(biāo)準(zhǔn)組動(dòng)車組在服役中，單列歷史累計(jì)運(yùn)行最大里程已超過(guò)780萬(wàn)km。在運(yùn)營(yíng)高峰期，每天有超過(guò)4000列次動(dòng)車組上線運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)密度最高的2019年，車組年均走行里程達(dá)55萬(wàn)km。目前，高速動(dòng)車組采用以走行公里周期為主、時(shí)間周期為輔的檢修方式，其修程修制需要耗費(fèi)巨大的人力、物力與財(cái)力，高速鐵路運(yùn)營(yíng)成本居高不下。如何進(jìn)一步提升安全保障裕度、提高運(yùn)維效率、降低運(yùn)維成本、支撐修程修制優(yōu)化，利用完善的車載、地面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，與各來(lái)源電務(wù)、軌道狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、大氣環(huán)境數(shù)據(jù)等融合，最終實(shí)現(xiàn)維修決策及任務(wù)派遣，是從狀態(tài)修（Condition Based Maintenance，CBM）到PHM的重要一環(huán)。

1?國(guó)外軌道交通PHM現(xiàn)狀

1.1 PHM平臺(tái)及相關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)裝備集成度、復(fù)雜度、智能化程度的急劇增加，各鐵路強(qiáng)國(guó)的運(yùn)營(yíng)商、主機(jī)企業(yè)及配件供應(yīng)商紛紛開展了不同程度、不同層級(jí)的PHM技術(shù)應(yīng)用。作為體量居世界前列的軌道交通裝備與解決方案供應(yīng)商，法國(guó)阿爾斯通公司（簡(jiǎn)稱阿爾斯通）與德國(guó)西門子公司（簡(jiǎn)稱西門子）的軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施、移動(dòng)裝備均需要耗費(fèi)巨大人力、物力、財(cái)力維護(hù)，存在大量運(yùn)維核心需求。因此，大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)性運(yùn)維解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

【阿爾斯通】

阿爾斯通在軌道交通故障預(yù)測(cè)與健康管理方面的技術(shù)發(fā)展與大數(shù)據(jù)運(yùn)用及PHM核心技術(shù)息息相關(guān)，如現(xiàn)金傳感、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)用、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，充分體現(xiàn)了PHM的跨專業(yè)融合特點(diǎn)。阿爾斯通PHM解決方案的發(fā)展歷程見圖1。2006--2012年，阿爾斯通逐步擴(kuò)充完善轉(zhuǎn)向架、牽引系統(tǒng)等車載設(shè)備、軌道線路、接觸網(wǎng)及基礎(chǔ)設(shè)施的信號(hào)采集端;2013--2016年，隨著信息化技術(shù)不斷發(fā)展，阿爾斯通借助推理模型進(jìn)行故障診斷與定位，形成具備CBM功能的應(yīng)用平臺(tái)，而前述數(shù)據(jù)采集端在該階段也作為“感知層”匯入平臺(tái);自2017年起，各類數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)基于規(guī)則知識(shí)的應(yīng)用引擎(模型組件)，與各類資產(chǎn)管理系統(tǒng)相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)車隊(duì)管理、車隊(duì)調(diào)度優(yōu)化、故障診斷和預(yù)測(cè)等頂層目標(biāo)。

【西門子】

Railigent平臺(tái)整合了西門子在全球的先進(jìn)技術(shù)，提供了一系列數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及分析的標(biāo)準(zhǔn)工具。最重要的是，Railigent為不同的軌道線路提供特別的解決方案，從而提高了移動(dòng)裝備與基礎(chǔ)設(shè)施的可用性、降低了成本、優(yōu)化了養(yǎng)護(hù)維修策略。Railigent平臺(tái)核心功能見圖2。

Railigent平臺(tái)主要圍繞數(shù)據(jù)來(lái)展開，主要包括以下內(nèi)容：

（1）數(shù)據(jù)傳輸：將傳感器數(shù)據(jù)安全地傳輸至中央數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心；

（2）數(shù)據(jù)處理：在中央數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、數(shù)據(jù)融合、清洗、濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作；

（3）數(shù)據(jù)評(píng)估：利用先進(jìn)的算法、專家知識(shí)和最佳實(shí)踐案例，通過(guò)智能監(jiān)控、智能數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)測(cè)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值；

（4）數(shù)據(jù)可視化：可根據(jù)用戶需要定制報(bào)告報(bào)表，可選擇基本解決方案或高級(jí)解決方案，標(biāo)準(zhǔn)化接口確保了與維護(hù)系統(tǒng)的互操作性，通過(guò)應(yīng)用程序提供的鐵路資產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，可改善運(yùn)營(yíng)、優(yōu)化維護(hù)、提高成本效率，最終實(shí)現(xiàn)車輛的100%可用性。

Railigent平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)列車的可視化監(jiān)控，可觀察整個(gè)車隊(duì)的概覽情況，如位置和運(yùn)行狀態(tài)；可對(duì)部件設(shè)備進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)，觀察運(yùn)行劣化情況；可對(duì)供暖、通風(fēng)和空調(diào)的異常模式進(jìn)行識(shí)別；可對(duì)識(shí)別的故障模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.2 PHM數(shù)據(jù)源采集及處理技術(shù)　

【阿爾斯通】

作為阿爾斯通軌道交通系統(tǒng)性運(yùn)維解決方案，HealthHub平臺(tái)的核心數(shù)據(jù)源組成見圖3。TrainTracer、Motes、TrainScanner、Track & CatenaryTracer作為數(shù)據(jù)采集端，可分別采集列車實(shí)時(shí)狀態(tài)、走行部關(guān)鍵部件振動(dòng)與溫度數(shù)據(jù)、整車入段掃描數(shù)據(jù)、軌道與接觸網(wǎng)狀態(tài)，并傳遞至HealthHub系統(tǒng)性平臺(tái)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)評(píng)估關(guān)鍵部件健康狀態(tài)，預(yù)測(cè)未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，并支撐基于狀態(tài)的、預(yù)測(cè)性的方式進(jìn)行修程優(yōu)化。其中，Train?Scanner是HealthHub數(shù)據(jù)源的重要組成，該裝置可自動(dòng)確定機(jī)車車輛、基礎(chǔ)設(shè)施和信號(hào)的狀態(tài)。TrainScan?運(yùn)營(yíng)管理ner使用診斷門戶，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的激光或3D相機(jī)測(cè)量等手段自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪、剎車片、受電弓碳條，以及車底架、車身外殼的狀態(tài)和預(yù)測(cè)性維護(hù)，匯入HealthHub平臺(tái)后，使用基于規(guī)則的算法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可操作的信息，從而計(jì)算出每個(gè)資產(chǎn)的健康指數(shù)，并進(jìn)一步分析預(yù)測(cè)車輛部分關(guān)鍵部件的剩余使用壽命。

阿爾斯通PHM系統(tǒng)主要通過(guò)數(shù)據(jù)采集、健康評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，將裝備對(duì)象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為使用人員、維護(hù)人員的具體使用和維護(hù)行動(dòng)。數(shù)據(jù)采集來(lái)源主要包括車輛機(jī)車、軌道等基礎(chǔ)設(shè)施、信號(hào)設(shè)備，數(shù)據(jù)被傳輸至HealthHub，健康評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)依托于平臺(tái)的評(píng)估算法模型，其輸出結(jié)果為司乘人員、檢修維護(hù)人員、運(yùn)營(yíng)工作人員等各業(yè)務(wù)相關(guān)方提供各自所需信息。HealthHub平臺(tái)應(yīng)用目標(biāo)見圖4。

Healthhub平臺(tái)獲取信息后，數(shù)據(jù)科學(xué)家通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，形成軌道交通裝備對(duì)象的規(guī)則知識(shí)庫(kù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)基于規(guī)則知識(shí)的應(yīng)用引擎（模型組件），實(shí)現(xiàn)車隊(duì)管理、車隊(duì)調(diào)度優(yōu)化、故障診斷和預(yù)測(cè)等功能。作為Healthhub平臺(tái)的另一大特點(diǎn)——健康指標(biāo)（HeathIn?dex，HI）作為核心被引入。平臺(tái)針對(duì)某一被評(píng)估單元，將表征該評(píng)估單元的全部或部分參數(shù)進(jìn)行融合，得到該被評(píng)估單元的健康指標(biāo)或狀態(tài)指標(biāo)。特征參數(shù)或狀態(tài)指標(biāo)的融合可基于分析評(píng)估和專家經(jīng)驗(yàn)，也可基于機(jī)器學(xué)習(xí)建模的方法來(lái)進(jìn)行，HI的形成需要經(jīng)過(guò)虛擬樣機(jī)和實(shí)物樣機(jī)的測(cè)試和驗(yàn)證。綜合運(yùn)用各類測(cè)試數(shù)據(jù)，提供評(píng)估車組狀態(tài)、關(guān)鍵系統(tǒng)及部件健康度的健康畫像。

【西門子】

西門子Railigent的執(zhí)行流程分為以下步驟（見圖5）：

（1）數(shù)據(jù)采集：在車輛傳感器和信號(hào)系統(tǒng)中，以安全可靠的方式，從各種控制單元獲取操作和診斷數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)傳輸：依托現(xiàn)代蜂窩通信技術(shù)和先進(jìn)的安全技術(shù)，以安全、可靠、高效的方式，將有價(jià)值的數(shù)據(jù)傳遞至云端；

（3）數(shù)據(jù)處理：Railigent是基于云的基礎(chǔ)架構(gòu)，無(wú)-85需處理繁瑣的系統(tǒng)升級(jí)。將傳遞的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正確攝取，并清洗臟數(shù)據(jù)；

（4）解析生成：檢查、評(píng)估存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并生成報(bào)告。應(yīng)用基本聚合算法到應(yīng)用高級(jí)商業(yè)智能報(bào)告引擎，用于創(chuàng)建、測(cè)試和推出人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）應(yīng)用程序。應(yīng)用程序可檢測(cè)異常情況、預(yù)測(cè)故障，甚至對(duì)未來(lái)的資產(chǎn)性能、成本和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行建模，并找到最合適的改進(jìn)措施；

（5）結(jié)果共享：將評(píng)估后的數(shù)據(jù)和生成的報(bào)告，與運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和資產(chǎn)管理者共享。

在數(shù)據(jù)源獲取及處理方面，Railigent還具有以下特點(diǎn)：

（1）跟蹤所有數(shù)據(jù)流：Railigent能充分利用軌道數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各層級(jí)應(yīng)用功能。該平臺(tái)從傳感器映射至智能手機(jī)，建立完整數(shù)據(jù)通道?？筛檾?shù)據(jù)流包括從管理層面高度集合的指標(biāo)到用于車輛段內(nèi)維護(hù)的詳細(xì)分析。

（2）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)測(cè)：Railigent可用于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、快速診斷及故障預(yù)測(cè)。該平臺(tái)利用西門子工業(yè)數(shù)據(jù)分析架構(gòu)所提供的標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分析，進(jìn)而提高部件的可用性、延長(zhǎng)使用壽命、提升零部件維護(hù)水平和移動(dòng)裝備的運(yùn)行效率。

1.3 PHM核心應(yīng)用目標(biāo)及應(yīng)用效益　

【應(yīng)用目標(biāo)】

阿爾斯通和西門子在軌道交通裝備技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略中，制定了以下PHM核心應(yīng)用目標(biāo)：

（1）實(shí)時(shí)性：對(duì)平臺(tái)服務(wù)范圍內(nèi)的每條軌道和每列動(dòng)車組進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括上述參數(shù)傳輸及處理過(guò)程；

（2）動(dòng)態(tài)的維護(hù)計(jì)劃：通過(guò)專家智能推理算法，根據(jù)每個(gè)部件的預(yù)測(cè)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)生成和更新維護(hù)計(jì)劃；

（3）任務(wù)的自動(dòng)化決策：與其他物料及物流生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)平衡倉(cāng)庫(kù)中的備件庫(kù)存；根據(jù)動(dòng)車組工作載荷和各項(xiàng)健康指標(biāo)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)車組派遣。

【應(yīng)用效益】

HealthHub和Railigent在維護(hù)和操作方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅降低各項(xiàng)養(yǎng)護(hù)維修中的材料消耗和人力支出，為軌道車輛所有者和運(yùn)營(yíng)商節(jié)省了大量資金，還有助于延長(zhǎng)維護(hù)間隔、延長(zhǎng)部件壽命、提高運(yùn)行的安全性。自2017年原型系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，HealthHub已監(jiān)測(cè)30余支車隊(duì)，超過(guò)2000輛列車；對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)軌道線路的監(jiān)測(cè)覆蓋超過(guò)5000km。截至目前，應(yīng)用HealthHub產(chǎn)生效益如下：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)15%；

（2）養(yǎng)護(hù)維修相關(guān)人力減少20%；

（3）備件材料消耗降低15%；

（4）維護(hù)周期延長(zhǎng)25%從而提升產(chǎn)能；

（5）減少了轉(zhuǎn)向架和車頂?shù)奈ｋU(xiǎn)干預(yù)，提高了鐵路安全性；

（6）列車/基礎(chǔ)設(shè)施和信號(hào)系統(tǒng)故障的情況減少；

（7）新建項(xiàng)目均推薦采用該系統(tǒng)，產(chǎn)生附加運(yùn)行維護(hù)服務(wù)效益。

受NahverkehrRheinland（NVR）、NWL、SPNVNord等協(xié)會(huì)委托，西門子于2015年3月交付82列動(dòng)車組Desiro-HC列車，并依托新一代RailigentX平臺(tái)，提供32年維護(hù)服務(wù)。截至目前，得益于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)測(cè)性服務(wù)概念，Railigent實(shí)際成本節(jié)省15%。更高的成本效益使軌道交通更具競(jìng)爭(zhēng)力。列車發(fā)生延誤的概率是1/2300，用戶滿意度得到提高。經(jīng)驗(yàn)證的可用率>99%。優(yōu)化的可靠性最大程度減少了因故障引起的停車時(shí)間。RailligentX為鐵路資產(chǎn)管理提供了巨大的好處。由于基于狀態(tài)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)性維護(hù)概念，鐵路運(yùn)輸變得更加高效、可靠和舒適。此外，還可以降低生命周期成本和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。產(chǎn)生的效益如下：

（1）通過(guò)對(duì)多個(gè)來(lái)源數(shù)據(jù)的深入分析，對(duì)基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維護(hù)方法能夠延長(zhǎng)維護(hù)周期，消除不必要的工作，如過(guò)早更換零件，并將維護(hù)成本降低15%；

（2）通過(guò)匯總所有相關(guān)的鐵路系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)主動(dòng)式和被動(dòng)式服務(wù)支持，以及遠(yuǎn)程功能的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)監(jiān)控，可將服務(wù)延遲導(dǎo)致的成本降低40%；

（3）對(duì)鐵路系統(tǒng)（包括車輛和基礎(chǔ)設(shè)施）進(jìn)行整體優(yōu)化，從而將服務(wù)可靠性提高10%。

2?我國(guó)動(dòng)車組PHM現(xiàn)狀及創(chuàng)新

目前，以中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱鐵科院集團(tuán)公司）為代表的核心研究機(jī)構(gòu)，以及各鐵路局集團(tuán)公司、主機(jī)企業(yè)及配件供應(yīng)商，均針對(duì)負(fù)責(zé)技術(shù)平臺(tái)動(dòng)車組開展了PHM相關(guān)應(yīng)用研究?，F(xiàn)階段，由中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán)）機(jī)輛部統(tǒng)籌規(guī)劃，開展鐵科院集團(tuán)公司與中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱上海局集團(tuán)公司）2家動(dòng)車組PHM系統(tǒng)整合工作，搭建全路統(tǒng)一的動(dòng)車組PHM大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一應(yīng)用、統(tǒng)一管理。

2.1 PHM平臺(tái)化體系架構(gòu)

根據(jù)《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》（鐵辦機(jī)輛〔2020〕99號(hào)）要求搭建全路統(tǒng)一的動(dòng)車組PHM大數(shù)據(jù)平臺(tái)，整合后的系統(tǒng)架構(gòu)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、模型運(yùn)算層和應(yīng)用層（見圖6）：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層：負(fù)責(zé)專業(yè)數(shù)據(jù)的匯集、清洗、轉(zhuǎn)換，為模型計(jì)算和系統(tǒng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐；

（2）模型運(yùn)算層：包含上海局集團(tuán)公司模型管理區(qū)和鐵科院集團(tuán)公司模型管理區(qū)，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行模型程序計(jì)算；

（3）應(yīng)用層建設(shè)包含實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警預(yù)測(cè)、視情維修、健康管理和模型管理等功能模塊，向用戶提供服務(wù)。整合后的動(dòng)車組PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)（EMIS系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)貫通，動(dòng)車組PHM系統(tǒng)模型報(bào)警信息可下發(fā)至EMIS系統(tǒng)計(jì)劃作業(yè)模塊，計(jì)劃編制人員根據(jù)模型報(bào)警信息安排相關(guān)復(fù)核和檢修工作，復(fù)核與檢修結(jié)果的實(shí)績(jī)將同步推送至動(dòng)車組PHM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警處置流程的閉環(huán)。

2.2 PHM模型部署及核心功能要素

【模型部署】

由國(guó)鐵集團(tuán)機(jī)輛部統(tǒng)籌規(guī)劃，動(dòng)車組PHM系統(tǒng)的核心功能包括：狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警、視情維修和健康評(píng)估。其中，狀態(tài)監(jiān)控主要依托于動(dòng)車組WTDS數(shù)據(jù)內(nèi)遷后的實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)、故障及位置信息；故障預(yù)警、視情維修和健康評(píng)估主要依托模型為載體實(shí)現(xiàn)。

【核心功能要素】

除直接部署于模型運(yùn)算層模型外，整合后動(dòng)車組PHM系統(tǒng)持續(xù)接收來(lái)自中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司（簡(jiǎn)稱中車長(zhǎng)客）、中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司（簡(jiǎn)稱中車青島四方）、中車唐山機(jī)車車輛有限公司、青島四方阿爾斯通鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司（簡(jiǎn)稱AST公司）等主機(jī)企業(yè)的PHM模型推送結(jié)果，終端用戶可通過(guò)PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障回填及后續(xù)回庫(kù)處置工作。

2.3 我國(guó)典型PHM工程化應(yīng)用

動(dòng)車組PHM技術(shù)主要體現(xiàn)形式在于其體系性、平臺(tái)性的展示，以及結(jié)合不同需求特點(diǎn)的運(yùn)維應(yīng)用。除國(guó)鐵集團(tuán)動(dòng)車組PHM系統(tǒng)外，各鐵路局集團(tuán)公司、科研院所、制造商和相關(guān)服務(wù)公司均在軌道交通PHM方面有所創(chuàng)新、研發(fā)。

（1）中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司針對(duì)CRH5A型動(dòng)車組牽引變壓器、牽引電機(jī)、齒輪箱和軸箱4個(gè)關(guān)鍵部件，開發(fā)了極短期預(yù)報(bào)模型用于預(yù)測(cè)溫度參數(shù)。充分考慮運(yùn)行速度、運(yùn)行距離、散熱器清洗情況等諸多影響因子，利用多元非線性回歸算法建立動(dòng)車組溫度類數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型，對(duì)次日上線動(dòng)車組關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)峰值溫度進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，起到防范超溫故障發(fā)生作用。同時(shí)，利用溫度數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)由溫度導(dǎo)向的生產(chǎn)任務(wù)，如牽引變壓器散熱器清洗、牽引電機(jī)注油、軸箱檢查等檢修任務(wù)，建立數(shù)據(jù)分析—檢修干預(yù)—跟蹤分析—故障銷號(hào)的閉環(huán)管理模式，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型指導(dǎo)動(dòng)車組檢修在生產(chǎn)環(huán)節(jié)起到保障安全和節(jié)支降耗作用。

（2）中國(guó)中車旗下各主機(jī)企業(yè)前期均根據(jù)各自車型平臺(tái)產(chǎn)生的WTDS數(shù)據(jù)進(jìn)行了PHM應(yīng)用系統(tǒng)及模型的探索工作。比較有代表性的應(yīng)用系統(tǒng)是中車長(zhǎng)客開發(fā)的故障預(yù)測(cè)及健康管理系統(tǒng)，以及中車青島四方開發(fā)的動(dòng)車組健康管理中心，即原健康監(jiān)測(cè)及專家支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程車組監(jiān)控、故障早期預(yù)警以及可指導(dǎo)售后人員的數(shù)字化精準(zhǔn)維修工作。

（3）中車長(zhǎng)客根據(jù)2020年上線的智能動(dòng)車組，結(jié)合京張智能化提升等需求，配套構(gòu)建完善的地面-車載PHM系統(tǒng)，其主要功能導(dǎo)向?yàn)椋阂皇枪收项A(yù)測(cè)，二是健康管理。

（4）中車青島四方PHM平臺(tái)自2016年啟動(dòng)建設(shè)，目的是為旗下動(dòng)車組開發(fā)自主可控、平臺(tái)架構(gòu)可擴(kuò)展、應(yīng)用統(tǒng)一服務(wù)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

（5）北京縱橫機(jī)電科技有限公司（簡(jiǎn)稱縱橫機(jī)電）是我國(guó)機(jī)車車輛核心系統(tǒng)供應(yīng)商。為提升研發(fā)和應(yīng)用水平、更好地服務(wù)客戶、保障產(chǎn)品運(yùn)用穩(wěn)定，針對(duì)所研發(fā)的制動(dòng)、牽引、網(wǎng)絡(luò)控制、安全監(jiān)測(cè)產(chǎn)品構(gòu)建了產(chǎn)品大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.4 應(yīng)用效果　

鐵科院集團(tuán)公司基于大數(shù)據(jù)技術(shù)架構(gòu)的開放性PHM系統(tǒng)在武清主數(shù)據(jù)中心部署上線，自2020年12月系統(tǒng)向全路開放試用以來(lái)，主要應(yīng)用效果體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

（1）通過(guò)超前預(yù)警提升動(dòng)車組安全運(yùn)用的保障能力。動(dòng)車組PHM系統(tǒng)上線以來(lái)，通過(guò)定期與主機(jī)廠、動(dòng)車段進(jìn)行對(duì)接，結(jié)合動(dòng)車組運(yùn)用檢修中發(fā)生的故障情況，鐵科院集團(tuán)公司及上海局集團(tuán)公司聯(lián)合開發(fā)組不斷對(duì)預(yù)警預(yù)測(cè)模型規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化和豐富。通過(guò)各關(guān)鍵部件模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組故障預(yù)警預(yù)測(cè)，對(duì)動(dòng)車組故障隱患的早期識(shí)別和提前預(yù)警，提前發(fā)現(xiàn)故障并處置，減少故障影響，保障動(dòng)車組運(yùn)行安全；提高動(dòng)車組故障應(yīng)急處置效率，減少動(dòng)車組故障對(duì)運(yùn)行秩序的影響。以走行部關(guān)鍵部件為例，PHM系統(tǒng)全年總報(bào)警3296次（按天合并同車同位置重復(fù)報(bào)警），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核確認(rèn)有效報(bào)警464條；客室空調(diào)方面，確認(rèn)有效PHM報(bào)警48條，動(dòng)車組配屬鐵路局集團(tuán)公司暑期未發(fā)生空調(diào)相關(guān)責(zé)任故障，有效提升動(dòng)車組安全保障能力。

（2）通過(guò)部分項(xiàng)點(diǎn)狀態(tài)修降低動(dòng)車組維修成本。系統(tǒng)投入應(yīng)用后，一方面實(shí)現(xiàn)CR400AF等平臺(tái)動(dòng)車組主變壓器、牽引變流器等冷卻裝置的視情維修，避免過(guò)度維修、節(jié)約維修成本。通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)維修建議模塊，各鐵路局集團(tuán)公司均結(jié)合自身實(shí)際檢修情況，逐步推動(dòng)和擴(kuò)大視情維修，在有力推動(dòng)動(dòng)車組修程修制改革的同時(shí)，大大降低了動(dòng)車組維修成本。

3?結(jié)論

3.1 國(guó)外軌道交通PHM應(yīng)用

以阿爾斯通、西門子為代表的國(guó)外動(dòng)車組PHM，其研制流程類似航空領(lǐng)域PHM的方案設(shè)計(jì)體系；總體而言從各部件自身測(cè)試診斷到部件級(jí)健康評(píng)估，最終形成運(yùn)維體系。

（1）國(guó)外軌道交通PHM應(yīng)用相對(duì)較早，對(duì)象較廣泛，既有針對(duì)移動(dòng)裝備類的診斷預(yù)測(cè)，也有針對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)基站、供電設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的壽命預(yù)測(cè)與故障診斷，但各類應(yīng)用與檢修處置的聯(lián)動(dòng)及反饋不強(qiáng)，主要依托數(shù)據(jù)分析師進(jìn)行算法內(nèi)部迭代優(yōu)化。

（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)、車地?cái)?shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)均為主機(jī)企業(yè)內(nèi)部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能掌握數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較高，大數(shù)據(jù)運(yùn)用環(huán)節(jié)更易工程化實(shí)施落地。

（3）利用PHM給出的可靠性及性能指標(biāo)，對(duì)于整車及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造提供有效反饋及優(yōu)化建議。

3.2?我國(guó)軌道交通PHM應(yīng)用

（1）我國(guó)主機(jī)企業(yè)及核心部件供應(yīng)商的PHM研究主要集中在自身部件傳感技術(shù)、平臺(tái)建設(shè)、模型開發(fā)等方面；PHM應(yīng)用主要在關(guān)鍵部件級(jí)和設(shè)備級(jí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷方面。由于功能設(shè)計(jì)傾向于故障及時(shí)診斷排故與定位，服務(wù)于售后檢修的優(yōu)勢(shì)較為明顯。

（2）鐵路局集團(tuán)公司各層級(jí)用戶對(duì)動(dòng)車組PHM的發(fā)展需求非常明確，對(duì)PHM技術(shù)在列車上的推廣應(yīng)用發(fā)揮了積極作用。以上海局集團(tuán)公司為代表，結(jié)合實(shí)際檢修運(yùn)用需求，以和諧號(hào)、復(fù)興號(hào)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)冷卻裝置為對(duì)象，開展了部分項(xiàng)點(diǎn)由定檢修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。

（3）國(guó)鐵集團(tuán)PHM系統(tǒng)以狀態(tài)檢測(cè)、預(yù)警預(yù)測(cè)、視情維修、健康評(píng)估4大核心功能為導(dǎo)向進(jìn)行體系規(guī)劃，將大數(shù)據(jù)技術(shù)與動(dòng)車組技術(shù)結(jié)合，PHM系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際檢修運(yùn)用等各場(chǎng)景數(shù)據(jù)開展各層級(jí)PHM應(yīng)用。在預(yù)警預(yù)測(cè)方面，通過(guò)對(duì)各關(guān)鍵部件故障隱患的早期識(shí)別和超強(qiáng)預(yù)警，提高了動(dòng)車組安全運(yùn)用的保障能力；在視情維修方面，根據(jù)牽引系統(tǒng)各項(xiàng)點(diǎn)性能趨勢(shì)變化提供維修決策建議，減少了過(guò)度維修、節(jié)約了維修成本；結(jié)合與現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)的閉環(huán)處置流程，提升了動(dòng)車組檢修效率及質(zhì)量?？傮w而言，PHM技術(shù)應(yīng)用對(duì)于動(dòng)車組的安全運(yùn)用及降低全生命周期成本支出發(fā)揮了重要作用。