故障预测与健康管理技术在地铁列车上的应用

李雪昆

（中车长春轨道客车股份有限公司总体研发部，130062，长春∥高级工程师）

随着城市轨道交通的快速发展和地铁列车的不断增加,如何提高列车运营维护效率、降低成本及保证运营安全已成为车辆制造企业和地铁运营企业研究的重点。故障预测与健康管理（prognostics and health management，PHM）技术在国内外多个领域已有广泛应用，尤其在航空领域应用比较多，而在轨道交通领域的研究及应用起步较晚，国内地铁列车故障预测与健康管理领域尚未出现成熟的系统级产品（主要以监控与安防系统为主）。在此情况下，为了提高城市轨道交通的运输效率，降低设备的运营维护成本，提高车辆及关键部件维修的效率，开展故障预测与健康管理技术在地铁列车上应用的研究已迫在眉睫。

1　PHM技术

PHM是指利用传感技术获取被管理系统的运行状态信息和故障信息，并借助神经网络、模糊逻辑等推理算法，根据历史数据和环境因素，对被管理系统进行状态监测和故障预测。同时，对被管理系统的健康状态进行评估，结合地面维修资源情况，给出维修决策，以实现关键部件的状态修。

PHM技术包括两层含义：一是预测，即通过监测系统或部件当前时刻的状态，预先判断其未来的状态；二是健康管理，即根据存储在数据库中设备的状态数据及故障信息，结合运用需求及当前可用的维修资源，给出关键零部件的维修决策。故障预测技术根据所采集的关键设备状态数据和故障数据，通过所建立的预测模型，对设备的状态进行预测，从而在设备出现故障之前可对其进行处理，减少和避免故障的发生。PHM技术具有持续状态监控与健康管理、故障诊断和预测、维修决策支持能力，能实现在准确的时间对准确的部位采取准确的维修活动，可提高维修效率和效能，节约维修费用，减少故障率，是实现设备视情维修的重要手段。

PHM技术应用于地铁列车，可实现对现有计划修的优化，并为状态修奠定基础。目前，地铁列车的修程修制主要包括日检、月检、架修、大修等，其主要根据是地铁列车的运用里程及故障信息，易出现过度维修和维修不足的现象。设备出现故障时维修，易造成晚点和机破，影响地铁列车的运营秩序。为此，在地铁列车上应用故障预测与健康管理技术意义重大。

2　PHM应用案例

PHM技术能够极大地提高列车设备的安全性与经济性，通过健康管理等手段对地铁列车设备进行预诊断，从而降低设备故障率，并提高地铁列车设备的使用效率。

基于上海地铁某线路项目车辆，开发的PHM系统总体架构如图1所示，主要由车载PHM系统、通信系统、地面PHM系统组成。其中，PHM系统构架以地面PHM系统为核心，通过通信系统实现与车载PHM系统的数据交互，并为制造企业和地铁运营企业提供数据支持。

2.1　车载PHM系统

图1　地铁列车PHM系统架构

车载PHM系统主要由两部分组成：一部分是数据采集设备，如各种传感器；另一部分是数据处理主机，在列车上对数据进行初步处理。数据采集部分，由既有的与新添加的传感器共同完成整车、子系统及部件的原始数据、状态数据和故障数据等信息的采集，主要包括转向架系统、牵引系统、制动系统、牵引电机和其他系统数据，同时集成整车运行环境和状态数据，通过总线实现与车载PHM系统的信息交互。与此同时，列车网络控制系统的相关数据通过列车总线，实现向车载PHM系统的传输。在接受到上述信息后，数据处理主机对数据进行实时数据采集、清洗等预处理工作，经通信系统传输至地面PHM系统。

2.2　通信系统

作为车载PHM系统和地面PHM系统的传输通道，以2/3/4G、WIFI、信号专用通道作为通信途径进行数据交互。本项目根据实际情况，采用了3G通信技术。

2.3　地面PHM系统

地面PHM系统的两大部分为数据处理中心和应用平台。数据处理中心接收车载PHM系统传输的相关数据，融合非实时数据源、环境数据、运用检修数据、车辆履历数据等，并运用一系列的算法和建模技术，进行数据转换、存储、特征提取、分析等工作，再根据处理后的状态特征，基于已构建的车辆模型按照不同的流程分类处理实时数据和历史数据，最终完成从列车集群到车辆到子系统到关键部件的数据统计与分析、故障诊断、预测与健康管理，并将结果在应用平台上通过显示单元进行集中展示。图2为地面系统显示单元展示的车辆状态及数据统计分析。

3　结语

基于已经运营的地铁列车，以关键系统及部件为应用对象，开发了地铁列车PHM系统，并建立了地铁列车故障预测与健康管理标准体系，形成了系统及关键部件全寿命周期健康管理数据库；建立了大数据存储、分析和信息可视化智能中心平台，以期提高列车状态维修及故障快速响应能力。

图2　地铁列车地面PHM系统显示单元

地铁列车PHM系统最终可实现状态显示、故障预报、故障诊断、故障统计、故障预测、健康评估及运维决策等功能，进而可为车辆制造企业和地铁运营企业提供决策工具和数据服务，提高检修手段的智能化水平，提升产品的优化设计，提高车辆安全性，提高列车的维修效率并缩短检修周期。

［1］常振臣，张海峰.动车组PHM技术应用现状及展望［J］.电力机车与城轨车辆，2016，39（1）：1.