故障预测与健康管理技术在地铁列车运维中的运用

刘云龙

摘 要：本文主要针对故障预测与健康管理技术在地铁列车运维中的运用展开研究，先提出其必要性分析，然后分析系统架构和功能，最后阐述故障预测与健康管理技术在地铁列车运维中的具体应用和实例分析，主要包括车载PHM主机、走行部PHM系统、车门PHM系统，旨在充分彰显出PHM系统（故障预测与健康管理技术）的应用价值，为地铁列车运行和维护提供强有力的技术支撑。

关键词：故障预测;健康管理技术;地铁列车;运维;运用

现阶段，在经济社会发展的强大推动下，大大推进了城市化进程，城市轨道交通建设规模也越来越庞大化，工业设备在诸多领域应用的复杂程度愈发强烈，如航空航天、通信、轨道交通等，但是设备自动化、智能化程度也得到了明显提升。在使用工业设备系统时，技术构成具有较高的复杂性，开发、维护成本也比较高昂，而系统故障也经常发生，所以加强地铁列车故障检测的研究与分析是至关重要的，以此来给予地铁列车运行安全性一定的保障，同时应加强现代科学技术的应用，将地铁列车设备升级工作落实下去。在地铁建设过程中，故障预测和健康管理技术（PHM）的应用，对于我国现代地铁健康发展具有极大的帮助，应引起管理者、研究人员的高度重视。

一、PHM在地铁列车运维中应用的必要性分析

近年来，轨道交通技术发展速度非常快，中国在世界城市轨道交通市场中名列前茅;同时轨道交通设备的复杂性越来越明显，一定程度上给检修人员的工作带来了一定的压力，车辆的可靠性和可用性已经成为了社会上共同关注的焦点话题之一。当前大多数乘客明确提出了对于乘坐准点率、舒适性等方面的需求，其与服务水平增长之间出现了明显的冲突。对当前城市轨道交通车辆运用存在的问题进行分析：

首先，检修效率有待提升。我国轨道交通行业发展迅速，但是检修模式的发展进步与行业规模需求增长并不相符，进而增加了检修负担;城市轨道交通需要检修庞大的装备数量【1】，如果采用人工检查方式，很难确保良好的检修效率，同时也不利于检修质量的提升。其次，在运营车辆长期服役下，极容易加重车辆设备的老化程度，对于设备维护的要求更上一个新高度。要想顺利解决和处理上述问题，地铁运营公司、主机厂和各系统供应商应给予高度重视，保持密切协作，既要注重加强车辆设备和系统的状态监测，也要将故障报警、健康评估等功能充分开发出来，提前预知车辆故障，将故障检修成本、故障风险控制在合理范围内;同时，为了延长地铁车辆设备使用寿命，应加强实时在线监测的应用，对故障机理进行深入剖析，准确评估设备健康状态。

由此可以看出，PHM系统技术的应用势在必行。该技术通过对地铁车辆系统关键指标参数加装传感器，可以逐步推进并最终达到系统的状态修、预测修，在对自身健康状态进行评估和预测时，大数据、人工智能等具有较高的应用优势，提前预测系统存在的故障，并加强现有资源信息的融合，以此来指导维护保障工作的开展，作为综合技术之一，涵盖着状态监测、故障报警、健康预测等诸多功能。此外，PHM系统可以准确预测未来健康状态，将维修活动的主动性发挥出来，确保装备的可靠性和可用性得到稳步增强。

二、系统架构和功能

PHM系统在采集和处理地铁车辆各系统运营和故障数据时，主要借助于传感器技术、大数据处理和分析技术来进行;然后在对故障原因进行分析时，大数据分析和数学建模等技术得到了广泛应用，以此来为具体维修提供一定的指导;同时通过对历史数据的对比，可以对系统部件的健康状态展开科学化分析，将故障预警功能发挥出来。

（一）PHM系统架构

在数据采集方面，智能传感器在PHM系统中得到了广泛应用，在诸多数据获取元件中，传感器扮演着重要角色，可以对被测对象温度、电压等变化进行真实感受，并实现向电信号的顺利转化，为后续传输和处理工作的开展奠定良好的基础。对于所采集的数据，在一系列处理后，如数据清洗、同类或异类数据的信息融合等，通过失效模型及智能推理算法的应用【2】，PHM系统可以对车辆系统运行状态进行准确评估，并对系统发生故障的部位及使用寿命等进展合理预测，促进维修保障工作的顺利进行。

（二）PHM系统功能

在地铁车辆智能运行和维护过程中，PHM系统扮演着重要角色，在其功能方面，主要包括：

第一，狀态监测和故障预警功能。在展示线路和车辆系统设备的状态时，状态监测功能发挥着重要作用，同时还可以有效监控线路和车辆系统设备的状态，特别可以动态化监督和控制关键设备运行状态信息等，并且在专家系统的扶持下，还可以不断提高故障诊断效率。在车辆设备预测和预警方面，故障预警功能的发挥主要得益于阈值预警、趋势预警、模型预警等方式。

第二，健康评估功能。主要包括系统健康评估、关键部件寿命评估等。借助健康等级评定算法，有助于提高系统健康评估功能对轨道交通设备系统健康评估的准确性【3】。对于关键件寿命评估功能来说，对于轨道交通系统设备关键部件的寿命评估产生了极大的影响，其中，大数据建模与可靠性分析等方式得到了广泛应用，在确定关键部件的范围时，主要从实际可采集数据的范围出发。此外，通过可视化展示的方式区别不同健康等级的轨道交通车辆、各子系统以及各子系统设备。

第三，维修建议功能。通过专家知识库结合人工审核机制。在故障报出时自动形成故障工单。其中维修处理建议、维修人员资质、维修使用的工具都可以通过系统自动带出。在进行计划修制定维修计划时，运筹优化算法是必须要考虑的，同时计划管理模块与调度管理模块对接。

第四，备件需求预测功能【4】。在预测备品备件需求时，既要将轨道交通车辆年度维修计划与必换件清单结合，也要融合偶换件清单与近期各系统故障预测趋势。

三、故障预测与健康管理技术在地铁列车运维中的具体应用和实例分析

在地铁车辆由人工驾驶向无人驾驶发展的大环境下，PHM系统的应用也越来越常见了。PHM系统涉及的关键系统较多，包括地铁车辆车门、走行部和空调系统等;同时，车载PHM主机在部分地铁线路中也得到了充分体现，尤其是在老地铁线路车辆改造中，可以弥补地铁车辆控制单元（VCU）性能不足以及车地传输带宽不足，并且车载PHM主机还可以增强算力作为边缘计算节点，数据的采集主要从各个车载监测子系统来进行【5】，通过MVB网或者维护以太网传输到车载PHM主机进行数据预处理以及机理规则判断，最终将数据与诊断结果传输至地面系统。

（一）车载PHM主机

采集数据的范围主要包括列车原有各子系統以及新增的监测系统（各系统的传感器），包括列车网络控制系统的故障数据、过程数据等。在主流的车载PHM主机配置中，双机冗余和网络隔离得到了联合使用，主机通过车辆网络总线接入，并连接于列车控制系统进行数据监听与采集，网络隔离避免了主机影响车辆本身的控制网络，此外在数据交互方面，车地通信单元与地面系统的作用不容忽视。

借助车载PHM主机，可以对车辆各系统的状态数据进行有效采集，实现车辆状态监测，基于知识库和模型库，为故障分析提供技术支持，对车辆的健康度与运行的安全性进行准确评估，并有效落实故障应急处理，将故障描述、应急处理措施等，纳入到故障报告中【6】。

（二）车门PHM系统

车门PHM系统用于采集地铁车辆车门系统电机的电流，速度、位置信号以及硬线开关量的信号，并将收集到的数据在采集模块内进行暂存，通过CAN、MVB网络传输到车载PHM主机。通过以上数据对车门故障与亚健康状态进行诊断。

诊断限位开关故障：1.限位开关状态与车门机械状态不一致;2.通过采集每个限位开关的两对触点的状态，如果两对触点的状态同时对应的是常开，或则是常闭则认为限位开关的触点故障。

诊断下档销故障并判断下档销与导轨刮蹭程度：1.轻微刮蹭;2.严重刮蹭。

诊断压轮过压故障并判断压轮与导轨刮蹭程度：1.轻微刮蹭;2.严重刮蹭。

障碍物防夹故障记录，障碍物防夹不满三次时的故障上报;

四、结束语

综上所述，现阶段，城市地铁的集成化、智能化发展趋势越来越明显，故障预测与健康管理，必须要与时代发展潮流保持高度的一致与协调，不断提高为地铁网络运营的服务能力和水平。所以故障预测与健康管理技术非常值得应用，不仅可以预防故障问题的发生，而且还可以进一步完善列车检修方案，促进维护工作的顺利进行，从而使地铁列车安全、高效地运行下去。

参考文献：

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