智能动车组车载PHM系统探讨

宋文彬，张栋，吴斌

（1.中国铁路上海局集团有限公司 车辆部，上海 200071；2.中国铁路上海局集团有限公司 科技和信息化部，上海 200071）

0 引言

故障预测与健康管理技术（Prognostics and Health Management，PHM）［1］已被广泛应用于国际军事、航空航天等领域［2］。在轨道交通领域，西门子与阿尔斯通公司也建立了各自的PHM系统平台，实现对轨道车辆及基础设备的远程监控、快速诊断和预防性故障预测，同时还利用PHM技术对关键部件的健康状态进行实时评估，预测未来风险并进行修程的优化［3］。近年来，中国国家铁路集团有限公司、铁路局集团公司及动车组主机企业也开展了动车组PHM技术应用探索工作，其中中国铁路上海局集团有限公司（简称上海局集团公司）依托动车组远程无线传输数据（WTD）及动车组运维过程数据，开发了动车组故障预测与健康管理系统（简称地面PHM系统）并在全路范围初步试用，能够实现动车组故障预警预测、部件视情维修及应急辅助决策等功能［4］；中车长春轨道客车股份有限公司（简称长客股份公司）依托自主研发设计的复兴号动车组平台，开展了智能化的探索工作，其中新一代复兴号智能动车组搭载了车载故障预测与健康管理系统（简称车载PHM系统），能够实现动车组故障的预警、预测等功能。随着智能动车组的广泛应用，如何用好车载PHM系统［5］，深化研究车载与地面PHM系统之间的分工协作关系，探索PHM系统应用场景，对于我国未来高速铁路的发展、产业的升级优化具有重要意义［6］。

基于现阶段智能动车组PHM系统应用情况，探讨车载PHM系统优化建议及地面PHM系统与车载PHM系统之间的分工融合方案，通过搭建一套车地联动的PHM系统平台，探索PHM技术在动车组运维方面的进一步应用。

1 车载PHM系统现状

1.1 车载PHM系统架构

以CR400BF平台智能动车组为例，每列智能动车组均设置了车载PHM系统，主要由车载PHM单元、智能集成监控屏及手持移动终端3个部分组成，采用以太网及车载Wi-Fi进行通信，通过数据采集、数据处理和数据存储，实现车载实时状态数据显示、故障预警预测和寿命件动作次数统计预警等功能［7］。

目前车载PHM系统涵盖了智能动车组高压、牵引、制动、网络、走行部和车门等关键系统，采用正向设计和问题导向双原则，共部署了模型39类，在智能集成监控屏和手持移动终端进行模型预警提示，并通过远程数据无线传输设备（WTD）实现预警信息的数据落地。车载PHM系统架构见图1。

图1 车载PHM系统架构

1.2 工作原理

（1）数据接入：车载PHM单元通过列车以太网，采用标准TRDP通信协议从列车总线上采集关键系统及部件的状态参数、故障参数等信息［7］，一方面按照解析协议对采集的数据进行处理后存储在车载PHM系统的本地数据库，另一方面通过以太网直接接收来自其他子系统计算产生的PHM预警信息，并进行存储。

（2）数据计算：一方面车载PHM单元通过已部署的预警预测模型对基础数据进行计算，产生车载PHM预警故障，另一方面车载PHM单元对关键环路继电器、接触器的动作信息等数据进行采集。

（3）数据传输：车载PHM单元将PHM预警数据进行打包处理，发送至以太网、智能监控屏及WTD装置通过以太网获取车载PHM故障预警信息进行显示及发送。同时车载PHM单元经过列车专用Wi-Fi将PHM预警数据及关键参数数据进行打包处理发送至手持移动终端进行展示。

（4）数据展示：智能监控屏通过以太网获取车载PHM故障预警信息及关键参数信息，将数据解析后在智能监控屏进行展示。WTD装置将数据通过互联网发送至地面，经数据解析后在地面PHM系统进行展示。手持移动终端利用列车内部专用的具有安全措施的局域网Wi-Fi与车载PHM单元进行数据交互［7］，经过解析协议解析后在手持移动终端界面对参数数据及预警故障进行展示。

1.3 应用情况

目前，车载PHM系统仅在复兴号智能动车组搭载，截至2022年2月，全路共计配属了17列智能动车组，涉及长客股份公司设计生产的12列CR400BF-BZ/GZ/Z型动车组以及中车青岛四方机车车辆股份有限公司设计生产的5列CR400AF-BZ/Z型动车组。

车载PHM系统主要实现了车载实时状态数据显示，故障预警、预测，寿命件动作次数统计预警等功能，其中长客股份公司设计生产的CR400BF-BZ/GZ/Z型智能动车组车载PHM系统共计搭载了7个系统39类故障预警模型，目前主要通过车载智能监控屏展示，以及经WTD设备落地至地面PHM系统进行展示和应用。车载PHM系统预报故障作为地面PHM系统的有效补充手段，可以指导动车组维修单位进行故障分析及车组检修。同时针对寿命件动作次数功能，研究制定了寿命件动作次数统计应用方案，通过长期跟踪寿命件使用情况，为后期高级修到限寿命件的更换以及修程优化奠定数据基础。

1.4 优化方向

（1）车载PHM模型采用状态参数的形式进行传输，当需要升级新模型时，需对车载PHM主机中状态参数协议进行更新，同时手持移动终端、智能监控屏需同步进行软件升级，变更传输协议，地面PHM系统也需要同步更新解析协议，否则无法显示新增的PHM预警。上述更新方式导致目前车载PHM系统在模型配置、模型验证及迭代升级等方面一定程度上受限于其他部件的软件升级，预警模型更新灵活性有待进一步提高。

（2）车载PHM单元根据PHM预警的数据需求制定数据传输协议，从以太网进行数据获取，未能充分考虑后续PHM系统预警模型拓展及关联数据的展示需求，每当预警模型开发需要新的数据时，均需变更PHM单元与以太网的数据采集底层协议，PHM系统扩展性受到一定限制，数据存储全面性有待进一步提高。

（3）车载PHM模型与地面PHM模型存在预警规则不统一、部分预警规则重复等问题，同时部分车载PHM系统预警预测模型由TCU或安全监测主机进行计算，车载PHM系统仅接收计算后的预警结果，与车载3级故障代码间的关系有待进一步明确。

（4）手持移动终端仅通过车载Wi-Fi专用内网与车载PHM主机进行通信，无法实现与互联网的连接，随车机械师相关的日常巡检信息和发现的故障信息数据无法通过手持移动终端进行处理落地，在深度整合动车组随车机械师相关业务场景，融合动车组交路、运用信息、动车组全景等其他外部数据方面还有待进一步完善。

第三步，应用Surfer软件(11版本或更高)导入上述第二步编辑后的翻浆冒泥病害区域底界控制点数据文件，设定等值线平面图的比例尺(建议设定为1∶100)，设定插值方法为克里金插值法，生成网格节点数据文件。

2 车载PHM系统优化建议

2.1 优化车载PHM通信协议

将车载PHM系统预警信息以故障代码形式进行传输，不以状态参数形式进行传输的方式，优化车载PHM通信协议，当新增或是变更PHM预警信息时，传输协议无需变更，仅需更改不同终端的解析字典即可，提高车载PHM模型部署的便利性，同时避免变更传输协议时的智能监控屏、WTD设备及手持移动终端的软件升级工作，提高车载PHM系统灵活性。

2.2 拓展PHM系统模型来源

深度融合车载及地面PHM系统，拓展车载PHM系统功能，铁路局集团公司、主机厂及供应商共同做好车载PHM模型的部署研究工作，车载PHM系统设置独立模块，可将铁路局集团公司、主机厂及供应商自行研发的模型独立部署至车载PHM系统。

2.3 扩展智能监控屏展示内容

目前智能监控屏作为车载PHM系统在动车组上唯一的展示界面，仅实现了对轴温等温度数据曲线的绘制和展示，但对于关键一、二级故障代码，尚未实现对其关联环境数据的实时展示。建议研究通过对智慧监控屏处理能力及存储能力进行升级的方式，实现故障代码与环境数据联动显示的功能，如当预报网压超过限定值故障代码时，无需下载车载数据，点击详情即可查看故障发生时刻前后5 min网压具体数值，进一步提高故障报警后的处置效率。

2.4 改进PHM系统数据发送规则

车载PHM系统功能拓展方面，研究增加预警故障的环境数据关联功能，现阶段地面PHM系统预警受限于数据精度，往往无法查看故障预警前后的详细数据，此时若该模型由车载PHM系统负责，车载PHM单元在产生该条预警后，同步截取预警时间段前后的详细环境数据进行打包，经由WTD传输至地面PHM系统，此时地面分析人员可以查看预警时间段的高精度参数数据，有利于故障的分析研判。

3 PHM系统分工研究

3.1 地面PHM系统实现功能

上海局集团公司自主开发搭建地面PHM系统，通过建立运算模型，对动车组远程实时无线传输数据（WTD）和运用检修数据进行分析［8］，按照“PHM+安全保障”和“PHM+运维技术”两大研究方向进行系统平台建设。

安全保障研究方面，主要基于动车组各类实时运用数据、状态数据、监测数据，开展动车组健康监测、故障预警预测、应急辅助决策、重点故障管理、安全辅助保障等5个方面的技术研究，以业务管理的安全高效为目标导向，利用数学建模、VR全景、神经网络等先进技术，实现动车组日常运维中远程故障的智能预警、关键系统部件的实时状态预警预测、列车途中故障的应急辅助指挥和支持、重点故障的信息管理、源头质量和技术改造管理、踏面硌伤辅助排查以及防寒打温的智能管理［4］。

运维技术研究方面，基于动车组运维技术现状的分析，通过对动车组关键部件系统全生命周期性能演化规律的研究，开展动车组部件视情维修、轮对精准旋修、修程修制优化、健康评估、检修计划管理等5个方面的技术研究，运用物理模型推演、计算机辅助仿真分析、基于证据理论的指数融合、专家系统及机器学习等工具方法，实现动车组部分重要部件的状态修、轮对旋修方案的精准优化、维修项目和间隔的组包优化与评估管理、各类健康评价指数的生成与拟合、日常运用检修计划和方案的智能编排与决策支持。地面PHM系统架构见图2。

图2 地面PHM系统架构

3.2 车载PHM系统与地面PHM系统优缺点分析

地面PHM系统获取动车组数据主要依托动车组远程实时无线传输数据（WTD），因受限于无线网络带宽及传输速率，导致动车组大部分部件参数数据仅能做到分钟级，数据精度相对不高，同时数据丢包、数据延迟问题时有发生。地面PHM系统优势在于数据来源众多，无论是互联网上的外部环境数据，还是动车组检修过程数据及相关检测设备数据，都可以作为地面PHM系统的数据补充，同时得益于地面系统数据存储库的大容量，地面PHM系统可以开展多角度、多维度、长时间跨度的数据分析工作。

车载PHM系统直接通过列车以太网获取数据，数据精度较高，可达毫秒级，且无数据丢包及延迟问题，但受限于单台主机算力及数据存储限制，执行长时间、多维度跨度的数据计算较为困难，同时车载PHM系统受限于数据来源，仅能获取动车组以太网数据，无法获取动车组运用检修等数据进行综合分析判断［9］。

3.3 车载PHM系统与地面PHM系统融合方案

3.3.1 数据处理分工

将车载PHM系统、地面PHM系统及车载3级故障代码进行分工，将原先子系统计算产生的PHM预警纳入3级代码进行管理，车载PHM系统负责对实时性要求高、计算量小的预警模型［10］（如网压、网流类数据）或是未纳入WTD传输协议的数据开发的预警模型，地面PHM系统负责对实时性要求较低、数据精度要求不高的预警模型（如温度类数据）或是对算力要求较高的多维度长时间数据计算的预警模型，车载3级故障代码负责车载设备（如TCU、BCU）独立运算产生的且不需要车载PHM系统单元参与数据运算的预警模型。

3.3.2 随车机械师手持终端数据融合

通过设置防火墙等方式，实现隔离互联网Wi-Fi或是SIM卡与车载Wi-Fi间的通信，常规情况下手持移动终端通过专用Wi-Fi网络连接车载PHM系统主机实现相关参数展示及PHM预警接收功能，当需要执行乘务管理及应急处置相关业务时，切换至车载互联网Wi-Fi网络或是通过SIM卡访问互联网，通过自研APP与地面PHM系统进行互通，进行相应的动车组运用情况查询、故障上传及查询、乘务作业管理、应急辅助决策等，贴合随车机械师应用场景，拓展车载PHM系统功能。

3.3.3 维修决策应用拓展

地面PHM系统与车载PHM系统融合后，原先在地面PHM系统进行运算的相关视情维修决策算法可以下放至车载PHM系统执行，用以解决一些需要高精度参数进行积分计算的模型规则，例如针对牵引变流器滤网脏堵视情维修模型，车载PHM系统可以更加精确地采集牵引变流器功率、进出口水温、环境温度乃至通风机电流参数，在车载PHM系统本地进行模型计算完毕后，直接将滤网脏堵情况传送至地面PHM系统。同时地面PHM系统可以将车载PHM系统切片发送的短时高精度数据包进行长时间维度的分析，如通过收集失稳、平稳性预报警故障前后的高精度平稳性指标数据，配合动车组交路、公里标、速度、车型等信息，进行综合分析，判断出动车组的平稳性健康指数及异常区段信息。

3.3.4 健康评估研究

车载PHM系统可直接从以太网中采集数据，在此基础上可开展动车组关键部件寿命研究，如采集动车组高压制动关键继电器动作次数、空压机动作次数及动作时间、车门开关门动作次数等，对关键部件的服役情况可以进行详细记录，同时通过在车载PHM系统设置阈值规则，当相关指标超出设计阈值时，则将相关健康评估情况推送至地面PHM系统，为动车组的健康评估奠定数据基础［11］。地面PHM系统与车载PHM系统融合架构见图3。

图3 地面PHM系统与车载PHM系统融合架构

4 结束语

智能动车组目前配属量较小，投入运用时间较短，车载PHM系统相关应用场景还不够丰富，相关功能未能紧密贴合现场实际，通过研究车载PHM系统现状，提出车载PHM系统优化建议，探索车载PHM系统与地面PHM系统融合方案，可为推动智能动车组PHM系统建设、开展动车组修程修制改革及健康状态评估、后续智能动车组量产车型车载PHM系统搭建提供参考与借鉴。