【動車組檢修故障預測和健康管理技術PHM方案設計分析案例7900字】

動車組檢修故障預測和健康管理技術PHM方案設計分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8162動車組檢修故障預測和健康管理技術PHM方案設計分析案例 1152271.1.動車組PHM技術應用現狀和存在的問題 1222891.1.1.動車組PHM技術應用現狀 1132821.1.2.動車組目前存在的問題 1242281.2.動車組PHM系統設計方案應用 2273711.2.1.動車組PHM系統的關鍵技術 2286401.2.2.動車組PHM系統結構組成及作用 4136551.3.動車組運用檢修PHM總體方案應用 9130221.3.1.動車組運用檢修的影響分析 9122071.3.2.動車組PHM運用檢修流程 10316111.4.動車組轉向架檢修PHM方案應用 15動車組PHM技術應用現狀和存在的問題動車組PHM技術應用現狀現狀目前已經開始投入運營的CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型系列動車組，都是在其上安裝有傳感器來采集動車組中關鍵零部件的運行狀態信息，并且還配備有遠程數據傳輸系統，通過3G互聯網網絡把動車組正常運行中的狀態信息和事故診斷信息等進行傳輸至地面，對地方進行數據解析系統，這樣就能夠讓在地方運用的維修人員能夠可以及時掌握動車組在運轉狀態與故障情況[16]。但是只能實現對部分關鍵設備故障的短期預測和按時進行一定處理，不能從長遠對其進行剩余壽命預測和健康診斷。動車組目前存在的問題1.由于安裝故障傳感器所需的相關設備和部件數量相對較少，且類型和功能不完，所以自動故障診斷的應用范圍較小。然而，為了有效實現重要應用部件的早期故障預測，除了在重要應用部件中安裝溫度傳感器外，還需要根據其實際使用的需要安裝具有加速度運動的傳感器，從而實現早期重要故障的檢測和及時的故障預測。同時由于受到了設計、安裝空間等諸多因素影響，安裝的傳感器數量、品種有限，所得到的信息不夠全面，導致對各個關鍵零部件的故障定位精度和準確性都比較低。2.由于動車組運行環境惡劣，傳感器的工作可靠性相對較差，導致動車組正常運行過程中傳感器檢測錯誤或報警的概率相對較高。在局部高溫、外力振動等影響溫度的主要因素綜合作用下，溫度傳感器的正常工作性能和穩定性變差，工作出錯時及時報警。3.故障預測主要基于閾值預測和特征預測。目前的故障預測主要是指遠程監測數據系統將檢測到的數接入或發送到地面。在設定閾值后，給出了預警模型。如果沒有相應的預警模型，無法實現趨勢預警、突變預警等特殊功能。除此之外，動車組的運行環境條件并沒有充分考慮在內，因此其故障預測的水平程度不夠高。4.當前，我國動車組PHM技術的應用被限制在了故障診斷和故障檢測，一些重要部件可以實現一定服自動故障預測，但還沒能實現其健康狀態的管理。除此之外，動車組的檢修主要以預防性檢修為主，排除故障為輔，這樣容易導致對部分設備的維修過度和維修不足的弊端。動車組PHM系統設計方案應用動車組PHM系統的關鍵技術本文在研究和進行我國動車組PHM系統的相關軟件設計、開發及其應用的過程中，需要以下幾種關鍵技術的基礎和支撐，主要包括數據采集與分析、預警與預測、健康狀況評估及視情況維護等決策。數據采集與處理技術獲得有利于表征系統和零配件健康運行狀態的參數資料信息是我們開展與PHM系統相關的工作開展的前提和依據，狀態資料的質量和多少會直接影響到PHM系統的實際應用成功。對動車組PHM系統的大數據采集與處理技術的深入研究主要目的在于為了解決兩個重要技術方面的難點:一個就是我們需要能夠借助于車地遠程傳輸和通信技術，實現對動車組系統及其關鍵零部件的車載運行狀態監控參數穩定而實時地將其傳輸到當地的大數據服務中心，確保所有列車運行狀態信息的全面和完整；二是因為我們需要自行定義統一的大型數據處理格式和規范，便于對各類信息處理，諸如振動參數、電量參數以及工藝性參數等信息的結構化、變換和融合，這些信息和數據主要包括了車輛運行狀態信息、環境信息、制造數據、檢查和維護信息、維護數據、履行信息、資料和服務信息。（2）預警預測技術預警預測技術既是PHM技術的關鍵、又是區別其他技術的明顯特點，它們都是其中的核心與難點。故障預警分析預測方法就是從各種零部件的故障失效模型、失效特點和故障失效原因機理角度出發，采用系統統計的可靠性、數據驅動、機理分析研究等手段，預測各種零部件故障的發生、健康指標的劣化傾向、剩余使用壽命，并對其進行征兆性識別、故障定位及事件的故障分析隔離。合理制定誤報警的閾值范圍，在充分保證了預警結果的準確度同時，又能夠嚴格管理誤報警概率指標。（3）健康狀態評估設備或零配件的健康運轉狀態主要是指設備在規定的條件下和所規定的使用時間內，能夠具有一定的可靠性與維修能力水平，并且穩定、連續地完成設計中所預定的功能。對于動車組系統及其零部件所需要進行的健康狀態評估主要涉及兩個重點方面的內容:一是建立起比較完善的健康狀態評估指標體系，采用定性或者是定量的手段來確定健康狀態的具體細分層次，將列車健康狀態區分為"健康"、"良好"、"亞健康"、"及格"及"故障"等5個層次，并向各級動車組交通運用監督管理機構推送故障排查，選擇車輛使用，整治后維修，制訂相應的措施。同時，研究者們通過對動車組系統和零配件長期健康狀況的數據變化趨勢進行了分析和評判，可以為動車組來源頭的質量整治、維護周期的優化等工作提供大量的數據支撐。通過實時、長期的健康狀況評價，可以為我國動車組中的全車和零部件長期服務性能和其演化規律研究工作者提供有益的基本依據和信息，實現對各種零部件、系統和車型的全面而精準的評估和分析。（4）視情維修決策視情況進行維修就是指人員通過對部件當前的狀態進行預測其的劣化傾向，并以此為基礎決定其維修的時機、方式進行預見性的維修。在PHM系統中，用戶可以依據建議管理層和執行實施管理層的"提出建議"與"健康管理"兩個基礎性功能模塊的相互協同作用并緊密地結合被監控對象的狀況，從而為用戶提出最優的應急處置決策建議和措施，包括最佳維護時機、保養措施、檢查和考核評價機制等。視情維護的正常開展對于解決目前我國各種動車組旅客列車現階段普遍存在的維護服務不足、太多維修、造價浪費等諸多弊端進行深入探索，對現有的修程維護制度起到了有益的改進和補充，對于大大提高了動車組的運用效率、節省了動車組的維護成本和提升了動車組的安全可靠性都具有著積極的意義。當前，針對各種動車組進行的視情況維修技術研究，主要根據自身情況需要解決3個重點方面的問題:一個就是通過不斷地改進和完善對關鍵零部件的狀態參數監測的范圍，選擇有效的性質參數以便表征各個零部件的性能狀況；二是重點分析各種零件的特征參數演變規律，揭示各種零件性能的優缺點和趨勢。動車組PHM系統結構組成及作用動車組維修管理單位更迫切需要進一步提高安全監測事故的預警管理能力，提高安全事故檢測裝置診斷結果的準確性，提高檢測裝置維修設備的健康安全管理水平，為有效解決我國鐵路多單位在鐵路運營列車維護管理中日益突出的安全管理問題和技術要求，根據我國動車組健康健康管理體系衛生系統管理框架的主要研究和監測內容及測試結果，以動車組列車健康為主要技術研究和監測對象，結合我國動車組健康健康管理體系的幾種與健康相關的應用技術，提出并初步建立了動車組健康應用管理和班組運維安全決策管理系統。動車組的PHM列車系統按照其總體功能結構框架的基本功能特點分別進行了系統總體設計，在其總體功能結構框架上被具體劃分分成為5個主要的功能層次，即信息感知、獲取執行層、分析、建議層和任務實施層。各類動車數據經過國家規定的動車信息處理技術軟件接口或網絡協議，采集和整理匯總后即可放入保存到中國動車組織PHM動車系統管理平臺的動車數據庫，并同時可以實現對各類動車數據的采集歸納、處理和數據整合。動車組列車PHM再依據其列車可靠性、健康管理評估等指標分析相關指標和結合用戶實際需要，借由各種統計算法和數據模型對用戶指定的列車零配件、系統數據進行綜合分析并直接形成列車故障檢測診斷分析結果及各種列車可靠性、健康管理評估等相關指標分析數據，最后將用戶分析的數據結果通過系統智能化地直接推送至各種列車運維輔助業務以及應用開發模塊，為其運維輔助服務應用提供各種運維輔助技術支撐。如圖4-1所示，在感知層級，通過設備或傳感器感知系統性能的變量變化和物理參數的改變，從而將其反饋到獲取層。該層級主要通過運行環境檢測、車載設備檢測和地面檢測來感知各個數據變化。在獲取層級，主要分為數據的采集以及數據的處理操作，同時數據操作分為數據處理、數據儲存、數據管理和數據通信四大類別。數據采集主要通過感知層級的智能系統獲取個所需數據，進而過物理線路和以太網傳輸到車載PHM系統。該層級主要功能為數據傳輸，通過車載傳輸網絡、車地傳輸網絡和地面傳輸通信網絡將采集的數據實時反饋給地面PHM大數據服務中心。圖4-1動車組PHM體系結構在分析層級，主要分為狀態檢測、健康評估和預測評估三大類別。狀態監測主要對采集設備進行正常工作診斷，對故障進行隔離和對運行安全進行確認。健康評估對當前設備或部件進行剩余壽命預測，通過多元分析處理對結果進行評級，從而反饋出當前設備或部件的健康狀態。該層級集成了數據融合和集成、數據儲存與管理、數據處理與挖掘、元數據模型和數據互操作模塊。該層級主要在地面大數據服務中心進行操作和處理。在建議層級，主要對分析層所處理的結果進行相應的決策判斷，將狀態數據信息以可視化的方式進行展示并預測出可能的故障形式，最終做出決策判斷。在實施層級，將所做出的決策判斷通過反饋方式傳輸到應用層，并通過健康管理系統的不同評級對設備或部件進行故障避免、恢復和緩解。建議層和實施層主要進行數據的應用，通過狀態評估、故障預測、維修決策和故障大數據分析的模塊將動車作PHM系統的優勢充分發揮出來。如圖4-2，4-3及4-4所示，為動車組PHM系統的三大子系統運用圖。分別說明了數據的多元化處理以及車載PHM系統與地面PHM系統的聯系與交互。動車組PHM系統中全部融合了各類模型和算法，并能夠根據自動檢測診斷的結果實時地發送應對情況等，進而將動車組的運用途中的效能化達到最高。圖4-2動車組PHM故障診斷系統圖圖4-3動車組PHM健康診斷系統圖圖4-4動車組PHM剩余壽命系統圖動車組運用檢修PHM總體方案應用動車組運用檢修的影響分析對于動車組來講，不同的檢修工作標準是根據檢修工作開展的范圍和檢修內容進行界定的。對于一級檢修工作來講，其檢修工作的范圍主要包括了針對列車的車頂、車下以及車內與駕駛室幾個主要區域的檢修，檢修工作的要求在于，要保證針對這幾個區域的檢修工作都細致準確的按照相應的檢修流程開展檢修工作，并且確保相應的檢修工作質量，從動車組運用的角度來講，當動車組連續運用時間達到了48小時或者已經達到一級修理的里程上限時，需要按照規定執行一級修理流程。在總體的檢修用時方面，不得超過4小時，在檢修期間，備用的動車組的運行累計時間不得超過48小時，對于檢修完畢的動車組，也需要在經過了一級檢修的前提下才能投入應用。關于實施一級檢修的條件，需要結合具體的動車組類型以及動車里程上限確定是否開展一級檢修。從檢修工作對于運用的影響的角度分析，可知可能對動車組運用產生影響的檢修級別包括了運用檢修和高級檢修兩種類型。下文主要從運用檢修入手，探討檢修工作對于動車組運用的影響。動車運用的調度和協調，由動車運用所來完成。因此，運用所自身的分布狀態會對動車組的交路銜接狀態形成約束作用。關于運用檢修的約束效果，主要是對于動車組的單位時間內行程距離產生影響。當影響發生時，同步對動車組的列車交路公里數提出了約束條件，這種情況下，動車組的一級檢修時間會從常規的48小時調整到運用48小時，這種調整和優化，尤其對于動車組運行與檢修工作會產生非常積極的促進作用。在這里要強調的是，當動車組運用所出現夜間檢修能力不足的情況時，應當及時調整檢修計劃，將檢修的核心工作時間調整至日間。但這也會隨之帶來對日間檢修工作的影響。比較典型的表現是，壓縮了日間動車組的運用可行時間，使得動車組的總體運用效率有所下降。動車組PHM運用檢修流程動車組PHM技術運用檢修是在動車組現有檢修流程的基礎上進行改進和調整，主要是針對現有動車組檢修流程存在過度檢修和欠維修的弊端。而要進行改進和調整就必須有相應的應對策略。關于這方面的應對策略主要包括三個方面，第一，通過增加運用所的方式，將部分的檢修和調度的協調壓力進行緩解。第二，結合實際情況調配好車底的套用方式，從而促進整體的動車組檢修工作量的壓縮，減輕檢修工作人員的工作負荷，從另一方面來講，這也是避免檢修工作出現誤差和問題的一個有效方法。第三，針對日間檢修工作的能力和技術水平進行提升。由于檢修的工作會對動車組的運行帶來比較顯著的影響，因此，在檢修工作開展的過程中，技術人員和管理人員需要對檢修工作的開展從技術角度進行水平提升，在檢修效率和檢修質量上做到同步保障。要做到以上三個方面的應用，PHM的引入將極大提高動車組檢修的效率和能力。在動車組進庫之后，在原有檢修人員與機械師進行故障交互的基礎上，將引入人機維修接口，檢修人員插入信息卡等操作訪問地面PHM系統服務中心，將運行過程中通過該系統反饋的維修決策進行記錄和清單打印，從而根據反饋的維修決策進行定點定位維修維。在現有基本運用檢修流程上進行工作縮減，提高人員的時間效率并減少資源的利用率。在必要的流程基礎上，如測試各種儀器、部件的性能運作等，可根據反饋的決策減輕檢修人員的工作壓力。除上面所述之外，也在整個運用線路上添加了各種傳感設備，并組建了綜合分析室包括監控中心、數據分析組、作業視頻分析組和履職分析組來處理運用檢修產生的數據。動車運用所產生的數據采集可分為八類，如圖4-5所示。圖4-5動車組數據采集分類圖（1）動車組運行故障動態圖像檢測系統：由鋪設在軌邊的圖像采集設備提供，利用專業相機將通過的動車組走行部狀態信息，以圖片形式實時反饋至終端設備，通過自動比對和人工分析相結合的方式，判斷走行部部件狀態，進而反饋給地面PHM系統進行處理。（2）輪對故障動態檢測系統：設備安裝在動車組出入庫咽喉處，采用光截圖像測量技術和電磁超聲探傷技術，自動檢測輪對外形尺寸和踏面缺陷，具備限度報警功能，將對輪對所產生的健康問題進行有效反饋并處理。（3）受電弓及車頂狀態動態檢測系統：設備安裝在動車組出入庫咽喉處，采用高速、高分辨率圖像分析測量、壓力傳感器技術，實現受電弓關鍵參數自動檢測，具備限度報警功能，將對受電弓和車頂狀態所產生的健康問題進行有效反饋并處理。（4）車載無線傳輸系統：根據動車組列車網絡控制系統工作原理，主要狀態與報警信息在列車WTB/MVB網絡上進行傳輸。車載主機接入MVB網絡獲取有關牽引、制動、軸溫、空調、門等子系統狀態的實時運行數據，通過GPS功能模塊獲取列車位置信息，通過GPRS發送實時數據。利用車載遠程傳輸裝置進行數據的傳輸，將列車狀況實時反饋給地面PHM系統服務中心。（5）IC卡、CCU、TCU等：通過專用傳輸媒介進行車載數據下載，主要包括列車各主要系統參數、運行狀態及診斷信息等。（6）作業視頻影像資料：通過攝像手電、執法記錄儀等視頻記錄設備采集音頻資料，主要包括隨車機械師作業過程、一、二級修作業過程、供斷電作業過程、故障處理作業過程、質檢員盯控過程等。（7）動車組檢修數據：重要檢修項目的數據記錄，主要包括升級改造數據、探傷數據、輪對鏇修數據、磨耗件更換數據等。該數據主要根據運用檢修人員的記錄和設備探測的感知所儲存并傳輸的。（8）管理人員履職數據：通過視頻、圖片、文字形式的記錄管理人員履職行為的數據。檢修人員通過運用檢修時的操作和處理對動車組進行更加有效的的防止誤操作。從圖4-6中可以得到故障預測的整體過程的流程，其中將PHM技術中幾個關鍵技術融合其中。其采用多重傳感器進行數據采集，在中央處理單元進行預處理，在通過無線及有線網絡進行傳輸。在地面PHM服務中心進行后續的故障預測及健康診斷等多元化處理，最后反饋一定的維修決策。圖4-6預測故障與診斷故障的流程圖示如圖4-7所示，為動車組PHM運用系統流程圖的結構框架。通過傳感器對速度、溫度、電壓、電流、牽引力等參數的采集，將其傳入動車組基礎組成系統進行預處理。然后根據系統診斷單元對其進行檢測診斷，預報警及狀態控制等操作，將數據傳輸到各個PHM子系統管理器。該系統主要有健康診斷、故障預測以及剩余壽命推理器組成。將實時數據通過不同的處理器進行處理，反饋給地面數據庫。在地面PHM組成系統中，其地面PHM管理系統為核心部分，其主要包括了以下5大應用：列車健康評估、視情維修應用、應急輔助決策、故障預警預測以及列車狀態檢測。該系統實時與云端網絡連接，將數據反饋給鐵路局PHM系統數據中心和國鐵集團PHM數據管理中心。同時，與維修決策系統相連接，將處理的數據在維修決策系統中以維修方案的形式呈現。維修人員通過連接地面維修來訪問該系統，以獲取檢修計劃和安排。同時，在檢修的層次方面也有著一定的PHM處理系統。如在軌道兩側鋪設一定的傳感器，其中包括動態圖像、振動信號、接觸壓力以及尺寸參數等采集數據。傳感器通過檢測動車組重要的部件，如軸箱軸承、輪對、受電弓以及空壓機等各類傳感數據，將其導入PHM管理系統。經過一定的處理，將監測的數據傳入地面PHM系統，再根據反饋的維修決策進行健康或故障處理。同理，檢修人員在庫內進行檢修時，也將與地面PHM系統進行數據交互和處理。圖4-7動車組PHM運用系統流程圖整個動車組PHM運用系統為閉環反饋系統，其借用了航空領域發展較為成熟的體系。在不同子系統的數據交互中，一旦發現錯誤和問題，將其反饋給動車組PHM設計系統。再通過專家人員的介入，將其存在的漏洞和錯誤進行人機修復，再通過數據傳輸等將其進行改進和更新，并在不斷測試中得到更多完善的方案和處理手段。動車組轉向架檢修PHM方案應用用WiFi網絡覆蓋在一定的車間區域，建立一個局域網來存儲大量的數據，通過路由器與主服務器相連，實現無線通信。員工通過智能手機的日常操作捕捉故障并上傳至