关键词：高铁动车组；故障预测与健康管理；关键技术
引言：在高铁动车组的运行过程中，对各类故障的准确预测和及时处理是保障高铁动车组运行安全，维护乘客生命及财产安全的关键。故障预测与健康管理技术的应用，借助先进技术实现了对高铁动车组的智能化管理控制，有效减少了因各类故障给高铁动车组的运行所带来的影响，将事后处理转变为了事前预测、实时监控、精准定位的管理模式，提升了高铁动车组故障预测与处理的水平，保障了高铁动车组的稳定运行，为我国铁路事业的发展提供了强大的技术支持。
一、高铁动车组故障预测与健康管理技术概述
故障处理与健康管理（以下简称PHM）系统是高铁动车组运行管理系统中的重要组成部分，PHM技术是借助传感器系统对高铁动车组的运行数据进行实时的收集，而后利用各类先进的智能算法如神经网络技术、大数据技术、物理模型技术、专家系统等，对高铁动车组的全部运行数据进行科学的分析和计算，而后综合评估高铁动车组运行的健康状态，并对各类事故发生的可能进行提前的预测和评估，针对性的采取一系列自动化、智能化的故障处理，从而借助先进的技术手段对高铁动车组的运行进行科学的监控和管理，保障高铁动车组的安全运行[1]。
PHM技术在高铁动车组中的应用，由智能化的集成预测系统替代了传统的传感器诊断技术，从而实现了对高铁动车组运行数据的实施监控和处理，提高了故障诊断的效率和故障处理的水平。将原本以事后处理为主的故障预测处理系统转变为了事前预测、数据分析和及时处理；同时，PHM系统还具备对潜在灾难事件或危险事故的预测能力，从而帮助技术人员在成本最低的情况下进行高铁动车组的运行管理，解决各类潜在故障与安全隐患，降低高铁动车组的运行与管理成本，提高运行管理效能。
二、高铁动车组故障预测与健康管理系统（PHM）的总体框架
（一）数据采集系统
该系统是由网络控制系统、地面监控系统、运行环境监测系统所组成的，利用目前最为先进的数据传感技术，借助传感器、数据采集卡、数据传输线等设备实施采集高铁动车组运行过程中的数据，并对高铁动车组在运行中的温度、应力等的变化进行监测和分析，以此对高铁动车组的运行状态进行数据采集。
（二）信号处理模块
PHM系统中的信号数据模块主要任务是对数据采集系统所采集的数据进行融合、分析和转换，通过多种数据来源和参数，对数据进行综合的分析，提高数据信息的精确度和参考性，信号处理模块进行出去融合和提取所采用的主要方式是权重/表决、模糊逻辑等。
（三）状态评估模块
PHM系统中的状态评估模块主要通过接收传感器、信号处理模块和其他实时监测模块所传递的信息，对这些信息进行比对分析，并以此为依据判断高铁动车组各个部件的使用状态，而后根据预设的设备参数指标来考量各个部件使用的情况，对系统故障进行提前的预测和排查。
（四）故障诊断模块
故障诊断模块主要是通过接受不同的故障诊断信息和数据，来综合的评估高铁动车组的故障情况和健康状况，通过对这些数据信息的实时监测和有效评估完成故障诊断的过程，并出具实施的健康状态监测记录，以此来判断高铁动车组在运行中发生故障的可能性。故障诊断模块对各类故障的分析和诊断是基于各类历史数据、维修数据、运行数据等，同时还可以通过这些数据的分析完成维修提醒、故障预测等功能。
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（五）分析决策模块
PHM系统中的分析决策模块一般是借助专家系统，实现对高铁动车组运行状态的自动切换、运行模式的调试、运行故障的保护和排查等工作，从而实现自动化和智能化的系统管理，提供专业的维修知识，并根据专业的数据分析提供维修建议、零部件更换建议、高铁动车组运行计划建议等。
（六）信息管理模块
信息管理模块是对高铁动车组所有故障预测和健康管理数据的集成化数据管理系统，PHM系统的各个子模块所产生的数据信息都要借由信息管理模块进行统一的信息管理，从而实现自动化、网络化和一体化的信息管理网络。信息管理模块所涵盖的系统功能一般包括通信系统、监测系统、传感器通等，通过计算机网络实现数据信息的传输、共享，实现信息的集成。
三、高铁动车组故障预测与健康管理系统（PHM）的技术框架
（一）数据采集层[2]
高铁动车组PHM系统的数据采集层的功能，是利用先进的传感技术对高铁动车组的高压设备、牵引制动设备、辅助设备、报警系统等重要的模块进行实时的监测；
通过在轨道边安装红外轴温检测设备、滚动轴承声学早期故障检测设备、红外热成像检测设备等设备，对高铁动车组运行过程中轴承的温度、车体的温度、力学参数等数据进行有效的监测；
对高铁动车组运行的外部环境，如室外天气、温度、空气质量、线路等进行有效的监测。
（二）数据传输层
PHM系统中的数据传输层主要是利用先进的车载传统系统将数据采集层所采集的各项数据借助高铁动车组车厢节点的传输工具传输至数据处理中心；而后数据处理中心通过GSM-R网络或无线网络等数据传输网络将这些数据传输至地面数据处理中心；地面轨道监测所产生的数据也会经过地面的数据传输网络将采集的数据传输至数据处理中心；地面数据处理中心会将所收集到的故障信息、维修建议、故障处理办法等数据传输至各个具体的高铁动车组的调度部门或维修部门，实现对故障的有效处理。
（三）集成层
PHM系统中的集成层主要是对各类数据信息进行集合，包括传感器接收的图像、音频、数字信息、图表等，对数据之间的关联进行整合，提取特征。
（四）应用层
1、建立健康状态评估的模型
根据高铁动车组的各个部件和系统进行针对性的数据建模，将系统数据通过不同的参数指标利用高级算法建立健康状态的评估模型，而后对高铁动车组的性能、运行状态、健康情况进行评估。
2、建立故障预测的模型
针对高铁动车组的各个部件和系统进行针对性的建模，通过各个不同模块所收集的数据，以故障先兆和失效机理的诊断方法，借助神经网络技术进故障预测，通过设备参数的变化来预测设备的使用情况和使用寿命。
3、建立维修决策专家系统
基于各类历史信息建立维修决策专家系统，通过专家系统专业的维修建议、维修计划、维修方案，从而为高铁动车组的维修部门提供维修参考意见。
4、大数据技术
PHM系统可以借助大数据技术，对高铁动车组运行的状态、故障出现的情况、维修和处理信息等历史数据进行整体的分析，从而借助大数据分析总结高铁动车组在过往运行过程中出现故障的规律和主要的原因，从而为故障预测提供数据支持，辅助各类故障处理预案的编制。
结语：高铁动车组的故障预测与健康管理（PHM）系统，可以借助大数据技术、人工智能技术、传感器及等先进的技术，不断提升故障诊断的效率和准确度，有效配合维修人员开展高铁动车组的故障排查和维修，从而提升工作效率，降低错漏，为高铁动车组的安全运行提供保障。
参考文献：
[1]马飒飒，陈国顺，方兴桥．复杂装备故障预测与健康管理系统初探[J]．计算机测量与控制，2010，18（1）：1－4．
[2]刘道伟，李旭晨，赵虹，等．在线稳定节能综合监控与预警系统的设计与应用[J].电网技术，2011，35(1)：213-217．
论文作者:李启东
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第24期
论文发表时间:2020/1/16
标签：车组论文; 高铁论文; 数据论文; 故障论文; 系统论文; 模块论文; 健康论文; 《工程管理前沿》2019年第24期论文;