1、地铁接触网故障预测与健康管地铁接触网故障预测与健康管理理341目录1st Part 背景意义背景意义2nd Part PHM目标目标 3rd Part 技术方案技术方案4th Part 团队与工作基础团队与工作基础21、背景意义、背景意义2、PHM方法论方法论1.1 背景意义北京新机场线国门第一线160公里/小时（最高最高）地下 21.981公里 刚性接触网刚性接触网架空/路基 17.917公里 柔性接触网柔性接触网刚性接触网服役状态 健康、可靠某地铁某地铁 刚刚性接触网性接触网年均三百三百余起智能运维技术刻不容缓截至2018年底运营里运营里程程5766公里（地铁地铁4511公公里里开通城开通
2、城市市36个在建里在建里程程6374公里）城市轨道交通刚性接触网是地铁供电的主要形式1.1 背景意义地铁刚性接触网的巡检对地铁刚性接触网的巡检对象象表征参数表征参数 characteristic parameter刚性接触网几何、接触线平顺性、弓网受流等能够描述接触网系 统运行状态的参数参数异常参数异常：测量的描述接触网运行状态的参数与真实的、设计的 或理论上正确的值之间的差异技术状态技术状态 technical condition在刚性接触网服役过程中，零部件及设备所表现出来的形态故故障障：接触网零部件及设备不能完成机械荷重、允许温升、 载流量、规定电气作用等要求的功能状态刚性接触网检修模刚
3、性接触网检修模式式检测模式维修模式车载/人工 自动化自动化检测装备接触网修程故障修故障修小修小修大大修修1.1 背景意义三级修程有效利用数据 优化维修策略非周期能构建接触网健康指标体系指标体系吗？能评估接触网运行过程的状态状态吗？能预测各类缺陷的发展趋势趋势吗？能估计零部件发生故障的概率概率吗？ 能估计二级修维修前剩余时间剩余时间吗？能预测零部件的剩余寿命剩余寿命吗？解决以下问题1.2 PHM方法论1.2 PHM方法论PHM是一种全面故障诊断、预测与健康管理技术；其目的不 是为了直接消除故障, 而是预报故障何时可能发生，以确定一种 优化的维修策略，降低维修工作量与成本、提高维修效率建设目标总体
4、目总体目标标 刚性接触网智能健康管理系统刚性接触网全寿命周期数据搭建刚性接触网设计与运行过程数据的私有云平台建立基于大数据架构的刚性接触网集团级数据中心 规范刚性接触网全寿命周期数据的统一标准化编码实现与各类检测装备、管理信息系统、小型数据中心的互联互通 实现刚性接触网各级零部件及设备全寿命数据可视化查询建立刚性接触网服役状态的健康评价体系实现刚性接触网缺陷趋势分析、零部件故障预测、维修剩余时间估计 实现刚性接触网关键零部件剩余寿命估计提供辅助接触网维修的修前评估报告1、总体架构、总体架构2、技术支撑、技术支撑3、业务逻辑、业务逻辑技术方案总体架构“三三”大业务能力 + “六六”大业务应用 =
5、 一体化一体化健康管理平台PHM技术方案技术支撑平台平台：包括逻辑数据的组织和分布，支 持文件系统方式存储和索引存储方法。 处理框架处理框架：提供必要的基础设施软件以 支持实现应用程序能够满足数据量、速 度和多样性的处理，包括批处理、流处 理，以及两者的数据交换与数据操作。 信息交互信息交互/通信通信：包含点对点传输和存 储转发两种通信模型。资源管理资源管理：计算、存储及实现两者互联 互通的网络连接管理。预处理预处理：包括数据清洗、数据规约、 数据标准化、数据格式化和存储。 分析分析：根据接触网运行维修的要求，确定分析数据的算法，从数据中提取指导运行维修的信息，形成维修策略。可视化可视化：提供
6、给数据消费层的数据元 素和呈现分析功能的输出。查询查询：通过使用处理和平台框架来检 索数据分析结果，并响应数据消费层 的请求。？如何实现刚性接触网智能健康管理平台 一体化信息平台刚性接触网智能健康管理平台刚性接触网智能健康管理平台由框架提供者和应用提供者 两部分组成。框架提供者框架提供者包括基础设施、平台、处理框架、 信息交互/通信和资源管理5个活动；应用提供者应用提供者包括数据 收集、预处理、分析处理、可视化和查询5个活动GB/T 35589-2017 信息技术大数据技术参考模型基础设施基础设施：为PHM系统提供必要的物 数据收集数据收集：负责处理与数据采集层的 理资源，包括网络、计算、存储
7、和环境。 接口和数据引入。技术方案技术支撑基础设基础设施施平平台台交互通交互通信信处理框处理框架架资源管资源管理理数据收数据收集集预处理预处理分分析析可视可视化化访访问问大数据与云计算技术技术方案业务逻辑技术方案业务逻辑PHM的六大应用业务：运行监控运行监控设备管理设备管理统计分析统计分析综合评价综合评价性态预测性态预测维修策略维修策略技术方案业务逻辑数据标准数据标准：统一刚性接触网故障编码（数据字典）技术方案业务逻辑功能一：运行监功能一：运行监控控对接触网健康指标接触网健康指标、维护水平考核分维护水平考核分当前值当前值可视化监控；对零部件及 设备未来可能发生的异常情况异常情况进行告警告警。支
8、持对监控异常情况的查询与 追溯。 接触网健康指标接触网健康指标一级一级 指标指标可靠性指数可用性指数可维修性指数二级二级 指标指标故障率、故障密度、零部件及设备 可靠度、平均故障间隔时间、故障 间隔时间密度、故障间隔时间率、 参数异常率、参数异常密度、参数 异常可靠度、参数异常间隔时间密 度、参数异常间隔时间率不可用度、供电臂平均中 断供电频率、供电臂平均 中断供电持续时间指数、 中断供电累计时间、中断 供电平均持续时间维修人时、维修度、修复率、故障修复时间技术方案业务逻辑弓网性能大值评价TG/GD 124-2015技术状态扣分评价自定义功能一：运行监功能一：运行监控控 评分考核评分考核：各类
9、各级评价结果扣分值 车间、班组车间、班组 评分评分多个维度评分考核()标准化管理扣分评价各局标准化 制度依依据据 性态告警：性态告警：零部件发生故障可能性、维修前时间估计值、关键零部件剩余寿命技术方案业务逻辑接触网零部件技术状态接触网零部件技术状态 全寿全寿命周期信息命周期信息2D图纸图纸（设计）3D模型模型（设计）技术规格技术规格（设计）有限元分析模型有限元分析模型（设计）生产装配生产装配（施工）运行过程跟踪运行过程跟踪（运行）功能二：设备管功能二：设备管理理以图形化的方式展现接触网设备接触网设备BIM数据数据的全生命周期 设备的BIM数据模型技术方案业务逻辑基于GIS（设备地图）基于接触网
10、示意图（设备看板）多图层可视化（同步显示）示例示例：设备地图、设备看板、同步显示技术方案业务逻辑功能三：统计分析（主要统计量功能三：统计分析（主要统计量）零部件故零部件故障障/参数异参数异常常健康指标（健康度健康指标（健康度）TG/GD 124-2015RAMS（三个维度）故障强度参数异常频度平均故障间隔时间平均参数异常间隔 时间各级状态故障率故障密度（12个个）系统不可用度供电臂平均中 断供电频率（5个个）修复率故障修复时间（4个个）给定时段给定区段统计量统计量：位置度量位置度量（算术平均、中位数、结尾均值）散度度量散度度量（标准差、方差、四分位差、中位数绝对偏差）技术方案业务逻辑功能四：综
11、合评价（健康度功能四：综合评价（健康度）综合评价是在指定的供电段管辖线路内，针对接触网系 统当前服役状态，根据接触网可信性程度，评估接触网 系统状态，能够根据计算的健康度健康度判断在役接触网状态 所处等级，即健康状态、功能降低状态、不能工作状态健康状态、功能降低状态、不能工作状态。 接触网可信性程度可依据质量评价质量评价、质量鉴定、可用、质量鉴定、可用性性 评价和可维修性评价评价和可维修性评价的结果进行确定技术方案业务逻辑 AHP+熵权组合赋熵权组合赋权权定 义 不 同 层 级 下 的 评价指标评价指标 同质性转 换确定汇总 综合的方 法确定评价 指标的权 重状态等级 的划分H = r e +
12、s e +m aW Ws (1Wo)可靠性可靠性M可用性可用性可维修性可维修性主观+客观赋权健康状健康状态态健康等健康等级级健康度建议健康度建议值值健康状态健康0.9-1亚健康0.7-0.9功能降低状态轻度病态0.6-0.7中度病态0.5-0.6不能工作状态重度病态0.4-0.5失效0-0.4技术方案业务逻辑功能五：性态预功能五：性态预测测缺陷变化规律预测缺陷变化规律预测是在指定的供电段管辖线路内，不同的运行工况 与环境参数条件下，分析接触网系统表征参数异常、零部件及设备 故障等缺陷统计量随时间变化的规律缺陷统计量随时间变化的规律，供电段技术部门通过揭示的 规律，有针对性地安排临时修、综合修等
13、维修层次上的维修活动， 明确重点关注的维修单元故障预测故障预测是预测故障发生的可能性。在限定的时间区间内，根据运 行工况、外部环境以及已发现的零部件故障或参数异常等信息，推 断所关注的设备及零部件发生故障的概率发生故障的概率，然后根据预测的概率大 小并考虑故障引发弓网事故的可能性引发弓网事故的可能性，明确特定范围内预防性维修 时的检查重点2.6 框架及功能要求功能五：性态预功能五：性态预测测维修前剩余时间估计维修前剩余时间估计是根据接触网综合修维修周期内接触网系统可 靠性、可用性以及临时修等信息，估计估计系统健康状态、功能降低状 态（如亚健康、轻度病态、中度病态等）的驻留时间驻留时间，预测接触
14、网 系统维修前剩余时间，即接触网系统处于当前可用状态直至系统必 须进行维修时的总工作持续时间，使供电段技术部门可根据估计的 维修前剩余时间调整维修策调整维修策略略零部件剩余寿命估计零部件剩余寿命估计是抽检多个具有相同运行工况及材质的关键零 部件按照TB2073-TB2075进行振动试验，结束后再进行疲劳试验但 不限定疲劳试验次数直至试品断裂，根据每个试品实际疲劳试验次 数的平均值，判断其在该运行工况下的疲劳损伤程度判断其在该运行工况下的疲劳损伤程度。根据关键零 部件检验数据结果，综合预估零部件剩余寿预估零部件剩余寿命命技术方案业务逻辑 缺陷变化规律预测缺陷变化规律预测缺陷统计缺陷统计量量零部件
15、故障强度 参数异常频度 平均故障间隔时间 平均参数异常间隔时间缺陷统计量（离散不确定量随机变量） 时间序列预时间序列预测测X (t ) T (t ) S (t ) R(t )趋势周期随机A(B )(B S )(1 B )d (1 B S )D X (t ) B (B )(B S )(t )某类型故障掌握缺陷变化规律，辅助安排计划检修任掌握缺陷变化规律，辅助安排计划检修任务务技术方案业务逻辑 故障预测故障预测承力索贝叶斯模型承力索贝叶斯模型附加悬挂贝叶斯模型附加悬挂贝叶斯模型绝缘子贝叶斯模型绝缘子贝叶斯模型吊弦贝叶斯模型吊弦贝叶斯模型接触线贝叶斯模型接触线贝叶斯模型定位器贝叶斯模型定位器贝叶斯模
16、型跳闸贝叶斯模型跳闸贝叶斯模型支持装置贝叶斯模型支持装置贝叶斯模型定位线夹贝叶斯模型定位线夹贝叶斯模型共共9种种先验概率+条件概率 贝叶斯推理后验概率根据容易获取的故障原因、系统表征 等证据信息，更新人们对接触网零部 件发生故障的认知（先验概率） 步骤（贝叶斯网络建模）1确定节点，建立有向无环图；2确定条件概率表和先验概率；3采用近似或精确推理推断PQ1 q1,Qm qm E1 e1,Ep ep PE1 e1,Ep ep Q1 q1,Qm qm PQ1 q1,Qm qm PE1 e1,Ep ep 零部件故障先验概率零部件故障先验概率证据：故障原因、系统表证据：故障原因、系统表征征零部件故障零部
17、件故障技术方案业务逻辑接触网系统属性随时间变化而退化（不修复）6隐半马尔科夫模型隐半马尔科夫模型HSMM描述系统退化过描述系统退化过程程P(H (1), S (1), H (6), S (6) P(S (1)P(H (1) S (1)P(S (t) S (t 1)P(H (t ) S (t )t 2事实事实接触网系统处于某个健康状态 接触网系统维修前剩余时间为t 1RULt att D(S(t) RULt 1 at ,t 1RUL状态转移矩阵健康度健康度健康状态健康状态状态转移过程状态转移过程马尔可夫过程马尔可夫过程初始状态概率状态驻留时间D(S(t) (S(t) 2 (S(t)bij =P(
18、H (t) H j S(t) si )i =P(S (1) si )ij输出评估概率jiS (t) s )a =P(S (t 1) s 维修前剩余时间估计维修前剩余时间估计技术方案业务逻辑关键零部件选择有限元分析历史故障率关键部件关键部件振动试验振动试验试验载荷：振 动波形：正弦波；垂直振 幅：35mm；振动频率： 3Hz5Hz（ 2x106 ）疲劳试验疲劳试验试验荷载：幅 值：30%最大工作荷重； 疲劳交变波形：正弦波； 疲 劳 频 率 ： 1 H z 3 H z（ 5x105 ）按照相应的试验参数，在振 动疲劳试验机上进行试验， 一直试验到整体零整体零件损坏件损坏为为 止止，所测得的次数为
19、在试验 工况下的寿命，再与标准要 求的次数相比，即可知道相 对标准要求的裕度1sm = m1n年消耗次数剩余寿命预测2sn =k m2m 关键零部件剩余寿命估计关键零部件剩余寿命估计 零部件剩余寿命估计法试验估计法试验估计法：技术方案业务逻辑功能六：维修策功能六：维修策略略修前评估报修前评估报告告修后评价报修后评价报告告 维修的区段、主要设备概 况、主要设计标准 零部件及设备故障情况， 二级缺陷位置、维修方案 维修人、鉴定人、审核人 明确给出重点检修的维修 单元 明确给出重点检查的零部 件及设备 预估修复率、维修人时、 零部件及设备故障修复时 间 预估维修资源 预估维修成本 维修后，单位时间内
20、 健康值、 实际修复率、维修人 时、零部件及设备故 障修复时间 实际采用的维修资源 实际维修成本 与修前评估的偏差分 析 自自 动动 生生 成成电子电子版版1、团队、团队2、工作基础、工作基础团队西南交通大学 智能牵引供电研究团队Intelligent Traction Power Research成员成员研究方向研究方向1高仕斌团队负责人2刘志刚弓网理论与仿真研究3于龙接触网智能运维4陈小川变电所监控及保护5韩正庆变电所智能运维主要成果成果孵化成都唐源电气股份有限公成都唐源电气股份有限公司司获奖成果获奖成果奖励名称奖励名称等级等级年度年度高速铁路弓网系统运营安全保障成套技术与装备国家科技进步
21、奖二等2018高速铁路供电综合监控技术与装备国家科技进步奖二等2013牵引供电关键设备安全运行检测技术与应用国家科技进步奖二等2012高速铁路受电弓-接触网系统安全运行综合检测监测成套技术与装备中国铁道学会科学技术奖特等2016高速铁路牵引供电系统运营维护关键技术研究中国铁道学会科学技术奖一等2017轨道交通供电系统故障诊断与可靠性评估方法及应用教育部科技进步奖二等2013工作基础中国铁路总公司科技研发开发计划（重大）课题结题（广州局应用广州局应用） 课题编号：2015J008-A知识产知识产权权数数量量发明专利、论文等发明专利2项；论文12篇；软件著作权5项7个方面：功能性、可靠性、易用性、可移植 性、用户 界面、中 文符合性、用户文 档3个方面： 应 用 安 全 测 评 、 数 据 安 全 测 评 、 系 统 漏 洞 扫 描工作基础工作基础 软件可视化呈现线路健康情线路健康情况况健康指标可视健康指标可视化化缺陷分缺陷分析析数据管数据管理理致力致力于于 城轨牵引供电智能运城轨牵引供电智能运维维
