地鐵剛性接觸網(wǎng)故障預(yù)測(cè)與健康管理課件

1、地鐵接觸網(wǎng)故障預(yù)測(cè)與健康管理341目錄1st Part背景意義2nd Part PHM目標(biāo) 3rd Part 技術(shù)方案4th Part 團(tuán)隊(duì)與工作基礎(chǔ)21、背景意義2、PHM方法論1.1 背景意義北京新機(jī)場(chǎng)線國門第一線160公里/小時(shí)（最高）地下 21.981公里 剛性接觸網(wǎng)架空/路基 17.917公里 柔性接觸網(wǎng)剛性接觸網(wǎng)服役狀態(tài) 健康、可靠某地鐵 剛性接觸網(wǎng)年均三百余起智能運(yùn)維技術(shù)刻不容緩截至2018年底運(yùn)營里程5766公里（地鐵4511公里開通城市36個(gè)在建里程6374公里）城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)是地鐵供電的主要形式1.1 背景意義地鐵剛性接觸網(wǎng)的巡檢對(duì)象表征參數(shù) characteris

2、tic parameter剛性接觸網(wǎng)幾何、接觸線平順性、弓網(wǎng)受流等能夠描述接觸網(wǎng)系 統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)參數(shù)異常：測(cè)量的描述接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)與真實(shí)的、設(shè)計(jì)的 或理論上正確的值之間的差異技術(shù)狀態(tài) technical condition在剛性接觸網(wǎng)服役過程中，零部件及設(shè)備所表現(xiàn)出來的形態(tài)故障：接觸網(wǎng)零部件及設(shè)備不能完成機(jī)械荷重、允許溫升、 載流量、規(guī)定電氣作用等要求的功能狀態(tài)剛性接觸網(wǎng)檢修模式檢測(cè)模式維修模式車載/人工 自動(dòng)化檢測(cè)裝備接觸網(wǎng)修程故障修小修大修1.1 背景意義三級(jí)修程有效利用數(shù)據(jù) 優(yōu)化維修策略非周期能構(gòu)建接觸網(wǎng)健康指標(biāo)體系嗎？能評(píng)估接觸網(wǎng)運(yùn)行過程的狀態(tài)嗎？能預(yù)測(cè)各類缺陷的發(fā)展趨勢(shì)嗎？

3、能估計(jì)零部件發(fā)生故障的概率嗎？ 能估計(jì)二級(jí)修維修前剩余時(shí)間嗎？能預(yù)測(cè)零部件的剩余壽命嗎？解決以下問題1.2 PHM方法論1.2 PHM方法論P(yáng)HM是一種全面故障診斷、預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)；其目的不 是為了直接消除故障, 而是預(yù)報(bào)故障何時(shí)可能發(fā)生，以確定一種 優(yōu)化的維修策略，降低維修工作量與成本、提高維修效率建設(shè)目標(biāo)總體目標(biāo) 剛性接觸網(wǎng)智能健康管理系統(tǒng)剛性接觸網(wǎng)全壽命周期數(shù)據(jù)搭建剛性接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的私有云平臺(tái)建立基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)的剛性接觸網(wǎng)集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)中心 規(guī)范剛性接觸網(wǎng)全壽命周期數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化編碼實(shí)現(xiàn)與各類檢測(cè)裝備、管理信息系統(tǒng)、小型數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)互通 實(shí)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)各級(jí)零部件及設(shè)備全壽

4、命數(shù)據(jù)可視化查詢建立剛性接觸網(wǎng)服役狀態(tài)的健康評(píng)價(jià)體系實(shí)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)缺陷趨勢(shì)分析、零部件故障預(yù)測(cè)、維修剩余時(shí)間估計(jì) 實(shí)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件剩余壽命估計(jì)提供輔助接觸網(wǎng)維修的修前評(píng)估報(bào)告1、總體架構(gòu)2、技術(shù)支撐3、業(yè)務(wù)邏輯技術(shù)方案總體架構(gòu)“三”大業(yè)務(wù)能力 + “六”大業(yè)務(wù)應(yīng)用 = 一體化健康管理平臺(tái)PHM技術(shù)方案技術(shù)支撐平臺(tái)：包括邏輯數(shù)據(jù)的組織和分布，支 持文件系統(tǒng)方式存儲(chǔ)和索引存儲(chǔ)方法。 處理框架：提供必要的基礎(chǔ)設(shè)施軟件以 支持實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序能夠滿足數(shù)據(jù)量、速 度和多樣性的處理，包括批處理、流處 理，以及兩者的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)操作。 信息交互/通信：包含點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和存 儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)兩種通信模型。資源管理：

5、計(jì)算、存儲(chǔ)及實(shí)現(xiàn)兩者互聯(lián) 互通的網(wǎng)絡(luò)連接管理。預(yù)處理：包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)規(guī)約、 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)格式化和存儲(chǔ)。 分析：根據(jù)接觸網(wǎng)運(yùn)行維修的要求，確定分析數(shù)據(jù)的算法，從數(shù)據(jù)中提取指導(dǎo)運(yùn)行維修的信息，形成維修策略?？梢暬禾峁┙o數(shù)據(jù)消費(fèi)層的數(shù)據(jù)元 素和呈現(xiàn)分析功能的輸出。查詢：通過使用處理和平臺(tái)框架來檢 索數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并響應(yīng)數(shù)據(jù)消費(fèi)層 的請(qǐng)求。？如何實(shí)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)智能健康管理平臺(tái)一體化信息平臺(tái)剛性接觸網(wǎng)智能健康管理平臺(tái)由框架提供者和應(yīng)用提供者 兩部分組成?？蚣芴峁┱甙ɑA(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、處理框架、 信息交互/通信和資源管理5個(gè)活動(dòng)；應(yīng)用提供者包括數(shù)據(jù) 收集、預(yù)處理、分析處理、可視化和查詢5個(gè)活動(dòng)G

6、B/T 35589-2017 信息技術(shù)大數(shù)據(jù)技術(shù)參考模型基礎(chǔ)設(shè)施：為PHM系統(tǒng)提供必要的物 數(shù)據(jù)收集：負(fù)責(zé)處理與數(shù)據(jù)采集層的 理資源，包括網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和環(huán)境。 接口和數(shù)據(jù)引入。技術(shù)方案技術(shù)支撐基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)交互通信處理框架資源管理數(shù)據(jù)收集預(yù)處理分析可視化訪問大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯PHM的六大應(yīng)用業(yè)務(wù)：運(yùn)行監(jiān)控設(shè)備管理統(tǒng)計(jì)分析綜合評(píng)價(jià)性態(tài)預(yù)測(cè)維修策略技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：統(tǒng)一剛性接觸網(wǎng)故障編碼（數(shù)據(jù)字典）技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯功能一：運(yùn)行監(jiān)控對(duì)接觸網(wǎng)健康指標(biāo)、維護(hù)水平考核分當(dāng)前值可視化監(jiān)控；對(duì)零部件及 設(shè)備未來可能發(fā)生的異常情況進(jìn)行告警。支持對(duì)監(jiān)控異常情況的查詢與 追

7、溯。接觸網(wǎng)健康指標(biāo)一級(jí) 指標(biāo)可靠性指數(shù)可用性指數(shù)可維修性指數(shù)二級(jí) 指標(biāo)故障率、故障密度、零部件及設(shè)備 可靠度、平均故障間隔時(shí)間、故障 間隔時(shí)間密度、故障間隔時(shí)間率、 參數(shù)異常率、參數(shù)異常密度、參數(shù) 異常可靠度、參數(shù)異常間隔時(shí)間密 度、參數(shù)異常間隔時(shí)間率不可用度、供電臂平均中 斷供電頻率、供電臂平均 中斷供電持續(xù)時(shí)間指數(shù)、 中斷供電累計(jì)時(shí)間、中斷 供電平均持續(xù)時(shí)間維修人時(shí)、維修度、修復(fù)率、故障修復(fù)時(shí)間技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯弓網(wǎng)性能大值評(píng)價(jià)TG/GD 124-2015技術(shù)狀態(tài)扣分評(píng)價(jià)自定義功能一：運(yùn)行監(jiān)控評(píng)分考核：各類各級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果扣分值 車間、班組 評(píng)分多個(gè)維度評(píng)分考核()標(biāo)準(zhǔn)化管理扣分評(píng)價(jià)各局標(biāo)準(zhǔn)化

8、制度依據(jù)性態(tài)告警：零部件發(fā)生故障可能性、維修前時(shí)間估計(jì)值、關(guān)鍵零部件剩余壽命技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯接觸網(wǎng)零部件技術(shù)狀態(tài) 全壽命周期信息2D圖紙（設(shè)計(jì)）3D模型（設(shè)計(jì)）技術(shù)規(guī)格（設(shè)計(jì)）有限元分析模型（設(shè)計(jì)）生產(chǎn)裝配（施工）運(yùn)行過程跟蹤（運(yùn)行）功能二：設(shè)備管理以圖形化的方式展現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備BIM數(shù)據(jù)的全生命周期設(shè)備的BIM數(shù)據(jù)模型技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯基于GIS（設(shè)備地圖）基于接觸網(wǎng)示意圖（設(shè)備看板）多圖層可視化（同步顯示）示例：設(shè)備地圖、設(shè)備看板、同步顯示技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯功能三：統(tǒng)計(jì)分析（主要統(tǒng)計(jì)量）零部件故障/參數(shù)異常健康指標(biāo)（健康度）TG/GD 124-2015RAMS（三個(gè)維度）故障強(qiáng)度參數(shù)異常頻度平均

9、故障間隔時(shí)間平均參數(shù)異常間隔 時(shí)間各級(jí)狀態(tài)故障率故障密度（12個(gè)）系統(tǒng)不可用度供電臂平均中 斷供電頻率（5個(gè)）修復(fù)率故障修復(fù)時(shí)間（4個(gè)）給定時(shí)段給定區(qū)段統(tǒng)計(jì)量：位置度量（算術(shù)平均、中位數(shù)、結(jié)尾均值）散度度量（標(biāo)準(zhǔn)差、方差、四分位差、中位數(shù)絕對(duì)偏差）技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯功能四：綜合評(píng)價(jià)（健康度）綜合評(píng)價(jià)是在指定的供電段管轄線路內(nèi)，針對(duì)接觸網(wǎng)系 統(tǒng)當(dāng)前服役狀態(tài)，根據(jù)接觸網(wǎng)可信性程度，評(píng)估接觸網(wǎng) 系統(tǒng)狀態(tài)，能夠根據(jù)計(jì)算的健康度判斷在役接觸網(wǎng)狀態(tài) 所處等級(jí)，即健康狀態(tài)、功能降低狀態(tài)、不能工作狀態(tài)。 接觸網(wǎng)可信性程度可依據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、質(zhì)量鑒定、可用性 評(píng)價(jià)和可維修性評(píng)價(jià)的結(jié)果進(jìn)行確定技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯AHP+熵

10、權(quán)組合賦權(quán)定義不同 層級(jí)下的 評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo) 同質(zhì)性轉(zhuǎn) 換確定匯總 綜合的方 法確定評(píng)價(jià) 指標(biāo)的權(quán) 重狀態(tài)等級(jí) 的劃分H = re +se +maW Ws (1Wo)可靠性M可用性可維修性主觀+客觀賦權(quán)健康狀態(tài)健康等級(jí)健康度建議值健康狀態(tài)健康0.9-1亞健康0.7-0.9功能降低狀態(tài)輕度病態(tài)0.6-0.7中度病態(tài)0.5-0.6不能工作狀態(tài)重度病態(tài)0.4-0.5失效0-0.4技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯功能五：性態(tài)預(yù)測(cè)缺陷變化規(guī)律預(yù)測(cè)是在指定的供電段管轄線路內(nèi)，不同的運(yùn)行工況 與環(huán)境參數(shù)條件下，分析接觸網(wǎng)系統(tǒng)表征參數(shù)異常、零部件及設(shè)備 故障等缺陷統(tǒng)計(jì)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，供電段技術(shù)部門通過揭示的 規(guī)律，有針

11、對(duì)性地安排臨時(shí)修、綜合修等維修層次上的維修活動(dòng)， 明確重點(diǎn)關(guān)注的維修單元故障預(yù)測(cè)是預(yù)測(cè)故障發(fā)生的可能性。在限定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，根據(jù)運(yùn) 行工況、外部環(huán)境以及已發(fā)現(xiàn)的零部件故障或參數(shù)異常等信息，推 斷所關(guān)注的設(shè)備及零部件發(fā)生故障的概率，然后根據(jù)預(yù)測(cè)的概率大 小并考慮故障引發(fā)弓網(wǎng)事故的可能性，明確特定范圍內(nèi)預(yù)防性維修 時(shí)的檢查重點(diǎn)2.6 框架及功能要求功能五：性態(tài)預(yù)測(cè)維修前剩余時(shí)間估計(jì)是根據(jù)接觸網(wǎng)綜合修維修周期內(nèi)接觸網(wǎng)系統(tǒng)可 靠性、可用性以及臨時(shí)修等信息，估計(jì)系統(tǒng)健康狀態(tài)、功能降低狀 態(tài)（如亞健康、輕度病態(tài)、中度病態(tài)等）的駐留時(shí)間，預(yù)測(cè)接觸網(wǎng) 系統(tǒng)維修前剩余時(shí)間，即接觸網(wǎng)系統(tǒng)處于當(dāng)前可用狀態(tài)直至系統(tǒng)必

12、 須進(jìn)行維修時(shí)的總工作持續(xù)時(shí)間，使供電段技術(shù)部門可根據(jù)估計(jì)的 維修前剩余時(shí)間調(diào)整維修策略零部件剩余壽命估計(jì)是抽檢多個(gè)具有相同運(yùn)行工況及材質(zhì)的關(guān)鍵零 部件按照TB2073-TB2075進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)束后再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)但 不限定疲勞試驗(yàn)次數(shù)直至試品斷裂，根據(jù)每個(gè)試品實(shí)際疲勞試驗(yàn)次 數(shù)的平均值，判斷其在該運(yùn)行工況下的疲勞損傷程度。根據(jù)關(guān)鍵零 部件檢驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，綜合預(yù)估零部件剩余壽命技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯缺陷變化規(guī)律預(yù)測(cè)缺陷統(tǒng)計(jì)量零部件故障強(qiáng)度參數(shù)異常頻度平均故障間隔時(shí)間平均參數(shù)異常間隔時(shí)間缺陷統(tǒng)計(jì)量（離散不確定量隨機(jī)變量） 時(shí)間序列預(yù)測(cè)X (t ) T (t ) S (t ) R(t )趨勢(shì)周期隨機(jī)A(

13、B )(B S )(1 B )d (1 B S )D X (t ) B (B )(B S )(t )某類型故障掌握缺陷變化規(guī)律，輔助安排計(jì)劃檢修任務(wù)技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯故障預(yù)測(cè)承力索貝葉斯模型附加懸掛貝葉斯模型絕緣子貝葉斯模型吊弦貝葉斯模型接觸線貝葉斯模型定位器貝葉斯模型跳閘貝葉斯模型支持裝置貝葉斯模型定位線夾貝葉斯模型共9種先驗(yàn)概率+條件概率 貝葉斯推理后驗(yàn)概率根據(jù)容易獲取的故障原因、系統(tǒng)表征 等證據(jù)信息，更新人們對(duì)接觸網(wǎng)零部 件發(fā)生故障的認(rèn)知（先驗(yàn)概率） 步驟（貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模）確定節(jié)點(diǎn)，建立有向無環(huán)圖；確定條件概率表和先驗(yàn)概率；采用近似或精確推理推斷PQ1 q1,Qm qm E1 e1,Ep

14、ep PE1 e1,Ep ep Q1 q1,Qm qm PQ1 q1,Qm qm PE1 e1,Ep ep 零部件故障先驗(yàn)概率證據(jù)：故障原因、系統(tǒng)表征零部件故障技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯接觸網(wǎng)系統(tǒng)屬性隨時(shí)間變化而退化（不修復(fù)）6隱半馬爾科夫模型HSMM描述系統(tǒng)退化過程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事實(shí)接觸網(wǎng)系統(tǒng)處于某個(gè)健康狀態(tài) 接觸網(wǎng)系統(tǒng)維修前剩余時(shí)間為t 1RULt att D(S(t) RULt 1 at ,t 1RUL狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣健康度健康狀態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程馬爾可夫過

15、程初始狀態(tài)概率狀態(tài)駐留時(shí)間D(S(t) (S(t) 2 (S(t)bij =P(H (t) H j S(t) si )i =P(S (1) si )ij輸出評(píng)估概率jiS (t) s )a =P(S (t 1) s維修前剩余時(shí)間估計(jì)技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯關(guān)鍵零部件選擇有限元分析歷史故障率關(guān)鍵部件振動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)載荷：振 動(dòng)波形：正弦波；垂直振 幅：35mm；振動(dòng)頻率： 3Hz5Hz（ 2x106 ）疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)荷載：幅 值：30%最大工作荷重； 疲勞交變波形：正弦波； 疲勞頻率： 1 H z 3 H z（ 5x105 ）按照相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)，在振 動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)， 一直試驗(yàn)到整體零件損壞為 止，所

16、測(cè)得的次數(shù)為在試驗(yàn) 工況下的壽命，再與標(biāo)準(zhǔn)要 求的次數(shù)相比，即可知道相 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求的裕度1sm = m1n年消耗次數(shù)剩余壽命預(yù)測(cè)2sn=k m2m關(guān)鍵零部件剩余壽命估計(jì)零部件剩余壽命估計(jì)法試驗(yàn)估計(jì)法：技術(shù)方案業(yè)務(wù)邏輯功能六：維修策略修前評(píng)估報(bào)告修后評(píng)價(jià)報(bào)告維修的區(qū)段、主要設(shè)備概 況、主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)零部件及設(shè)備故障情況， 二級(jí)缺陷位置、維修方案 維修人、鑒定人、審核人明確給出重點(diǎn)檢修的維修 單元明確給出重點(diǎn)檢查的零部 件及設(shè)備預(yù)估修復(fù)率、維修人時(shí)、 零部件及設(shè)備故障修復(fù)時(shí) 間預(yù)估維修資源預(yù)估維修成本維修后，單位時(shí)間內(nèi) 健康值、 實(shí)際修復(fù)率、維修人 時(shí)、零部件及設(shè)備故 障修復(fù)時(shí)間實(shí)際采用的維修資源實(shí)

17、際維修成本與修前評(píng)估的偏差分 析自 動(dòng) 生 成電子版1、團(tuán)隊(duì)2、工作基礎(chǔ)團(tuán)隊(duì)西南交通大學(xué) 智能牽引供電研究團(tuán)隊(duì)Intelligent Traction Power Research成員研究方向1高仕斌團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人2劉志剛弓網(wǎng)理論與仿真研究3于龍接觸網(wǎng)智能運(yùn)維4陳小川變電所監(jiān)控及保護(hù)5韓正慶變電所智能運(yùn)維主要成果成果孵化成都唐源電氣股份有限公司獲獎(jiǎng)成果獎(jiǎng)勵(lì)名稱等級(jí)年度高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營安全保障成套技術(shù)與裝備國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等2018高速鐵路供電綜合監(jiān)控技術(shù)與裝備國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等2013牽引供電關(guān)鍵設(shè)備安全運(yùn)行檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等2012高速鐵路受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行綜合檢測(cè)監(jiān)測(cè)成套技術(shù)與裝備中國鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)特等2016高速鐵路牽引供電系