动车组状态维修关键技术研究与实现
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
在世界范围内，领先的信息技术和高速铁路技术促进了铁路行业的快速发展。许多发达国家在世界铁路市场占据着重要地位，主要表现在客货快运网络化、安全装备系统化、行车指挥自动化、市场营销信息化、货运重载化、客运高速化等方面。目前，很多国家把铁路的快速发展作为实现可持续发展、保护生态环境、经济增长的重要战略选择。高速铁路发展已经成为一个国家象征铁路发展水平的重要参照，而铁路发展的趋势就是高速铁路客运安全高效运营。为了满足对我国客运、社会发展和国家经济增长的需求，所以在2020年之前目标建成以中国各一线城市和各省会为主要节点覆盖全国的铁路系统，规划超过数万公里的铁路客运网。到时，将会有超过数千列的动车组最高时速为300公里。要实现这样一个大规模的计划就需要解决动车组的高效性、可靠性和安全性。我国在2004年从国外购买了数百列高速动车组，成功从发达国家引进了关于动车组的先进技术，再此基础上经过研究和创新，使得我国经过了数次的铁路列车大提速，并把这次从国外购买的列车编组运行，成为我国客运的主力车型。因为这是我国第一次全面从国外引进动车组先进技术，因此缺乏实际操作和管理经验，为了使我国创新的动车组高效可靠的运行，必须建立一套科学合理的动车组监测维修的机制。而且，我国在动车组的研究相对较晚，所以在动车组的监测和维修方面缺乏全面的管理经验。
动车组不仅比传统的铁路车辆结构有很大的不同，在运行速度方面也是超过了传统列车，与此同时要求更好的安全性和更高的运行效率。所以对于我国提出的铁路快速发展战略在动车组运营和维修管理方面提出了更高的要求。但是，无论动车组技术多先进，动车组运行时的故障始终是会出现的，所以出现故障之后确定动车组维修方式是重中之重，维修方式分为定期维修、预防性事后维修、可靠性维修和状态维修等。这些维修方式都是在一些先进产品和先进列车技术背景下产生的，并在特定的时期发挥了不可替代的作用，不过随着社会科学技术的快速发展，特别是信息技术更新迅速，根据动车组的信息技术和操作监测技术，实现动车组的状态维修是不可避免的，也是必需的。状态维修就是根据动车设备运行的实时状态为依据通过设备健康状况监测和诊断，在最佳时机来确定设备是否需要维修。状态维修就是利用现有先进的技术来进行维修的方式，目标就是延长动车组运行时间、延长设备的寿命、提高设备的可用系数和可靠性、提高设备的性能、降低维修成本、提高经济效益。动车组管理局和维修所通过动车组实时产生的数据与正常数据进行对比，如果出现异常现象进行分析，制定故障解决措施。并且通过这些异常数据导致的故障，设备制造商可以分析动车组设备在运行中的疲劳度和使用寿命，以及里程、速度、运行环境和运行时间等因素对设备的影响，并在此基础上为设备找到更好的材料和提高设备生产的工艺。然而，状态维修依然面临的突出问题表现为以下两点：一个是高误报率。经常发生由于实施状态监测技术的不成熟，设备是正常运行的，但警报监测系统出现报警的现象；第二个是动车组昂贵的关键部件不能够充分使用，这些关键部件仍然有一段可靠运行的时间，但是按照分析预测必须更换，这样就造成了极大的浪费。所以能够准确预测出关键部件的运行时间是减少设备维修成本和有效维护的关键。状态维修涉及到的关键技术之一就是动车组设备失效时间的预测，对于预测设备失效时间的准确性在动车组维修决策中起着不可替代的指导作用，所以一直以来受到了广泛的研究和关注。如果关键部件的失效时间可以准确给出时，就可以确定动车组关键部件的检修时间间隔，也可以方便进行以可靠性为中心的维修方式。并且根据状态维修制定出的设备维修方式主要依赖于设备实时的状态，而不是按照既定的计划去实施，这样就需要确定设备从正常运行到出现故障的发展趋势。
二、研究目的和意义
动车组中的每一个关键部件都是保陣动车组安全运行必不可少的一部分，这些关键部件的可靠性直接影响着动车组的高效和安全，所以动车组关键部件的可靠性和管理是动车组维护中的一个突出问题、提高动车组关键部件的可靠性和实现以可靠性为中心的维修策略，对确保铁路运输的安全、提高安全性、保证高质量的服务、提高经济效益、减低维护成本具有重要的意义，也是铁路快速发展的迫切需要。动车组运维中两个重要的活动是故障处理和维护，也是动车组综合管理活动的重要组成部分，监测故障、分析故障、跟踪故障、预测故障不仅是动车组的科学维护，还可以为动车组确定合适的维修策略。动车组的故障处理和维护是动车组面向跨时发表展的重要内容”。由于大量的动车组投入运行，随之产生了大量有价值的信息，怎样将这些运行状态信息和故障数据转化为动车组实施状态维修所需的资源，实现动车组关键部件的故障分析和故障预测，然后解决我国铁路信息化确定维修策略这个重要问题。动车组状态维修的核心技术正是解决这个问题的关键所在。状态维修的主要特征包括如下：1.在机械设备正常运行时，实时获取设备的异常状态；2.获取设备的实时状态后，制定计划进行检测和维修；3.状态维修注重实时性，通过先进的器材和技术确保了实时监测的可行性；4.在获取实时数据后，对这些数据进行分析，确定故障的设备以达到部分维修节约维修成本。在铁路领域引入状态维修，分析动车组设备的故障并预测，从而确定动车组关键部件的失效时间进而确定维修策略，具有重要的现实意义。
三、本文研究涉及的主要理论
之前以蒸汽机为代表的工业革命，蒸汽机的维修都是出现故障以后再采取具体维修方法，这种维修属于故障检修或是事后维修。再发展为以电力设备为代表的产业革命，由于电力设备的重要性，不能在设备出现故障后再进行维修，所以需要提前对设备进行维修以使设备可以一直正常运行，这种检修的方式称为预防性检修，由于这种检修的优势明显，随着技术的发展以及对安全程度的不同要求，在预防性检修的基础上又出现了若干种检修方式，例如，在故障出现之前的一段时间进行检查和维修的定期维修。之后出现了比较流行的状态维修，也称为预知性维修。状态检修就是以设备实时运行的状态为重要参考，依靠先进的仪器和设备实时获取监测设备状态，判断设备的健康情况。状态维修是现在最先进的维修策略，在机械设备运用状态维修可以提高设备的可用系数和可靠性、增长运营的时间、减少设备维护的成本、增加经济效益、提高设备的整体性能。以上所提到的几种检修方式并没有具体的区别。
事后维修又称为故障性维修或是修复性维修，是在设备出现故障之后，按照维修要求对设备进行维修，使设备可以正常运行的状态。事后维修中，在时间上也分为延时维修和及时维修，有些故障出现后不影响设备的安全仍可以使用，需要延时维修，加大监控强度。定期维修是根据设备的使用时间作为参考，达到设备及其关键部件的使用寿命时，这是提前判断进行预防性维修的方式，主要就是提前判断设备可以运行的具体时间极值。采用这种维修方式是简单方便的，容易掌握控制维修的时间，提前安排维修的计划，在管理上工作任务明确、简单。不足之处在于设备的寿命分布计算不准确，设备一定要有损耗的变化过程。还有，定期维修换取一些设备时会影响其他设备的可靠性。状态维修是依据设备以及其关键部件的实时状态来进行维修的方式。设备的维修时间是不确定的，也不要求设备的规模和组装程度，现在利用监控器、传感器等先进的技术设备基础上确定最佳的维修时机。优点是减小操作误差和工作量、提高维修的高效性、充分使设备发挥出最佳性能。缺点是相关费用较多、所用到的设备较贵重和危险、参与维修人员的综合素质要求高。在具体实际的设备维修项目中，选择最佳的维修方式是关键点。选择维修方式时应该考虑故障产生的后果、安全性和经济性。综合以上所述的维修方式可以得出维修方式只分为预防性维修和非预防性维修。
在以信息技术快速发展的第四次产业革命，机械设备的维修幵始向预知性维修发展，主要就是检测设备的状态和诊断设备的故障。通过采用数据检测技术和诊断故障技术，在设备故障发生之前或避免巨大的效益损失之前，有目的、有计划地进行一定的维修，所以被称作以状态为基础的检修。状态维修是预防性维修，提前在故障和损失发生之前进行检修，也是可靠性维修，确保设备能够安全运行，所以状态维修也是预知性维修，是预防性维修和可靠性维修两种方法的结合。状态维修的概念简单定义如下：根据实时监测得到的设备实时状态，通过状态监测技术和诊断分析技术合理制定维修计划的一种检修方式。状态维修就是根据设备的实时工作产生的数据，而不是以前以设备工作的数据为参照，依据先进的状态监测技术、失效预测技术、可靠性评估技术确定故障的发生和运行时间。对关键部件故障的发展趋势、严重程度等条件进行判断，在关键部件的性能下降到产生损失的情况下进行的维修。设备从开始正常运行都会经过一个阶段直到设备发生故障，在这个故障发生的过程中可分两个区域为潜在故障和功能故障。潜在故障就是设备在发生功能故障之前，但是这个阶段设备是可以运行的只是一些实时参数显示不正常，例如动车某车厢闹片厚度即将达到临界值，暂时可以起到刹车的作用。功能故障就是设备己经不能正常工作，完不成设定的任务，例如动车动力装置温度过热，这样发展下去会导致动力装置失效。潜在故陣发生的示意图可以用 P-F(Potential failure-Function failure)曲线图来表不如图2-2所不，此图显不了设备从设备故障萌芽期到潜在故障发生检测得到的点P，然后从潜在故障点P到功能性障碍设备不能工作得到的点F的一个连续过程。在图2-2整个发展的过程中，如果从P点一直到F点发生之前可以发现潜在故障，那么动车组就会采取措施来预防和避免故陣旳发生，防止发生严重的后果。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
本课题依托于“十二五”国家科技计划项目《复杂产品全生命周期监测与服务支持系统》、项目《动车组车载信息综合分析应用系统》及项目《青岛四方车载信息综合应用管理系统》。研究状态维修的状态监测和设备失效预测等关键技术，并把这些技术应用到动车组的实际运营中，论文主要讨论了国内外状态维修的研究现状，并分析了实现状态维修中的数据监测和关键部件失效预测的主要关键技术。论文通过对动车组状态维修理论为指导，实时监测和显示动车组的相关数据，并且以失效预测技术为基础，利用概率统计分析方法和可靠性理论，研究动车组关键零部件故障规律，建立动车组关键零部件的失效概率分布模型，完成动车组的故障管理和维修管理，实现动车组的状态维修，提高动车组及其关键部件的使用寿命，改进动车段的维修理论和维修工艺，并为关键部件的维修决策提供依据，达到优化资金投入，降低动车组事故发生几率的目的。根据实施项目的实际经验，通过将动车组结合状态维修进行研究，如何获取动车组运行的实时数据和关键部件失效预测这两个关键技术就是本文的研究重点，本文的主要研究工作：(1)通过釆集实时信息，对动车组运行的实时状态进行监测，实时得到各关键部件的参数值，将这些实时数据与正常值对比，了解和掌握动车运行时的真实状态，为下一步分析动车组关键部件的失效预测做准备。(2)建立动车组关键部件失效预测模型，将历史正常数据和采集的实时数据进行分析预测，出现故障信息及时做好报警处理，对可能出现的故障加以提前诊断。本文主要对动车组状态维修的关键技术进行研究，实施基于状态的维修，根据设备的实时运行数据进行维修，主要包括的内容有三个方面：状态监测、故障诊断预测和设备维修，机械设备的故障在发生之前会有一定的征兆，状态数据参数和正常数据会出现一系列的变化。通过先进的仪器和技术实时监控设备的状态数据，采集到的数据参数能够反映出设备的故障状态。故障诊断和预测是综合分析己经采集到的实时状态信息，根据概率论理论、专家处理系统和信号处理技术的发展建立的失效概率模型对设备进行失效预测。设备维修是前两个阶段状态监测和故障诊断预测的最终目的。根据第二个阶段建立的设备预测模型可以得到设备还可以运行的剩余时间，结合设备的初始使用计划，剩余运行时间能不能够支持设备完成下一个计划任务，来确定对设备进行实时维修或是更换新的设备.
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
致谢 5-6
摘要 6-7
ABSTRACT 7
1 引言 10-17
1.1 研究背景 10-11
1.2 研究意义 11-13
1.3 国内外研究现状 13-15
1.3.1 国外研究现状 13-14
1.3.2 国内研究现状 14-15
1.4 主要研究内容 15-16
1.5 论文组织结构 16-17
2 状态维修的概述 17-25
2.1 设备检修方式 17-18
2.2 传统检修体制弊端 18-19
2.3 状态检修的产生和定义 19-20
2.4 状态检修的基本原则 20-21
2.5 状态检修的巨大效益 21-22
2.6 状态检修的关键技术 22-24
2.6.1 状态监测 23
2.6.2 分析诊断 23-24
2.7 本章小结 24-25
3 动车组实时状态数据的监测和显示 25-41
3.1 数据流动过程 26-28
3.2 数据采集和处理 28-34
3.2.1 状态信息实时采集 29-30
3.2.2 GPS信息实时采集 30
3.2.3 数据分析与处理 30-32
3.2.4 无线设备通信 32-34
3.3 接收数据分析 34-36
3.4 接收数据显示 36-40
3.5 本章小结 40-41
4 动车组关键部件失效预测 41-53
4.1 疲劳寿命的确定方法 42-45
4.2 经济寿命的确定方法 45-46
4.3 失效预测的确定方法 46-50
4.3.1 累计失效概率与可靠度的关系 47
4.3.2 失效分布曲线函数与可靠度关系 47-48
4.3.3 定义动车组的失效概率 48-49
4.3.4 确定动车组关键部件初始失效时间序列 49-50
4.4 计算实例结果 50-52
4.5 本章小结 52-53
5 总结和展望 53-56
5.1 总结 53-54
5.2 展望 54-56
参考文献 56-59
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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