一种列车组故障预测与健康管理系统的制作方法

本发明涉及数据处理技术领域，特别涉及一种列车组故障预测与健康管理系统。

背景技术：

目前，我国列车组的运维依然采用按里程计划维护策略，列车组的运营及维护费用居高不下，目前只有京沪线等几条繁忙线路实现了盈利，因此需要状态维护和预测性维护手段，用来优化生产组织，延长检修周期，优化检修内容，优化修程修制，提升检修效率，以促进列车组检修服务方式的转变。如何通过列车组故障预测与健康管理系统实现上述目的，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种列车组故障预测与健康管理系统，该系统形成列车状态感知、实时分析、实时通讯、智能决策、精准执行等能力，提高列车组运行安全性、运维经济性和智能设计与制造水平。

为解决上述技术问题，本发明提供一种列车组故障预测与健康管理系统，包括：

车载phm系统，用于利用已构建的列车组智能镜像模型对预处理后的数据进行分析处理得到第一列车组诊断结果；

车地数据传输系统，用于将所述第一列车组诊断结果和所述数据发送给地面phm系统；

地面phm系统，用于利用已构建的地面组智能镜像模型对预处理后的所述第一列车组诊断结果和所述数据进行分析处理得到第二列车组诊断结果，并将所述第一列车组诊断结果和所述第二列车组诊断结果进行对比分析，更新所述第二列车组诊断结果；其中，所述地面组智能镜像模型和所述列车组智能镜像模型利用实体列车组产生的数据所建立的反应列车组系统状态的数学模型，并具有输入输出的预测传递关系模型。

可选的，该系统还包括：

地面感知系统，用于利用安全监控系统、环境监测系统采集外部系统数据，并将所述外部系统数据发送给所述地面phm系统。

可选的，所述车载phm系统，用于采用分布式数据处理方法对列车组中预定传感器采集的实时数据和非实时数据进行预处理，利用已构建的列车组智能镜像模型对预处理后的数据进行分析处理得到故障相关信息、列车组健康评估信息以及性能评估和决策信息。

可选的，所述车地数据传输系统用于利用卫星/2g/3g/4g网络将所述第一列车组诊断结果和所述实时数据发送给地面phm系统，利用wifi/光纤/移动存储设备将所述非实时数据发送给地面phm系统。

可选的，所述地面phm系统，包括：

数据接入模块，用于接收所述实时数据和所述非实时数据，供应商系统发送的运维数据、工厂内部的制造和设计数据以及仿真试验数据，并集成列车组多源异构数据；

数据预处理模块，用于将所述数据接入模块中的数据进行清洗、转换；

数据分析模块，用于利用已构建的地面智能镜像模型对所述数据进行分析处理得到所述第二列车组诊断结果；其中，所述第二列车组诊断结果包括故障诊断信息、故障预警信息、故障统计信息、故障预测信息、列车组健康评估信息以及智能决策信息；

分析结果对比模块，用于将所述第一列车组诊断结果与所述第二列车组诊断结果进行聚类分析，并根聚类分析结果更新所述第二列车组诊断结果。

可选的，所述地面phm系统还包括：

结果输出模块，用于显示更新后的所述第二列车组诊断结果和/或向预设用户发送更新后的所述第二列车组诊断结果。

可选的，所述地面phm系统还包括：地面数据存储模块，用于对所述数据预处理模块处理后的数据进行在线存储和/或离线存储；

所述车载phm系统还包括：车载数据存储模块，用于对预处理后的所述实时数据和所述非实时数据进行在线存储和/或离线存储。

可选的，所述地面phm系统还包括：

地面智能镜像模型更新单元，用于利用认知计算和大数据挖掘算法对所述非实时数据、所述运维数据、所述制造和设计数据以及所述仿真试验数据进行知识挖掘，并根据知识挖掘结果对所述地面智能镜像模型进行更新。

可选的，所述车载phm系统还包括：

预留维护网络端口，用于通过有线和/或无线连接至以太网总线对所述车载phm系统中各设备进行单点维护和原始数据管理。

可选的，所述车载phm系统还包括：

人机交互模块，用于接收用户输入的信息，并执行所述信息对应的操作。

本发明所提供的一种列车组故障预测与健康管理系统，包括：车载phm系统利用已构建的列车组智能镜像模型对预处理后的数据进行分析处理得到第一列车组诊断结果；车地数据传输系统将第一列车组诊断结果和数据发送给地面phm系统；地面phm系统利用已构建的地面组智能镜像模型对预处理后的第一列车组诊断结果和数据进行分析处理得到第二列车组诊断结果，并将第一列车组诊断结果和第二列车组诊断结果进行对比分析，更新第二列车组诊断结果；地面组智能镜像模型和列车组智能镜像模型利用实体列车组产生的数据所建立的反应列车组系统状态的数学模型，并具有输入输出的预测传递关系模型。可见，该系统形成列车状态感知、实时分析、实时通讯、智能决策、精准执行等能力，提高列车组运行安全性、运维经济性和智能设计与制造水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的列车组故障预测与健康管理系统的结构框图；

图2为本发明实施例所提供的动车组故障预测与健康管理系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种列车组故障预测与健康管理系统，该系统形成列车状态感知、实时分析、实时通讯、智能决策、精准执行等能力，提高列车组运行安全性、运维经济性和智能设计与制造水平。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供的列车组故障预测与健康管理系统是实现状态维护和预测性维护最为关键的核心。通过phm技术在列车组上的运用，降低车辆故障率、降低企业运维成本、提升企业快速响应能力、具备状态检修能力、增加企业服务型收益占比。具体请参考图1，图1为本发明实施例所提供的列车组故障预测与健康管理系统的结构框图；该系统可以包括：

车载phm系统100，用于利用已构建的列车组智能镜像模型对预处理后的数据进行分析处理得到第一列车组诊断结果；

车地数据传输系统200，用于将第一列车组诊断结果和数据发送给地面phm系统；

地面phm系统300，用于利用已构建的地面组智能镜像模型对预处理后的第一列车组诊断结果和数据进行分析处理得到第二列车组诊断结果，并将第一列车组诊断结果和第二列车组诊断结果进行对比分析，更新第二列车组诊断结果；其中，地面组智能镜像模型和列车组智能镜像模型利用实体列车组产生的数据所建立的反应列车组系统状态的数学模型，并具有输入输出的预测传递关系模型。

具体的，车载phm系统100通过在列车中设置传感器从而获取车辆运行状态数据等车辆信息，并为了后续计算方便对获取的数据进行预处理；然后根据已构建的列车组智能镜像模型对预处理后的数据进行分析处理得到第一列车组诊断结果。本实施例并不限定具体的第一列车组诊断结果的内容，例如可以包括故障相关信息、列车组健康评估信息以及性能评估和决策信息。本实施例也不对获取的数据的种类和数量进行限定。

由于列车实际空间等的限制，在不能扩展硬件条件的基础上为了提高车载phm系统100计算效率和计算准确性。优选的，车载phm系统，用于采用分布式数据处理方法对列车组中预定传感器采集的实时数据和非实时数据进行预处理，利用已构建的列车组智能镜像模型对预处理后的数据进行分析处理得到故障相关信息、列车组健康评估信息以及性能评估和决策信息。

具体的，由于采用分布式数据处理的方式，因此可以分层进行分析；即可以将列车组智能镜像模型分为两个部分，一种是车辆智能镜像模型，另一种是车载智能镜像模型；通过车载phm系统的智能镜像模型实现对列车状态的透明化管理与分析，包括故障诊断、故障预警、健康评估、性能预测和智能决策，并将诊断结果、评估结果、预测结果和决策信息反馈到地面phm系统，从而减少地面phm系统的运行负担。对应的车载phm系统100具体可以包括：预定数量的车辆级phm子系统和列车组级phm子系统；其中，

所述车辆级phm子系统包括：

车辆数据接入模块，用于接收车辆中第一预定传感器发送的车辆数据；

车辆数据分析模块，用于利用已构建的车辆智能镜像模型对所述车辆数据进行分析处理，得到车辆分析结果；所述车辆分析结果包括故障相关信息、状态信息和车辆健康评估信息；其中，所述车辆智能镜像模型为利用实体车辆产生的数据所建立的反应车辆状态的数学模型，并具有输入输出的预测传递关系模型以及关键部件之间关联关系；

车辆发送模块，用于将所述车辆分析结果发送给列车组数据接入模块；

所述列车组级phm子系统包括：

列车组数据接入模块，用于接收列车组中第二预定传感器发送的列车组数据和所述车辆分析结果；

列车组数据分析模块，用于利用已构建的车载智能镜像模型对所述列车组数据和所述车辆分析结果进行分析处理，得到列车组分析结果(即第二列车组诊断结果)；所述第二列车组诊断结果包括故障相关信息、列车组健康评估信息以及性能评估和决策信息；其中，所述地面智能镜像模型为利用实体列车组产生的数据所建立的反应列车组系统状态的数学模型，并具有输入输出的预测传递关系模型。

具体的，本实施例并不限定车辆级phm子系统的具体数量，其可以是在列车组中每一个车辆中均设置有车辆级phm子系统，也可以是每两个车辆(即每两节车厢)设置一个车辆级phm子系统。用户可以根据实际情况进行选择。优选的，可以为列车组中每一个车辆中均设置有车辆级phm子系统100，这样可以减少每一个车辆级phm子系统的计算量，这样在同样处理能力的硬件上可以提高计算的精确性。

本实施例中并不限定第一预定传感器和第二预定传感器的种类和数量，其可以根据车辆智能镜像模型和车载智能镜像模型的计算需求进行设置。其中第一预定传感器一般与车辆对应的数据相关，即用来采集车辆对应运动状态等数据，第二预定传感器一般与列车组对应的数据相关，即用来采集列车组整车对应运动状态等数据。例如第一预定传感器可以包括速度、加速度、压力、电压、电流、温度等。第二预定传感器是在转向架系统和列车组车体系统中设置的传感器等。进一步，为了减少传感器布置数量，降低费用和空间需求，降低系统重量，减少布线，提高数据同步性。优选的，在选择传感器时可以选用复合型传感器。且为了提高系统可靠性，减少误报情况的出现，优选的，使不同传感器间具备相互校核功能。

进一步为了提高数据的可用性，以及后续分析处理的速度。优选的，车辆数据接入模块，包括：车辆接收单元，用于接收车辆中第一预定传感器发送的车辆数据；车辆数据预处理单元，用于对车辆数据进行融合、清洗和特征提取；列车组数据接入模块，包括：列车组接收单元，用于接收列车组中第二预定传感器发送的列车组数据和车辆分析结果；列车组数据预处理单元，用于对列车组数据进行融合、清洗和特征提取。具体的，即本实施例通过对数据进行处理，可以去除无用数据，非法数据，并将不符合后续使用的数据进行格式转换，单位转换等，以及实现数据的融合，提取数据特征。

具体的，本实施例并不对车辆分析结果以及列车组分析结果所包含的内容进行限定，其根据实际的车辆智能镜像模型和车载智能镜像模型以及输入数据的不同，会存在一些差异。例如车辆分析结果包括故障相关信息、状态信息和车辆健康评估信息。且故障相关信息又可以包含故障诊断信息、故障预警信息、故障预测信息。列车组分析结果包括故障相关信息、列车组健康评估信息以及性能评估和决策信息。且故障相关信息又可以包含故障诊断信息、故障预警信息、故障预测信息。可选的，车辆数据分析模块具体为利用已构建的车载智能镜像模型对列车组数据和车辆分析结果进行分析处理，得到列车组分析结果的模块；其中，车载智能镜像模型包含列车级故障诊断算法、列车级故障预警算法、列车级健康评估算法、列车级故障预测算法、列车级智能决策算法和性能评估算法。从而实现对列车组数据和车辆分析结果的分析。

车辆数据分析模块以及列车组数据分析模块中的车辆智能镜像模型和车载智能镜像模型均采用了基于信息物理系统技术、大数据技术等手段，传统车载故障诊断专家系统实时性差、移植性差、功能固定、分析效率低等问题，进行实现对列车状态的透明化管理与分析。可以节省车载故障预测与健康管理系统对应软件的开发及更新成本；提高车载故障预测与健康管理系统的运行效率。例如，本实施例通过构建车载智能镜像模型，在信息空间构建车辆运行的完全映射，实现对列车状态的透明化管理与分析，包括故障诊断、故障预警、健康评估、性能预测和智能决策，并将诊断结果、评估结果、预测结果和决策信息反馈到地面故障预测与健康管理系统。

其中，车载智能镜像模型的目的是在信息空间构建车辆的映射，使车辆的信息被量化和透明化，其作用包括：

(1)对车辆实时运行状态信息的管理，具备简洁并全面的车辆在轨运行信息库，并能够快速检索状态、特征、数据；

(2)实现对车辆实时运行状态的量化，具备输入输出的传递关系；

(3)利用数据建立和管理系统及关键部件之间的关联关系。

车辆智能镜像模型和车载智能镜像模型的构建基于信息物理系统技术的车辆在轨运行状态信息库建立；车辆实时运行状态输入输出传递模型建立以及基于数据驱动的车辆系统及关键部件之间的关联关系模型建立。

进一步，可选的，列车组级phm子系统可以通过app形式进行设置，即在顶层布置列车组级phm子系统对应的app，主要由车辆级phm系统app、列车级故障诊断算法、列车级故障预警算法、列车级健康评估算法、列车级故障预测算法、列车级智能决策算法等六部分组成，主要对车辆phm结果，基于固化的列车phm处理流程模板进行综合处理并得到列车phm结果。同时列车级phm系统app集成智能处理中心反馈信息作为列车phm处理时的有益补充。即列车组级phm子系统对应的软件框架主要可以包含算法/模型工具库、系统主环境、车载phm软件系统app、系统ui四个部分。

其中，算法工具库提供车载列车组phm应用所涉及的数采设备管理、数据文件管理、数据前处理、特征提取、故障诊断、故障预警、故障评估、故障趋势预测等关键算法或模型的基础工具库。

系统主环境主要由runtime管理、任务调度与负载均衡、算法工具库集成与调用、以及快速建模分析界面等部分构成。

车载列车组phm软件系统app，即为已固化的满足车载列车组phm处理功能的算法流程模板，主要分为三个层次：基础层为零部件级phm模块app；中间层为由所属零部件及phm模块app所组成的子系统级phm单元app；顶层为列车级phm系统app。

软件功能：主要实现各层级的数据前处理、特征提取、故障诊断、故障预警、健康评估、故障预测等功能。

本实施例并不对具体的软件运行环境进行限定。例如操作系统可以为redhatlinux9.0，系统服务代理的操作系统为redhatlinux9.0。对应的软件功能可以支持对采集硬件进行运行状态监测，以及灵活设置数采参数配置、和触发条件规则。在mongodb数据库的基础上建立分布式存储，能够满足微秒级响应及支持大于100khz频率数据快速写入、无损压缩、数据备份、和批量处理的要求。支持对封装的算法工具包模块进行service的方式调用。数据处理精度保证小数点后5位有效数字，数据分析算法模块应保证同一算法模块支持多个并行运行。算法模块均采用python和r等开源算法进行开发及封装，服务器webserver采用java编程语言。为了满足硬件和软件需求，可选的，车辆级phm子系统采用pxi平台；列车组级phm子系统采用crio平台。

本实施例中并不对各个模块之间数据传输、传感器等硬件与各个模块的数据传输以及模块与外界系统之间的数据传输的具体方式进行限定。可以根据实际情况进行选择。

本实施例中车载列车组phm网络系统采用以太网总线拓扑结构，用以传输车辆运行状态、事件记录、原始数据等。每列车有一套列车级车载phm系统(对应列车组级phm子系统)，包括以太网交换机(ecnn)、存储硬件(ssdu)、处理硬件(cphmu)、显示硬件(disu)、通信接口(comm)。

1)其中感知硬件(sens)与采集硬件(daqu)之间通过线缆进行数据传输。

2)采集硬件(daqu)、存储硬件(ssdu)、处理硬件(cphmu)通过pxi总线进行相互间数据交互。

3)制动控制单元(ebcu)/牵引控制单元(tcu)通过以太网与车载phm单元进行数据交互。

4)子系统级phm单元通过以太网与车载phm单元进行数据交互。

5)车载phm单元的通信接口(comm)通过hdmi接口与显示硬件(disu)进行数据交互。

车载phm系统(或称为车载列车组phm系统)通过车地数据传输系统可以实现与地面phm系统(或称为列车组故障预测与健康管理地面智能处理系统)数据交换。另外，车载列车组phm系统预留维护网络端口，通过有线或无线的方式，可以对连接至以太网总线的所有设备实现单点维护、原始数据管理等从而可以提高系统的稳定性和可靠性。优选的，列车组级phm子系统还可以包括：预留维护网络端口，用于通过有线和/或无线连接至以太网总线对车辆级phm子系统和列车组级phm子系统中各设备进行单点维护和原始数据管理。

进一步，为了实现对数据的存储、快速查询以及管理与调用。本实施例中车辆级phm子系统还可以包括：车辆数据存储模块，用于对车辆数据进行在线存储和离线存储；列车组级phm子系统还可以包括：列车组数据存储模块，用于对列车组数据和车辆分析结果进行在线存储和/或离线存储。

具体的，通过在线存储以及离线存储两种形式，可以提高数据查询效率，又能够对存储资源进行合理的利用。进一步，由于数据一部分存储在车辆数据存储模块，一部分存储在列车组数据存储模块，即通过数据分级存储，减少列车级主机存储要求，降低数据丢失风险。且分级存储还可以便于数据分级处理，减少列车级主机处理数据，增强主机综合处理能力。进而可以实现列车数据本地化处理，在列车上尽可能的进行数据处理，减少车地数据传输量，提高系统响应速度。

进一步，列车组级phm子系统还可以包括：

列车组结果输出模块，用于显示列车组分析结果和/或向预设用户发送列车组分析结果。

具体的，该列车组结果输出模块可以通过列车中的显示屏等输出设备进行列车组分析结果的显示或输出。进一步还可以向预设用户发送分析结果。本实施例并不限定预设用户的数量和具体对象，用户可以根据实际需求进行设定和修改。例如这里的预设用户可以是主机厂/制造商以及列车组故障预测与健康管理地面智能处理系统。

本实施例并不限定具体的向预设用户发送列车组分析结果的形式，例如可以向预设用户预留的邮箱，手机等发送分析结果，进一步为了提高用户获取数据的智能性还可以构建以平台搭载app形式的智能服务平台，实现状态显示(可以利用可视化技术实现)、故障预警、故障诊断、故障评估、故障趋势预测、运维决策等功能，并将结果推送给车辆用户及主机厂、供应商。

进一步，为了提高智能镜像模型的准确性和可靠性，列车组数据分析模块还可以包括：

更新单元，用于根据反馈数据对车载智能镜像模型和/或车辆智能镜像模型进行更新。具体的，可以对车载智能镜像模型和车辆智能镜像模型都进行更新。

进一步，为了提高用户对车载列车组故障预测与健康管理系统控制的便利性，列车组级phm子系统还可以包括：

人机交互模块，用于接收用户输入的信息，并执行信息对应的操作。具体的，用户可以通过人机交互模块进行分析结果的查询，传感器采集数据的查询等，便于用户对车载列车组故障预测与健康管理系统的控制。

下面可以举例说明上述车载phm系统的整体架构：车载phm系统硬件分为两个层次：基础层为车辆级层phm系统硬件；顶层为列车级phm系统硬件。以8编组车辆为例，每辆车布置一个车辆级的phm系统硬件(即对应车辆级phm子系统)，完成从零部件→子系统→车辆的感知→采集→存储→处理功能；然后每列车布置一个列车级的phm系统硬件(即对应列车组级phm子系统)，完成车辆→列车的存储→处理→显示功能，同时承担对外的信息发送与接收功能。车辆级phm系统硬件按照“感知→采集→存储→处理”的流程配置模块；列车级phm系统硬件按照“感知→采集→存储→处理→显示/通讯”的流程配置模块。

1)首先车辆级phm子系统将处理后的状态信息、故障信息接入到列车级存储硬件，作为列车级处理硬件的数据源。

2)列车级存储硬件根据需求用于存储列车的状态数据、故障数据。

3)列车级处理硬件用于综合处理车辆级phm系统结果。

4)列车级通讯硬件承担动车组车载phm系统的外部通信与信息交互功能。

5)列车级显示硬件则进行动车组车载phm系统处理结果的显示。

列车组级phm子系统的软件系统可以设置为app，即按照“零部件→子系统→车辆→列车”的递进关系分别配置各层级的phm软件系统app，且零部件级、子系统级、车辆级软件系统app均包括数据前处理、特征提取、故障诊断、故障预警、健康评估、故障预测六个功能模块，列车级软件系统app则包括故障诊断、故障预警、健康评估、故障预测、智能决策等五个功能模块。

车载列车组故障预测与健康管理系统可以分为硬件和软件两个部分：

1)为了提高车载列车组phm系统的运行效率，以去中心化作为指导思想，车载phm系统硬件分为两个层次：基础层为子系统级phm系统硬件；顶层为列车级车载phm系统硬件。车辆级phm系统硬件按照“感知→处理→存储”的流程配置模块；列车级车载phm系统硬件按照“感知→处理→存储→显示/通讯”的流程配置模块。以8编组车辆为例，每辆车根据需要布置车辆级phm系统硬件，每列车布置一个列车级phm系统硬件。

2)列车级phm系统软件则包含算法/模型工具库、系统主环境、车载phm软件系统app、系统ui等四个部分。其中车载phm软件系统app则按照“零部件→子系统→列车”的递进关系分别配置各层级的phm软件系统app，且零部件级、子系统级软件app均包括数据前处理、特征提取、故障诊断、故障预警、健康评估、故障预测六个功能模块，列车级软件系统app则包括故障诊断、故障预警、健康评估、故障预测、智能决策等五个功能模块。

其中，子系统级phm系统硬件主要由子系统级感知硬件、子系统级采集硬件、子系统级存储硬件、子系统级处理硬件四个部分组成。列车级车载phm系统硬件主要由子系统phm单元硬件、列车级存储硬件、列车级处理硬件、列车级显示硬件、列车级通讯硬件组成。为了保证分析结果的准确性对应的硬件性能要求可以如下：1)系统加固，抗振性能满足运用要求；2)采用导冷方式散热，没有风扇，系统噪声极小；3)采用密闭结构，对高湿、高粉尘环境适应能力大大增加；硬件功能要求可以如下：1)采集主机：通过集成固态硬盘、数字i/o、扫描a/d、总线通讯控制器、无线模块以及gps模块等关键硬件模块，实现对车载总线数据、模拟量、离散量的采集。2)适配与调理：根据传感器的实际配置以及测试数据的适配与接口测试控制需求，研制适配与调理模块，实现多种信号的适配调理、测试通道控制以及传感器信号放大等功能。3)电源：根据动车组实际供电情况，选型设计直流电源模块和交转直适配器，并配备稳压电源。4)线缆与航插：根据车载phm系统的传感器接口，视情研制与其兼容的线缆航插，满足测试接口连接要求。硬件配置要求可以如下：1)配置电压、温度、加速度、位移、应变等多测量接口，具有数字量输入和输出通道；支持iepe信号调理。2)24位分辨率，51.2ks/s采样率，抗混叠滤波。3)基于wep/wpa/wpa2/802.11x的安全性，兼容ieee802.11a/b/g，千兆以太网接口；4)标准gps/北斗实时定位导航模块；5)intel处理器、非易失性存储、fpga高速控制、real-time嵌入式操作系统，具备移动硬盘接口。

软件部分，操作系统可以为redhatlinux9.0，系统服务代理的操作系统为redhatlinux9.0。对应的软件功能可以支持对采集硬件进行运行状态监测，以及灵活设置数采参数配置、和触发条件规则。在mongodb数据库的基础上建立分布式存储，能够满足微秒级响应及支持大于100khz频率数据快速写入、无损压缩、数据备份、和批量处理的要求。支持对封装的算法工具包模块进行service的方式调用。数据处理精度保证小数点后5位有效数字，数据分析算法模块应保证同一算法模块支持多个并行运行。算法模块均采用python和r等开源算法进行开发及封装，服务器webserver采用java编程语言。

本实施例并不限定车地数据传输系统200具体的传输形式。例如可以是有限或者是无线，无线中可以是2g/3g/4g/wifi等，用户可以根据实际情况进行选用。可选的，车地数据传输系统用于利用卫星/2g/3g/4g网络将第一列车组诊断结果和实时数据发送给地面phm系统，利用wifi/光纤/移动存储设备将非实时数据发送给地面phm系统。

具体的，动车组的车载phm系统中的信息感知部分会采集列车关键部件、子系统、整车等的振动加速度、温度、电压、电流等物理量，这些数据属于海量异构数据，对数据传输的实时性要求不高，可以通过车辆到站时，通过wifi或拷贝的方式进行传输。这些数据经过车载phm系统处理后转变成包含车辆状态信息、故障信息、决策信息等的知识信息，这些数据需要通过3g/4g网络、卫星等方式实时传输到地面phm系统，以便地面phm系统进行决策和调度。

本实施例中地面phm系统300通过接收的列车中的数据利用构建的地面组智能镜像模型对这些数据进行分析，进行可以得到分析结果，且通过将第一列车组诊断结果和第二列车组诊断结果进行对比分析，提高最终的诊断结果的准确性。可选的，地面phm系统300可以包括：

数据接入模块，用于接收实时数据和非实时数据，供应商系统发送的运维数据、工厂内部的制造和设计数据以及仿真试验数据，并集成列车组多源异构数据；

数据预处理模块，用于将数据接入模块中的数据进行清洗、转换；

数据分析模块，用于利用已构建的地面智能镜像模型对数据进行分析处理得到第二列车组诊断结果；其中，第二列车组诊断结果包括故障诊断信息、故障预警信息、故障统计信息、故障预测信息、列车组健康评估信息以及智能决策信息；

分析结果对比模块，用于将第一列车组诊断结果与第二列车组诊断结果进行聚类分析，并根聚类分析结果更新第二列车组诊断结果。

具体的，实时数据可以包括列车组中传感器实时采集的列车状态数据列车当前运行情况数据等，非实时数据可以包括车载phm系统计算得到的故障预测与健康管理数据等。数据预处理模块实现对接收到的数据进行清洗和转换。即本实施例通过数据预处理模块对获取的数据中的无用数据，非法数据等进行去除，并将不符合后续使用的数据进行格式转换，单位转换等。因此数据预处理单元能够提高数据的可用性，以及后续分析处理的速度。

具体的，本实施例并不对第二列车组诊断结果所包含的内容进行限定，其根据实际的地面智能镜像模型以及输入数据的不同，会存在一些差异。例如第二列车组诊断结果可以包含故障相关信息、列车组健康评估信息以及智能决策信息。且故障相关信息又可以包含故障诊断信息、故障预警信息、故障统计信息、故障预测信息。

数据分析模块中的地面智能镜像模型采用了基于信息物理系统技术、大数据技术等手段，克服了传统地面数据分析中心功能有限、计算负载大、可扩展性差的问题，进而达到了分析效率高、结果关联性大、应用扩展性强等效果，从而有效支撑车辆集群管理的目的。其中，本实施例通过构建地面智能镜像模型，解决了传统地面故障诊断专家系统计算负载大、实时性差、功能固定、可移植性差等问题；本实施例可以节省列车组故障预测与健康管理地面智能处理系统软件的扩展及更新成本并提高其运行效率。

具体的，地面智能镜像模型为利用实体列车组产生的数据所建立的反应列车组系统状态的数学模型，并具有输入输出的预测传递关系模型。即地面智能镜像模型利用反应列车组系统状态的数学模型将实体系统“不可见因素”进行预测和透明化的过程，若其与车载故障预测与健康管理系统中的车载智能镜像模型联合工作时可以实现列车故障的镜像模拟及相关故障指令的信息传输。

地面智能镜像模型能够对列车组实体系统进行对称性的管理，即在信息网路空间中构建实体系统的映射，使实体系统的信息被量化和透明化，在构建完成这种映射后，大量的运算、仿真、和信息交换都可以在网络空间快速进行，产生的计算结果可以指导车辆系统的运行。

首先其可以实现对列车组状态信息的管理：即当列车组的工况或健康状态发生改变时，自动记录设备新状态数据的快照，并贴上新的状态标签进行存储，从而建立列车组集群、单车、关键部件的在轨运行信息库，并能够快速检索状态、特征、数据。

其次可以建立与列车组系统相互映射的镜像模型：即利用列车组实体产生的数据建立对列车组状态进行量化的数学模型，并形成输入输出的预测传递关系模型，从而将列车组不可见因素进行预测和透明化。

即可选的，数据分析模块可以包括：

数据处理单元，用于将实时数据利用流式数据处理方法进行处理得到第一数据，将非实时数据、运维数据、制造和设计数据以及仿真试验数据利用批式数据处理方法进行处理得到第二数据。

地面智能镜像模型分析单元，用于将第一数据和第二数据作为地面智能镜像模型的输入，利用地面智能镜像模型进行分析处理，得到第二列车组诊断结果。

具体的，本实施例并不限定具体的流式数据处理方法以及批式数据处理方法的具体过程。可以根据实际需求进行确定。例如，流式数据处理可以包含数据重构与描述、模型库、方法库以及性能指标分析与评估。其中，数据重构与描述可以包括数据特征、概率分析以及离散表达。模型库可以包括数据驱动模型、机理模型、混合模型以及仿真模型。方法库可以包括定制优化目标、定义限制条件、选择优化算法以及提供优化决策。性能指标分析与评估可以包括单指标分析评估、多维指标分析以及评估量化。批式数据处理可以包括挑选聚类参数、聚类模型、集群内特征分析以及集群间特征比较。其中，挑选聚类参数可以包括数据特征、概率分布以及参数选择。聚类模型可以包括聚类趋势分析、集群数量评估、聚类算法以及聚类质量验证。集群内特征分析可以包括相关性分析、状态预测、趋势分析以及离散点辨识。集群间特征比较可以包括差异性评估、模式识别、根原因分析以及影响程度评估。

数据分析模块可以实现整合数据资源，构建一体化的智能处理中心，提供数据处理、数据分析、数据挖掘等功能。

具体的，本实施例中的地面智能镜像模型还可以实现集群分析与大数据挖掘：即可以按照状态参数的相似性对车载智能镜像模型进行聚类分析，随后可以对不同聚类中的镜像模型进行横向和纵向的比较。并通过比较结果对数据分析模块的分析结果进行更新，从而提高了数据分析模块的分析结果的准确性和可靠性。

进一步，为了提高分析结果的可用便捷性，该地面phm系统还可以包括：

结果输出模块，用于显示第二列车组诊断结果和/或向预设用户发送第二列车组诊断结果。

具体的，该结果输出模块可以通过地面phm系统中的显示屏等输出设备进行第二列车组诊断结果的显示或输出。进一步还可以向预设用户发送第二列车组诊断结果。本实施例并不限定预设用户的数量和具体对象，用户可以根据实际需求进行设定和修改。例如这里的预设用户可以是主机厂/制造商。

本实施例并不限定具体的向预设用户发送第二列车组诊断结果的形式，例如可以向预设用户预留的邮箱，手机等发送分析结果，进一步为了提高用户获取数据的智能性还可以构建以平台搭载app形式的智能服务平台，实现状态显示(可以利用可视化技术实现)、故障预警、故障诊断、故障评估、故障趋势预测、故障统计、运维决策等功能，并将结果推送给车辆用户及主机厂、供应商。

进一步，为了提高地面智能镜像模型的准确性和可靠性；该地面phm系统还可以包括：

地面智能镜像模型更新单元，用于利用认知计算和大数据挖掘算法对非实时数据、运维数据、制造和设计数据以及仿真试验数据进行知识挖掘，并根据知识挖掘结果对地面智能镜像模型进行更新。

具体的，此外还可以对列车组运行的历史大数据进行知识挖掘，如事件之间的因果关系、时序关系、不同参数对列车组故障的定量及定性描述等，以更新地面智能镜像模型的分析算法和故障预测算法，实现知识的自主产生、利用、和分享。从而可以提高地面智能镜像模型的准确性和可靠性，保证了分析结果的可靠性。

进一步，为了实现对数据的存储、快速查询以及管理与调用。进一步本实施中该地面phm系统还可以包括：

数据存储模块，用于对数据进行在线存储和/或离线存储。

具体的，数据存储模块通过数据接入模块输出的数据进行在线存储以及离线存储两种形式，可以提高数据查询效率，又能够对存储资源进行合理的利用。

基于上述任意实施例，本发明实施例提供的列车组故障预测与健康管理系统，能够实现如下功能：一是车载phm系统对列车运行状态进行实时监测，对可能出现的故障进行诊断、预警和预测，避免影响车辆运行安全的重大问题发生，从而提高列车运行安全性。二是对列车组由状态监控向健康管理转变，实现基于状态的维修或视情维修和自主式保障，降低使用与保障费用，提高列车组运维经济性和快速响应能力，为用户创造价值。三是列车组制造企业利用phm技术整合和优化运维服务资源，通过向运营部门提供状态维护和预测性维护服务，从而创造服务型收入，增强可持续盈利能力。同时，将状态维护和预测性维护作为企业服务品牌的核心，提升客户满意度，树立品牌影响和口碑。四是将动车组phm系统的决策结果反馈到设计和制造端，针对运维中常见的问题，利用智能分析手段进行根原因追溯，最终从设计和制造环节进行改进。实现从“智能运维”到“智能设计”和“智能制造”的联动效应。

基于上述实施例，该地面phm系统还可以包括：

地面感知系统，用于利用安全监控系统、环境监测系统采集外部系统数据，并将外部系统数据发送给地面phm系统。其中，安全监控系统具体可以是5t安全监控系统。

具体的，本实施例考虑了地面感知系统，通过整合现有安全监控系统、环境监测系统等外部系统数据，使得地面phm系统数据来源更加丰富，因此通过地面镜像模型能够得到的分析结果(即第二列车组诊断结果)更加可靠性、准确。通过地面感知系统的分析结果与车载phm系统的结果进行对比，提高诊断结果的准确性。

具体的，请参考图2，图2以动车组为例子说明了上述列车组故障预测与健康管理系统具体组成形式。

基于上述任意实施例，本发明实施例提供的列车组故障预测与健康管理系统，该种列车组phm系统由车载phm系统、车地数据传输系统、地面感知系统、地面phm系统等要素组成，形成车辆状态感知、实时分析、分布式处理、实时通讯、智能决策、精准执行等能力，提高车辆运行安全性、运维经济性和智能设计与制造水平。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的列车组故障预测与健康管理系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。