近年来，我国铁路机车车辆装备现代化取得了显著成就，以“复兴号”动车组和新型载重货车为代表的新一代铁路移动装备技术已达到世界领先水平^[1]。然而，随着货物运量的增加和行车速度的提升，对铁路货车的可靠性提出了更高要求。铁路货车载重大、运行时间长且线路环境复杂，轮轴作为关键部件，故障时有发生，可能引发严重后果。因此，深入研究铁路货车轮轴故障及其原因，推动维修模式从“计划修”向“计划修+预测性维修”转变，对于提升铁路货车运行安全性、降低运营维护（简称：运维）成本、提高使用效率至关重要。

当前，我国铁路货车保有量已超过90万辆，作业区段广泛，这对修程修制改革及检修效率提出了更高要求。传统的故障诊断与运维保障技术已难以满足需求，故障预测与健康管理（PHM，Prognostics Health Management）被引入到该领域，其通过传感器采集目标系统信息，利用信息融合、人工智能等技术^[2]，实现对目标系统的监控管理、状态评估及故障预测，是设备实现从“事后维修”和“定期维修”到“视情维修”和“基于状态维修”转变的重要手段。

PHM技术最早应用于国际军事、航空航天领域，现已在多个领域得到应用^[3-4]。在铁路领域，PHM技术已在动车组上得到广泛应用，并取得了良好效果^[5-7]。然而，铁路货车受无车载电源限制，难以采用车载传感器进行状态监测，导致PHM技术在铁路货车上应用较少^[8]。

目前，铁路货车依靠车辆运行安全监控体系（简称：5T系统）来保障安全运行。5T系统能够采集、处理、传输和存储运行中的车辆数据，实时监控并上传铁路车辆状态信息，识别、预警安全隐患和故障信息。这些数据对于推动针对铁路货车轮轴PHM的研究具有重要意义，可助力对铁路货车轮轴状态的精准诊断与故障前瞻预测。

综上，本文基于5T系统等采集的数据，开展铁路货车轮轴PHM系统（简称：本文系统）的设计工作。通过深入研究PHM技术在铁路货车上的应用，以期解决当前铁路货车轮轴运维面临的挑战，提升铁路运输的安全性和效率。为铁路货车装备现代化和智能化发展提供技术支持。

1   系统架构

铁路货车轮轴PHM系统架构及数据接口如图1所示。

图  1  铁路货车轮轴PHM系统架构及数据接口

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1.1   系统架构

本文系统在中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）一级部署，基于铁路货车轮轴PHM数据中台，集成货车及关键配件新造、运用、检修、监测检测、环境等PHM应用所需要的各类数据，通过实时高效的高并发计算及数据处理服务，实现铁路货车智慧列检、精准检修、列车追踪、轮轴评价、部件管理等功能，为国铁集团、铁路局集团公司车辆部、车辆段、检修运用车间、货车造修企业各级用户提供货车轮轴PHM应用服务。

1.2   数据接口

（1）通过机车车辆（简称：机辆）信息管理平台，与铁路货车技术管理信息系统（HMIS，Railway Freight Car Technical Management Information System）、5T系统等机辆专业信息系统进行数据交互，接入货车轮轴PHM应用所需要的相关数据，并向HMIS反馈铁路货车轮轴PHM健康评估、故障预测等结果，指导铁路货车数字化精准检修。

（2）通过机辆信息管理平台，基于集成服务平台，与货车造修企业及零部件供应商相关系统进行数据交互，接入货车轮轴PHM应用所需要的相关数据。

（3）通过机辆信息管理平台，基于大数据，与人工智能平台、铁路主数据平台（车站、线路信息）、铁路运输集成平台等其他非机辆系统进行数据交互。从大数据与人工智能平台获取车站和线路等信息；从铁路运输集成平台获取货物装载信息、到达报告、编成报告信息等数据。同时，与铁路地理信息系统（GIS，Geographic Information System）进行数据交互，接入货车轮轴PHM应用所需要的地图数据。

2   系统功能

本文系统包括智慧预检、精准检修、列车追踪、轮轴评价和部件管理等5个功能，各功能下又细分具体功能，以满足不同层级的需求，功能架构如图2所示。

图  2  铁路货车轮轴PHM系统功能架构

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2.1   智慧预检

（1）智慧预报功能集成了铁路5T系统的设备故障预警、HMIS运用子系统综合预警、重点车辆追踪轨迹和人工技术检查故障等信息，在列检作业场作业前，通过红外线轴温探测系统（THDS）探测站获取编组信息，将到达、中转作业中的预报信息实时推送至各列检作业场。

（2）轨迹查询功能可通过车号查询车辆某段时期内的运行轨迹，包括始发站、终到站、当前站、到发日期、到发时间、列检作业场等信息。

（3）车辆信息查询功能可查询最近一次厂/段修以来，某车辆运用中产生的摘车临修（简称：临修）、5T系统预警、列检发现的故障、故障图片，以及车辆基本信息（车种车型、定检等），该功能界面如图3所示。

图  3  车辆信息查询功能界面

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2.2   精准检修

（1）造修履历功能可通过车号查询货车全寿命周期电子档案，包括基础技术信息、加装改造信息、装配信息、运用信息、走行里程信息、检修信息及全寿命周期时序图等。

（2）预检信息查询功能可查询车辆厂/段/临修前一个周期内的各类运用信息，并形成车辆预检信息表，预检信息统计界面如图4所示。图4中的车辆预检信息表通过整合5T系统和HMIS的数据资源，呈现货车检修周期内的运用故障、5T系统预警、配件寿命预警、配件预警隐患等信息，有针对性地指导预检预修和关键岗位检修生产作业。

图  4  预检信息统计界面

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（3）重点提示功能可建立检修车重点提示表，依据预检信息推送车辆加装改造信息，依据配件寿命预警等信息推送配件更换清单，并自动提出车辆预修处置建议。

2.3   列车追踪

故障追踪功能支持从班组到车辆段、铁路局集团公司的列车故障实时追踪，确保责任明确；列车监控功能通过GIS地图实时监控异常车辆，提升应急响应速度，其界面如图5所示；一列一档功能用于查询列车作业的具体信息。

图  5  列车监控功能界面

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2.4   轮轴评价

轮轴监控功能用于展示轮轴状态与运行轨迹；故障跟踪功能用于跟踪重点车辆修后的运用情况；健康评价功能基于故障信息对车辆健康状态进行评价，其界面如图6所示；质量评价功能通过不达标率、健康率等指标评估检修质量，并支持质量抽查与典型故障反馈。

图  6  健康评价功能界面

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2.5   部件管理

（1）轮轴检修功能详细记录车轴、车轮、轴承的故障统计、故障分析、故障追踪和寿命追踪信息。车轮、车轴、轴承的故障分析界面如图7所示，该界面通过饼状图和折线图等可视化手段，分析故障分布与趋势。通过故障追踪与寿命追踪信息可对车轴、车轮和轴承的质量进行全生命周期监控。

图  7  车轮、车轴和轴承的故障分析界面

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（2）一件一档功能支持对货车轮轴关键配件全生命周期电子档案信息的查询，用户可查询配件履历信息，包括基本信息、装车信息、检修信息、运用信息和报废信息等。

3   关键技术

3.1   全场景数据融合技术

本文系统在逐步提升运维质量和效率的过程中，与各类相关应用系统建立了数据接口，进行数据交互。然而，各系统间数据在格式、结构、语义等方面均存在显著差异，呈现出高通量、紧密耦合及多源异构的特性。有效整合这些数据，是实现货车轮轴故障智能预测的关键前提。

货车轮轴故障预测全场景数据融合技术将基于车统报表的货车全业务数据进行重新梳理与组织，形成标准规范的数据目录。在数据接入时，按时间顺序验证货车全寿命周期内各类数据的真实性与合理性，剔除无效数据，并进行数据治理。通过车辆造修数据整合算法、车辆运用数据整合算法及5T系统报警数据整合算法，构建以车号为索引、时间序列为轴线的货车全寿命周期技术状态变化特征数据集，涵盖货车轮轴从制造、列检、临修、安全监测、段修、厂修至报废的各个环节。同时，通过与货车生产作业系统及造修企业系统的互联互通，实现了故障预警与预测修信息在检修运用生产环节的全流程闭环管理。

3.2   移动互联网技术

移动互联网技术助力本文系统在实际应用中实现数据的实时传输与交互。现场技术人员可通过移动终端（如智能手持设备）接入本文系统，获取车辆实时状态和检修任务等信息。同时，利用移动终端采集的现场数据（如故障照片、人工检查记录）也能借助移动互联网络及时上传，使管理决策层和其他相关人员能迅速掌握车辆最新情况。移动互联网技术提高了本文系统的信息传递效率，加强了各层级人员间的协作，有效提升了铁路货车运维的响应速度和工作效率。

3.3   人工智能技术

本文运用了大数据分析技术对海量货车轮轴运行数据进行深入挖掘与分析，使得本文系统能够识别数据中的潜在规律与特征，从而准确判断轮轴的健康状态及未来的变化趋势。此外，本文还运用了机器学习算法，通过训练大量的历史数据，自动识别和分类货车轮轴的故障类型，一旦监测到设备异常数据，便可捕捉潜在风险与安全漏洞，判断故障的性质与严重程度，即时发出警报并给出维修建议，从而前瞻性地预防故障发生，确保货车安全稳定运行。

4   应用情况

目前，本文系统已在中国铁路上海局、太原局等集团有限公司的各车辆段上线应用。

本文系统在上线运行期间，运行情况良好，能够及时为车辆段、铁路局集团公司车辆部管理人员及一线列检技术人员和检修技术人员提供有力的技术支持，保障了铁路货车运维组织平稳有序，车辆运行监测、故障预警、预检信息推送等环节有效衔接，减少信息不畅通带来的故障车辆漏检和维修不彻底等安全隐患和运输能力浪费，轮轴故障发现效率相较于以往整体提升了30%。

5   结束语

本文设计并实现了铁路货车轮轴PHM系统，集成多源数据，运用全场景数据融合、移动互联网和人工智能等技术，实现了货车轮轴的实时监控、故障预测与健康管理等功能。已在部分铁路局集团公司上线运行，轮轴故障发现效率提高30%，有效降低运维成本，提升了货车维修智能化水平，保障了运输安全和效率，为铁路货车装备现代化、智能化发展提供技术支持。为实现铁路货车运维体系全面智能化升级，下一步应继续丰富数据采集手段，逐步提高数据采集的效率和质量，以及数据的自动化采集率。