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    案例实务    
  中车慧衍工业智能开放平台(2023-9)  
企业管理杂志 发布时间:23-11-23        
   

 

文|刘琦  唐海川  田寅

 

关键词:中车研究院;中车慧衍平台;工业装备健康管理;智能开放平台

 

  中车工业研究院有限公司(简称中车研究院)以轨道交通、风电领域工业装备健康管理为场景,应用大数据、人工智能、云计算、物联网等技术,构建云、边、端协同的中车慧衍工业智能开放平台,基于多源、多维传感网络系统和积木式异构边缘计算系统,对轨道交通和风电机组设备及关键部件状态数据进行智能化监测、采集、分析处理、存储、传输,为装备健康状态监测、故障诊断和检修决策提供支持,入选工业和信息化部工业大数据实验室“2022数据要素驱动企业数字化转型优秀案例”。

 

轨道交通、风电装备健康管理现状

1. 传统数据采集方式存在短板

  随着我国轨道交通、风电行业快速发展,装备内部构造及技术复杂程度不断增加,传统的有线传感器在实际场景应用中存在点位布线、数据采集难等短板,亟须研发无线传感网络技术,拓展装备数据采集的深度与广度。

2. 数据量增加导致传输系统带宽压力大

  人工智能算法模型需要大量的数据支撑,而随着工业装备状态监测数据量呈指数式增长,导致车地无线通信数据传输系统带宽压力增大,需要对系统数据存储、分析功能全面升级。

3. 故障诊断方法普适性不足

  传统的工业装备故障诊断方法大多基于预设环境、预估故障类型进行仿真模拟,提取状态数据来构建检测比对模型,只能识别已知或可复现的故障种类。然而,实际应用场景中的装备故障种类复杂多样,经常出现事前无法预估的情况,且有些故障难以复现,导致预先设计故障模型的传统方法在应用场景上受限(如针对铁路机车转向架的故障诊断模型无法直接应用在风电机组电机上)。

4. 工业装备健康管理知识体系庞大、技术复杂,人才培养成本高

  工业装备健康管理知识体系庞大、技术复杂,对从业人员的专业知识、技能水平等要求高,企业需要投入大量人力、物力、财力对员工进行系统培训。

  

数智创新

构建云边端协同的开放共享平台

  针对上述轨道交通、风电领域装备健康管理存在问题,中车研究院历经7年,构建包括设备层、算法层、系统层、应用层的云、边、端协同的中车慧衍工业智能开放平台(如图1所示),帮助用户企业提升装备健康管理水平。

 

 

1. 多源、多维感知,有线网络无线化

  为解决轨道交通、风电机组现有装备系统已经成熟固定、额外加装传感器点位布线受限问题,中车慧衍工业智能开放平台基于物联网技术搭建有线与无线传感器集成的多源、多维传感网络,将传统工业装备的有线网络无线化,通过设备数据上云,降低硬件设备部署传感装置的难度,实现装备状态信息数据采集的泛在感知和全息覆盖。

2. 智能边缘计算,数据分析便捷化

  针对装备状态监测数据量增长带来的车地无线通信数据传输系统压力大的难题,中车研究院应用人工智能、5G、物联网边缘计算等技术,研发设计能够满足边端加载深度学习算法模型的智能边缘计算主机系统,以契合铁路机车和风电机组关键部件健康状态监测的实际需求,在保证安全性的前提下打破传统工业装备运维管理系统的封闭性,使数据分析更加便捷、高效。

3. 数据驱动建模,场景适配多样化

  为解决传统工业装备故障诊断方法普适性不足问题,中车慧衍工业智能开放平台集合铁路机车、风电机组装备系统相关业务流、数据流设计等方面的实践经验,以数据驱动的深度学习算法为核心,采用计算机自主提取装备运行状态特征的方法搭建算法模型,提升装备运维全过程的自适应、自学习、自寻优能力,以实现模型的多场景自主适配应用。

4. 低代码算法,满足多层级应用

  中车慧衍工业智能开放平台秉持“开放、共享”的宗旨,以“可观、可控、可预测、可交互”的理念,基于无线无源传感系统、物联网边缘计算平台、智能诊断评估算法模型,搭建低代码算法应用体系,可以满足科研机构、装备制造和应用企业、个人等不同用户的分层分级应用,从而降低工业装备健康管理数智化转型的的门槛。

  

设备层

智能设备提升场景适配能力

  中车慧衍工业智能开放平台由多源、多维传感网络平台和积木式异构边缘计算平台构成智能设备层,提升平台用户对装备状态数据的感知能力和场景应用适配能力。

1. 多源、多维传感网络,提升数据感知能力

  中车慧衍工业智能开放平台以“有线+无线”传感器协同感知形式,将有线传感器高精度、高稳定性与无线传感器轻量化、易于部署的优势互补,搭建多源、多维传感网络平台,拓展传感器应用场景,提升数据感知能力。

2. 积木式异构边缘计算,提升场景应用适配能力

  中车慧衍工业智能开放平台以“标准化模块解决用户定制化需求”的设计理念,搭建集主体控制、传输网关、边缘存储、智能计算等多项功能于一体的积木式异构边缘计算平台,可根据应用场景实际需求选取合适的模块化边缘设备组件,有效解决工业装备的硬件资源与业务应用紧耦合难题,提升场景应用快速适配能力,节约监测装置开发部署时间,降低装备健康管理综合成本。

  

算法层

智能算法精准匹配用户需求

  算法层是中车慧衍工业智能开放平台的核心能力层,具有故障辨识、图像识别、虚拟传感、行为分析、决策支持、自适应控制、加密论证等功能,有助于精准匹配用户需求。

1. 智能算法辨识、预测故障,拓宽场景适配范围

 中车慧衍工业智能开放平台设计了一套具有机器自主学习和辨识能力的人工智能算法体系,能够对工业装备状态和操作人员行为数据进行实时采集分析,辨识、预测故障及故障类型。该算法体系不需要构建复杂的数学模型,完全由计算机自主采集分析设备故障数据,建立数据映射关系,省却复杂多变的理论推导环节,直接进入工程应用阶段。与传统的故障辨识模型相比,该算法体系具有人为干预程度低的特点,降低了开发部署难度和成本,拓宽了算法场景适配范围。

2. 大小模型结合,精准匹配用户需求

 中车慧衍工业智能开放平台以铁路机车、城轨地铁、风电机组等装备智能运维管理为切入点,分析汇总其关键系统与部件的状态数据特征,搭建基于人工智能算法的工业大模型。平台具有模型量化、剪裁、压缩处理等功能,可根据实际应用场景,构建针对工业装备中牵引、制动等关键部件的个性化智能算法小模型,通过大小模型结合,精准匹配用户需求。

  

系统层

打造全流程人工智能应用系统

  系统层作为中车慧衍工业智能开放平台的对外窗口,以“可观、可控、可预测、可交互”的设计理念,搭建一站式低代码算法应用体系,打通信息采集―分析处理―存储―传输―检修决策的装备智能化健康管理全流程。

1. 一站式低代码算法应用体系,提升产品落地应用效率

  中车慧衍工业智能开放平台综合中国中车旗下多家主机厂的应用需求,将平台复杂的基础架构简化,帮助用户建立便捷易用、高效率的生产平台,保障产品快速交付;同时,通过搭建一站式低代码算法应用体系,降低用户的学习和应用成本,提升产品落地应用效率。

2. 云、边、端协同分析,加快装备运维管理数智化进程

  中车慧衍工业智能开放平台将智能算法部署至铁路机车、城轨地铁、风电机组的边缘设备,结合云端装备智能运维系统,构建形成一套云、边、端协同分析的标准化、通用化智能装备健康管理系统,实现对装备及关键部件状态数据的实时监测分析,加快装备运维管理数智化进程。

 

应用层三类应用场景

  目前,中车慧衍工业智能开放平台主要应用于铁路机车、城轨地铁、风电三类场景,未来将持续完善与拓展平台功能,探索在其他领域的应用。

1. 铁路机车通风机状态监测

  针对铁路机车风机轴承及叶轮在高转速、大风量环境下容易发生故障的问题,中车慧衍工业智能开放平台通过多源、多维传感网络对设备数据进行实时采集分析,运用人工智能故障辨识算法,对风机电流、振动信号等进行边缘计算建模分析,快速诊断设备故障及故障类型,为铁路机车日常维护、检修工作提供依据。同时,平台的智能预警算法提升了对风机故障隐患的监测能力,降低了故障发生率;平台的决策支持算法可指导乘务人员针对机车故障及时进行应急处置,避免机车故障引发行车安全事故。

2. 城轨地铁驾驶员行为监测

  中车慧衍工业智能开放平台将智能感知算法系统应用于城轨地铁列车司机驾驶行为监测,在司机出现疲劳驾驶现象或其他异常操作行为时,能够及时发出警报,提高行车安全系数。

3. 风电电机远程健康管理

  在风电领域,中车慧衍工业智能开放平台通过搭建PHM(工业设备故障预测与健康管理)系统,对风电机组的电机运行状态进行远程实时智能监测、分析,辨识故障状态及故障类型,并及时发出预警,预警准确率达96%。■

作者单位 中车工业研究院有限公司

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