中車慧衍工業智能開放平臺
中車工業研究院有限公司(簡稱中車研究院)以軌道交通、風電領域工業裝備健康管理為場景,應用大數據、人工智能、云計算、物聯網等技術,構建云、邊、端協同的中車慧衍工業智能開放平臺,基于多源、多維傳感網絡系統和積木式異構邊緣計算系統,對軌道交通和風電機組設備及關鍵部件狀態數據進行智能化監測、采集、分析處理、存儲、傳輸,為裝備健康狀態監測、故障診斷和檢修決策提供支持,入選工業和信息化部工業大數據實驗室“2022數據要素驅動企業數字化轉型優秀案例”。
軌道交通、風電裝備健康管理現狀
1. 傳統數據采集方式存在短板
隨著我國軌道交通、風電行業快速發展,裝備內部構造及技術復雜程度不斷增加,傳統的有線傳感器在實際場景應用中存在點位布線、數據采集難等短板,亟須研發無線傳感網絡技術,拓展裝備數據采集的深度與廣度。
2. 數據量增加導致傳輸系統帶寬壓力大
人工智能算法模型需要大量的數據支撐,而隨著工業裝備狀態監測數據量呈指數式增長,導致車地無線通信數據傳輸系統帶寬壓力增大,需要對系統數據存儲、分析功能全面升級。
3. 故障診斷方法普適性不足
傳統的工業裝備故障診斷方法大多基于預設環境、預估故障類型進行仿真模擬,提取狀態數據來構建檢測比對模型,只能識別已知或可復現的故障種類。然而,實際應用場景中的裝備故障種類復雜多樣,經常出現事前無法預估的情況,且有些故障難以復現,導致預先設計故障模型的傳統方法在應用場景上受限(如針對鐵路機車轉向架的故障診斷模型無法直接應用在風電機組電機上)。
4. 工業裝備健康管理知識體系龐大、技術復雜,人才培養成本高
工業裝備健康管理知識體系龐大、技術復雜,對從業人員的專業知識、技能水平等要求高,企業需要投入大量人力、物力、財力對員工進行系統培訓。
數智創新
構建云邊端協同的開放共享平臺
針對上述軌道交通、風電領域裝備健康管理存在問題,中車研究院歷經7年,構建包括設備層、算法層、系統層、應用層的云、邊、端協同的中車慧衍工業智能開放平臺(如圖1所示),幫助用戶企業提升裝備健康管理水平。
1. 多源、多維感知,有線網絡無線化
為解決軌道交通、風電機組現有裝備系統已經成熟固定、額外加裝傳感器點位布線受限問題,中車慧衍工業智能開放平臺基于物聯網技術搭建有線與無線傳感器集成的多源、多維傳感網絡,將傳統工業裝備的有線網絡無線化,通過設備數據上云,降低硬件設備部署傳感裝置的難度,實現裝備狀態信息數據采集的泛在感知和全息覆蓋。
2. 智能邊緣計算,數據分析便捷化
針對裝備狀態監測數據量增長帶來的車地無線通信數據傳輸系統壓力大的難題,中車研究院應用人工智能、5G、物聯網邊緣計算等技術,研發設計能夠滿足邊端加載深度學習算法模型的智能邊緣計算主機系統,以契合鐵路機車和風電機組關鍵部件健康狀態監測的實際需求,在保證安全性的前提下打破傳統工業裝備運維管理系統的封閉性,使數據分析更加便捷、高效。
3. 數據驅動建模,場景適配多樣化
為解決傳統工業裝備故障診斷方法普適性不足問題,中車慧衍工業智能開放平臺集合鐵路機車、風電機組裝備系統相關業務流、數據流設計等方面的實踐經驗,以數據驅動的深度學習算法為核心,采用計算機自主提取裝備運行狀態特征的方法搭建算法模型,提升裝備運維全過程的自適應、自學習、自尋優能力,以實現模型的多場景自主適配應用。
4. 低代碼算法,滿足多層級應用
中車慧衍工業智能開放平臺秉持“開放、共享”的宗旨,以“可觀、可控、可預測、可交互”的理念,基于無線無源傳感系統、物聯網邊緣計算平臺、智能診斷評估算法模型,搭建低代碼算法應用體系,可以滿足科研機構、裝備制造和應用企業、個人等不同用戶的分層分級應用,從而降低工業裝備健康管理數智化轉型的的門檻。
設備層
智能設備提升場景適配能力
中車慧衍工業智能開放平臺由多源、多維傳感網絡平臺和積木式異構邊緣計算平臺構成智能設備層,提升平臺用戶對裝備狀態數據的感知能力和場景應用適配能力。
1. 多源、多維傳感網絡,提升數據感知能力
中車慧衍工業智能開放平臺以“有線+無線”傳感器協同感知形式,將有線傳感器高精度、高穩定性與無線傳感器輕量化、易于部署的優勢互補,搭建多源、多維傳感網絡平臺,拓展傳感器應用場景,提升數據感知能力。
2. 積木式異構邊緣計算,提升場景應用適配能力
中車慧衍工業智能開放平臺以“標準化模塊解決用戶定制化需求”的設計理念,搭建集主體控制、傳輸網關、邊緣存儲、智能計算等多項功能于一體的積木式異構邊緣計算平臺,可根據應用場景實際需求選取合適的模塊化邊緣設備組件,有效解決工業裝備的硬件資源與業務應用緊耦合難題,提升場景應用快速適配能力,節約監測裝置開發部署時間,降低裝備健康管理綜合成本。
算法層
智能算法精準匹配用戶需求
算法層是中車慧衍工業智能開放平臺的核心能力層,具有故障辨識、圖像識別、虛擬傳感、行為分析、決策支持、自適應控制、加密論證等功能,有助于精準匹配用戶需求。
1. 智能算法辨識、預測故障,拓寬場景適配范圍
中車慧衍工業智能開放平臺設計了一套具有機器自主學習和辨識能力的人工智能算法體系,能夠對工業裝備狀態和操作人員行為數據進行實時采集分析,辨識、預測故障及故障類型。該算法體系不需要構建復雜的數學模型,完全由計算機自主采集分析設備故障數據,建立數據映射關系,省卻復雜多變的理論推導環節,直接進入工程應用階段。與傳統的故障辨識模型相比,該算法體系具有人為干預程度低的特點,降低了開發部署難度和成本,拓寬了算法場景適配范圍。
2. 大小模型結合,精準匹配用戶需求
中車慧衍工業智能開放平臺以鐵路機車、城軌地鐵、風電機組等裝備智能運維管理為切入點,分析匯總其關鍵系統與部件的狀態數據特征,搭建基于人工智能算法的工業大模型。平臺具有模型量化、剪裁、壓縮處理等功能,可根據實際應用場景,構建針對工業裝備中牽引、制動等關鍵部件的個性化智能算法小模型,通過大小模型結合,精準匹配用戶需求。
系統層
打造全流程人工智能應用系統
系統層作為中車慧衍工業智能開放平臺的對外窗口,以“可觀、可控、可預測、可交互”的設計理念,搭建一站式低代碼算法應用體系,打通信息采集―分析處理―存儲―傳輸―檢修決策的裝備智能化健康管理全流程。
1. 一站式低代碼算法應用體系,提升產品落地應用效率
中車慧衍工業智能開放平臺綜合中國中車旗下多家主機廠的應用需求,將平臺復雜的基礎架構簡化,幫助用戶建立便捷易用、高效率的生產平臺,保障產品快速交付;同時,通過搭建一站式低代碼算法應用體系,降低用戶的學習和應用成本,提升產品落地應用效率。
2. 云、邊、端協同分析,加快裝備運維管理數智化進程
中車慧衍工業智能開放平臺將智能算法部署至鐵路機車、城軌地鐵、風電機組的邊緣設備,結合云端裝備智能運維系統,構建形成一套云、邊、端協同分析的標準化、通用化智能裝備健康管理系統,實現對裝備及關鍵部件狀態數據的實時監測分析,加快裝備運維管理數智化進程。
應用層三類應用場景
目前,中車慧衍工業智能開放平臺主要應用于鐵路機車、城軌地鐵、風電三類場景,未來將持續完善與拓展平臺功能,探索在其他領域的應用。
1. 鐵路機車通風機狀態監測
針對鐵路機車風機軸承及葉輪在高轉速、大風量環境下容易發生故障的問題,中車慧衍工業智能開放平臺通過多源、多維傳感網絡對設備數據進行實時采集分析,運用人工智能故障辨識算法,對風機電流、振動信號等進行邊緣計算建模分析,快速診斷設備故障及故障類型,為鐵路機車日常維護、檢修工作提供依據。同時,平臺的智能預警算法提升了對風機故障隱患的監測能力,降低了故障發生率;平臺的決策支持算法可指導乘務人員針對機車故障及時進行應急處置,避免機車故障引發行車安全事故。
2. 城軌地鐵駕駛員行為監測
中車慧衍工業智能開放平臺將智能感知算法系統應用于城軌地鐵列車司機駕駛行為監測,在司機出現疲勞駕駛現象或其他異常操作行為時,能夠及時發出警報,提高行車安全系數。
3. 風電電機遠程健康管理
在風電領域,中車慧衍工業智能開放平臺通過搭建PHM(工業設備故障預測與健康管理)系統,對風電機組的電機運行狀態進行遠程實時智能監測、分析,辨識故障狀態及故障類型,并及時發出預警,預警準確率達96%。