對高速列車系統完整性與智能運維的思考

Considerations on the Integrity and Intelligent Operation and Maintenance of High-Speed Train Systems

Zhang Weihua

（State KeyLaboratoryofRailTransit VehicleSystem，SouthwestJiaotong University，Chengdu 6loo31，China）

Abstract： Over the past two decades，China’s high-speed trains have advanced froma follower toa global leader，achieving the highestcommercial operation speed，deploying the largest fleetofhigh-speed trains，recording the fewest failures per 100km ，and delivering the best running stability worldwide. High-speed trains have not only become aprominent symbol of nationaldevelopment，but alsoa vivid representationofequitable acess to the benefits of modernization in the new era.The keyto this remarkable successlies in the exceptional system integrity achieved in China’s high-speed trains.System integrity includes structural integrity，dynamic integrity， and functional integrity.This article defines the concept of system integrityand provides acomprehensive interpretation. Intelligent operation and maintenance of high-speed trains has emerged as a major research focus in recent years. Aiming to safeguard system integrity， this article explores inteligent operation and maintenance strategies，including dynamic condition monitoring and evaluation，inteligent service life prediction，and preventive maintenance planning.

Key words： high-speed train; intellgent operation and maintenance; system integrity; structural integrity; dynamic integrity; functional integrity

Citation format： ZHANG W H. Considerations on the integrityand intelligent operation and maintenance of high-speed train systems[J].Journal ofEast China Jiaotong University，2025，42（4）：1-10.

高速列車所取得的輝煌成績和強大的發展后勁，彰顯著我國高鐵技術的全面進步和厚積薄發的優勢。中國高鐵的今天，不僅讓世人看到了高速列車關鍵技術的突破4和大規模列車群長期安全運營的成績，更全面展示了從基礎理論、試驗平臺到創新能力的整體實力。總結我國高速列車發展的經驗，分析又快又好創新發展的影響因素，學者多會從技術、體制、精神、人才和平臺層面進行探討[5-1]。本文旨在從高速列車系統完整性視角來總結我國高速列車創新發展的成果之路；因為系統完整性深入扎實的研究工作，才保證了我國高速列車的快速健康發展，系統完整性應該是中國高速列車實現高速、平穩、安全運行的基石與根本。

隨著人工智能的發展，軌道交通行業掀起了學習與應用人工智能的浪潮，智能運維已經成為軌道交通移動裝備研究熱點。然而，智能運維到底如何去做，很多研究人員更多是從檢測、評估和維修過程如何應用自動化、信息化和人工智能做文章，筆者在文獻11中對鐵路機車車輛健康管理與狀態修進行了一點思考，對機車車輛狀態評估與分類的標準做出了合理的確定方式，并將機車車輛狀態分為基本狀態、性能狀態、安全狀態3種，指出了剩余壽命預測方案及修程修制改革方向，以期推動鐵路機車車輛健康管理與狀態修的發展。本文則從保障高速列車系統完整性的角度，再次討論智能運維，不僅提出高速列車系統完整性中結構完整性、動力學完整性和功能完整性的狀態檢測與評估項點，同時向學界展示我國已經采取的相應檢測技術和裝備系統；指出高速列車的智能運維的發展方向就是狀態修，而狀態修的核心要素就是“動態”檢測評估、“智能”壽命預測和“預防\"修程修制。

1高速列車系統完整性

對于高速列車，傳統的結構完整性主要集中在承載或傳遞負載的結構部件上，如車體、轉向架構架、車軸、軸箱和受電弓桿臂等機械結構，這些部件的失效在很大程度上也是取決于作用于其上的載荷和振動。同時，高速列車還包括材料退化與磨耗，如懸掛元件和車輪。退化與磨耗不僅影響這些零部件的使用壽命，而且顯著影響車輛系統動力學的性能。高速列車作為運送旅客的高端運送裝備，其系統動力學性能，包括運動穩定性、運行平穩性與安全性，都是高速列車最核心的技術指標。此外，高速列車需要跑得快、停得住，車載網絡能高效可靠運行，涉及旅客乘坐舒適性的空調、衛生、車門等系統需可靠運行等，這些功能子系統的退化會影響高速列車系統的功能或性能的發揮。因此，牽引、制動、網絡、空調、衛生與車門等相對獨立的子系統，屬于功能性系統。

高速列車系統完整性框架如圖1所示，包括高速列車結構完整性、高速列車動力學完整性和高速列車功能完整性。

1）高速列車結構完整性，是指高速列車結構或者構件及機械類部件在復雜環境與載荷下的承載能力、使用壽命與可靠性達到設計所賦予的任務使命的能力，也就是結構完整性的傳統定義。

2）高速列車動力學完整性，是為車輛或者列車動力學研究定義的，以描述其在整個使用壽命內保持可接受的動力行為和動力學性能的能力。其中，動力學行為代表車輛部件上和部件之間負載和振動情況，而動力學性能則涉及整個車輛系統的運動穩定性、運行平穩性與安全性。

3）高速列車功能完整性，是為功能子系統定義的，以描述其在整個預期壽命內保持良好功能的能力，包括其功能子系統及反映到整體系統的功能、性能及可靠性。

4）高速列車系統完整性，是以上結構完整性、動力學完整性和功能完整性的集合，最終反映出列車整體的性能水平與保持能力。

可以看到，動力學完整性、結構完整性和功能完整性的集合就是高速列車的系統完整性[12-13]。我們在發展高速列車時，關鍵是如何做到其系統完整性，如何保證結構、動力學與子系統功能的完整性。

2高速列車系統動力學完整性

車輛系統動力學在高速列車系統完整性中起著核心作用。車輛系統動力學的輸入包括來自結構部件的結構參數（例如質量、慣性矩、尺寸），來自懸架部件的懸架參數（例如剛度和阻尼），以及來自車輪的幾何參數（例如車輪輪廓和錐度），甚至還有來自環境的影響（風雨雪及溫濕度等）。當列車在特定的軌道和環境條件運行時，可以獲得列車各部件上的載荷和振動情況，以及整個車輛系統的動力學性能。

圖1高速列車系統完整性框架Fig.1System integrityofhigh-speed train

高速列車的動力學完整性是為車輛或者列車系統動力學研究定義的，以描述其在整個使用壽命內保持可接受的動力行為和動力學性能的能力。其中，動力行為代表車輛部件上和部件之間載荷和振動情況，包括載荷與振動的分布、傳遞、傳播和放大特征；而動力學性能則涉及整個車輛系統動力學性能，包括安全性、穩定性和平穩性指標，如圖2所示。

由圖2可知，高速列車的系統動力學完整性的核心內涵包括模型完整性，工況完整性，指標完整性和方法完整性4個方面。

1）模型完整性。模型的完整性也就是模型對象的正確性，不僅高速列車自身模型要完整，也需要考慮到影響其動力學性能的相關系統，這正是高速列車耦合大系統動力學的優勢，考慮了對象的系統性[14-15]；根據研究需要，模型應盡可能做到精細，如從傳統的多剛體模型發展到剛柔耦合模型，確保模型的精細性；作為動力學研究的基礎，模型參數直接影響到最終的計算結果，因此需要確保參數的準確性。

2）工況完整性。工況的完整性主要指計算時所考慮的工況要盡可能符合實際情況，考慮不同的高速列車運行條件，如牽引、制動、直線、曲線、坡度等運行工況，做到工況的全面性；需要真實體現列車運行遇到的風霜雨雪等運行環境，確保環境的真實性；服役過程會帶來的結構、材料和參數的變化，也就是具有時變性，因此計算模型與參數需要有時效性。

3）指標完整性。指標就是動力學性能指標，運動穩定性、運行平穩性和安全性是動力學指標的3個要素。首先這些動力學指標需要達到相關標準要求，確保指標的達標性；其次，這些性能指標需要具有良好的穩定性，也就是在外部運行條件發生改變，或者列車自身參數發生變化時，動力學性能需要有良好的魯棒性；最后就是這些指標參數需要均衡，也就是能相互兼顧，特別是直線、曲線的穩定性與安全性指標的均衡性。

4）方法完整性。方法的完整性就是研究手段的完整性，包括仿真計算、臺架試驗與線路試驗，其中，仿真計算主要是用于高速列車動力學研究與參數設計；臺架試驗主要是用于樣車（或轉向架）動力學性能驗證及參數優化，線路試驗是用于產品的應用考核與檢驗。隨著我國高速列車線路試驗研究的開展，線路試驗也包括了研究性線路試驗，特別是開展的運行列車的跟蹤試驗。

高速列車系統動力學的研究與應用貫穿高速列車設計、試驗和運行全過程。在設計階段，需要進行整車的動力學研究，確定轉向架的動力學參數，特別是懸掛參數；在臺架和線路試驗階段，需要根據動力學研究的結果，進行動力學性能優化與安全性驗證；在運行階段，利用動力學研究方法，特別是數字孿生模型，對高速列車進行健康管理和安全評估。

3高速列車結構完整性

傳統的結構完整性旨在設計（結構、強度）、制造（鍛造、壓力加工、焊接等）、檢驗（外觀、內在缺陷），以及運行（定期檢驗與無損檢測）的各個階段采用斷裂力學原理對存在的缺陷或預計可能產生的缺陷進行定量的失效分析，以保證設備的安全可靠運行。本文所詮釋的高速列車結構完整性，應該是廣義的結構完整性。

3.1 高速列車“結構件”定義

就高速列車而言，首先需要明確何為“結構”，一輛高速動車組是由成千上萬的零部件所組成，有車體、轉向架、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機、牽引控制、列車控制網絡系統、制動系統等8大主系統，空調系統、集便裝置、車門、車窗、風擋、鉤緩裝置、受電弓、輔助供電系統、車內裝飾和座椅等10大輔助系統。就核心部件轉向架而言，轉向架也是由構架、輪對、軸箱和軸箱軸承、一系懸掛彈簧阻尼、二系懸掛彈簧阻尼、基礎制動系統等組成，如果是動力轉向架，轉向架上還裝有牽引電機、齒輪箱和聯軸器等傳動系統的大部件，另外轉向架上有清障器等小零部件[。因此，高速列車作為一個復雜的機電裝備，哪些零部件屬于結構件，根據高速列車的基本構造與功能屬性，更加結構完整性的基本定義，這里給出高速列車結構件的基本定義。

定義：高速列車的結構件指用于承載或者傳遞力（或扭矩）的完整構件或者部件。

在這一定義下，復雜機械結構的轉向架中，構架、車輪、車軸是典型的結構件，但各種起承力作用的減振器座、牽引座、基礎制動和齒輪箱吊座都不算結構件；因為它們不是完整獨立的構架，而是依附于轉向架構件上的，轉向架構架涵蓋這些座子，并在強度或疲勞試驗時，就需要同時在這些座子上加載相應的載荷。如果是動車轉向架，牽引傳動系統中的齒輪箱和聯軸器是傳力（扭矩）的部件，也屬于結構件；同樣是牽引傳動系統的電機，它就不完全是結構件，它是產生力（扭矩）設備，但它同時需要機械結構起到支撐與約束作用，這些機械結構同樣需要從結構完整性上設計、制造與考核；像牽引電機這樣功能性部件，首先需要進行功能完整性考核，同時還需要進行結構完整性考核。轉向架上還附加有基礎制動部件，盡管制動系統在高速列車的設計時，有專門的部門進行設計，不屬于轉向架設計部門的工作，但由于與轉向架設計十分密切，基礎制動在轉向架設計中越來越傾向于一起考慮?；A制動的夾鉗等機械零部件還是需要按照完整性的要求進行設計、制造與試驗。在轉向架上還有一個十分重要的部件就是軸承，在牽引系統的電機、齒輪箱中都有多個軸承，承力最大、嚴重影響運行安全的是軸箱軸承。軸承是一個部件，也是承力件，而且還伴隨運動，軸承的內外圈、滾子和保持架等多存在結構疲勞破壞問題，因此，轉向架上的軸承是十分重要的結構件。

高速列車最大的部件是車廂，其實車廂由車體、內裝、座椅（或臥鋪）衛生間、配電間、門窗、風擋等組成，另外還裝有鉤緩等。車體，也稱車體鋼結構，是主要承載結構，典型的結構件，這也是高速列車生產企業重點要打造的大部件，需要經過結構完整性研究的各種流程，以保證在30年左右長服役周期內的完整性。車廂內還有很多部件都是外購件，如內裝件、門窗、風擋、鉤緩等，這些外購件的產品質量一般都是由外購件生產廠家來保證，但門窗、風擋等由于要受力，也需要生產廠家考慮結構完整性的問題。

3.2高速列車結構完整性的基本內涵

結構完整性研究在航空航天、核能、石化等行業已較為完善，在高速列車的研究中并沒有系統貫穿，但相關實際工作已在各環節中開展，無論是設計、制備到試驗，其實都是按照結構完整性要求開展的。因此，高速列車的結構完整性，是在其他行業開展結構完整性研究的基礎上，根據高速列車的功能、性能與服役環境要求，進行系統梳理和重新定義。高速列車的結構完整性的基本內涵如圖3所示，涉及設計完整性、分析完整性、制備完整性、試驗完整性、評估完整性和運維完整性，最后實現高速列車的結構完整性。從圖3所示的高速列車結構完整性的基本內涵，也可以簡單理解為從設計、分析、制備、試驗等流程上，保證在每一個流程上都做到完整，這就可以實現結構的完整性。

為了保證結構的完整性，首先要認定結構完整性到底有什么要求或者是如何定義的。結構的完整性體現在能力的保持，這就需要在整個服役期間做到5個“不變”。

1）材料不變。所謂材料不變，是指材料在服役過程中其組織成分與組織結構不能產生明顯的改變。材料不變的要求對有機材料而言，是難以做到的；因為環境因素，如溫度、濕度、光照、鹽霧等都容易對有機材料產生作用，使之發生變化，最終影響到性能。對金屬材料而言，特別是鋼材等黑色金屬，材料不變似乎容易做到，但結構件表面還是會受到環境的影響，結構件表面的材料在組分甚至組織上發生變化，特別是氧化物的產生，導致性能的改變。如何才能做到材料不變，這是結構完整性研究重點之一。

2）形狀不變。所謂形狀不變，是指結構形狀與尺寸在服役過程中不能明顯產生變化。由于在高速列車的結構件一般都是承載結構，長期載荷的作用，加上環境的影響，結構的形狀（含尺寸）就有可能產生變化。高速列車作為一個復雜而又緊密的機械裝備，有些結構件，如定位拉桿、軸承等，細微的形狀與尺寸變化就會引起結構件或者零部件的性能發生變化，甚至引起失效。如何控制結構件的形狀變化是結構完整性研究的基本任務。

3）功能不變。所謂功能不變，是指結構件在服役過程的基本功能不能喪失。在高速列車輕量化要求越來越高的時代，高速列車所有結構件的存在都是有它的理由的；這個理由就是要完成某一項或者多項功能，也許是承載，也可能是支承，甚至可能是為了美觀。因此，當然不希望結構件功能在服役過程中出現下降甚至喪失的情況。

4）性能不變。所謂性能不變，是指結構件在服役過程的性能參數不能有明顯變化，這也是能力保持的核心指標。隨著結構材料機械性能的改變、結構形位尺寸的改變，都會導致結構件性能的變化。在高速列車中，結構件的剛度、阻尼和承載能力的退化都是難以避免的，結構完整性研究，旨在避免或者減少這樣的性能變化，提高性能的魯棒性。這也是結構完整性研究最核心的任務。

5）壽命不變。所謂壽命不變，是指結構件的全生命周期在服役過程中不能產生變化，也就是服役壽命應該達到設計壽命的要求。我國高速列車的設計壽命從早期的20年、25年，現在已經延伸到30年，甚至已接近設計壽命的高速列車還在考慮是否可以延長服役時間。因此，高速列車設計壽命的保證，甚至延長使用壽命，是結構完整性研究的重要課題。

前面已經比較系統介紹了高速列車動力學完整性和結構完整性，對于高速列車的功能完整性，相對來說比較容易理解，結合智能運維的狀態檢測與評估后文一并介紹，這里不再贅述。

4基于系統完整性的高速列車智能運維

智能運維是目前軌道交通移動裝備運維技術發展方向。高速列車有著嚴格的修程修制，目前基本還是嚴格按照修程修制進行定期（時間或者里程）預防性策略，但更加科學合理的狀態修越來越受到重視。系統開展狀態修在國能裝備公司重載貨車上有過成功的嘗試，并取得良好的效果，相信隨著智能運維技術的發展，狀態修也可以很好地在高速列車上得到應用。

4.1高速列車系統完整性的狀態檢測與評估

高速列車智能運維的目的就是保持高速列車的能力，對于傳統機械系統而言，一般關注的是結構完整性狀態和功能系統狀態。本文所關注的是系統完整性保持，也就是結構完整性、動力學完整性和功能完整性的保持?；谙到y完整性的高速列車智能運維的狀態檢測與評估項點如圖4所示，智能運維就是圍繞這些狀態項點進行檢測與評估，并通過針對性的維修來實現這些狀態的保持。具體的維修是根據狀態評估的情況實施的，相關的檢修技術這里并不介紹，下面結合目前我國鐵路，特別是高速列車的檢測系統來詮釋如何來進行系統完整性狀態檢測的。

圖4基于系統完整性的高速列車智能運維項點

Fig.4Intelligent operation and maintenance points for high-speed trains based on system integrity

4.1.1 結構完整性的狀態檢測與評估

結構完整性直接影響到高速列車的行車安全性，結構完整性的狀態十分重要，是首要關注點。就高速列車結構完整性而言，其狀態主要是指組成、形態與失效。

1）組成，是指高速列車上的各零部件是否完整，也就是是否有缺失，如果車上，特別是轉向架上，有零部件缺失是不允許的。因此，基于視覺的檢測系統不斷涌現，發展了不同用途的地面視覺檢測系統，包括早期鐵路 5T^[18-19] 中的TFDS（車載圖像檢測系統或貨車運行故障圖像檢測系統），后來客車的TVDS（車輛動車組運行故障圖像檢測系統）和高鐵的TEDS（動車組運行故障圖像檢測系統），都是在線路上安裝高速、高清拍攝系統，對車下設備，特別是轉向架進行零部件完整性檢測，看有沒有零部件的遺失。

2）形態，是指高速列車上的各個零部件是否正常，也就是其尺寸大小與位置是否發生改變。其實鐵路5T中的TFDS、客車的TVDS和高鐵的TEDS也具備形態的檢測功能，但形態檢測遠比零部件缺失檢測困難得多，如螺帽有沒有在擰緊狀態，是不是出現螺帽松動，需要對螺帽位置進行辨識。如果螺帽上有標記還比較好辨識，只需要對標記位置辨識有沒有改變就行；如果沒有，就需要通過歷史數據的對比進行表述。對于尺寸變化，更多是用于車輪或者滑板的磨耗檢測上，如鐵路5T系統中的TWDS（輪對狀態在線檢測系統）采用LY（輪對故障檢測系統）對輪對外形尺寸自動檢測，檢測項點包括：踏面磨耗、輪緣厚度、車輪直徑、輪對內距；又如SJ（受電弓及車頂狀態動態監測系統），對受電弓和車頂高壓設備進行完整性檢查。隨著高速列車動車所向“動車醫院”的概念發展，后來還有了列車 360^° 外觀圖像檢測系統，對整個列車的外觀從上到下、從左到右進行周身的檢查。圖5是成都運達科技股份有限公司網站上展示的列車 360^° 外觀圖像檢測系統，該系統采用多維視覺采集方案對通過檢測區域列車的關鍵部件及系統，包括走行部、牽引、受流、制動供風、車門車窗、空調等進行實時高清成像，通過計算機視覺、深度學習和基于數據驅動的分級預警等人工智能技術，實現列車關鍵部件異常情況自動識別報警。

圖5 360^° 列車外觀圖像檢測系統 Fig.5 360^° train appearance image detection system

3）失效，是指高速列車上的各個零部件是否出現結構件疲勞失效或者部件的故障，部件的故障主要指軸承、齒輪箱、電機等運動部件的故障。如鐵路5T系統中的THDS（紅外軸溫探測系統）和TADS（貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統），主要對轉向架上的軸承（主要是軸箱軸承）進行狀態檢測，通過軸承的熱狀態和運行聲音狀態進行評估。在結構疲勞失效方面，理論上5T中的TFDS、客車的TVDS和高鐵的TEDS也具備結構件疲勞失效的檢測能力，但對結構件裂紋比較困難，這也許是未來需要加強研究的檢測技術。由于高速列車車輪的結構完整性直接影響行車安全，因此，在高速列車的運維體系中有專門針對車輪疲勞失效進行的檢測，包括LU（移動式輪輞輪輻探傷系統）LA（固定式輪輞輪輻探傷系統），它們被設置在動車檢修庫的動車檢修軌道的作業坑道里，利用超聲探傷技術自動檢測輪對的輪輞和輪輻缺陷。圖6是作業中的LU設備；LY-LD（輪對故障動態檢測系統），包括LY對車輪踏面的磨耗、擦傷、剝離等幾何缺陷狀態進行檢測，同時通過在軌道上安裝的超聲波探測陣列，對車輪輪輞進行裂紋檢測。對于車軸，由于高速動車組車軸普遍采用空心軸承，利用中心孔，也可以進行超聲波裂紋檢測技術，進行整根車軸的缺陷檢測，如圖7所示。

圖6作業中的LU設備Fig.6LU equipment in operation

圖7空心車軸超聲波裂紋檢測系統 Fig.7Hollowaxleultrasoniccrack detection system

4.1.2動力學完整性的狀態監測與評估

動力學完整性決定了高速列車的運行品質，對于用于旅客運輸的移動裝備，動力學性能尤為重要。就高速列車動力學完整性而言，其狀態主要是指車輛系統動力學的3個要素：穩定性、平穩性、安全性。

1）穩定性。是指高速列車是否出現蛇行失穩運動，高速列車各車輛的運動穩定性是否存在問題。對于高速列車的失穩運動檢測，一般采用車載檢測與地面檢測兩種方法。鐵路5T系統就有TPDS（鐵路列車運行安全預警系統），后來動車組也采用了類似系統，它通過一定長度的測力鋼軌，對輪軌力實現檢測，通過輪軌力，特別是橫向輪軌力的特征，分析有沒有周期性的輪軌力，從而判斷車輛運動有沒有失穩。高速動車組加裝了BIDS（失穩監測裝置），通過安裝在轉向架構架對角處的橫向加速度傳感器檢測振動響應，當轉向架構架橫向加速度峰值連續10次以上達到超過極限值 8～10m/s² 時，視為轉向架產生蛇形運動，車輛處于失穩狀態。

2）平穩性。是指高速列車運行是否平穩，也就是車體的振動是否在運行平穩性控制范圍內。我國在高速列車早期產品中沒有這方面的檢測系統，到了復興號動車組研制時，為了掌握其動車組運行品質，開始加裝動車組平穩性檢測系統，也就是在車體上安裝2個車體加速度傳感器采集車體橫向和垂向加速度，加速度傳感器斜對稱安裝在轉向架中心一側 1000mm 的車體下方2，通過振動加速度值分析得到平穩性指標，看是否滿足《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》（GB/T5599—2019）要求，或者評判是否有異常振動，包括振動頻率與幅值的分析。早期和諧號動車組因為輪軌匹配等問題，時常出現抖車（車體結構共振）或者晃車（車體運動失穩）的情況，但苦于沒有車體振動監測系統，給引起異常振動的原因分析帶來不便。

3）安全性。是指高速列車運行是否存在安全隱患，也就是列車運行是否正常。其實鐵路5T中的TPDS（鐵路列車運行安全預警系統），就是為列車安全運行而設的，它通過輪軌力的測定，一方面看車輛是否運動失穩，另外看有沒有超偏載等情況。在車輛系統動力學的3個要素指標中，穩定性是首先需要保證的，車輛一旦運動失穩，就直接影響到列車運行的安全性。因此，高速列車中專門有BIDS和動車組平穩性檢測系統，確保高速列車運動穩定性不出問題，間接來保障運行安全。動車組特有的WTDS（動車組車載信息無線傳輸系統），會每隔一段時間就把車載的安全相關信息，包括前面提到的BIDS和動車組平穩性檢測系統的信息，以及軸箱、齒輪箱、電機等軸承溫度或振動等信息，傳遞到地面，通過地面動車所設置的分析系統，采用人工智能的分析方法，對高速列車的運行安全狀態進行進一步的分析與評估，最大程度保證列車的運行安全性。

4.1.3（子系統）功能完整性的狀態監測與評估

牽引、制動、網絡等高速列車的子系統的功能完整性決定了高速列車能否正常運行。雖然各功能子系統的功能任務、呈現形式、系統結構等可能不同，但就高速列車（子系統）功能完整性而言，其完整性內涵就體現在能力、性能、狀態3個方面。

1）能力，也就是各子系統的系統能力有沒有缺失。如牽引系統是否具備牽引的能力，制動系統有沒有制動的能力。

2）性能，是指能力發揮的水平是否達到設計要求。如制動系統雖然可以實施制動，但由于制動能力不夠，無法保障制動距離在設計控制范圍內，影響到列車運行性能，甚至是運行安全。

3）狀態，是指功能子系統的各元器件的狀態是否“在線”（是否正常），這體現出功能子系統是否可靠。如牽引系統目前的能力與性能是正常的，但可能某個元器件有性能蛻變甚至失效的風險（趨勢），使得整個子系統最后演變為不完整的狀態。

對于功能子系統的功能完整性檢測，是通過各子系統自身的狀態檢測系統完成的。一般而言，各功能子系統都會有自檢功能，自行完成完整性檢查，這也是與結構完整性和動力學完整性檢查需要依靠地面設備來完成的本質區別。

4.2智能運維狀態修的核心要素

智能運維是一個概念，是指以智能化技術作為手段的高速列車運維技術。一般概念的運維，研究的核心或者著眼的重點是“維”，也就是維護，包括保養與檢修。智能維修的發展方向是狀態修，狀態修（condition-based maintenance，CBM）是一種基于實時或周期性監測數據、通過分析裝備運行狀態來制定維修策略的先進維護模式，從它的英文名稱就可以看到是一種基于狀態的維修。關于軌道交通移動裝備的狀態修討論筆者在文獻[11]詳細論述過，這里給出狀態修的核心要素。

1）“動態”檢測評估。狀態修首先是了解和掌握其狀態。在高速列車的服役過程中，材料的退化、結構件的失效和參數的變化等都會影響到高速列車的最終的性能與服役安全性，高速列車的狀態是時變的，是動態變化的，實時或者定期進行狀態檢測十分必要，也就是強調服役狀態的動態監測。與此同時，根據狀態情況與狀態的變化趨勢，需要及時進行狀態的評估，以保障評估的時效性。因此，狀態檢測與評估的核心要素是“動態”。

2）“智能\"壽命預測。狀態修的難點是基于狀態信息的壽命預測，有了預測的服役壽命，就可以進行維修決策。但壽命預測的準確性一直是狀態修的難點，它一方面影響到狀態修的質量，另一方面會影響高速列車運行品質與安全性。目前壽命預測的方法，一是根據大量的數據統計，特別是歷史數據來推算，這一方法優點是簡單、高效，但不夠準確，也就是沒有真正根據某一部件或系統的狀態來預測，是按照一個普遍規律來預測的；二是嚴格根據狀態數據，特別是歷史數據和當前相關部件的數據，來進行預測的，這就是基于數據驅動的壽命預測；三是根據機理來進行的壽命預測，無論是動力學，還是結構可靠性，所有狀態的發展都是有前因后果的，是按照某一種理論、規律或模型在發展的，如車輪磨耗到一定程度或者一定形狀，車輛的動力學性能就會惡化，根據車輪磨耗與動力學性能之間的映射關系，就可以進行車輪磨耗壽命預測，這樣的方法似乎更科學，好理解，但這種方法往往由于機理不清或規律不準，造成壽命預測困難。因此，這幾年學界更多強調機理和數據的融合，也就是機理與數據雙驅動的壽命預測，以提高壽命預測的準確性。不管壽命預測采用哪一種方法或者策略，唯一的核心要素和發展趨勢的是“智能”，唯有智能，才有可能準確壽命預測。

3）“預防”修程修制。高速列車通過保養與維護來實現能力的保持，也就是保證其系統完整性。無論是目前高速動車組的五級修程修制，還是正在發展的狀態修，都是預防修。目前我國高速列車的修程修制制定是根據大量運用與檢修經驗，來確定合理的檢修項點與檢修周期，來保障檢修期內的狀態與能力是高概率下可以保持的。狀態修的發展，其實也不是有“狀態\"（有問題）就馬上修，這往往不符合經濟性要求，狀態修通過狀態評估與壽命預測，再動態確定維修項點，甚至維修周期，如車輪修，盡管車輪有鐮修間隔要求，但目前基本上可以根據車輪磨耗狀態來延長或是縮短維修間隔，實現經濟修。因此，高速列車修程修制的改革，都會以“預防”作為修程修制制定的基本要求。

5 結束語

本文在學界首次系統地提出了高速列車系統完整性的完整概念，并給出了高速列車結構完整性、動力學完整性和（子系統）功能完整性的定義。筆者試圖總結我國高速列車創新發展的經驗，但高速列車系統完整性也是筆者在兩年前才提出，并不斷進行完善的，仍需要廣大學者一起來總結提高，以期成為我國高速列車創新研究的基本框架，支撐我國高速列車的健康發展。

高速列車智能運維是目前研究的熱點，石家莊鐵道大學成立了高速列車智能運維鐵路行業重點實驗室，華東交通大學成立了機車車輛智能運維鐵路行業重點實驗室。特別是華東交通大學連續主辦了三屆“機車車輛智能運維學術論壇”，筆者有幸在“第三屆機車車輛智能運維學術論壇”上第一次從系統完整性角度談高速列車智能運維，也就是本文的相關內容。當然，這僅僅是一點思考，還需要有更多理論支撐與工程實踐。希望筆者的一點思考，能對高速列車智能運維技術的進步與體系的建設有所幫助。

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通信作者：張衛華（1961一），男，教授，博士，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，教育部長江學者特聘教授，國家973計劃項目首席科學家，享受國務院政府特殊津貼專家，研究方向為軌道交通移動裝備系統動力學。E-mail： tpl@swjtu.edu.cn。

（責任編輯：姜紅貴）