王海 蘇俊杰 張目然

摘 要：為保持城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，文章通過建立維修策略庫，對影響行車設(shè)備可靠性的多種關(guān)聯(lián)條件進(jìn)行分類分析，包括設(shè)備風(fēng)險分級、全壽命周期階段特點(diǎn)、設(shè)備失效特征、設(shè)備使用環(huán)境等，提取其特性因素，構(gòu)建城市軌道交通行車設(shè)備維修策略選擇模型，分析差異化運(yùn)營條件下的維修策略判定路徑及選用指引，從運(yùn)營到維修保養(yǎng)形成差異化維修策略集合，以確保城市軌道交通行車設(shè)備的可靠性。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;可靠性;維修策略;風(fēng)險等級;設(shè)備失效特征

1 背景

近年來國內(nèi)城市化率快速提升，帶動城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）高速發(fā)展。以廣州市為例，截至2019年底，已開通運(yùn)營14條城軌線路，運(yùn)營里程超過500 km[1]。城市軌道交通的運(yùn)營邁入線網(wǎng)時代，關(guān)鍵設(shè)備的失效影響將被線網(wǎng)進(jìn)一步放大，這對設(shè)備及系統(tǒng)全壽命周期可靠性的設(shè)計和保持提出更高要求[2-3]。與此同時，隨著城軌設(shè)備的更新迭代，設(shè)備種類、設(shè)備技術(shù)層級、設(shè)備役齡等均呈現(xiàn)多樣化。而線網(wǎng)設(shè)備運(yùn)營環(huán)境的復(fù)雜性、新線路維保人員數(shù)量和技術(shù)水平相對不足、設(shè)備工作環(huán)境的差異等因素讓設(shè)備可靠性的保持面臨更多不確定性。國內(nèi)外眾多學(xué)者在城軌設(shè)備的維修策略 [4-8]和可靠性管理[9-10]方面做了大量研究，在此基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)行車設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下保持可靠性的目標(biāo)，本文進(jìn)一步研究城軌行車設(shè)備在不同條件下的差異化維修策略。

2 維修策略選擇模型

為保證城軌設(shè)備的可靠性目標(biāo)能持續(xù)、有效、全過程地實現(xiàn)，需要制定全系統(tǒng)、全壽命周期不同階段節(jié)點(diǎn)、不同應(yīng)用場景所對應(yīng)的維修策略。同時，由于環(huán)境時刻變化，制定的策略應(yīng)具有時效性并及時更新。本文通過分析維修策略，構(gòu)建差異化維修策略的選擇模型和策略庫，以供城軌行車設(shè)備維保單位參考使用。

2.1 維修策略制定的階段劃分

城軌維修策略制定一般分為2個階段：方向性維持策略階段和方案類維修策略階段。

方向性維持策略階段，主要根據(jù)運(yùn)營目標(biāo)對設(shè)備進(jìn)行分類評估。城軌系統(tǒng)當(dāng)前主要以可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性（RAMS）為分析依據(jù)，如以可靠度為中心的維修策略（RCM）等[11]。運(yùn)營部門根據(jù)分析結(jié)果劃分設(shè)備類別，選擇方向性維修策略，該階段的維修策略主要包括4類：事后維修、計劃維修、狀態(tài)維修、改良維修[12]。

方案類維修策略階段，主要對維修策略進(jìn)一步細(xì)化，如計劃維修按照不同周期分為月度維修計劃、年度維修計劃等;狀態(tài)維修可根據(jù)應(yīng)用條件實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，或進(jìn)一步提煉設(shè)備失效特性因素構(gòu)建故障預(yù)測模型，再根據(jù)預(yù)測結(jié)果編制精準(zhǔn)的維修方案。

2.2 維修策略選擇模型

維修策略的選擇模型由3部分構(gòu)成（圖1），分別為：判定流程、策略選擇流程、策略庫的構(gòu)建完善機(jī)制。

2.2.1 判定流程

判定流程重點(diǎn)做好以下3步：

（1）分析影響行車設(shè)備運(yùn)營目標(biāo)達(dá)成的相關(guān)因素;

（2）將相關(guān)因素按照特性進(jìn)行歸類;

（3）設(shè)計相應(yīng)設(shè)備的特性判定條件。

使用該模型時，應(yīng)依據(jù)設(shè)備特性選擇所使用的判定條件，按照一定的次序進(jìn)行判定，得出判定結(jié)果，形成設(shè)備特性因素及判定結(jié)果表，如表1所示。根據(jù)設(shè)備的重要性及影響大小進(jìn)行設(shè)備分類，按照設(shè)備類別區(qū)分管理優(yōu)先等級。設(shè)備重要度通常分為A、B、C 3類，A類重要度最高，B類次之，C類最低。同時，根據(jù)零部件重要性以及零部件失效對設(shè)備安全或運(yùn)行影響的大小進(jìn)行分類，按部件重要度從高到低分為a、b、c 3類。零部件的重要度分類需與設(shè)備分類管理關(guān)聯(lián)[13]。

表1中，嚴(yán)重程度S、可能性O(shè)、探測度D一般從高到低分為5級;嚴(yán)重程度S指設(shè)備故障后果的嚴(yán)重程度，如影響列車運(yùn)營安全定為5，對列車運(yùn)營無影響定為1;可能性O(shè)指設(shè)備故障的發(fā)生頻率，通常>4%定為5，≤1%定為1;探測度D指在設(shè)備出現(xiàn)失效模式過程中，通過檢修方式將失效模式檢查出來的程度，失效模式形成后仍無法檢查出問題定為5，失效模式形成前能將問題全部檢查出來定為1。

2.2.2 策略選擇流程

根據(jù)設(shè)備或部件的判定特性結(jié)果并結(jié)合多個判定條件，從維修策略庫中選擇適用的維修策略，形成設(shè)備在不同條件下的維修策略集。

2.2.3 策略庫的構(gòu)建完善機(jī)制

策略庫的構(gòu)建完善機(jī)制具體如下。

（1）收集當(dāng)前維修策略，并按照4類方向性維修策略對維修策略進(jìn)行分類，構(gòu)成初步的維修策略庫。

（2）根據(jù)設(shè)備或部件特性判定結(jié)果，選擇適用策略;當(dāng)未有適用策略時，需創(chuàng)建新策略并納入策略庫。

（3）形成設(shè)備的維修策略集后，根據(jù)策略執(zhí)行并判定相應(yīng)運(yùn)營目標(biāo)的達(dá)成情況。達(dá)標(biāo)則保留該方案，以便同類相關(guān)設(shè)備參照;不達(dá)標(biāo)則重新評估，調(diào)整策略。

3 差異化維修策略實施步驟

以某地鐵行車設(shè)備為例，介紹差異化維修策略模型的實施步驟。

3.1 分析影響設(shè)備運(yùn)營目標(biāo)達(dá)成的因素

地鐵主要根據(jù)設(shè)備的可靠度分析運(yùn)營目標(biāo)的達(dá)成情況，本文依據(jù)設(shè)備的固有可靠度和外部可靠度對設(shè)備的差異化進(jìn)行分析，提取特性因素。

3.1.1 設(shè)備固有可靠度因素

即只與設(shè)備相關(guān)的、相對固定的可靠度因素，包括以下2方面。

（1）設(shè)備發(fā)生失效的方式。失效方式在設(shè)備設(shè)計安裝時已經(jīng)固定，表征設(shè)備失效特征的具體參數(shù)如溫度、壓力、振動、聲音、潤滑油質(zhì)等。

（2）設(shè)備壽命周期階段。相同設(shè)備進(jìn)入壽命周期階段的時間與設(shè)備使用情況有關(guān)，但相應(yīng)壽命周期階段的設(shè)備失效表現(xiàn)基本相同。

3.1.2 設(shè)備外部可靠度因素

即與設(shè)備所處的外部情況相關(guān)的可靠度因素，包括以下3方面。

（1）設(shè)備及部件的風(fēng)險等級。相同的設(shè)備在系統(tǒng)中的不同位置、不同的運(yùn)行要求下有不同的風(fēng)險等級。

（2）設(shè)備的工作環(huán)境。相同的設(shè)備由于所處的工作環(huán)境不同而影響其可靠度，如客觀環(huán)境的客流密度、溫濕度、粉塵污染度、極端氣候環(huán)境等。

（3）維保人員平均技能水平、維保人員配備數(shù)量、備件預(yù)算費(fèi)用等。

3.2 特性因素歸類

對3.1章節(jié)所列因素進(jìn)行歸類，主要包括以下4類：①設(shè)備及部件風(fēng)險分級;②設(shè)備壽命周期階段（設(shè)備層面）;③設(shè)備失效特征（部件層面）;④設(shè)備工作環(huán)境。

由于設(shè)備及部件風(fēng)險分級和設(shè)備壽命周期階段屬于方向性維修策略，所以在選擇維修策略判定路徑時會優(yōu)先判定這2個條件;設(shè)備失效特征和設(shè)備工作環(huán)境涉及更具體的應(yīng)用層面，所以在判定路徑設(shè)計時一般靠后，并視需要進(jìn)行判定。

3.3 設(shè)計相應(yīng)特性判定條件

3.3.1 設(shè)備及部件風(fēng)險分級

設(shè)備及部件風(fēng)險分級（后果的嚴(yán)重程度，結(jié)合后果的發(fā)生概率）的判定條件按照設(shè)備失效影響的等級劃分，具體如下：

（1）設(shè)備層級劃分為高中低3級，即服務(wù)失效-高風(fēng)險，任務(wù)失效-中風(fēng)險，功能失效-低風(fēng)險;

（2）部件層級，一般只對A類設(shè)備的部件按照失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）模型設(shè)定評估條件進(jìn)行評估;對于B類和C類設(shè)備，可不作部件層級的判定。

以上判定結(jié)果如果為高風(fēng)險，則主要以狀態(tài)修策略為主，改善/改良策略為輔;中風(fēng)險則適用計劃修策略;低風(fēng)險適用事后/故障修策略。

3.3.2 設(shè)備壽命周期階段

設(shè)備壽命周期分為“設(shè)計規(guī)劃、初期管理、驗收運(yùn)營、淘汰期”4個階段：

（1）設(shè)計規(guī)劃階段是指從規(guī)劃選型立項到設(shè)備出廠過程;

（2）安裝調(diào)試階段是指從設(shè)備出廠到驗收交付前過程;

（3）驗收運(yùn)營階段是指從驗收交付到設(shè)備淘汰/改造立項前過程;

（4）淘汰期階段是指從設(shè)備淘汰/改造立項到設(shè)備處置完成過程。

各階段均有適用的維修策略，如設(shè)計規(guī)劃階段的可靠性分配設(shè)計策略、穩(wěn)定期的基于剩余壽命預(yù)測的維修策略;每個階段可以再細(xì)分，如淘汰期可分為使用壽命淘汰（無法修復(fù)）、經(jīng)濟(jì)壽命淘汰（維持或修復(fù)費(fèi)用大于置換費(fèi)用）、技術(shù)壽命淘汰（新技術(shù)更安全可靠，經(jīng)濟(jì)適用等）[14]。

3.3.3 設(shè)備失效特征

設(shè)備失效特征包括突發(fā)型和劣化型。

（1）突發(fā)型。當(dāng)前無探測手段，只有在失效后才能發(fā)現(xiàn)的失效類型。

（2）劣化型。指已經(jīng)初步了解設(shè)備失效特性，可對失效特性進(jìn)行監(jiān)控分析，提取預(yù)估失效的類型。劣化型向下細(xì)分還可以分為指標(biāo)監(jiān)控型和模型預(yù)測型等。

突發(fā)型失效適用策略為冗余設(shè)計、維修預(yù)案、維修演練、維修資源的現(xiàn)場配備等;劣化型失效由于其劣化因素和特征一般可以檢測，所以基于特征參數(shù)監(jiān)控如點(diǎn)檢定修、狀態(tài)維修（CBM）和基于預(yù)測模型的預(yù)測維修（PM）策略均適用[15]。

3.3.4 設(shè)備工作環(huán)境

設(shè)備工作環(huán)境影響特征分為客觀環(huán)境及主觀環(huán)境2方面。

（1）客觀環(huán)境?；静皇苋藶橐蛩馗淖?，僅可在局部區(qū)域改善，如溫濕度、粉塵污染度、極端氣候環(huán)境等。

（2）主觀環(huán)境?？赏ㄟ^人為因素干預(yù)有較大改變，如維保人員技能成熟度、維保人員配備數(shù)量、備件預(yù)算費(fèi)用等。另外如客流強(qiáng)度，雖能一定程度控制，但投入較大、影響較廣，一般視做客觀環(huán)境進(jìn)行評估。以上因素經(jīng)綜合判斷，可得出環(huán)境判定結(jié)果為良好、適宜、惡劣3個狀況。

根據(jù)以上4個特性判定條件，可以得出設(shè)備的特性判定結(jié)果及相應(yīng)數(shù)據(jù)。若在評估影響因素時，以上特性條件均不適用的，可歸納提煉新的特性并設(shè)計判定條件、判定結(jié)果和對應(yīng)常用維修策略說明。

3.4 維修策略的選擇

根據(jù)設(shè)備特性，從4類特性判定條件中選擇適用判定路徑，獲取判定結(jié)果，并根據(jù)判定結(jié)果從維修策略庫中選擇適用維修策略。其中，維修策略庫根據(jù)4 大類策略初步建立，如表2所示。

如設(shè)備/部件風(fēng)險分級劃分為低風(fēng)險的，判定為事后/故障維修類策略，一般采取設(shè)備故障后修理策略;若判定結(jié)果為中、高風(fēng)險，則需要更具體的特性結(jié)果數(shù)據(jù)，并結(jié)合方向性維修策略的判定結(jié)果，選取適用維修策略。表3為某地鐵公司行車設(shè)備的特性判定結(jié)果示例。

由表3可知，信號、車載列車自動控制（ATC）系統(tǒng)部件、應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）和發(fā)送-接收裝置（TRU）為中風(fēng)險等級、高探測度，狀態(tài)修不適用，適用計劃維修。而BTM故障后果較為嚴(yán)重，相對價格低，所以可采取計劃檢測替換的方案;TRU嚴(yán)重度低，更換價格高導(dǎo)致其環(huán)境評級惡劣，所以適用加強(qiáng)計劃保養(yǎng)，保持清潔度的方式提高可靠度。

變電、斷路器屬于高風(fēng)險等級，應(yīng)采取改善維修策略，由于其在該線屬于老化淘汰期（老化故障高發(fā)），所以可結(jié)合新技術(shù)研發(fā)新型斷路器。目前該地鐵運(yùn)營團(tuán)隊新研發(fā)的智能斷路器，可自動識別故障并報警，防止誤跳閘，通過降低探測度D和可能性O(shè)的風(fēng)險，從而降低總體風(fēng)險等級。

線路、道岔鋼軌屬于低風(fēng)險等級，維修策略應(yīng)列為故障維修，但因其故障后果會隨著失效時間上升，所以計劃維修更為適合。同時因其屬于劣化型周期性失效，可通過建立評估模型制定更合理的維修周期，某地鐵運(yùn)營團(tuán)隊構(gòu)建了基于鋼軌磨損壽命預(yù)測模型，通過預(yù)測鋼軌磨耗程度來設(shè)置最佳的計劃檢修周期。

接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)屬于中風(fēng)險等級，但其故障后果難以控制，所以需降低可能性O(shè)和探測度D的風(fēng)險。而其處于淘汰期，可逐步替代。其維保工作量大也是造成環(huán)境等級評價惡劣的因素，經(jīng)評估，更換為剛性接觸網(wǎng)后具有更高可靠度，維護(hù)工作量也更少。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建的維修策略選擇模型，可滿足城市軌道交通行車設(shè)備全壽命周期可靠性保持的需求。由于維修策略制定流程涉及的環(huán)節(jié)較多，后續(xù)需要通過各維保單位積極參與，共同完善該維修策略模型;同時也可通過信息化技術(shù)，簡化判定工作量，使該研究成果更好應(yīng)用于城軌行車設(shè)備可靠性的保持。

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收稿日期 2020-04-10

責(zé)任編輯 胡姬