城市軌道交通車輛可靠性分配及預測

朱愛鳳 薛淑勝

（南車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師）

國內城市軌道交通行業，大多采用了來自歐洲的RA MS（可靠性、可用性、可維護性和安全性）設計管理思想。其中可靠性被定義為：產品在規定的條件下、規定的時間區間內完成規定功能的能力。

伴隨著國外知名的城市軌道交通車輛供應商的進入，各城市對城市軌道交通車輛可靠性的要求也越來越關注，并給出了具體的目標值。

對于車輛制造廠來說，如何能把這些目標值進行分配，使其在設計中貫徹，在制造中執行，以及在零部件和設備采購合同中提出要求，就顯得尤為重要。這就要求用一種全新的思路去開展設計，這是可靠性設計。

1 可靠性設計的重要性

可靠性設計是把工程中的設計變量處理成多值的隨機變量，能夠對產品的故障（失效）、不可靠等狀態的隨機性進行概率性描述。

現代社會中，隨著科學技術迅速發展、同類產品的競爭、產品淘汰速度的加快及新產品研制周期的縮短，傳統設計已經很難保證產品的可靠性要求。傳統設計的特點，主要是建立在以往的經驗基礎上，往往帶有一定的主觀色彩。設計中，如果不能詳細考慮產品可靠性要求，不能用可靠性設計理念和方法去控制和預防，那么無論如何去精心制造、嚴格管理、合理運用，也難以保證可靠性要求的實現。如果產品存在多個潛在可靠性缺陷，并在運用中頻發，將會造成成本的嚴重損失及信譽喪失?？煽啃栽O計的特點是采取風險評估，其核心理念是預防，多個研究已表明開展可靠性設計不僅對產品可靠性表現有事半功倍的作用，而且能夠使得產品的壽命周期成本大大減少。近年來，人們把包括可靠性在內的質量概念稱為近代質量，把不包括可靠性在內的質量概念稱為傳統質量。在近代質量中，80%質量保證工作在研發階段完成的。

圖1顯示了可靠性設計程序和方法。從圖1中可看出可靠性設計中在不同階段所要進行的工作?？煽啃栽O計是以概率論和數理統計為基礎，首先要明確產品的可靠性要求，確定可靠性指標，在此基礎上再進行可靠性設計的相關工作，本文著重介紹城市軌道交通車輛的可靠性指標分配和預測。

2 城市軌道交通車輛可靠性分配

2.1 城市軌道交通車輛功能分解

功能分解是開展可靠性設計的基礎，城市軌道車輛是非常復雜的系統，所以更有必要進行功能分解。

圖1 可靠性設計程序和方法

功能分解的目的主要表現在如下幾個方面：1）便于設計分組，明確各設計組所要完成的功能，進行任務分解、實現及校核。

2）便于可靠性的任務分配，以把指標作進一步分配和實現。

3）便于可靠性的定性、定量分析。按功能對車輛或列車進行分析，易于分析出功能導致的列車事故嚴重程度及影響，也便于有效措施的制定。

4）便于產品運用后進行可靠性驗證?？紤]到城市軌道交通車輛的功能不盡相同。所進行的功能分解也不一定相同，這需要根據車輛的功能要求和配置進行綜合考慮。由于功能分解有如上的作用，這就要求功能分解在項目的層次上，可以由技術責任人和RA MS人員共同完成。

表1為列車功能分解的實例。

2.2 故障分類及指標要求

可靠性指標的對象就是故障，故障又有不同的分類，軌道交通行業內把故障分為內在故障和運營故障。

內在故障是指產品，主要反映產品對維修人力的要求。因此在評定產品內在可靠性時應統計產品的所有故障，包括運營故障。內在故障不再細分。

評定產品運營可靠性時僅考慮運營故障的影響。不同的城市軌道交通項目運營故障分類有所不同，但通常會分為如下三類故障。

表1 南京地鐵2號線項目列車功能分解

1）救援故障：列車已嚴重損壞或癱瘓，需要牽引車或另一列車的幫助才能拉回基地或避車線。

2）清客故障：列車在故障時不能繼續服務，疏散乘客后自行返回基地或避車線。

3）延誤故障：指列車發生故障以后影響正常運行且列車在線路中的停車時間超過了5 min（也有定義為3 min或2 min）。

有些項目中，對清客故障須進一步細分，分為清客故障和掉線故障。掉線故障定義為列車運行一圈后疏散乘客，退出商業運營；對延誤故障也有不同的說法，稱之為晚點故障，甚至分解為大晚點和小晚點故障。

城市軌道項目中可靠性指標實例見表2。

表2 南京地鐵2號線項目可靠性指標

2.3 可靠性分配原則

在可靠性設計中，可靠性分配最好以數據統計為基礎。數據是指相似子系統或設備的長期運用中的可靠性表現，是理想的分配依據。當缺乏數據時，可靠性分配可以遵守如下原則。

1）技術水平：對技術成熟的系統，能夠保證實現較高的可靠性，或預期投入使用時可靠性可有把握地增長到較高水平，則可分配給較低的故障率指標。

2）復雜程度：對較簡單的系統，組成該系統零部件數量少，組裝容易保證質量或故障后易于修復，則可分配給較低的故障率指標。

3）重要程度：對重要的功能系統或單元，失效后將會產生嚴重的后果，或其失效常會導致車輛系統失效，則應分配給較低的故障率指標。

4）任務情況：對整個任務期間內均需連續工作以及工作條件嚴酷，難以保證很高可靠性的系統或單元，則應分配給較高的故障率指標。

此外，可靠性分配一般還要受費用、重量、尺寸等條件的約束。總之，最終都是力求以最合理的分配來達到車輛系統可靠性的要求。

2.4 可靠性分配

可靠性分配有多種方法，可根據可靠性數據的統計量、設計的不同階段以及限制條件等選擇運用。常見可靠性分配的方法如下。

1）等分配法：用于對各系統可靠性數據掌握很少，故假定各系統的條件相同。

2）綜合評分分配法：是按經驗對各系統考慮主要因素而進行綜合評分，可通過頭腦風暴（由經驗豐富的專家團隊制定規則并進行打分）實現，根據各系統得分多少分配給相應的可靠性指標。

3）比例分配法：以數據統計為基礎，根據長期統計的系統的故障率，能夠對新項目相似系統的表現進行預測，但因為新項目規定了新的可靠性指標要求，這時可把統計數據的失效率比例用于新項目，對系統按正比進行初步分配，也可根據配置的差異進行局部調整。

現在采用“比例分配法”對表2中內在故障指標進行初步分配，參考示例見表3。

表3 比例分配法計算示例

表3中內在故障百分比數是通過FRACAS（故障報告、分析及糾正措施系統）系統，對南京地鐵1號線和2號線、上海軌道交通10號線、蘇州地鐵1號線、深圳地鐵4號線項目相似系統的數據統計后的計算數值。在分配時首先把總指標換算為故障率λ，再按故障百分比數進行分配計算，需要說明的是軌道車輛作為復雜的機電產品，其可靠度可認為服從指數分布，λ和平均無故障運行時間（tMBF）之間換算關系為：tMBF＝1／λ。

系統指標確定后，可在此基礎上對系統進一步分配，方法同樣，可一直分配到設備甚至元器件。

3 可靠性預測

可靠性指標分配后，在各個系統設計中需要加以貫徹，可通過對指標的控制來實現。針對元器件，通過參數選型可對指標進行控制，有很多標準（如：MIL－HDBK－217F《電子設備可靠性預計》、GJB／Z 299C《電子系統可靠性預測》可以參考）。針對設備，可通過對供應商提出指標需求，并嚴格審核供應商的分析數據來控制。在此過程中，可靠性工程師就要及時跟蹤各子系統可靠性完成情況，開展可靠性定量預測，如果發現統計指標不能滿足指標分配要求，就要采取相應措施控制指標。

開展可靠性預測的常用方法是可靠性方框圖（RBD）分析。RBD是利用相互連接的方框（數學模型）來顯示系統的失效邏輯，分析系統中每一個部件故障后對系統的影響，幫助評估系統的整體可靠性。在軌道交通車輛上，采用RBD最多的數學模型是串聯模型、并聯模型。串聯模型可理解為：組成產品的所有單元中任一單元發生故障都認為產品故障；并聯模型可理解為組成產品所有單元同時工作，只要有一個單元不發生故障，產品就不會發生故障，可認為是一種備份或冗余設計。

針對內在故障率預測，就是采用最簡單的串聯模型，輸入所有單元的故障率后，就能對產品內在可靠性表現進行計算；針對運營故障率預測，首先定義清楚各子系統的所有運營故障模式，然后對每一個故障模式進行詳細的RBD建模，在能夠輸入所有單元的故障率后，就可以對故障模式的可靠性表現進行定量計算。當對所有故障模式進行定量分析后，就能夠對系統的整體運營可靠性表現進行定量預測。如果這一預測顯示了對合同規定的可靠性目標的不符合性，就需要采取適當的糾正措施來進行改進。

圖2是采用RBD工具軟件對列車DOR功能的運營故障事件進行分析的一個實例，其中就體現了串聯模型和并聯模型的綜合應用，每個方框中的數值就是故障率值，整體故障率值可通過軟件自動計 算功能得出。

圖2 DOR子系統運營故障模型分析實例

4 做好城市軌道交通車輛可靠性設計的幾點建議

1）應該認識到開展可靠性設計是軌道交通發展的需要。是車輛制造廠提高車輛質量、取得國內外城市軌道交通市場必須具備的條件。

2）應建立合理的組織保證。可靠性工作不是僅由RA MS人員就能完成的工作，而是一種組織行為，涉及到設計、工藝、制造、質量、采購、售后以及用戶的共同參與。

3）對從事可靠性工作的人員的素質要求：應熟悉可靠性理論和開展流程，有較好的組織、協調能力；具有能深入分析、發現和處理具體的可靠性問題的能力。

4）應重視專業分析軟件的使用和開發。

［1］ EN 50126—1999鐵路應用可靠性、可用性、可維護性和安全性技術條件和驗證［S］.

［2］ GB／T 3187—1994可靠性、維修性術語［S］.

［3］ GJB 299C—2006電子設備可靠性預計手冊［S］.