基于模糊理論的信號設備使用壽命研究

王 琳,開祥寶,宋志丹,高 媛

(1.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081; 2.中國鐵道科學研究院通信信號研究所,北京 100081; 3.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081)

隨著我國鐵路的全面提速，高鐵成為人們日常出行的首選。而鐵路信號設備在確保列車安全運行方面占有舉足輕重的地位。如何減少信號設備故障的發生成為日益突出的問題。準確評估信號設備使用壽命，合理制定設備維修維護計劃，對保持信號設備性能，確保信號設備穩定運行具有重要意義。

1 信號設備的維修維護

當前我國鐵路信號設備按照運行環境的不同，可以分為地面信號設備與車載信號設備。地面信號設備主要包括：信號基礎設備、繼電設備與電子設備三大類。車載信號設備主要有：車載ATP、列車記錄單元JRU、列車監控裝置LKJ等。自動車組開通后，大量信號設備投入使用，信號設備數量不斷增加。例如：2015年共裝備3609套ATP車載設備，較2011年的1226套增長了2.19倍；對于聯鎖道岔設備，其2015年安裝數量較2011年增長1.21倍。設備數量在不斷增長的同時，其發生故障的頻率也在不斷增加。對2013年至2015年信號設備故障進行統計，統計結果如圖1所示，故障率較高的信號設備主要集中在道岔轉轍設備、軌道電路設備、閉塞設備以及聯鎖設備。其中，道岔轉轍與軌道電路設備共占總體故障的70%以上。

圖1 近3年信號設備故障分布統計

現場維修維護人員對信號設備采取相應的維護手段以確保其正常運行。以車載設備和地面設備為例，對于車載信號設備，其維修維護主要隨動車組修程進行，例如：車載ATP采取運用檢修與動車組一、二級檢修同步進行，高級檢修納入動車組高級檢修管理流程的維修方式。對于地面信號設備，其維護工作由路局、電務段分級管理，電務段又實行段、車間與工區三級管理模式[1]。在現場維修中實行計劃修與狀態修相結合，主要包括維修、中修、大修及更新改造4種維修模式。這樣的維修模式對確保行車安全起到重要作用，但在現場實際維護過程中，信號設備仍存在超期服役的現象。對于超期服役的信號設備，長時間的負荷運行導致其電氣或機械特性不能滿足相關技術標準。長期使用超期服役設備將嚴重威脅鐵路行車安全。因此，準確評估信號設備的使用壽命，合理制定信號設備的維修周期，對保障鐵路運輸安全具有重要意義。本文對影響信號設備使用壽命的各個因素進行綜合分析，采用模糊理論對信號設備的使用壽命進行評估，以此為信號設備的維修周期提供準確依據。

2 信號設備使用壽命影響因素分析

綜合分析現場信號設備的故障情況，信號設備的使用壽命主要受以下4方面影響。

(1)可靠性指標

信號設備的可靠性主要指的是設備在規定時間、規定條件下完成相應任務[2]，以此保證列車安全運行的能力。設備的可靠性是一個定性的概念，實際中，可靠性常以可靠性指標的形式量化表示。例如，故障率、可靠度、維護率、平均故障時間間隔MTBF、平均維護時間MTTR等。這些指標與設備的使用壽命密切相關。以計算機聯鎖系統CBI為例，該系統應滿足可靠性與安全性設計要求，有MTBF≥106h，也就是該系統的平均壽命大概為114年。但這不表示系統的使用壽命可達114年，只能說系統一年的故障率大致為0.878%。由此可靠性要求可以得出，在不考慮外界因素的影響下，系統出現故障的概率會隨著平均壽命的增加而降低。

(2)施工安裝因素

實踐證明大多數設備的故障率滿足浴盆曲線的變化，如圖2所示。設備的故障變化大致分為3個階段，早期故障期、偶然故障期與耗損故障期[3]。其中，設備的故障概率在早期故障期呈現由高到低的下降趨勢。該階段主要為產品的安裝調試過程，由圖2可以看出，設備的施工安裝因素影響著設備的使用壽命。提高現場設備的安裝施工工藝與安裝質量將增加設備的使用壽命期限，提高設備運行的可靠性與穩定性。

圖2 浴盆曲線

以計算機聯鎖系統為例，其機械室內設置有繼電器、接口柜、分線柜、電源屏等設備。在施工、安裝過程中，現場人員在對電纜芯線配線時應注意防止因外皮接觸不良造成的設備故障。對于電源屏來說，安裝人員應將各模塊的邏輯零線獨立放置，選取滿足設備要求的接地電阻，以此防止因電流過大引起的電源模塊老化乃至損壞故障的發生[4]。因此現場設備的安裝施工工藝與安裝質量對信號設備的運行有直接影響。規范的施工安裝流程對提高信號設備的使用壽命，保證設備可靠穩定的運行起著重要作用。

(3)使用環境因素

設備使用環境影響因素主要包括有：溫度、濕度、酸堿度等，其中，溫度為環境影響因素的主要方面。

以鐵路信號智能化電源模塊來說，溫度對其電解電容的影響直接關系到電源模塊使用壽命的長短。由經驗可得，溫度的升高會加速電容器內部的化學反應，其介質會隨著時間的推移而退化，因此電源模塊的使用壽命也會隨之下降。由統計得到，一個極限工作溫度為85 ℃的電解電容在溫度為20 ℃的工作條件下，其可保證180 000 h的正常工作，而當溫度上升到85 ℃后，僅可保證2 000 h的正常工作[5]。由此可以看到，盡可能地降低電源屏的工作環境溫度對延長其使用壽命十分重要。

(4)維修維護因素

日常的維修維護對減少信號設備故障起著重要作用，但是不良的檢修作業將會降低設備的使用壽命。本文對2014年故障率較高的信號設備進行統計，并以其故障原因對故障數據進行分類。以2014年為例，道岔轉轍設備故障共1 124件，其中因檢修不良故障共797件，材質不良199件，因外單位影響故障共27件，非責任100件。對于軌道電路，其故障總數共631件，其中因檢修不良故障共342件，材質不良129件，因外單位影響故障共19件，非責任122件。由統計結果可以得到不同故障原因所占故障總數的百分比，如圖3所示。

圖3 2014年道岔與軌道電路設備故障原因統計

由圖3得到，道岔轉轍設備與軌道電路設備故障的主要原因為檢修不良與材質不良。檢修不良占總體故障原因的50%以上。現場的維修維護人員缺乏維修經驗，對設備的工作原理，基本性能了解不明確，導致維護人員在日常檢修時，抓不住設備維修的重點，無法準確判斷設備病害，從而致使設備故障率的增加。

由以上分析可以得到，信號設備的使用壽命除受自身可靠性指標的影響外，還受外界因素的影響，因此若想準確了解信號設備的維修周期應綜合考慮以上影響因素。對此本文以聯鎖系統上位機的電源模塊為例，基于模糊理論，采用模糊綜合評判的方法對其使用壽命進行評估，以此為電源模塊的維修周期提供準確的依據。

3 基于模糊理論的電源模塊壽命分析

對于經典可靠性來說，其壽命分析考慮的是設備失效的隨機性，但設備在現場運行過程中會受到各種各樣因素的影響，因此對設備使用壽命的評估不能單一的依據經典可靠性分析[6]。所以，采用模糊綜合評判的方法，考慮影響電源模塊使用壽命的各個因素，將其對電源壽命的影響進行量化，從而為電源模塊的維修維護提供良好的依據。

3.1 模糊綜合評判法

根據文獻[7-8]的模糊理論，對模糊因素量化、確定評判對象的模糊綜合評判矩陣主要有以下步驟。

(1)確定評判對象的因素集

因素集U主要由影響因素ui組成，不同的因素對評判對象具有不同程度的模糊影響

U=[u1，u2，…，un]

(1)

(2)確定評判對象的備擇集

評判對象的備擇集即為評價集，此為評判對象的評價結果，用V來表示

V=[v1，v2，…，vn]

(2)

(3)確定因素的權重集

不同的因素對評判對象的影響程度是不同的，為了反映因素的重要程度，應對各因素賦以不同的權數值ai，由其構成的A為權重集[7]

A=[a1，a2，…，an]

(3)

(4)因素評判矩陣

因素評判矩陣R是單個因素評判隸屬度的集合。單個因素評判隸屬度可用Ri表示，其代表第i個因素對備擇集第j個元素的隸屬度[7]

(4)

(5)模糊綜合評判矩陣

考慮不同因素的重要程度后，可以得到模糊綜合評判矩陣B，其中bi即為所得的因素評判指標

B=A·R=[b1，b2，…，bn]

(5)

(6)評判結果

已知因素的評判指標后，根據加權平均的方法對評判對象的性能進行評價，本文對電源模塊壽命進行評價有

(6)

3.2 基于模糊綜合評判法的電源模塊壽命分析

在模糊綜合評判方法中需要對評判對象確定其因素集、備擇集以及權重集。

對于上位機的電源模塊來說，其壽命主要受安裝施工工藝、溫度、維修維護以及上位機狀態4方面因素影響。相應地，電源模塊的因素集為

U=[u1，u2，u3，u4]

(7)

根據影響因素所處的狀態不同，將其分為3個等級：好、中、差。依據現場的實際運行情況，將各個影響因素依等級狀態進行量化表示，得到集合

(8)

對于電源模塊有備擇集V，其中Vij為評判等級，同樣，將等級分為好、中、差三級。

根據經驗選取t1=3×104h、t2=5×104h、與t3=9×104h，則其對應的備擇集

(9)

已知W與V就可得到因素評判矩陣

R=W·V=

(10)

不同的因素對電源模塊使用壽命的影響是不同的，根據專家打分的方式確定其影響因素的權重集A，有

(11)

則模糊綜合評判矩陣為B，有

(12)

對所得的綜合評判指標采用加權平均的方式對電源模塊的壽命進行評估，有

年

綜合現場數據，本文對2013年、2014年與2015年的上位機電源模塊故障次數進行統計，分別以開通時間長短對故障數據進行分類，如圖4所示。

圖4 上位機電源模塊故障統計

由圖4可得，上位機電源模塊在使用5～7年內，故障明顯增加。本文對電源模塊使用壽命的評估結果與現場實際情況一致。所以，現場維修人員在電源模塊使用5年后應加強對模塊的狀態監測，對其制定相應大修計劃，及時更換設備，以確保上位機的正常運行。

由以上可得，模糊綜合評判法因綜合考慮設備外界因素的影響，其所得的評估結果較傳統概率來說更加符合實際情況。其因素集可隨著現場實際情況進行具體設置，所以該方法對于其他信號設備同樣適用?，F場維護人員可以參考該方法對設備制定相應的大修維修計劃，及時更換，從而減少設備故障的發生。

4 結語

當前，高速鐵路的全面發展對信號設備的維修維護工作提出了更高的要求。為制定合理的維修維護計劃，現場維護人員除準確把握信號設備維修周期外，還可利用相關監測手段對信號設備的運行進行實時監測，從而制定完善的狀態等級評估體系，為實現維修工作的標準化作業，建立符合現場實際的維修管理模式提供準確依據。

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