城市軌道交通信號(hào)設(shè)備綜合壽命評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究*

姜 西 虞 翊 阿力瑪斯·伊力夏提 陳義軍

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上海；2.同濟(jì)大學(xué)國(guó)家磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

我國(guó)城市軌道交通已有多條早期開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路已進(jìn)入或已超越大修期，今后會(huì)有越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)線路設(shè)備臨近或進(jìn)入大修期。但我國(guó)在城市軌道交通信號(hào)設(shè)備的使用及替換等方面始終未能提出明確的處理辦法，由此造成了資金浪費(fèi)、故障頻繁及設(shè)備濫用等情況。

目前，對(duì)信號(hào)設(shè)備壽命的研究大多是針對(duì)其可靠度及故障率，并提出相應(yīng)的維修維護(hù)策略。文獻(xiàn)[1-3]僅針對(duì)設(shè)備的物理壽命進(jìn)行了研究，未考慮其經(jīng)濟(jì)性及其它方面的因素影響。但實(shí)際上,對(duì)設(shè)備使用壽命的評(píng)估不僅要考慮設(shè)備管理的過(guò)程，也要考慮價(jià)值變動(dòng)的過(guò)程。因此，科學(xué)地評(píng)估設(shè)備全壽命周期，要綜合考慮設(shè)備的可靠性、技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性等因素。

1 信號(hào)設(shè)備的使用壽命

設(shè)備的使用壽命是指從設(shè)備產(chǎn)品的需求設(shè)計(jì)開(kāi)始至設(shè)備停用或報(bào)廢為止。也有學(xué)者認(rèn)為，設(shè)備的壽命是指設(shè)備從投入生產(chǎn)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)有形磨損，直至在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上不宜繼續(xù)使用，需要進(jìn)行更新所經(jīng)歷的時(shí)間。

從不同的角度,可將設(shè)備的壽命劃分為物理壽命、技術(shù)壽命和經(jīng)濟(jì)壽命等，需要綜合考慮各方面的影響因素來(lái)確定復(fù)雜設(shè)備的實(shí)際使用壽命。

1.1 信號(hào)設(shè)備的物理壽命

設(shè)備的物理壽命是指設(shè)備從全新?tīng)顟B(tài)開(kāi)始使用，一直到不再具有正常功能而報(bào)廢為止的全部時(shí)間。它與設(shè)備的固有可靠性有關(guān)，也與維修保養(yǎng)的好壞密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)設(shè)備的物理壽命與其健康水平相關(guān)。二者關(guān)系如圖1所示，信號(hào)設(shè)備的相對(duì)健康水平S1(t)隨時(shí)間的變化為[3]:

S1(t)=a0+f1(t)

(1)

ts1=tf1-t

(2)

式中:

a0——設(shè)備相對(duì)健康水平變化曲線的形狀參數(shù),為常數(shù);

f1(t)——描述設(shè)備相對(duì)健康水平變化規(guī)律的單調(diào)減函數(shù),f1(t)<0;

ts1——信號(hào)設(shè)備當(dāng)前的剩余物理壽命;

tf1——設(shè)備功能失效不能滿足繼續(xù)工作要求的時(shí)刻。

S1(t)∈[0,100],即用[0,100]之間的分值表示設(shè)備當(dāng)前的相對(duì)物理健康水平，S1(t)=0表示t時(shí)刻設(shè)備處于功能失效的臨界點(diǎn)，S1(t)=100表示t時(shí)刻設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修(包括預(yù)防性維修)可以在一定程度上提高設(shè)備的相對(duì)健康水平，從而延長(zhǎng)設(shè)備的物理壽命(見(jiàn)圖2)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修,維修后的設(shè)備相對(duì)健康水平變化曲線形狀參數(shù)為a1，所以維修后的設(shè)備健康水平為:

S1(t)=a1+f1(t), (t>t1，2)

(3)

圖1 設(shè)備相對(duì)健康水平隨時(shí)間變化曲線

圖2 維修后設(shè)備健康水平隨時(shí)間變化曲線

1.2 信號(hào)設(shè)備的技術(shù)壽命

信號(hào)設(shè)備的技術(shù)壽命是是指從開(kāi)始使用到因技術(shù)落后而被淘汰所經(jīng)歷的時(shí)間，以技術(shù)落后作為

不能“有效使用”的判別準(zhǔn)則。圖3為信號(hào)設(shè)備技術(shù)水平隨使用時(shí)間改變的示意圖。

圖3 設(shè)備技術(shù)水平隨時(shí)間變化曲線

信號(hào)設(shè)備的技術(shù)水平是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的變量，同設(shè)備的相對(duì)健康水平類似。設(shè)備開(kāi)始投入使用后的相對(duì)技術(shù)性評(píng)價(jià)為式(4),在t2時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)更新后，設(shè)備的相對(duì)技術(shù)性評(píng)價(jià)為式(5)。S2(t)∈[0,100]，0表示設(shè)備技術(shù)落后的臨界點(diǎn)，100表示設(shè)備使用了最新的技術(shù)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)更新改變的一般是b0的值。

S2(t)=b0+f2(t)

(4)

S2(t)=b1+f2(t), (t>t2)

(5)

式中:

b0——設(shè)備相對(duì)技術(shù)水平變化曲線的形狀參數(shù),為常數(shù);

b1——維修后的設(shè)備相對(duì)技術(shù)水平變化曲線形狀參數(shù)；

f2(t)——描述設(shè)備相對(duì)技術(shù)水平變化規(guī)律的單調(diào)減函數(shù),f2(t)<0。

1.3 信號(hào)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命

信號(hào)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命是指設(shè)備從開(kāi)始使用到其年度總費(fèi)用最小的使用年限。設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命如圖4所示。當(dāng)設(shè)備的年度運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用和年度設(shè)備消耗費(fèi)用之和最小時(shí)，即tf3時(shí)為設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命。設(shè)備在t3時(shí)的年均總費(fèi)用Ct如式(6)所示。

圖4 設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命

(6)

式中:

A——設(shè)備初期的購(gòu)置費(fèi);

Mi——設(shè)備第i年的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用;

B——設(shè)備截至t3時(shí)的維修或技術(shù)更新總費(fèi)用[4]。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修或技術(shù)更新會(huì)對(duì)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命造成一定的影響，有時(shí)會(huì)延長(zhǎng)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命，而設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性卻降低了。本文對(duì)設(shè)備的相對(duì)經(jīng)濟(jì)性S3(t)用式(7)表示。其中，S3(t)∈[0,100]，0表示在沒(méi)有維修和技術(shù)更新情況下，設(shè)備年均總費(fèi)用最大；100表示該條件條件下設(shè)備年均總費(fèi)用最小。可見(jiàn)，設(shè)備的年均總費(fèi)用越低,經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)越高。

(7)

式中:

Cmax——不存在維修和技術(shù)更新條件下設(shè)備的最大的年度總費(fèi)用(一般為設(shè)備剛投入使用的一年);

Cmin——最小的年度總費(fèi)用。

圖5 設(shè)備相對(duì)經(jīng)濟(jì)性隨時(shí)間變化曲線

2 信號(hào)設(shè)備壽命評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究主要從設(shè)備的相對(duì)健康水平、技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)軌道交通信號(hào)設(shè)備當(dāng)前剩余壽命進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，并針對(duì)設(shè)備的使用現(xiàn)狀給出相應(yīng)的維修決策。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

本研究采用最新的維修管理體系OSACBM(Open System Architecture for CBM)，構(gòu)建信號(hào)設(shè)備壽命評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu),如圖6所示。信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備壽命評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壽命評(píng)估與預(yù)測(cè)、維護(hù)決策支持、表示等6個(gè)層次。

圖6 信號(hào)設(shè)備壽命評(píng)價(jià)系統(tǒng)

信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備壽命評(píng)價(jià)系統(tǒng)聯(lián)合既有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、傳感器組合、智能采集單元等信號(hào)設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得各種設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境和工作狀態(tài)信息，結(jié)合專家評(píng)價(jià)信息和運(yùn)維消費(fèi)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)融合和處理，得到設(shè)備的壽命評(píng)價(jià)結(jié)果，并進(jìn)一步給出相應(yīng)的維修維護(hù)決策建議。

2.2 系統(tǒng)功能

信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備壽命評(píng)價(jià)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式分層體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)工程，主要有數(shù)據(jù)處理、壽命評(píng)價(jià)預(yù)測(cè),以及維護(hù)決策的優(yōu)化及建模等主要功能。

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

信號(hào)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、影響使用壽命的指標(biāo)繁多，而且與其使用壽命相關(guān)的特征信息很多難以定量。壽命評(píng)價(jià)系統(tǒng)采取的數(shù)據(jù)處理方法主要包括數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)降維、數(shù)據(jù)歸一、數(shù)據(jù)融合等。

2.2.2 壽命評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)

對(duì)設(shè)備的剩余壽命評(píng)價(jià)包括對(duì)設(shè)備物理壽命、技術(shù)壽命和經(jīng)濟(jì)壽命的評(píng)價(jià)。設(shè)備的使用剩余壽命由三者共同決定[5]。

目前,運(yùn)用較廣泛的設(shè)備剩余壽命預(yù)測(cè)方法主要是基于可靠性的剩余壽命預(yù)測(cè)法和基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的剩余壽命預(yù)測(cè)法[6-8]。基于可靠性的剩余壽命預(yù)測(cè)法主要針對(duì)服從物理壽命分布類型的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的使用情況,來(lái)預(yù)測(cè)該設(shè)備的剩余壽命[9]。基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的剩余壽命預(yù)測(cè)方法主要通過(guò)對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)參數(shù)，選擇符合監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的失效模型，確定設(shè)備失效的界限，從而預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命[10]。

設(shè)備技術(shù)壽命的評(píng)估方法主要有歷史經(jīng)驗(yàn)法和對(duì)比分析法。

2.2.3 維修決策的優(yōu)化及建模

一般情況下，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修或技術(shù)更新后，當(dāng)前設(shè)備的相對(duì)健康水平或技術(shù)水平有一定提升，而設(shè)備實(shí)際的經(jīng)濟(jì)性卻有所下降。

維修決策的優(yōu)化目標(biāo)是：①保證設(shè)備的相對(duì)健康水平和技術(shù)水平能滿足安全可靠性的要求；②信號(hào)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性要求盡可能高，即使用過(guò)程中其相對(duì)經(jīng)濟(jì)性呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；③維修必須改善設(shè)備的實(shí)際使用壽命。

在壽命評(píng)估預(yù)測(cè)技術(shù)的支持下，設(shè)備決策利用最優(yōu)化維修建模,科學(xué)合理地確定維修活動(dòng)的周期和維修方式，形成提高各關(guān)鍵設(shè)備實(shí)際使用壽命的綜合維修決策。

3 信號(hào)設(shè)備綜合壽命評(píng)價(jià)方法

3.1 信號(hào)設(shè)備綜合使用壽命

本研究主要采用設(shè)備的相對(duì)健康水平、相對(duì)經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)水平等對(duì)設(shè)備的剩余壽命進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

首先,獲取運(yùn)維管理專家對(duì)這三方面的客觀評(píng)價(jià)，借鑒層次分析法的思想構(gòu)造判斷矩陣A，

式中:

將矩陣A按列歸一化處理:

然后按行求得到:

對(duì)vi歸一化處理,得到

所得W=[w1,w2,w3]即為各影響因素的相對(duì)重要度權(quán)重。

對(duì)設(shè)備的綜合評(píng)價(jià)為:

(8)

記t時(shí)刻設(shè)備的綜合狀態(tài)為E(t，E(t))，則設(shè)備的綜合評(píng)價(jià)E(t)變化趨勢(shì)如圖7所示。預(yù)測(cè)得到的剩余壽命是設(shè)備維修決策優(yōu)化的重要依據(jù)。

圖7 E(t)隨t變化曲線

3.2 設(shè)備的維修決策

設(shè)備在使用的過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：

(1) 設(shè)備出現(xiàn)物理不可接受的、技術(shù)不可接受的或經(jīng)濟(jì)不可接受的狀態(tài)。

(2) 設(shè)備雖未出現(xiàn)物理不可接受、技術(shù)不可接受或經(jīng)濟(jì)不可接受的狀態(tài)，但如綜合考慮物理、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)是不可接受的狀態(tài)。

對(duì)于已處在E(tf,E(tf))的設(shè)備，應(yīng)立刻中止其使用，其使用壽命已經(jīng)結(jié)束，應(yīng)更換設(shè)備。對(duì)于處于不可接受狀態(tài)的設(shè)備,以及雖處于可接受范狀態(tài)但可以進(jìn)行預(yù)防性維修或技術(shù)更新的設(shè)備，應(yīng)判斷E(t)采取的措施是否可改善其狀態(tài)。

如圖8所示，對(duì)采取措施之后的設(shè)備狀態(tài)記為E(t,E(t))/Sn(t)，其壽命結(jié)束條件變?yōu)镋(tf,E(tf))。對(duì)處于不可接受狀態(tài)的設(shè)備，若采取措施之后E(t)>E(0)，則建議對(duì)設(shè)備采取相應(yīng)的維修或技術(shù)更新措施，否則建議更換設(shè)備。對(duì)處于可接受狀態(tài)的設(shè)備，若E(t)>E(0)，且tf>tf，0，則建議采取預(yù)防性維修或技術(shù)更新措施。

圖8 采用維修或技術(shù)更新等措施的E(t)隨t變化曲線

3.3 算例分析

通過(guò)采集相關(guān)專家的評(píng)價(jià)意見(jiàn)，計(jì)算得到設(shè)備的物理健康狀態(tài)、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)性等三個(gè)因素的權(quán)重為W=(0.40,0.33,0.27)。代入式(8)中進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備在無(wú)預(yù)防性維修、第5年進(jìn)行預(yù)防性維修和第10年進(jìn)行預(yù)防性維修條件下的設(shè)備綜合評(píng)價(jià)狀態(tài)趨勢(shì)變化如圖9所示。

在無(wú)預(yù)防性維修的情況下，設(shè)備的綜合評(píng)價(jià)使用壽命為17.7 a。若在設(shè)備使用的第5年進(jìn)行預(yù)防性維修，則設(shè)備綜合評(píng)價(jià)使用壽命仍為17.7 a;因此，不建議在第5年對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修。而如在設(shè)備使用的第10年對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修，則可將設(shè)備綜合評(píng)價(jià)使用壽命提高為18.1 a;因此，建議在第10年對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修。

a) 整體趨勢(shì)圖

b) 趨勢(shì)圖局部放大圖

對(duì)于綜合評(píng)價(jià)高于E(0)的偶然失效設(shè)備，需進(jìn)行維修預(yù)測(cè)，若設(shè)備維修后的綜合評(píng)價(jià)值低于E(0)則建議對(duì)設(shè)備進(jìn)行更換，否則建議對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障維修。

4 結(jié)論

本文從軌道交通信號(hào)設(shè)備的物理壽命、技術(shù)壽命和經(jīng)濟(jì)壽命等方面綜合對(duì)信號(hào)設(shè)備的實(shí)際使用壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出一種信號(hào)設(shè)備壽命的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過(guò)相對(duì)健康水平、相對(duì)技術(shù)水平和相對(duì)經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)對(duì)信號(hào)設(shè)備使用壽命進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并據(jù)此作為信號(hào)設(shè)備的維修決策依據(jù)，提出了軌道交通信號(hào)設(shè)備維修更新處理決策的方法，在一定程度上減少了信號(hào)設(shè)備維修的資源浪費(fèi)。