城市軌道交通行車設備系統差異化維修策略研究

王海 蘇俊杰 張目然

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

關鍵詞：城市軌道交通;可靠性;維修策略;風險等級;設備失效特征

1 背景

近年來國內城市化率快速提升，帶動城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）高速發展。以廣州市為例，截至2019年底，已開通運營14條城軌線路，運營里程超過500 km[1]。城市軌道交通的運營邁入線網時代，關鍵設備的失效影響將被線網進一步放大，這對設備及系統全壽命周期可靠性的設計和保持提出更高要求[2-3]。與此同時，隨著城軌設備的更新迭代，設備種類、設備技術層級、設備役齡等均呈現多樣化。而線網設備運營環境的復雜性、新線路維保人員數量和技術水平相對不足、設備工作環境的差異等因素讓設備可靠性的保持面臨更多不確定性。國內外眾多學者在城軌設備的維修策略 [4-8]和可靠性管理[9-10]方面做了大量研究，在此基礎上，為實現行車設備在復雜環境下保持可靠性的目標，本文進一步研究城軌行車設備在不同條件下的差異化維修策略。

2 維修策略選擇模型

為保證城軌設備的可靠性目標能持續、有效、全過程地實現，需要制定全系統、全壽命周期不同階段節點、不同應用場景所對應的維修策略。同時，由于環境時刻變化，制定的策略應具有時效性并及時更新。本文通過分析維修策略，構建差異化維修策略的選擇模型和策略庫，以供城軌行車設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，主要根據運營目標對設備進行分類評估。城軌系統當前主要以可靠性、可用性、可維護性、安全性（RAMS）為分析依據，如以可靠度為中心的維修策略（RCM）等[11]。運營部門根據分析結果劃分設備類別，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、狀態維修、改良維修[12]。

方案類維修策略階段，主要對維修策略進一步細化，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;狀態維修可根據應用條件實現狀態監控，或進一步提煉設備失效特性因素構建故障預測模型，再根據預測結果編制精準的維修方案。

2.2 維修策略選擇模型

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

2.2.1 判定流程

判定流程重點做好以下3步：

（1）分析影響行車設備運營目標達成的相關因素;

（2）將相關因素按照特性進行歸類;

（3）設計相應設備的特性判定條件。

使用該模型時，應依據設備特性選擇所使用的判定條件，按照一定的次序進行判定，得出判定結果，形成設備特性因素及判定結果表，如表1所示。根據設備的重要性及影響大小進行設備分類，按照設備類別區分管理優先等級。設備重要度通常分為A、B、C 3類，A類重要度最高，B類次之，C類最低。同時，根據零部件重要性以及零部件失效對設備安全或運行影響的大小進行分類，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備分類管理關聯[13]。

表1中，嚴重程度S、可能性O、探測度D一般從高到低分為5級;嚴重程度S指設備故障后果的嚴重程度，如影響列車運營安全定為5，對列車運營無影響定為1;可能性O指設備故障的發生頻率，通常>4%定為5，≤1%定為1;探測度D指在設備出現失效模式過程中，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

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

2.2.3 策略庫的構建完善機制

策略庫的構建完善機制具體如下。

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

（2）根據設備或部件特性判定結果，選擇適用策略;當未有適用策略時，需創建新策略并納入策略庫。

（3）形成設備的維修策略集后，根據策略執行并判定相應運營目標的達成情況。達標則保留該方案，以便同類相關設備參照;不達標則重新評估，調整策略。

3 差異化維修策略實施步驟

以某地鐵行車設備為例，介紹差異化維修策略模型的實施步驟。

3.1 分析影響設備運營目標達成的因素

地鐵主要根據設備的可靠度分析運營目標的達成情況，本文依據設備的固有可靠度和外部可靠度對設備的差異化進行分析，提取特性因素。

3.1.1 設備固有可靠度因素

即只與設備相關的、相對固定的可靠度因素，包括以下2方面。

（1）設備發生失效的方式。失效方式在設備設計安裝時已經固定，表征設備失效特征的具體參數如溫度、壓力、振動、聲音、潤滑油質等。

（2）設備壽命周期階段。相同設備進入壽命周期階段的時間與設備使用情況有關，但相應壽命周期階段的設備失效表現基本相同。

3.1.2 設備外部可靠度因素

即與設備所處的外部情況相關的可靠度因素，包括以下3方面。

（1）設備及部件的風險等級。相同的設備在系統中的不同位置、不同的運行要求下有不同的風險等級。

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

（3）維保人員平均技能水平、維保人員配備數量、備件預算費用等。

3.2 特性因素歸類

對3.1章節所列因素進行歸類，主要包括以下4類：①設備及部件風險分級;②設備壽命周期階段（設備層面）;③設備失效特征（部件層面）;④設備工作環境。

由于設備及部件風險分級和設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先判定這2個條件;設備失效特征和設備工作環境涉及更具體的應用層面，所以在判定路徑設計時一般靠后，并視需要進行判定。

3.3 設計相應特性判定條件

3.3.1 設備及部件風險分級

設備及部件風險分級（后果的嚴重程度，結合后果的發生概率）的判定條件按照設備失效影響的等級劃分，具體如下：

（1）設備層級劃分為高中低3級，即服務失效-高風險，任務失效-中風險，功能失效-低風險;

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

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

3.3.2 設備壽命周期階段

設備壽命周期分為“設計規劃、初期管理、驗收運營、淘汰期”4個階段：

（1）設計規劃階段是指從規劃選型立項到設備出廠過程;

（2）安裝調試階段是指從設備出廠到驗收交付前過程;

（3）驗收運營階段是指從驗收交付到設備淘汰/改造立項前過程;

（4）淘汰期階段是指從設備淘汰/改造立項到設備處置完成過程。

各階段均有適用的維修策略，如設計規劃階段的可靠性分配設計策略、穩定期的基于剩余壽命預測的維修策略;每個階段可以再細分，如淘汰期可分為使用壽命淘汰（無法修復）、經濟壽命淘汰（維持或修復費用大于置換費用）、技術壽命淘汰（新技術更安全可靠，經濟適用等）[14]。

3.3.3 設備失效特征

設備失效特征包括突發型和劣化型。

（1）突發型。當前無探測手段，只有在失效后才能發現的失效類型。

（2）劣化型。指已經初步了解設備失效特性，可對失效特性進行監控分析，提取預估失效的類型。劣化型向下細分還可以分為指標監控型和模型預測型等。

突發型失效適用策略為冗余設計、維修預案、維修演練、維修資源的現場配備等;劣化型失效由于其劣化因素和特征一般可以檢測，所以基于特征參數監控如點檢定修、狀態維修（CBM）和基于預測模型的預測維修（PM）策略均適用[15]。

3.3.4 設備工作環境

設備工作環境影響特征分為客觀環境及主觀環境2方面。

（1）客觀環境。基本不受人為因素改變，僅可在局部區域改善，如溫濕度、粉塵污染度、極端氣候環境等。

（2）主觀環境。可通過人為因素干預有較大改變，如維保人員技能成熟度、維保人員配備數量、備件預算費用等。另外如客流強度，雖能一定程度控制，但投入較大、影響較廣，一般視做客觀環境進行評估。以上因素經綜合判斷，可得出環境判定結果為良好、適宜、惡劣3個狀況。

根據以上4個特性判定條件，可以得出設備的特性判定結果及相應數據。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計判定條件、判定結果和對應常用維修策略說明。

3.4 維修策略的選擇

根據設備特性，從4類特性判定條件中選擇適用判定路徑，獲取判定結果，并根據判定結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4 大類策略初步建立，如表2所示。

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

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

變電、斷路器屬于高風險等級，應采取改善維修策略，由于其在該線屬于老化淘汰期（老化故障高發），所以可結合新技術研發新型斷路器。目前該地鐵運營團隊新研發的智能斷路器，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的風險，從而降低總體風險等級。

線路、道岔鋼軌屬于低風險等級，維修策略應列為故障維修，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，某地鐵運營團隊構建了基于鋼軌磨損壽命預測模型，通過預測鋼軌磨耗程度來設置最佳的計劃檢修周期。

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

4 結語

本文構建的維修策略選擇模型，可滿足城市軌道交通行車設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節較多，后續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，簡化判定工作量，使該研究成果更好應用于城軌行車設備可靠性的保持。

參考文獻

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收稿日期 2020-04-10

責任編輯 胡姬