軌道交通車輛全生命周期狀態轉移需求分析

劉俊潔

（南京理工大學，江蘇 南京210094）

1 軌道交通車輛全生命周期概述

根據國際標準IEC60300-2，產品全生命周期可劃分成包含論證、設計開發、生產制造、運用維護和報廢等幾個階段。依照此理論軌道交通車輛全生命周期可分為規劃、設計、制造、聯調、運營維護各階段[1]，產品全生命周期“V”形圖如圖1 所示。

圖1 軌道交通車輛全生命周期

依照軌道交通車輛全生命周期，對車輛各階段工作進行概述。

1.1 車輛規劃階段

軌道交通車輛規劃階段的主要工作是，結合城市的經濟發展以及未來布局規劃、軌道交通客流預測、軌道交通工程投資、軌道交通線路規劃、技術要求等，對車輛總體制式進行規劃、選擇。車輛選型需從多方面來進行考量。

車輛選型過程主要涉及到建設方（業主）、車輛咨詢方、供應商。車輛選型的決策主要以建設方（業主）為主，供應商為輔。雙方通過以咨詢方為中間單位的協調交涉，來對車輛選型進行規劃。在實際的車輛選型中，建設方（業主）很少用長遠的眼光去對車輛選型作出決定，而往往拘泥于當前的車輛采購費用，往往只考慮到了車輛采購的低成本需求。

1.2 車輛設計階段

車輛設計階段的主要工作是在車輛選型完成后，對車輛的具體內容進行標準化設計。車輛設計主要完成車輛內部接口的融和以及車輛外部接口的匹配。車輛內部接口主要包括了車輛電氣系統、車輛制動系統、司機室人機接口以及轉向架接口等，車輛外部接口主要包含了與車輛相關的系統接口如，信號系統、供電系統、通信系統、站臺屏蔽門以及軌道系統。

車輛設計階段涉及到建設方（業主）、車輛咨詢方以及供應商（包含系統分包商）。其中，建設方會與其他兩方在設計聯絡會中交流，并一起完成用戶需求書的編寫，車輛用戶需求書是綜合各方情況的重要技術文件，它是車輛高性能、高質量的實現準則和對車輛最終檢驗、驗收標準文件。用戶需求書的具體內容分類如圖2 所示。

圖2 用戶需求書內容

1.3 車輛制造階段

車輛制造階段是車輛實體質量的實現環節，車輛制造需要嚴格依照工藝要求，還需依照用戶需求書要求來進行例行實驗與型式實驗。車輛制造主要涉及到監造方與制造方。監造方在地鐵車輛的制造實驗以及驗收等過程中，需要對車輛關鍵節點進行指導和控制，避免車輛制造缺陷或者影響交付進度的情況發生。監造方的主要工作流程如圖3 所示。

車輛建造方的監督效果很大程度上決定了最終的車輛質量以及功能實現程度。

1.4 車輛聯調階段

車輛聯調是在車輛出廠對車輛內部調試完成后，采用相關檢測技術，對車輛與其他系統的接口系統中的功能、工作狀態以及各個系統的匹配度進行綜合測試和驗證以及優化。車輛聯調是確保車輛的整體設計功能達到設計要求的重要步驟，也為車輛總聯調做好了準備。

圖3 監造方工作流程

車輛聯調首先需要對車輛進行線路上的實驗（包括冷滑熱滑、各種載荷情況下），實驗結束后再對車輛進行多系統接口的調試。車輛聯調的技術核心也就是車輛與通信、供電、信號以及乘客信息系統和屏蔽門系統之間的聯動聯試，對接口一致性進行驗證，看接口功能是否滿足需求。車輛聯調的技術核心如圖4 所示。

圖4 車輛聯調技術核心

車輛聯調同樣需要涉及到管理工作，通過管理工作可以使聯調效果更好地達到預期。車輛聯調管理目前主要通過建立聯調管理組織（由業主以及各參與方組成），通過編制車輛聯調管理方案實現車輛聯調的現場管控。

1.5 車輛運營維護階段

城市軌道交通的運營維護是指為了保持和恢復軌道交通車輛運營規定功能的能力而采取的技術活動。城市軌道交通車輛在運營使用中，其機械部件會逐漸產生磨損、變形甚至斷裂，電氣部件會發生老化破損、斷線接地等情況，在維護中通過檢查能及時對這些情況進行處理。從安全角度看，車輛運營維護任務是消除安全隱患；從經濟性角度看，車輛運營維護需要在盡可能延長車輛壽命的前提下降低成本。目前，國內對于車輛維修的常用維修方式有3 種，分別是按行走公里數或時間定期維修、狀態維修、根據自身需求定制的維修。而其中運用最廣泛的就是按規定時間進行的定期維修方式，但是隨著科技發展，這種以經驗確定的維修方式難以滿足目前的車輛維修需求。

2 軌道交通車輛全生命各階段狀態轉移特征分析

在車輛全生命周期中，狀態轉移研究有以下幾步。

2.1 狀態標識

識別每一步的狀態要點，即“每個狀態要求是什么”。

2.2 狀態控制

對于每一步的狀態要點進行控制，保證其符合要求，即“利用什么方法達到要求”。

2.3 狀態記錄

記錄當前的狀態，即“當前狀態是什么”。

2.4 狀態審核

將當前狀態與狀態標識中的要求對比，看是否滿足要求，即“能否向下個狀態轉移”。

各階段狀態轉移如表1 所示。

表1 車輛全生命周期各階段狀態轉移

從軌道交通車輛全生命周期各階段概述以及表1 對各階段的狀態管理控制中可以得到以下幾點：①在車輛規劃階段，車輛選型是車輛最終性能的決定環節，但是建設方（業主）缺少對車輛選型的多方面考量，也缺少了決策方法來輔助決策。②車輛設計階段是對車輛的細節規劃，只需滿足以及協調各方的針對車輛的技術參數等要求完成用戶需求書即可。車輛制造階段主要由監造方對環節過程進行把控。③車輛聯調階段，針對聯調管理目前缺少有效措施。④車輛運營維修階段缺少對車輛維修方式的科學決策方式。

3 軌道交通車輛全生命各階段狀態轉移需求分析及建議

通過對軌道交通車輛全生命周期各階段狀態轉移的分析，以及指出車輛規劃、車輛聯調以及車輛運營維護階段狀態控制中的不足之處，接下來對這3 個階段的狀態轉移需求進行具體分析來提出建議。

對于車輛全生命周期成本預測主要有以下3 種方法：①專家會議法以及德爾菲法，這類方法適用于長期預測。專家會議法和德爾菲法是依靠領域內的專家經驗，綜合意見來進行成本預測的方法，不需要歷史數據，有很強的主觀性。②類推預測法。類推預測法是運用事物發展的相似性原理，對相互類似的產品做出分析比較，主要利用歷史數據進行預測。③特征參數法，即通過對產品成本相關參數的提取，對成本和參數的關系進行擬合分析來估算成本的方法。以前經常使用的是回歸計算模型。回歸計算模型雖然方法簡單，但成本預測并不準確，隨著技術發展，更多的先進的算法被引入參數法對成本預測，目前應用最多的也就是此方法。

3.1 車輛規劃階段狀態轉移需求分析及建議

在車輛設計制造中，除了原有的技術文件要求，還需要從車輛全生命周期成本的角度針對車輛選型做出成本比較，用來輔助建設方（業主）以及供應商的選型決策。在一般車輛選型中，決策者往往更看重“最低的采購價格”，缺少科學的決策判別依據。因此，需要利用車輛全生命周期成本模型來從長遠角度統計車輛成本。

3.2 車輛聯調階段狀態轉移需求分析及建議

在車輛聯調中，信號、供電、通信、PIS、站臺等系統是以車輛為載體進行車輛運行測試來進行功能檢驗，各系統之間相互聯系、相互作用。因此，車輛聯調具有以下特點：結構組織復雜，多方參與，聯調涉及范圍廣，聯調時間并不充裕，風險系數高，責任重大。目前，國內對軌道交通車輛聯調的研究對象多為對車輛聯調過程以及車輛聯調中各系統的相互作用，并未對車輛聯調的接口分類以及管理進行研究。而接口管理是提高管理效率的必要措施，是對項目過程管控的關鍵保障[2]。

目前，車輛聯調的接口管理研究大多著眼于技術接口，技術接口確實是車輛聯調的核心部分，但也是其他接口問題產生的基礎。將車輛聯調中的利益相關者加入接口管理中，可將車輛接口分為以下3 類。

3.2.1 技術接口

實現車輛聯調功能的關鍵就在技術接口，技術接口是應對接口問題的根基，也是車輛實現性能的各個系統需要遵循的技術指標和條件約束。技術接口可以分成信息接口和物理接口，信息接口也可稱為軟性接口，是設備或者系統之間通過通信協議、軟件等方面的技術參數匹配以及相互之間的協調運作關系產生的接口。物理接口也可稱為硬性接口，是設備之間的電氣或者機械的硬性連接產生的接口。

3.2.2 職能接口

職能接口也可以稱為責任接口，一方面，車輛聯調是車輛從制造到實際運營的重要銜接過程，會涉及到軌道交通項目總進度、施工安排、職責與權力交接等接口問題；另一方面，參與車輛聯調往往有眾多的單位，包含多個設備供應商、各系統的設計單位、咨詢單位以及建設制造單位，這些單位各有其任務分工，同時它們之間存在互相約束關系。因此，職能接口也包含了設計、咨詢、建設等多單位之間管理接口。

3.2.3 組織接口

組織接口指參與車輛聯管理組織由于組織運行而互相協調、交流產生的接口關系。車輛聯調管理組織主要由車輛聯調領導組（決策）、車輛聯調管理組（執行決策與對車輛聯調進行各方協調以及保障過程順利進行）以及車輛聯調操作組（車輛以及相關系統技術人員組成）。各組之間有著互相的信息傳遞與工作流程的相互交流與調節，特別是對于操作組之間由于互相的工作計劃以及進度之間可能會產生接口矛盾。

車輛聯調的接口管理從以上3 類接口上展開，可解決更全面的接口問題，有助于實現車輛聯調總性能。

3.3 車輛運營維護階段狀態轉移需求分析及建議

對車輛進行維修是對車輛壽命的延長，也是確保車輛未來安全運營的保障措施[3]。目前，基于經驗的定期檢查計劃預防維修策略難以避免車輛的欠維修或過維修情況出現[4]。同時，隨著狀態監測技術的發展，目前存在大量的車輛設備故障數據，需要對數據進行合理處理。軌道交通車輛是個龐雜的系統（電氣、機械等系統），對于車輛故障數據首先需要進行分類，一般可從故障發生原因、故障后果的影響程度、故障發生頻次等角度進行分類，從故障可靠性角度分析，一類是通過傳統基于經驗公式的可靠性指標，比如可靠度、故障概率密度、故障率以及失效率等；二類是通過數理方法利用故障分布函數來的得到可靠性指標，主要有4 種分布函數，即正態分布、指數分布、對數正態分布和威布爾分布。得到可靠性指標后，可依據神經算法或延遲時間理論等來對目前的基于經驗的計劃預防修的時間間隔提出優化，同時需要根據不同維修方式的特點對對應車輛設備維修做出合理決策。

4 結論

通過對軌道交通車輛的全生命周期各階段的工作重點進行簡述，利用狀態管理對車輛全生命周期各階段進行狀態轉移分析，從中總結出車輛規劃、車輛聯調以及車輛運營維護階段的目前狀態控制方式的不足之處，并根據這三階段的狀態轉移需求提出狀態控制方法建議，來為車輛狀態轉移深層次的研究進行鋪墊。