基于多維度評價的動車組故障等級劃分方法研究

趙澤平，姚建偉，張可新，安 迪

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081）

動車組在運行過程中的故障可能造成相應線路區段通行效率下降，致使列車延誤，從而影響旅客運輸效率和客運服務質量。對動車組故障等級進行合理的劃分，有助于客觀的判斷某故障模式以及該故障模式涉及到的零部件或子系統對整車、整條線路的運營造成不良后果的嚴重程度，并進行可靠性評價和故障模式及影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）或者危害性分析（Criticality Analysis，CA）。危害性分析是通過計算故障模式危害度，對其危害性進行定量評估的一種常用方法，在鐵路領域計算危害度的參數通常為故障率、運營里程、故障模式發生的條件概率和故障模式導致確定故障后果的條件概率。文中在計算危害度的通用公式中加入了故障等級參數，將故障的嚴重程度也作為危害性分析的考慮因素，以期對動車組子系統或零部件的安全性進行更加客觀的評價，為后續可靠性分析、故障分析、維修策略優化以及維修資源分配工作提供參考。

1 動車組故障等級劃分現狀

在動車組出現以前，對機車車輛故障等級的劃分通常參考鐵路行車事故的相關規定，故障的嚴重程度按照事故造成人員傷亡的情況、設備和環境損失情況或者是直接、間接的經濟損失情況劃分。有文獻依據《鐵路行車事故處理規則》，建議將我國機車車輛故障等級按照“經濟性故障后果”劃分為特別重大、重大、較大、一般4 個等級。劃分原則為：由于機車車輛故障造成的人員傷亡以及直接、間接經濟損失情況［1］。

2008 年，京津城際鐵路開通運營，從此，動車組在我國被普遍使用。為了保障運營安全性和更高的正點到達率，相關部門在故障分析方面做了大量的工作，并按照晚點時間長短、人員傷亡情況、車輛設備損壞維修情況等幾個方面，將京津城際鐵路中運用的動車組故障劃分為輕微故障、一般故障、重大故障、嚴重故障4 個等級，其他一些早期開通的高速鐵路也沿用了此種劃分方法。

動車組的運用可靠性和安全性隨著技術的進步和維修體制的完善逐漸提高，幾乎不會出現“人員傷亡”、“設備重大損毀”等情況。另外，此種故障等級評價的依據，采用“發生頻度的高低”、“嚴酷度的大小”等表達，評判標準具有很強的主觀性，給后續的故障模式定性、定量分析帶來了一些不便，不再適應當今的故障分析以及后續的可靠性、安全性分析工作。

2014 年，《速度350 km/h 中國標準動車組暫行技術條件》正式發布，該技術條件根據對動車組可靠性的要求，將故障分為了4 個等級，見表1。

表1 速度350 km/h 中國標準動車組故障等級劃分

現行動車組故障等級劃分規則，綜合考慮了動車組設備故障對運輸組織造成的影響程度和非正常停車時間的長短，更加貼近運用實際。但是故障等級評價的主要依據是非正常停車時間，且劃分范圍僅有“20 min”和“1 h”2 個時間節點，在設備故障對運輸組織造成的影響程度方面，用“是”或“否”進行區別。動車組在運行過程中，故障產生的影響種類多樣，故障引發晚點的情況十分復雜，造成了該種故障等級評價方法在實際應用和科學研究工作中具有一定的局限性。

2 動車組故障等級多維度劃分方法

2.1 評價維度的確定

通過統計、分析某型動車組一段時間內的運行故障及處置記錄，總結梳理出故障普遍具有的3個特征：一是故障均會對當列動車組或者整條線路的運行產生影響（故障影響范圍）；二是故障一般都會造成不同程度的晚點（影響時間）；三是不同故障模式有不同的發生概率（故障概率）。

故障影響范圍是故障對鐵路正常運行秩序產生影響的宏觀體現。除了我國鐵路行業標準TB/T 3133—2006《鐵道機車車輛電子產品的可靠性、可用性、可維修性和安全性》、國家標準GB/T 21562—2008《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例》等標準或文件中提到的故障造成人員傷亡和環境、經濟損失之外，故障對公共交通秩序和國民經濟生活正常運行的影響以及可能會造成的不良社會影響等因素，也應作為故障等級評價的考慮范疇。

影響時間即故障造成動車組晚點時間，是故障影響動車組正常運行最直觀的體現。不論發生故障的系統或零部件關鍵與否、可靠性高或低、故障檢測率大或小，只要是該種故障模式導致了長時間的晚點，那這個故障模式就應該被著重關注，所以影響時間成了既有故障等級劃分以及前人研究中經常用到的一個參考因素。

故障概率是某種故障模式發生可能性和頻率的一個量化體現，在國際標準IEC 62278-2002《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）規范及示例》和我國國家標準GB/T 21562—2008 中，均有對故障概率等級劃分的相關要求。即使是很小的故障，如果發生頻率過高，那也將會給動車組的正常安全運行造成很大的隱患。所以，故障概率的大小也應是故障等級評價工作中一個必不可少的考慮因素。

綜上所述，文中對動車組故障等級進行基于以上3 個維度的綜合評價。

（1）故障影響范圍

根據故障對動車組后續運行的影響以及對整條線路產生的影響，結合故障處理的方式、難度，將故障影響范圍從小到大分為4 個等級，見表2。

表2 故障影響范圍等級的劃分

（2）影響時間

在京津城際鐵路動車組事故等級的劃分規則和《高鐵動車組應急處置預案》中，晚點時間通常以2、5、15、30 min 作為分界點，將晚點的時間從短到長劃分為5 個等級，見表3。

表3 晚點時間等級的劃分

（3）故障概率

不同的故障模式發生的概率大小不同，參考《故障模式、影響及危害性分析指南》［2］和《軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）》［3］中對故障概率等級劃分的方法，用某種故障模式發生概率與總故障概率的比定義故障概率，并從小到大分為5 個等級，見表4。

表4 故障概率的等級劃分

2.2 基于層次分析法的動車組故障等級的多維度評價

層次分析法是一種定性和定量相結合的、系統化的、層次化的分析方法，是將半定性、半定量問題轉化為定量問題的行之有效的一種方法。構建層次結構模型后，利用較少的定量信息，把決策的思維過程數學化，進而求解多目標、多準則結構特性的復雜決策問題［4］。由于文中研究的3 個評價維度中既有定性指標又有定量指標，而故障等級劃分的依據是對故障情形打分的排序，所以層次分析法是解決該問題的最佳方法。具體過程如下：

（1）構建遞階層次結構

首先，建立由目標層、指標層和方案層構成的故障等級評價體系遞階層次模型，如圖1 所示。

圖1 故障等級評價體系

在方案層，故障影響的范圍分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 個等級，晚點時間分為A、B、C、D、E 共5 個等級，故障概率分成了1、2、3、4、5 共5 個等級。3 個評價維度的組合，將故障情形分成了100 種，例如，ⅠA1 代表的故障情形為：不影響繼續行車，造成2 min 以內的晚點且發生概率小于總故障概率的0.1%的故障。

（2）構建兩兩比較判斷矩陣

采用1～9 標度法建立指標層相對于目標層的3 標度兩兩判斷矩陣，計算單排序和各層次的總排序，見表5。

表5 判斷矩陣

（3）權重計算

權重計算就是計算判斷矩陣特征值的最大值及其所對應的特征向量，得出準則層對目標層的重要性數據排序，獲得最優解。計算過程如下：

①權重系數計算為式（1）：

得到式（2）：

由公式（3）：

進行一級指標的權重系數計算，為式（4）：

式中：W1=0.527 8，W2=0.332 5，W3=0.139 6

矩陣的最大特征值為λmax，計算公式為式（5）：

得到一級指標的最大特征值：λmax=3.053 6

② 計算一致性指標CI和一致性比率CR，公式為式（6）：

由于n=10＞2，所以要用CR表示矩陣的一致性。CR=CI/RI。RI的取值見表6。

表6 平均隨機一致性指標

通過計算得到：

當n=3 時，RI=0.58：

根據計算結果可知CR＜0.1，所以文中構建的判斷矩陣的一致性符合要求；指標層對目標層特征值的最大值對應的特征向量（權重向量）為：w=(0.527 8，0.332 5，0.139 6)。

（4）綜合評價

采用百分制方法對3 個評價指標進行無量綱化處理，在處理非量化指標時，采用“間隔取值”法，在處理量化指標時，采用“取中間值”方法。由于故障影響范圍是非量化指標，故將4 個等級按照“間隔取值”方法將4 個等級量化；晚點時間為可量化指標，考慮到晚點時間通常以分鐘計，所以用“取值區間的中值/60”進行處理；故障概率為可量化指標，直接采用“取值區間的中值”進行處理。得到量化值后再進行計算得到綜合評價值，方法見表7。

表7 指標量化表

代入權重向量計算每種故障情形的得分，分數從低到高將故障為輕微故障、一般故障、重大故障和嚴重故障4 個等級，見表8。由此，得到了一個基于故障影響范圍、影響時間、故障概率3 個維度的用來評價故障等級的參考表格，可以根據實際發生的故障情形，參照下表進行評價。

表8 綜合評價結果

3 結合故障等級的危害度計算

危害度計算的目的是比較每一種故障模式的嚴重程度及發生概率所產生的綜合影響，即故障模式的危害性，是一種定量評估的方法。通過比較各種故障模式的危害性，可以找到整個大系統的薄弱環節，為后續的優化、改進以及維修制度的完善等提供指導。在危害度計算的過程中，根據發生該種故障模式時導致的故障情形判斷該次故障的等級，并作為其中一個計算參數，這樣就把參與計算的每一次故障情況進行更具體的描述，使計算過程更加貼近實際情況，得出的結論更加可靠。

3.1 結合故障等級的危害度計算模型

在計算大型系統危害度的時候，通常用到的危害度計算公式為式（7）［5］：

式中：Ck為故障模式k 的危害度；αkp為零部件p 發生故障模式k 的條件概率；βk為故障模式k 將會導致確定故障后果的條件概率；λkp為零部件p 的故障率（故障模式k）；t為運營里程；λkpt即為運營里程為t時，故障模式k 發生的次數。

在此基礎上，加入故障等級參數，為故障模式k 中第i次故障的故障等級。當故障模式k 發生導致確定故障后果的故障次數為nk時，故障等級參數γk為式（8）：

這樣就得到結合故障等級的危害度計算公式為式（9）：

在計算過程中，參考相關文獻中對故障等級的量值方法［5-6］，的推薦值見表9。

表9 故障等級的推薦值

3.2 高壓牽引系統故障模式的危害度計算

動車組高壓牽引系統主要包括受電弓、牽引裝置、主變壓器、主斷路器、線路斷路器、網側變流器、電動機、網端檢測裝置等部件［7］，是動車組的重要組成部分，直接影響行車安全，此外，高壓牽引系統各個設備相對獨立，便于故障模式的統計、分析，故選取該系統為算例。

經查某型80 列動車組多年的運行故障及處理結果臺賬，在統計區間內共發生高壓牽引系統故障704 次，其中導致臨時停車、晚點等確定故障后果的故障252 次。使用上述危害度計算模型，計算高壓牽引系統主要故障模式的危害度，結果見表10。

表10 高壓牽引系統故障模式危害度表

計算結果表明，高壓牽引系統中危害度較大的兩個故障模式是受電弓機械故障（包括碳滑板損壞）和網側過電流檢測裝置故障，其危害度高于其他故障模式。根據該型動車組故障處理記錄以及查閱相關資料［8-10］，動車組在實際運行時，受電弓機械故障雖然是比較容易處理的一類故障，單弓故障可以通過換弓運行，但是由于該故障模式誤報率低，不能通過復位等操作消除，且在出現故障時，機械師需要下車或登頂檢查，造成臨時停車和晚點；網側過電流檢測裝置故障會引起過電流繼電器無法接收到車頂電流互感器傳出的電流，將導致受電弓降弓，發生該故障模式時，定位故障設備比較困難，通過常規操作不易消除。發生這兩種故障模式時，一般都會造成臨時停車，機械師現場檢修，有必要時會封閉鄰線，影響多列動車組的正常運行，是危害性較大的故障模式，在修訂維修策略時可以多加關注。網側變流器、電機變流器、主斷路器、線路斷路器等設備，可靠性較高，極少因自身損壞而引發故障，在發生涉及這些設備的故障模式時，隨車機械師可以快速排除硬件故障，通常通過主控復位等常規操作后即可消除，對動車組的正常運行影響較小。

通過算例驗證，此種結合故障等級的危害度計算方法得出的結論貼近實際情況，可以為判定動車組某種故障模式對正常運行產生的影響大小提供參考。

4 結論

文中基于影響范圍、影響時間和故障概率3 個評價維度對動車組故障等級進行了劃分，將得到的故障等級劃分結果應用于危害性分析，建立了新的危害度計算模型，通過實例驗證了計算結果符合實際情況，同時也驗證了該種故障等級劃分方法在動車組故障分析工作中的適用性。研究結果可以用于初步篩選動車組子系統或零部件的重點維修項目，對后續進一步的可靠性分析、故障分析、維修策略優化以及維修資源分配工作也有一定的幫助。由于受到計算量的限制，文中僅考慮了100 種故障情形，在實際應用中，可以根據具體需要，把3 個評價維度進行更加細致地分級，使所得結論具有更高的準確性和更好的適用性。