浅谈轨道交通车辆的可靠性及评估中的分类与分级

陈 琦

(上海同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海阿尔斯通交通设备有限公司,上海 200240)

1 前言

随着现代城市的高度集中化发展,轨道交通已成为城市公共交通的重要组成部分,并且其比重也城来越大。因此,轨道交通系统运行的可靠性对于整个城市的公共交通系统的运行可靠性的影响也越来越大。轨道交通车辆作为轨道交通系统的核心组成部分,从某种角度主导着轨道交通系统可靠性的水平和状况。因此,怎样正确认识轨道交通车辆的可靠性,怎样合理的对轨道交通车辆的可靠性进行评估,成为了必须认清和急待研究的问题。

2 可靠性的三要素

要分析轨道交通的可靠性及其评估,就必须从可靠性本身谈起。理论上可靠性的定义一般为产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力[1]。从可靠性的定义我们可以看到三个关键要素,即规定条件、规定时间、规定功能。下面就这三个要素延伸到轨道交通车辆上来分析。

规定条件是指轨道交通车辆运行所在的环境。这个环境应该包括两个方面,一个是设计环境,另一个是自然环境。设计环境包括整个线路的设计长度、设计坡度、设计转弯半径,还包括轨面、供电触网、信号系统等等[2]自然环境则包括线路所在地的自然温度、自然湿度、空气中的含尘量,以及在露天运行时的风速,特别是侧向风速等。

规定时间是指轨道交通车辆的工作时间。但是,值得注意的是轨道车辆可靠性评价中的规定时间并不是单纯的自然时间。事实上,在实际运行当中并不是每时每刻车辆或者车辆的主要功能模块及部件都在执行它的任务。比如同样是在运营时间内,作为正线备车的车辆虽然也在运营线路上,但实际上没有真正意义上的在执行运行任务。又如在站台等待的时候,车辆的牵引系统就是不工作的;而在正常行驶的情况下车辆的制动系统也是不工作的(此时制动系统应该只能算作待机状态)。因此,直接以自然时间作为在评估轨道交通车辆的可靠性时的规定时间是不正确的。通常对于轨道交通车辆可靠性评估中的规定时间是以运行里程来替代的。虽然正确的来说轨道交通车辆不管是整列车还是其主要模块或部件其工作状态应该是间断的,但是由于在正常运营时其动作从一个较长的运营里程的基础上来看是均匀分布的,即间断时间相对一致。所以,可以用运营里程代替它的“规定时间”[3]。

规定任务简单地讲就是轨道交通车辆跑得起来,停得下来。当然实际上规定任务的要求要复杂得多。就跑得起来来说,不仅仅是要能动起来,而且是要能够达到设计的时速。以上海轨道交通车辆来说,一般设计要求能够达到的最高时速 80km/h(在规定的负载之下)。拿停得下来来说,不仅仅是停下来,而且要及时地停下来。停得过快,或是停得过慢都会对整个轨道交通的车辆运行系统带来影响。特别是紧急情况下,能否及时停下车辆将直接影响到安全。除此之外,诸如车门能不能按要求打开、空调能不能使车厢保持适当的温度、车辆能不能正常地从供电触网上获得电能等都是规定任务中所需包括的。

但是除了了解三个要素在轨道交通车辆可靠性方面的特点以上,要真正对可靠性进行评估还有许多内容和要点需要关注。其中分类和分级在这里要重点提出。

3 可靠性评估中的分类

分类主要指的是对轨道交通车辆在实际运营过程中发生故障的部件进行分类。虽然我们在这里谈轨道交通车辆可靠性的评估问题,但是必须认清的是评估可靠性的最终目的是在于改进。而要改进,就必须知道可改进的点在哪里,以及需要改进的点与哪些因素可能有关系。

轨道交通车辆是一种集成多系统的产品。因此,仅观察整列车的故障波动其现实意义其实并不大。将整列车的故障分解到子系统或主要部件,乃至子系统的各个部件对分析问题才具有价值。

我们可以对比下面的趋势图。这些图是根据上海某轨道交通线路车辆 18个月的故障情况绘制的。其中第一张(图 1)是整车的故障趋势图。后 4张(图 2、图 3、图 4、图 5)是 4个主要子系统的故障趋势图。从这几张图可以看出列车的故障波动情况和某一个子系统或主要部件的故障波动情况是有很大差异的。所以,列车的可靠性波动只能告诉我们列车的使用状态是否理想,而分类系统的可靠性波动才能告诉我们哪里是我们该去关注,甚至告诉我们所要关注的系统可能与什么问题有关。

图1 车辆故障统计趋势图

4 可靠性评估中的分级

除了分类,还有分级问题。所谓分级,指的是对故障的严重性进行区分。一般建议可以分三到四级。以四级来说,第一级严重性高,一般为涉及到安全性的问题。不过针对这一点,我们要提出一些新的观点。就是如果问题发生,且问题涉及到安全,但是系统对问题有自动反应的设计,且确实进行了反应,我们可以认为这不是第一级的问题。此时,这种问题并不是严重性最高的。换句话来说,问题的严重并不一定在于故障所导致的危害大小,而是在于故障发生及危害产生之后没有得到适合的控制。第二级严重性比较高。一般是影响到了列车的正常使用,也就是主要功能性故障。当然前面我们提到的诸如涉及到安全问题,但是有适当的自动响应控制的问题,也可以算作第二级的问题。第三级为严重性不高的问题。如影响舒适性的问题,也就是次要功能性问题。最后一级就是那些基本上不严重的问题。对于故障进行严重性的分级,其意义在于了解车辆当前急待解决的问题到底在哪里。这样,不管是车辆的使用方(地铁运营商)还是车辆的制造方,或是子系统的供应商,都能聚焦资源以解决重要的问题。也就是说在车辆可靠性的提升工作上做到有的放矢。图 6就是一张分级后的车辆故障趋势图。从这张图中可以看出,虽然从车辆整体来看故障的总体趋势下降了,但是作为对车辆运行影响最大的严重性第二级的故障来说,没有太大的改进变化。也就是说,主要功能性方面的故障没有出现较大的改观。当然这有两种可能。一种是主要功能性的故障维持在一个可接受的正常水平上,另一种情况就是这条线路上对于车辆的改进重点并没有聚焦正确,或者说该重点投入资源的地方并没有投以足够的资源。

图6 车辆故障分级统计趋势图

5 结语

在车辆的可靠性评估方面分类和分级应该说是两项重要的内容。除了这两点以外,还有很多内容值得研究和探讨。比如如何获取评估所需的数据,如何规范化数据,以及怎样界定故障对车辆的运营产生了影响(这涉及到如何定义必要运营能力和增值运营能力的问题)。

总之,轨道交通车辆可靠性的评估是一项非常复杂的工程,需要我们不断地去深入研究和实践的。我们也相信通过这项工作会使我们国内的轨道交通车辆的可靠性水平乃至轨道交通系统的可靠性水平得到改进和提高。

[1]安炳淑.质量专业理论与实务[M].北京:中国人事出版社.2006.

[2]孙章,何宗华,徐金祥.城市轨道交通概论[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[3]曾天翔,杨先振,王维翰.可靠性及维修性工程手册[M].北京:国防工业出版社,1994.