AHP在ATP车载设备维修决策中的应用

何祖涛，程林芳，徐乐英，康仁伟，庞彦知

(1.北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京100071；2.中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081；3.卡斯柯信号有限公司，北京 100045)



AHP在ATP车载设备维修决策中的应用

何祖涛1，程林芳2，徐乐英2，康仁伟2，庞彦知3

(1.北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京100071；2.中国铁道科学研究院 通信信号研究所，北京 100081；3.卡斯柯信号有限公司，北京 100045)

基于以可靠性为中心的维修理念，对列车自动防护(ATP)车载设备进行功能和故障模式分析，运用层次分析法(AHP)对某种类型的ATP车载设备故障影响程度进行定量评估.结果表明：TCR天线的故障影响程度最高，BTM的故障概率最高，应适当调整这两个设备的维修策略.说明AHP方法可有效运用于ATP车载设备的维修决策，可针对性的优化既有的通用维修模式.

层次分析法；列车自动防护车载设备；维修

列车自动防护(Automatic Train Protection，ATP)车载设备是保证行车安全的重要装备，随着动车组数量日益增多，ATP设备日常维修任务越来越大.在保证设备质量前提下，如何有针对性地对ATP设备进行维修，对于优化设备的维修周期和项目，减少维护人员的劳动强度等具有重要的现实意义.

本文作者基于可靠性为中心的维修理念(Reliability Centered Maintenance，RCM)[1]对ATP车载设备进行故障模式及影响分析，运用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[2-3]对ATP各子设备故障后的影响程度权重进行评估，按照权重大小，适当地调整ATP子设备的维修周期和维修项目，对ATP车载设备维修提出了优化建议.

1 ATP设备故障模式及影响分析

在分析ATP车载设备结构和功能基础上，列

出ATP设备的故障模式，确定各模块故障之后的影响程度，通过AHP评估各模块的维修可信度，进而针对性地得出维修策略.

1.1 ATP车载设备结构和功能

从维修的角度，设备安装的位置和运行环境影响维修频次和范围.如图1所示.

图1中ATP车载设备按安装的位置有车内设备和车外设备，车内包括安全计算机(Vital Computer，VC)，测速测距模块(Speed Distance Unit，SDU)，应答器传输模块(Balise Transmission Module ，BTM)，轨道电路信息读取器(Track Circuit Reader，TCR)，铁路综合数字移动通信系统(Global System for Mobile Communication for Railway，GSM-R)，列车接口单元(Train Interface Unit，TIU)，人机界面(Driver Machine Interface，DMI)，司法记录器(Juridical Recorder Unit，JRU)等，车外包括速度传感器、BTM天线、TCR天线和GSM-R天线.

1.2 ATP车载设备故障模式

故障模式是设备故障的表现形式.其最先被维修人员感知，随后进行故障处理.通常，故障模式作为设备故障影响程度的主要参考.ATP车载设备各子设备的主要故障模式如表1所示.

1.3 ATP车载设备故障影响

故障影响是指故障模式会造成对安全性和设备功能的影响，包括局部的和最终的影响.ATP车载设备故障影响分析从以下几个方面进行： 1)ATP设备故障发生后，造成的后果及故障后果的严重程度；2)故障后果是否影响到行车安全；3)本层次故障是否会影响更高一层使用；4)处理故障需要做的补偿工作.

表1 ATP车载设备主要故障模式Tab.1 ATP on-board equipment failure modes

根据铁路应用：可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)的规范和示例[4]，对ATP设备故障严重度等级进行划分，如表2所示.

表2 故障严重度等级Tab.2 Fault severity levels

2 故障影响评估

AHP是一种解决多目标复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法.该方法将定量分析与定性分析结合起来，用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标准之间的相对重要程度，并合理地给出每个决策方案的每个标准的权数，利用权数求出各方案的优劣次序[2].

运用AHP对ATP各子设备故障后的影响程度权重进行评估，按照权重大小，适当地调整ATP子设备的维修周期和维修项目.

2.1 确定评估指标相对权重

AHP根据问题的性质和达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，从而最终使问题归结为最低层(供决策的方案和措施等)对于最高层(总目标)的相对重要权值的确定或相对优劣次序的排定.构造各层对上一层每一因素的判断矩阵为A=[aij]n×n，其中:aij>0；aii=1；aji=1/aij.其定义如表3所示.

表3 相对权重定义Tab.3 Relative weights definitions

表3中，设2，4，6，8为中间值.根据此定义，邀请多位专家对ATP车载设备各子设备故障之后的影响程度进行定量评估，得出判断矩阵A.

2.2 一致性检验

能否对ATP子设备的故障影响程度进行排序，需要对判断矩阵A进行一致性检验，所谓一致性检验是指对A确定不一致的允许范围[5-6].通常，采用λ-n数值的大小衡量A的不一致程度.其中:λ是矩阵A的最大特征根;n是矩阵A的阶数.

定义一致性指标为

CI=(λ-n)/(n-1)

(1)

式中,CI有如下特点：CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重.

定义一致性比率为

CR=CI/RI

(2)

一般，当一致性比率CR<0.1时，认为A的不一致程度在容许范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验.可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造矩阵A，对aij加以调整.随机一致性指标RI的取值根据矩阵的阶数决定，具体如表4所示.

表4 RI的取值Tab.4 RI values

判断完成层次单排序的一致性指标后，还需要计算某一层次所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的权值，即层次总排序.

层次单排序一致性指标[7]为CIj，随机一致性指标为RIj，则层次总排序的一致性比率为

(3)

当CR<0.1时，认为层次总排序通过一致性检验.

2.3 计算ATP设备故障影响程度权重

选取ATP车载设备生产厂家技术人员、现场维护人员、ATP车载设备技术规范人员等专家对ATP设备的故障模式进行问卷调查，得出ATP车载设备的故障影响及严重程度.本文邀请5位专家对某种类型的ATP设备(如下记做ATP-1型)故障影响程度打分，打分过程中充分考虑专业储备知识，结合表1的描述、表2和表3的定义，其中1位专家对ATP-1型ATP设备的故障影响程度打分构成的判断矩阵为A11，A12和A13.其中，A11表示车内设备相互比较的故障影响程度，A12表示车外设备相互比较的故障影响程度，A13表示车内和车外相互比较的故障影响程度.其他专家的打分结果类似.

按照图1中设备的顺序，车内设备依次记做A1，A2，…，A9，则判断矩阵A11为9×9的矩阵，元素aij表示设备Ai相对于设备Aj故障之后的影响重要度。比如，a23=3，表示设备BTM故障之后的影响稍微重要于设备SDU，反之，SDU相对于BTM的值就是1/3，即a32=1/3.同理，可得矩阵A12和A13.

直接计算AHP权重结果是比较复杂的，本文采用SUPER DECISIONS(简称SD软件)来辅助计算.SD软件分别计算5位专家对应的车内设备权重值如图2所示，相应地，一致性比率CR见表5.

表5 ATP-1型ATP车内设备故障影响程度一致性比率Tab.5 Consistency ratios of ATP-1 inside equipment failure affecting degree

从表5一致性数值可知专家2的一致性比率超过了0.1，不满足一致性校验，所以专家2对车内设备的判断数据不可用.将专家1、专家3、专家4和专家5对应的数据取均值，如表6所示.

表6 ATP-1型ATP车内设备故障影响程度权重均值Tab.6 Mean weights of ATP-1 inside equipment failure affecting degree

同理，可得ATP-1型ATP车外设备权重值和车内车外设备比较权重值分别如表7和表8所示.

表7 ATP-1型ATP车外设备故障影响程度权重均值Tab.7 Mean weights of ATP-1 outside equipment failure affecting degree

表8 ATP-1型ATP设备故障影响程度权重均值Tab.8 Mean weights of ATP-1 equipment failure affecting degree

综合表6、表7和表8计算得到ATP-1型车载设备的故障影响程度权值排序如表9所示.

表9 ATP-1型ATP设备故障影响程度权重排序Tab.9 Sort weights of ATP-1 equipment failure affecting degree

3 结果分析

根据表9所示AHP的分析结果，绘制ATP-1型ATP设备故障影响程度柱状图如图3所示.

由图3可得，对于ATP-1型ATP设备，TCR天线故障之后的影响程度最大，速度传感器次之.因而，应该增加对TCR天线和速度传感器的检修频次，优化其检修项目.

统计ATP-1型ATP设备从2011年1月1日至2015年9月30日的历史故障数据，所得各子设备的故障占比如图4所示.

由图4可得，BTM的故障概率为0.53，所占比重相对最大，该设备的日常维护中应该加强对BTM的检修频次，并细化BTM的检修项目.

综上，从设备故障之后的影响程度和故障发生的概率两个层面分析了ATP设备的故障情况，得出ATP-1型设备在日常检修和维护过程中，应该重点检查TCR天线、速度传感器和BTM.所述“重点”是指除了外观检查之外，还应该通过数据判断设备的状态，查看是否有异常或者异常趋势.

4 结论

本文作者提出了一种基于AHP优化ATP车载设备维修策略的方法.通过对ATP-1型设备的故障影响程度和故障发生概率计算分析，得出了TCR天线故障之后的影响权重是0.17，BTM故障概率是0.53，这两个值相对最高.因而在日常维护中，应该增大了ATP-1型设备TCR天线、BTM的检修频次，使得设备维护更具有针对性，有益于故障定位和缩短故障处理时间.可见，AHP对于优化ATP车载设备的维修策略是有效可行的.

[1] 刘骄.以可靠性为中心的维修在高速铁路道岔中运用研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2014:21-62. LIU Jiao.Reliability centered maintenance in the study on the turnout of high-speed railway[D]．Beijing: China Academy of Railway Sciences,2014:21-62. (in Chinese)

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Application of AHP in ATP on-board equipment maintenance decision

HEZutao1，CHENGLinfang2，XULeying2，KANGRenwei2,PANGYanzhi3

(1.Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Ltd., Beijing 100071, China; 2.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 3. CASCO Signal Ltd., Beijing 100045, China)

This paper analyses the function and failure mode of ATP on-board equipment based on the reliability centered maintenance concept. The analytic hierarchy process (AHP) method is used to quantitatively assess the failure affecting degree of some types of ATP on-board equipment maintenance. The results show that the failure affecting degree of TCR antenna is the highest,the failure probability of BTM is the highest. Therefore the maintenance strategy of this two equipment should be adjusted. AHP method can be effectively applied to the maintenance decision of ATP on-board equipment and it could optimize the existing maintenance modes.

analytic hierarchy process; automatic train protection on-board equipment; maintenance

2016-06-06

中国铁路总公司科技研究开发计划项目资助(2014X008-B);中国铁道科学研究院院基金课题资助(2014YJ071)

何祖涛(1969—)，男，河南南阳人，高级工程师. 研究方向为高铁列车运行控制系统.email:xly_bj20080808@139.com.

U283.4

A

1673-0291(2016)05-0111-05

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.05.019