城市轨道交通车辆可靠性评价方法研究

张占周

（石家庄市轨道交通有限责任公司，河北石家庄 050035）

0 引言

当前，我国城市轨道交通建设已进入高速发展期。截至 2017年7月，全国已有 31 座城市，合计开通运营了 139 条城市轨道交通线路，总里程达 4 066.39 km。车辆作为轨道交通建设的核心组成部分，其可靠性直接影响到运营安全，因此对车辆可靠性进行全面评估显得尤为重要。目前车辆到段后，需要通过型式试验、预验收等方式来检验车辆功能、性能，但尚无一个针对车辆可靠性的评价体系。本文在参考相关标准和以往线路建设经验的基础上，基于模糊理论构建车辆多指标评价体系，计算得到综合权重矩阵，形成城轨车辆可靠性评价方法。

1 车辆可靠性评价体系的建立

1.1 车辆可靠性评价指标

车辆验收、运行过程中，人工发现的故障会由建设单位、运营单位记录整理形成故障库，车辆自带的故障诊断系统也会自动记录并上传诊断发现的故障。本文以故障数量为指标来评判车辆可靠性。根据某市城轨 3 号线车辆验收、运营故障数据库和故障诊断系统文件，结合专家经验，将车辆分为转向架、车门、空调、牵引/辅逆系统、制动系统、网络控制系统、乘客信息系统 7 个系统来进行分析，每个系统的故障按照严重程度又可以分为若干类。

按照 GB/T 21562-2008 标准，城市轨道交通车辆的失效种类划为重大（停车事故）、重要（运行事故）、次要3 种[1]；参考文献[3]中根据引起的后果，将故障进一步细化分为救援故障、清客故障、运行故障 3 类。本文参考上述 2 种分类方法，将故障分为 4 类（表1）。

表1 车辆故障分类

将车辆可靠性状态记为Y，将7个子系统分别记为A～G，每个系统的故障按等级用1～4来表示。指标A1～G4分别表示系统A～G在故障等级1～4上发生的数量。车辆可靠性评价体系如图1所示。

1.2 评分矩阵

按照模糊理论，需要确定各项指标的评语集和隶属度函数[2]。车辆可靠性评价的评语集为优、良、差三级，其中“优”表示指标检测结果合格；“良”表示指标检测结果处于临界状态；“差”表示指标检测结果不合格。

车辆各系统故障数越少（即 A1～G4 数值越小），表明车辆可靠性越高，所以 A1～G4 全部 28 项指标均为成本型指标。其隶属函数为[4]：

图1 车辆可靠性评价体系

按照专家经验，将优、良、差三级评语的评分 Fk（k = 1，2，3）分别取为 100、75、50，则评价指标i的模糊评分 Hi为：

评分矩阵 H =（H1H2H3… H28）。

2 车辆可靠性多指标综合评价方法

2.1 确定权重矩阵

在车辆可靠性综合评价中，分别分析各指标在所属子系统故障中的发生频率，以及各子系统故障在整个车辆系统中的发生频率和影响程度，采用层次分析法，得到各指标的权重值。

根据层次分析法理论，将定量信息分为目标层、目的层和指标层，然后通过比率分析将设计者主观定性分析量化，对各指标进行权重计算[4-6]。上文图1中，Y 即为目标层，A～G 为目的层，A1～G4 为指标层。下面分 2 个层次来计算确定权重矩阵。先确定各指标在子系统中的权重矩阵 M，再计算各指标所在子系统在车辆系统中的权重矩阵 K，从而得到权重矩阵 S = M K。

2.1.1 各指标在所属子系统中的权重矩阵

由于车辆可靠性评价主要针对故障的发生频率和影响程度 2 个层面，A1～G4 指标本身就是按影响程度在所属系统内进行的划分，故各指标在所属子系统中的权重即为发生频率权重，可以得到指标i在所属子系统中的权重为：

式（3）中， ni为指标 i 的实测值；Ni为指标i所在子系统的故障总数。由此确定各指标在子系统中的权重矩阵：

2.1.2 各子系统在车辆系统中的权重矩阵

各子系统在车辆系统中的权重从该系统故障的发生频率 F 和影响程度 D 两个层面进行分析。

根据专家经验，确定两个层面的权重分别为 γ1、γ2，γ1+γ2= 1，则子系统 A 在车辆系统中的权重为KA= γ1×FA+ γ2×DA。其中：

式（4）中，NA为故障库中系统 A 的故障总数；N 为车辆系统的故障总数。下面以某市城轨 3 号线为例，计算空调子系统在车辆系统中的影响程度。对故障库中的全部 106 项空调故障数据进行分类，得到空调子系统主要故障可分为 9 种（表2）。

表2 空调系统的主要故障

可得故障 1 至故障 9 发生频率矩阵为：

根据专家经验，结合项目实际情况，评级为 1～4的故障对车辆系统的影响程度分别量化为 0.127 9、0.346 0、 0.702 1 、0.885 4。

则空调子系统的影响程度矩阵：

则空调子系统的影响程度 D = J×Z = 0.351 1。其他子系统的计算方法类似，可以得到各指标所在子系统在车辆系统中的权重矩阵。

2.2 综合评价

城轨车辆可靠性综合评价流程如图2所示。车辆可靠性综合评价 Q = H S。

图2 城轨车辆可靠性综合评价流程图

取车辆可靠性综合评价的三等级评语 Q 分别为优100 分、良 75 分、差 50 分。评价结果“优”表示故障数少且故障影响程度低，车辆可靠性高；“良”表示故障数和影响程度可控，车辆可靠性合格，但仍需进一步提高；“差”表示车辆可靠性不合格，在提高到合格线之前不宜上线运行。

由于城市轨道交通车辆的可靠性是一个动态变化的指标，所以对车辆的可靠性评价也需要定期进行，并依据评价结果对车辆进行针对性的维护和保养，使上线车辆的可靠性始终处于可控状态。不同城市、不同线路车辆的故障产生情况有很大的差异，所以本文所列的评价方法在后续推广过程中，对由专家经验和故障库得到的各项参数也要进行不断修正，从而更准确地反映车辆的可靠性状态。

3 结语

本文在车辆运营故障库和专家经验的基础上，综合运用模糊理论和层次分析法，对城轨车辆的可靠性状态进行评价。该评价方法可以进一步完善后推广，将为试运营评审和运营设备维护、检修提供依据，同时，为后续线路车辆项目的生产、验收提供借鉴和参考。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 21562-2008，轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[2]谢季坚，刘承平. 模糊数学方法及其应用[M]. 湖北武汉：华中科技大学出版社，2006.

[3]何玉琴. 地铁车辆的可靠性验证测试[J]. 城市轨道交通研究，2003（3）：42-44.

[4]陈卫，杨波，张兆云，等. 计及电动汽车充电站接入的配电网承载能力评估与优化[J]. 电工技术学报,2014，29（8）：27-35.

[5]孙宁. 机电设备可靠性、可用性、维修性和安全性应用基础[M]. 北京：中国人事出版社，2014.

[6]董锡明. 轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性(RAMS)[M]. 北京：中国铁道出版社，2009.