城市轨道交通行车设备系统差异化维修策略研究

王海 苏俊杰 张目然

摘 要：为保持城市轨道交通设备系统运行的可靠性，文章通过建立维修策略库，对影响行车设备可靠性的多种关联条件进行分类分析，包括设备风险分级、全寿命周期阶段特点、设备失效特征、设备使用环境等，提取其特性因素，构建城市轨道交通行车设备维修策略选择模型，分析差异化运营条件下的维修策略判定路径及选用指引，从运营到维修保养形成差异化维修策略集合，以确保城市轨道交通行车设备的可靠性。

关键词：城市轨道交通;可靠性;维修策略;风险等级;设备失效特征

1 背景

近年来国内城市化率快速提升，带动城市轨道交通（以下简称“城轨”）高速发展。以广州市为例，截至2019年底，已开通运营14条城轨线路，运营里程超过500 km[1]。城市轨道交通的运营迈入线网时代，关键设备的失效影响将被线网进一步放大，这对设备及系统全寿命周期可靠性的设计和保持提出更高要求[2-3]。與此同时，随着城轨设备的更新迭代，设备种类、设备技术层级、设备役龄等均呈现多样化。而线网设备运营环境的复杂性、新线路维保人员数量和技术水平相对不足、设备工作环境的差异等因素让设备可靠性的保持面临更多不确定性。国内外众多学者在城轨设备的维修策略 [4-8]和可靠性管理[9-10]方面做了大量研究，在此基础上，为实现行车设备在复杂环境下保持可靠性的目标，本文进一步研究城轨行车设备在不同条件下的差异化维修策略。

2 维修策略选择模型

为保证城轨设备的可靠性目标能持续、有效、全过程地实现，需要制定全系统、全寿命周期不同阶段节点、不同应用场景所对应的维修策略。同时，由于环境时刻变化，制定的策略应具有时效性并及时更新。本文通过分析维修策略，构建差异化维修策略的选择模型和策略库，以供城轨行车设备维保单位参考使用。

2.1 维修策略制定的阶段划分

城轨维修策略制定一般分为2个阶段：方向性维持策略阶段和方案类维修策略阶段。

方向性维持策略阶段，主要根据运营目标对设备进行分类评估。城轨系统当前主要以可靠性、可用性、可维护性、安全性（RAMS）为分析依据，如以可靠度为中心的维修策略（RCM）等[11]。运营部门根据分析结果划分设备类别，选择方向性维修策略，该阶段的维修策略主要包括4类：事后维修、计划维修、状态维修、改良维修[12]。

方案类维修策略阶段，主要对维修策略进一步细化，如计划维修按照不同周期分为月度维修计划、年度维修计划等;状态维修可根据应用条件实现状态监控，或进一步提炼设备失效特性因素构建故障预测模型，再根据预测结果编制精准的维修方案。

2.2 维修策略选择模型

维修策略的选择模型由3部分构成（图1），分别为：判定流程、策略选择流程、策略库的构建完善机制。

2.2.1 判定流程

判定流程重点做好以下3步：

（1）分析影响行车设备运营目标达成的相关因素;

（2）将相关因素按照特性进行归类;

（3）设计相应设备的特性判定条件。

使用该模型时，应依据设备特性选择所使用的判定条件，按照一定的次序进行判定，得出判定结果，形成设备特性因素及判定结果表，如表1所示。根据设备的重要性及影响大小进行设备分类，按照设备类别区分管理优先等级。设备重要度通常分为A、B、C 3类，A类重要度最高，B类次之，C类最低。同时，根据零部件重要性以及零部件失效对设备安全或运行影响的大小进行分类，按部件重要度从高到低分为a、b、c 3类。零部件的重要度分类需与设备分类管理关联[13]。

表1中，严重程度S、可能性O、探测度D一般从高到低分为5级;严重程度S指设备故障后果的严重程度，如影响列车运营安全定为5，对列车运营无影响定为1;可能性O指设备故障的发生频率，通常>4%定为5，≤1%定为1;探测度D指在设备出现失效模式过程中，通过检修方式将失效模式检查出来的程度，失效模式形成后仍无法检查出问题定为5，失效模式形成前能将问题全部检查出来定为1。

2.2.2 策略选择流程

根据设备或部件的判定特性结果并结合多个判定条件，从维修策略库中选择适用的维修策略，形成设备在不同条件下的维修策略集。

2.2.3 策略库的构建完善机制

策略库的构建完善机制具体如下。

（1）收集当前维修策略，并按照4类方向性维修策略对维修策略进行分类，构成初步的维修策略库。

（2）根据设备或部件特性判定结果，选择适用策略;当未有适用策略时，需创建新策略并纳入策略库。

（3）形成设备的维修策略集后，根据策略执行并判定相应运营目标的达成情况。达标则保留该方案，以便同类相关设备参照;不达标则重新评估，调整策略。

3 差异化维修策略实施步骤

以某地铁行车设备为例，介绍差异化维修策略模型的实施步骤。

3.1 分析影响设备运营目标达成的因素

地铁主要根据设备的可靠度分析运营目标的达成情况，本文依据设备的固有可靠度和外部可靠度对设备的差异化进行分析，提取特性因素。

3.1.1 设备固有可靠度因素

即只与设备相关的、相对固定的可靠度因素，包括以下2方面。

（1）设备发生失效的方式。失效方式在设备设计安装时已经固定，表征设备失效特征的具体参数如温度、压力、振动、声音、润滑油质等。

（2）设备寿命周期阶段。相同设备进入寿命周期阶段的时间与设备使用情况有关，但相应寿命周期阶段的设备失效表现基本相同。

3.1.2 设备外部可靠度因素

即与设备所处的外部情况相关的可靠度因素，包括以下3方面。

（1）设备及部件的风险等级。相同的设备在系统中的不同位置、不同的运行要求下有不同的风险等级。

（2）设备的工作环境。相同的设备由于所处的工作环境不同而影响其可靠度，如客观环境的客流密度、温湿度、粉尘污染度、极端气候环境等。

（3）维保人员平均技能水平、维保人员配备数量、备件预算费用等。

3.2 特性因素归类

对3.1章节所列因素进行归类，主要包括以下4类：①设备及部件风险分级;②设备寿命周期阶段（设备层面）;③设备失效特征（部件层面）;④设备工作环境。

由于设备及部件风险分级和设备寿命周期阶段属于方向性维修策略，所以在选择维修策略判定路径时会优先判定这2个条件;设备失效特征和设备工作环境涉及更具体的应用层面，所以在判定路径设计时一般靠后，并视需要进行判定。

3.3 设计相应特性判定条件

3.3.1 设备及部件风险分级

设备及部件风险分级（后果的严重程度，结合后果的发生概率）的判定条件按照设备失效影响的等级划分，具体如下：

（1）设备层级划分为高中低3级，即服务失效-高风险，任务失效-中风险，功能失效-低风险;

（2）部件层级，一般只对A类设备的部件按照失效模式和影响分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）模型设定评估条件进行评估;对于B类和C类设备，可不作部件层级的判定。

以上判定结果如果为高风险，则主要以状态修策略为主，改善/改良策略为辅;中风险则适用计划修策略;低风险适用事后/故障修策略。

3.3.2 设备寿命周期阶段

设备寿命周期分为“设计规划、初期管理、验收运营、淘汰期”4个阶段：

（1）设计规划阶段是指从规划选型立项到设备出厂过程;

（2）安装调试阶段是指从设备出厂到验收交付前过程;

（3）验收运营阶段是指从验收交付到设备淘汰/改造立项前过程;

（4）淘汰期阶段是指从设备淘汰/改造立项到设备处置完成过程。

各阶段均有适用的维修策略，如设计规划阶段的可靠性分配设计策略、稳定期的基于剩余寿命预测的维修策略;每个阶段可以再细分，如淘汰期可分为使用寿命淘汰（无法修复）、经济寿命淘汰（维持或修复费用大于置换费用）、技术寿命淘汰（新技术更安全可靠，经济适用等）[14]。

3.3.3 设备失效特征

设备失效特征包括突发型和劣化型。

（1）突发型。当前无探测手段，只有在失效后才能发现的失效类型。

（2）劣化型。指已经初步了解设备失效特性，可对失效特性进行监控分析，提取预估失效的类型。劣化型向下细分还可以分为指标监控型和模型预测型等。

突发型失效适用策略为冗余设计、维修预案、维修演练、维修资源的现场配备等;劣化型失效由于其劣化因素和特征一般可以检测，所以基于特征参数监控如点检定修、状态维修（CBM）和基于预测模型的预测维修（PM）策略均适用[15]。

3.3.4 设备工作环境

设备工作环境影响特征分为客观环境及主观环境2方面。

（1）客观环境。基本不受人为因素改变，仅可在局部区域改善，如温湿度、粉尘污染度、极端气候环境等。

（2）主观环境。可通过人为因素干预有较大改变，如维保人员技能成熟度、维保人员配备数量、备件预算费用等。另外如客流强度，虽能一定程度控制，但投入较大、影响较广，一般视做客观环境进行评估。以上因素经综合判断，可得出环境判定结果为良好、适宜、恶劣3个状况。

根据以上4个特性判定条件，可以得出设备的特性判定结果及相应数据。若在评估影响因素时，以上特性条件均不适用的，可归纳提炼新的特性并设计判定条件、判定结果和对应常用维修策略说明。

3.4 维修策略的选择

根据设备特性，从4类特性判定条件中选择适用判定路径，获取判定结果，并根据判定结果从维修策略库中选择适用维修策略。其中，维修策略库根据4 大类策略初步建立，如表2所示。

如设备/部件风险分级划分为低风险的，判定为事后/故障维修类策略，一般采取设备故障后修理策略;若判定结果为中、高风险，则需要更具体的特性结果数据，并结合方向性维修策略的判定结果，选取适用维修策略。表3为某地铁公司行车设备的特性判定结果示例。

由表3可知，信号、车载列车自动控制（ATC）系统部件、应答器传输模块（BTM）和发送-接收装置（TRU）为中风险等级、高探测度，状态修不适用，适用计划维修。而BTM故障后果较为严重，相对价格低，所以可采取计划检测替换的方案;TRU严重度低，更换价格高导致其环境评级恶劣，所以适用加强计划保养，保持清洁度的方式提高可靠度。

变电、断路器属于高风险等级，应采取改善维修策略，由于其在该线属于老化淘汰期（老化故障高发），所以可结合新技术研发新型断路器。目前该地铁运营团队新研发的智能断路器，可自动识别故障并报警，防止误跳闸，通过降低探测度D和可能性O的风险，从而降低总体风险等级。

线路、道岔钢轨属于低风险等级，维修策略应列为故障維修，但因其故障后果会随着失效时间上升，所以计划维修更为适合。同时因其属于劣化型周期性失效，可通过建立评估模型制定更合理的维修周期，某地铁运营团队构建了基于钢轨磨损寿命预测模型，通过预测钢轨磨耗程度来设置最佳的计划检修周期。

接触网、柔性接触网属于中风险等级，但其故障后果难以控制，所以需降低可能性O和探测度D的风险。而其处于淘汰期，可逐步替代。其维保工作量大也是造成环境等级评价恶劣的因素，经评估，更换为刚性接触网后具有更高可靠度，维护工作量也更少。

4 结语

本文构建的维修策略选择模型，可满足城市轨道交通行车设备全寿命周期可靠性保持的需求。由于维修策略制定流程涉及的环节较多，后续需要通过各维保单位积极参与，共同完善该维修策略模型;同时也可通过信息化技术，简化判定工作量，使该研究成果更好应用于城轨行车设备可靠性的保持。

参考文献

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收稿日期 2020-04-10

责任编辑 胡姬