地铁车站机电设备可靠性分析及维保策略研究

高一凡，靳守杰，李赛，潘志刚，王诗瑶，刘晓光

（1.北京锦鸿希电信息技术股份有限公司，北京100070；2.广州地铁集团有限公司，广东广州510220；3.北京交通大学交通运输学院，北京100044）

0 引言

地铁车站机电设备是地铁车站的重要组成部分，包括AFC系统、电梯系统和屏蔽门系统，其运行状况会影响地铁车站运营，因此保证车站机电设备的可靠运行至关重要。通过分析车站机电设备的故障数据，识别出设备常见故障，并对常见故障进行针对性维保，能够降低机电设备在车站运营期间发生故障的概率，从而保证地铁车站的正常运营。

谭铁仁等［1］分析了地铁屏蔽门的4种常见故障，并阐述了故障发生原因及处理办法，为屏蔽门系统故障分类提供参考。张杰［2］结合相关工程经验数据计算了屏蔽门的平均无故障时间等可靠性指标。蒋坚迪［3］详细介绍了AFC系统的组成结构，以及各设备的功能。张炳森［4］定量分析了自动检票机的可靠性指标和寿命分布规律，并结合自动检票机实际故障记录，将设备故障分为5类，并对各类故障机理进行分析，为分析AFC设备故障提供参考。赵利瑞［5］介绍了自动扶梯的结构，并通过分析电扶梯的维修数据，对电扶梯进行故障模式、影响和危害性分析，发现电扶梯系统中的薄弱环节。通过对维修数据进行可靠性拟合，得到电扶梯的故障规律，并提出符合电扶梯故障规律的可靠度维修策略。Li等［6］分析了闸机、自动扶梯等车站设备的故障数据，并通过可靠性拟合选出最优分布，结合设备可靠度要求，分别确定设备的预防性维修周期。

分析AFC、电梯和屏蔽门系统等车站机电设备的实际故障记录，对设备故障进行分类。通过统计分析识别出常见故障，使用Minitab软件对各设备或部件进行可靠性拟合，确定最优分布；再根据设备或部件重要程度确定可靠度要求，进而确定车站各设备维保周期，对设备进行针对性维保，保证车站设备可靠运行。

1 屏蔽门系统可靠性分析

屏蔽门系统设置于地铁站台边缘，将列车与地铁站台候车区域隔离，在列车到达和出发时可自动开启和关闭，为乘客营造安全、舒适的候车环境。屏蔽门系统由机械和电气两部分构成，机械部分包括门体结构和门机传动系统，电气部分包括电源系统和控制与监视系统［7］。地铁屏蔽门系统基本构成如下［8］:

（1）门体结构:承重结构、门槛、顶箱、滑动门（ASD）、固定门（FIX）、应急门（EED）和端门；

（2）门机传动系统:驱动装置、传动装置和紧锁装置；

（3）电源系统:驱动电源、控制电源和照明灯带电源；

（4）控制与监视系统:屏蔽门主控制器（PEDC）、屏蔽门中央接口盘（PSC）、门控单元（DCU）、屏蔽门就地控制盘（PSL）、站台报警指示警盘（PSA）、就地控制盒（LCB）等。

根据故障后果严重程度，地铁屏蔽门系统故障可分为系统故障和单个门故障。单个门故障对乘客正常通过屏蔽门无明显影响，系统故障会严重影响乘客通行。

根据屏蔽门系统故障工单，地铁屏蔽门系统常见故障如下:

（1）系统故障:①不间断电源（UPS）蓄电池装置和配电设备；②PSL和LCB；③控制和配电设备。

（2）单个门故障:①后盖板、绝缘地板；②门体及其固定设施；③照明系统。

屏蔽门故障树分为系统故障树和单个门故障树。UPS蓄电池装置和配电设备故障、PSL和LCB故障、控制和配电设备故障之间呈串联关系，只要有1类设备故障，屏蔽门系统就故障。UPS蓄电池装置和配电设备故障主要分为驱动UPS故障和控制UPS故障，且两者呈串联关系，其他故障发生频次太少，故不计入故障树的分析中。控制及配电设备故障主要分为安全回路不通、主控报系统故障和PSA死机，且三者呈串联关系，其他故障发生频次太少，故不计入故障树的分析中。屏蔽门系统故障树见图1。

图1 屏蔽门系统故障树

后盖板及绝缘地板、门体及其固定设施和照明系统之间呈串联关系，只要有1类设备故障，屏蔽门单个门就故障。门体及其固定设施故障主要包括端门、司机门、应急门故障，个别门无法开关，门单元运行有异响，门头指示灯不亮或附件故障，并且四者呈串联关系，其他故障发生频次太少，故不计入故障树的分析中。照明系统故障主要分为屏蔽门软灯故障和光带故障，且两者呈串联关系。单个门故障树见图2。

根据广州地铁广佛线2017年10月1日—2018年4月12日的屏蔽门系统故障数据，对屏蔽门系统故障进行统计分析（见图3）。

门体及其固定设施故障和照明系统故障占91%，为主要故障，其故障后果均为单个门故障。结合故障率对各类故障进行定量分析，计算公式如下:

式中:λ为故障率，次/年；Nf为统计时段内设备故障总次数；Δt为统计时长，d；N0为设备总数。

系统故障总数为28次，统计时长为194 d，统计车站数为25座，共50套屏蔽门系统，则系统故障率为1.05次/年。系统故障率很低，对于单个车站，系统故障发生随机性较大，甚至在统计时段内可能不会发生故障。

图2 单个门故障树

图3 屏蔽门系统故障数据统计分析

以各个车站为样本使用Minitab软件进行可靠性拟合，采用极大似然估计法进行参数估计，使用安德森-达林（Anderson-Darling，AD）检验进行拟合度检验，得出最优分布参数［9］，其中，对应的AD值越小，分布与数据拟合越好；同时，利用对应的P-value（P值）来检验数据是否来自所选择的分布，如果P值小于所选α（通常为0.05或0.10），则拒绝数据来自该分布的原假设，P在［0，1］之间取值，P值越大，分布与数据拟合越好。门体及其固定设施故障和照明系统故障的可靠性拟合结果分别见图4、图5。

门体及其固定设施故障的最佳分布函数为指数分布，则其最优可靠度函数为:

式中:R(t)为可靠度函数；t为设备运行时间，d。

照明系统最佳分布函数为指数分布，则其最优可靠度函数为:

2 AFC系统可靠性分析

城市轨道交通自动售检票系统（Automatic Fare Collection System，AFC）是一种由计算机集中控制的自动售票（包括半自动售票）、自动检票以及自动收费和统计的封闭式自动化网络系统。

AFC自动售检票系统基于计算机、通信、网络、自动控制等技术，能够实现轨道交通售票、检票、计费、收费、统计、清分和管理自动化。

AFC系统的主流设计方案为5层架构:第1层，轨道交通线网清分系统（ACC）；第2层，线路中心计算机系统（LCC）；第3层，车站计算机系统（SC）；第4层，车站终端设备（SLE）；第5层，车票。

SC负责对本车站内部的所有设备进行实时监控，并可对本车站自动售检票系统运营、票务、收益以及维修等功能进行集中管理。SLE主要由自动售票机（TVM）、自动检票机（AGM）、票房售票机（BOM）构成。车票主要包括轨道交通专用票、市民卡、其他票种等。

车站层面AFC系统故障包括SC设备故障、TVM设备故障、BOM设备故障、AGM设备故障。当SC设备故障时，车站层面AFC系统就会发生故障，TVM设备、BOM设备和AGM设备之间呈并联关系，只有当上述3类设备全都故障时，车站层面AFC系统才会发生故障［10］。车站层面AFC系统的故障树见图6。

对于SC设备，全线一年的故障次数为15次，全线22座车站，SC的故障率为0.68次/年，故障率很低。SLE设备层面，TVM设备故障占69%，AGM设备故障占29%，BOM设备故障占2%。

图4 门体及其固定设施故障可靠性拟合

图5 照明系统故障可靠性拟合

图6 车站层面AFC系统故障树

分别对TVM、AGM、BOM的故障间隔时间进行可靠性拟合，故障拟合结果见图7—图9。

TVM故障的最佳分布函数为指数分布，则其最优可靠度函数为:

AGM故障的最佳分布函数为威布尔分布，则其最优可靠度函数为:

BOM故障的最佳分布函数为指数分布，则其最优可靠度函数为:

3 自动扶梯可靠性分析

自动扶梯是带有循环运行梯级，用于向上或向下倾斜输送乘客的固定电力驱动设备。自动扶梯由梯路（变型的板式输送机）和两旁的扶手（变形的带式输送机）组成。其主要部件有梯级、牵引链条及链轮、导轨系统、主传动系统（包括电动机、减速装置、制动器及中间传动环节等）、驱动主轴、梯路张紧装置、扶手系统、梳板、扶梯骨架和电气系统等［11］。

图7 TVM故障可靠性拟合

图8 AGM故障可靠性拟合

自动扶梯常见故障:自动停梯或无法开梯、异响、梯级损坏、导轨故障、扶手带故障、乘客事故、扶梯壁板带电、盖板防盗装置故障、梳齿板齿或梯级齿损坏、三角警示牌坏、防滑球故障、毛刷脱落或铁丝外露、无法运行节能模式、盖板变形、梳齿板松脱、零部件被盗、方向指示灯故障、安全标识不齐全、扶梯外观部件有油迹、装饰条故障、误报、外包板损坏。

图9 BOM故障可靠性拟合

自动扶梯故障可分为电气系统故障和机械系统故障，电气系统与机械系统呈串联关系，只要有1类部件发生故障，自动扶梯就会发生故障。机械系统故障可进一步细分为梯级系统故障、导轨故障、扶手装置故障、扶手带系统故障，上述部件同样也呈串联关系。自动扶梯故障树见图10。

分别对自动扶梯电气系统故障和机械系统故障进行可靠性拟合，拟合结果见图11、图12。

自动扶梯电气系统故障的最佳分布函数为威布尔分布，则其最优可靠度函数为:

自动扶梯机械系统故障的最佳分布函数为威布尔分布，则其最优可靠度函数为:

4 车站机电设备的维保策略建议

对于屏蔽门系统故障和AFC系统SC设备故障，其故障后果较为严重，但故障率很低，故障发生随机性很大，难以进行可靠性拟合分析，建议按照地铁公司现有维保计划维保，同时加强故障发生后的应急处理。

参照文献[6]中地铁车站设备故障对地铁车站运营能力的影响分析可知，自动扶梯是输送乘客的重要工具且扶梯数量较少，单个扶梯故障后也会严重影响乘客的正常通行，电气系统或机械系统故障都会导致自动扶梯故障，从而影响乘客通行。由于车站的AGM数量很多，单个AGM设备故障对车站运营能力影响较小。随着电子乘车码的普及，TVM和BOM不是乘客在车站必须使用的设备，其单个设备故障对车站运营能力影响较小。屏蔽门门体及其固定设施故障会导致单个门故障，从而影响乘客正常上下车，而照明系统故障对乘客正常通行几乎没有影响。根据故障后果严重程度，将车站机电设备或设备部件的可靠度要求分为3类:

（1）故障后对乘客正常通行影响严重的车站设备或部件，包括自动扶梯的电气系统和机械系统，其可靠度需保持在0.9及以上；

（2）故障后对乘客正常通行有一定影响的车站设备或部件，包括AGM、TVM、BOM和屏蔽门系统中的门体及其固定设施，其可靠度需保持在0.7及以上；

（3）故障后对乘客正常通行几乎无影响的车站设备或部件，包括屏蔽门系统的照明系统，其可靠度需保持在0.5及以上。

地铁车站机电设备可靠性随着运行时间的增长而降低，为了使地铁车站机电设备的可靠性保持在一定水平，尽可能避免车站机电设备在运营过程中发生故障，进而影响地铁车站运营能力，需要对车站机电设备或部件进行定期维保，每次定期维保后，车站设备的可靠性会得到提升。根据车站机电设备或部件的可靠度要求，结合其可靠性函数，车站各机电设备或部件的建议维保周期见表1。

图10 自动扶梯故障树

图11 自动扶梯电气系统故障可靠性拟合

图12 自动扶梯机械系统故障可靠性拟合

表1 车站机电设备建议维保周期

5 结论

统计分析了屏蔽门系统、AFC系统、自动扶梯等车站机电设备的实际故障数据，识别出了故障率高的设备或部件，并进行可靠性拟合，确定了最优可靠性分布。根据设备或部件故障后果严重程度，确定了相应的可靠度要求和维保周期，通过有针对的周期性维保，能够保证车站机电设备的可靠运行，同时该维保策略可为车站机电设备的维修管理提供参考。