城市轨道交通RAMS技术发展与展望*

曾若辰

(上海大学悉尼工商学院,上海 201800)

0 引言

近年来,随着城市经济的快速发展,城市轨道交通成为破解大城市出行难题的重要途径,凭借其运量大、效率高、安全舒适、绿色环保等优点备受青睐［1］。截至2022年末,中国内地城市轨道交通运营里程已突破1万km［2］,各地轨道交通发展显现出网络化运营、客流量激增、发车密度增大等趋势。“十四五”期间,我国城市轨道交通进入运营管理快速提升的转型发展期,行业重心已逐步向管理效能提升、运营可靠度提高、服务质量升级阶段过渡［3］。与发达国家相比,我国地铁建设及运营体量虽位于世界领先地位,但运营维护水平尚存在较大差距。目前国内城市轨道交通行业正在逐渐引入RAMS技术作为一种主动隐患管理工具,保障城市轨道交通系统的安全、可靠、稳定运行。本文将从城市轨道交通RAMS指标体系、工作流程、技术应用等方面分析当前我国RAMS技术发展现状与展望,对我国城市轨道交通RAMS技术推广应用具有积极的作用。

1 城市轨道交通RAMS体系

为了提高城市轨道交通系统的整体性能和安全性,需要综合考虑可靠性(reliability)、可用性(availability)、维修性(maintainability)和安全性(safety)这4个要素,即RAMS［4］。RAMS是轨道交通产品的4个重要特性,也是世界先进轨道交通行业普遍采用的关键技术。轨道交通RAMS各要素间的相互关系如图1所示［5］。不同的RAMS要素有不同的侧重点和管理方法,例如,RAM管理主要关注故障分析和运营任务的成功实现,而安全管理则重视危险分析和人员安全保障。通过将RAMS结合起来,可以优化系统设计、改进运营管理,从而实现可靠、可用、易维护和安全运营。因此,RAMS技术在城市轨道交通领域中具有重要意义和广阔的发展前景。

图1 RAMS相互作用关系模型Fig.1 RAMS interaction relationship model

1.1 可靠性

可靠性是指部件或系统在给定的时间和条件下,执行给定功能的能力［6］。可靠性与其他指标的关系表现在,高可靠性意味着低故障率和少停机时间,从而增加了系统的可用性和安全性。可靠性可以用故障率λ或平均故障间隔时间(MTBF)来衡量,它们互为倒数关系。可靠性函数R(t)是系统在t时间内正常工作的概率［7］。

R(t)=Pr{T≥t}

(1)

(2)

式中：T为系统故障前的正常工作时间,令F(t)=1-R(t),F(t)为故障累计分布函数,f(t)是故障概率密度函数：

(3)

故障概率分布函数f(t)可以通过处理大量历史故障数据,拟合确定部件故障规律得到故障分布函数［8］,如宗志祥［9］采用上海地铁13号线3年车门故障统计数据验证了车门故障时间间隔服从指数分布函数。常见的概率密度函数如表1所示［10］。

表1 常见故障概率密度函数Table 1 Common failure probability density functions

1.2 维修性

维修性是指部件或系统在规定的条件、程序和资源下,从故障状态维修恢复到正常状态的能力［11］。它涉及维修时间、维修费用以及维修人员和设备的需求。维修性对可靠性和可用性有直接影响,因为缩短维修时间和降低维修费用可以减少系统的停机损失,提高系统的有效运行和安全保障［12］。维修性通常用维修时间的概率分布来描述,其常用的指标为平均修复时间(MTTR),即从故障发生到故障修复所需的平均时间［13］。

(4)

维修时间的概率密度函数h(t)是维修性分析的基础,它描述了单位时间内完成维修的可能性。根据每个部件和系统的MTTR和故障次数的预测,可以计算总体平均维修时间的期望值。

(5)

式中：ti为第i次记录的修复时间;nr为记录维修次数。

1.3 可用性

可用性是指部件在规定条件和规定时间内维持规定功能的能力［14］。对于城市轨道交通运营而言,地铁列车工作时间的延长和非工作时间的减少是一个重要目标,可用性是可靠性和维修性的综合表征。可用性需要考虑系统的平均故障间隔时间、平均故障修复时间以及设备备件的可获得性等因素。部件可用度如式(6)所示［8］：

(6)

1.4 安全性

安全性指标衡量了系统在运行期间保护人身和财产安全的程度,考虑事故发生的概率、事故严重程度以及系统应对事故的能力［15］。安全性是RAMS中至关重要的指标,引入了风险概念,改变了传统安全管理的事后性质,更加强调前瞻性的风险管理［16］。常用的安全性指标是事故发生概率,采用平均事故率λs表示,与平均事故间隔时间MTBF(H)互为倒数［10］。

(7)

式中：ti为第i次记录的安全运营时间;ns为记录安全事故次数。

2 城市轨道交通RAMS工作流程

城市轨道交通系统RAMS工作流程包括项目全生命周期对系统的RAMS工作需求,可以分为RAM和安全两个部分进行［17］,如图2所示［18］。RAM活动侧重于通过RAM指标的分配、分析和验证来实现系统可能发生故障的闭环管理程序,而安全活动侧重于系统中可能的运行、操作和环境危害的识别、处理和验证来闭环管理。

图2 城市轨道交通系统RAMS管理流程Fig.2 RAMS process of urban rail transit system

2.1 RAM工作流程

2.1.1RAM保证计划

在城市轨道交通系统规划设计之初,需制定实现整体系统可靠性、可用性及可维护性(RAM)要求的计划,制定RAM目标并说明如何在全生命周期保证目的落实。根据《城市轨道交通初期运营前安全评估管理暂行办法》和《城市轨道交通正式运营前和运营期间安全评估管理暂行办法》等相关法规,城市轨道交通系统RAM考核指标如表2所示［19］。

表2 RAM考核指标Table 2 RAM assessment indicators

2.1.2RAM分配

可靠性分配是将可靠性的定量指标合理地逐级向下分配给子系统、设备单元、功能模块和组件等,对组成系统的每个子系统或部件都提出相应RAM指标要求,再进行对系统的RAM权重分配［20］。RAM指标的分配方法主要有等比例分配法、AGREE分配法、比例组合法等。以AGREE分配方法为例,AGREE分配法计算第i个部件的MTBF分配值公式如下：

(8)

(9)

式中：ti为第i个部件工作时间;Wi为重要度因子;ni为部件i的个数;Ri(ti)为第i个部件分配的可靠度值;N为系统包含的部件个数。

2.1.3RAM分析

在获取城市轨道交通系统的RAM指标分配值后,需要对系统可靠性进行分析预计,将预计值与目标分配值进行比较,若不满足目标要求,则需要对分析对象的组成部分可靠性进行提升,重新进行预计和分配。RAM分析步骤如下。

1)建立系统结构分解

系统结构分析是进行城市轨道交通系统RAM分析的基础工作,结构分解可以采用可靠性框图表示其组成部分间的相互关系,确定功能失效模式的因果关系［21］。可靠性框图旨在图形化显示各种使系统成功运行的串并联模块组合,常见的串并联模型类型如表3所示［15,22］,RBD 图中每个模块代表1个系统条目或功能。

表3 系统可靠性框图Table 3 System reliability block

2)故障模式影响及危害性分析

故障模式影响及危害性分析(FMECA)是一种系统化的方法,按照既定的步骤,对分析对象的各层次进行详细的故障模式识别,评估故障模式对系统各方面性能的潜在影响,并基于故障发生的可能性确定其危害性等级,进一步根据故障的严重性、发生频率和检测困难程度对每种故障模式进行优先级排序,从而通过消除或降低系统组件的潜在故障,提升城市轨道交通系统的可靠性水平。

FMECA包含故障模式影响分析和危害性分析两部分,并整合到一张分析表上。FMECA以关键故障模式为顶事件建立故障树进行多因素分析,找出各种故障模式的组合,为改进设计提供依据［23］。危害性分析主要采用风险优先数法(RPN),对每个故障模式进行RPN值排序并采取控制措施,将RPN值控制在可接受的最低水平［13］。FMECA也可以采用故障树分析、事件树分析、贝叶斯网络、人工神经网络等评估方法［24］。

3)系统可靠性预计

可靠性预计根据城市轨道交通系统架构设计、技术选型等信息,以元器件、零部件的失效率作为依据,分析系统实际可能达到的可靠性活动。可靠性预计验证了可靠性分配的合理性,可靠性分配为可靠性预计提供目标和要求。通过可靠性预计和分配,可以使产品在设计阶段就达到规定的可靠性水平,提高产品的质量和效益。

2.1.4RAM跟踪

RAM跟踪管理可采用故障报告分析和纠正措施系统(FRACAS),FRACAS是项目全生命周期实现RAMS闭环管理的必要保证［25］。FRACAS工作流程如图3所示,FRACAS应用于城市轨道交通系统全生命周期,采用“信息反馈,闭环控制”的理念,运用一套标准化程序上报、追踪和纠正设备故障,监控系统RAMS性能表现［26］,从而提高产品可靠性和维修性的预期要求。

图3 FRACAS工作流程［27］Fig.3 FRACAS workflow

2.2 安全工作流程

2.2.1安全保证计划

安全保证计划在项目策划阶段产生。在此阶段,安全保证计划包括制定安全目标和目标实现方式的安全管理策略,以及获取安全需求的安全分析活动的总体描述等内容。安全目标一般通过安全完整性等级(SIL)表示［28］(见表4),EN50126,EN50128和EN50129等标准对城市轨道交通系统的安全目标做出了规定［29］。

表4 SIL等级Table 4 SIL level

2.2.2风险识别

风险管理的第1步就是要综合全面地识别出系统中关于安全与健康的风险源,通过初步危害分析、系统危害分析、子系统危害分析、接口危害分析、操作与支持危害分析等方法分析不同阶段的风险源［30］。

2.2.3风险评估

风险评估分为定性分析和定量分析两类。定性分析主要依靠专家经验和个人能力,采用风险矩阵进行风评估［5］。如图4所示,风险矩阵图中横坐标表示危害严重程度,纵坐标表示危害发生频率［31］。根据地铁运营经验和以往项目经验对危险源的频率和后果进行评定确定风险等级,确定消除已识别危险源的方法或将其风险控制在可接受范围内的措施。

图4 风险矩阵Fig.4 Risk matrix

针对风险等级高(R1,R2)或导致人员死亡的隐患,还要进行定量分析,一般采用故障树分析法(FTA)或事件树分析法(ETA)进行分析评估。FTA是从顶事件开始成树枝展开状的分析评估过程,可以分析多项故障之间的相互影响,以及会引起安全风险(如撞车、脱轨等)的组合事件发生频率［32］。ETA用于找到风险发生的主要原因,通过推演可能产生的风险,将故障风险与各种原因之间的逻辑关系用树形图表示,确定风险概率最大的事件路径［21］。

2.2.4风险控制

风险评估识别出控制城市轨道交通系统达到可接受安全水平所需的措施,同时将这些安全需求或安全应用条件整合形成本专业的危害日志。这些安全需求将被分配给各专业和运营维护单位来实施,并在危害方确认接收证明后方可关闭。在整个生命周期活动中,各专业负责对危害日志进行维护和更新,以确保危害日志能够及时更新［30］。这样的风险控制流程可以确保城市轨道交通系统的安全性得到有效的管理和维护,同时保证安全需求落实和危害控制。

3 城市轨道交通RAMS技术进展

传统RAMS方法主要依赖于统计数据和经验知识,然而城市轨道交通系统难以在试运营期内产生充分的RAMS数据供分析,统计方法在面对复杂的地铁系统时可能存在局限性,无法对系统中的关键设备和关键环节进行准确定位和精确分析,准确评估系统RAMS状态,导致维修和管理策略的制定缺乏科学性和针对性。此外,传统方法还难以预测和应对潜在风险和故障,无法满足地铁系统快速发展和复杂运营环境下的需求。因此,当前许多研究对于RAMS技术进校了进一步发展,主要有系统关键设备识别、RAMS评估与预测、RCM维修策略优化3个方面。

3.1 系统关键设备识别

城市轨道交通系统结构组成复杂,影响其安全运行的因素众多不同组件发生故障时,对系统的可靠性和安全性的影响不同,在多数情况下,组件越关键,对系统RAMS特性影响越大,越需要重点考虑。通过深入研究和识别,系统关键设备识别在设计阶段能够指导系统RAMS需求分配权重的准确估计,实现资源的合理配置［33］;在投入运营后,可以制定有针对地维护和管理策略,提高地铁系统的可靠性和可用性［34］。系统关键设备识别为RAMS评估与预测提供了基础数据和准确的目标。

层次分析法(AHP)是系统关键设备识别最常用的方法,常规层次分析法为3层结构,可以由系统层、子系统和设备层组成。在建立AHP层次结构模型后,通过判断矩阵可以得到各指标的排序权重,从而识别出系统关键设备。但AHP法还存在评价主观性、一致性检验缺陷等问题,吴高华等［7］通过改进危险源模型评价,提出了FCS(事故频次F、事故严重程度C和设备管控程度S)评估指标与AHP相结合,识别出通信信号系统中的关键设备。李国正［10］引入三角模糊数改进AHP法,采用蒙特卡洛法分析相关数据,建立了地铁列车设备关键度评估模型。数据粗糙集理论［5］、灰色关联理论［34］、聚类分析［35］等方法也被用于基于AHP法的关键设备识别模型改进中。此外,还有决策拟定网格法、改进FMECA方法［34］等常用于设备重要度评价,王晨曦等［33］应用运维数据构建贝叶斯网络修正权重排序。这些改进方法的引入丰富系统关键设备识别中的应用,提高了评价结果的客观性和准确性。

3.2 RAMS评估与预测

RAMS评估与预测的研究能够全面评估地铁系统的性能,识别潜在的风险和故障,并为系统的维护和改进提供科学依据。RAMS评估与预测方法有马尔科夫过程、贝叶斯网络、Petri网络模型与威布尔模型等［5］。

马尔可夫过程常用于建立可修复系统的可用性模型,描述系统各阶段状态转移随机过程［36］,吴丹［37］采用马尔可夫链对轨道交通计算机联锁系统进行仿真分析,预测分析了RAMS指标的时变演化过程。贝叶斯网络通过分析和学习网络结构和参数,可以得到不同设备故障发生的概率信息,李松峰等［38］提出了基于贝叶斯网络的地铁设备故障诊断算法,将贝叶斯网络计算的故障概率与该种故障排查时间相结合作为预期故障诊断时间指标,并以该指标值从低到高依序进行故障排查诊断,大幅提高了维修效率。Petri网可以建立系统的模型,并模拟系统在不同条件下的运行特性,王彪［34］利用扩展Petri网理论建立了板式无砟轨道系统的动态可靠性模型,并采用蒙特卡洛模拟实验法预测系统RAMS稳态特征。威布尔分布是一种常用的可靠性分布模型,可以通过拟合实际的故障数据来描述组件或系统的故障时间分布特性。丁号［39］基于最小二乘法和遗传算法拟合制动装置部件的威布尔分布参数,定量评估了制动装置可靠性。通过RAMS评估与预测技术的研究,可以深入了解城市轨道交通系统RAMS水平,帮助制定合理的运维计划和调度方案,提高系统的运行效率和服务质量,降低事故风险,保护乘客和工作人员的安全。

3.3 RCM维修策略优化

以可靠性为中心的维护(RCM)是目前国际上通行的轨道交通维修策略［40］。RCM维修策略优化能够根据设备的可靠性、故障特征和维修成本等因素,制定出更有效的维修策略,提高设备的可靠性和可用性,减少维修成本和停运时间。传统的依靠检修人员经验的故障诊断和维修方法已经无法有效地应对地铁系统复杂化、多样化的故障维修特征［39］。因此,行业迫切需要加强对制定维修策略准确性与合理性的研究,不断改进优化维修策略。

在识别出系统关键设备和设备RAMS指标预计分析的基础上,维修人员可以按照优先级原则制定检修计划［35］。高彦军［41］采用逻辑决策法分析不同专业设备的维修策略,根据设备重要程度分配维修方案。不同的维修活动、维修方式对组件的可靠性、安全性影响不同,所需要的维修费用也不同,在定期的预防性维修中选择合理的维修方式,也是优化维修策略的方式之一。为此,许多研究以系统设备平均可靠性与维修费用为优化目标,将系统的可用性和安全性设定为约束条件,建立多目标优化模型［42］,莫志刚等［43］在多目标优化模型中应用引入退火机制的粒子群算法寻优计算,制定最有利的信号系统维修计划;姜源［44］采用MATLAB中的搜索仿真方法寻找可靠性阈值内的最小维护费用和最优维护周期,并建立LMDP维护策略模型优化设备状态参数决策误差对维修决策的影响。通过RCM维修策略优化可以合理规划维修活动,减少系统停机时间和维修周期,提高设备利用率和运营效益。

4 城市轨道交通RAMS技术展望与总结

4.1 城市轨道交通全生命周期数字孪生

城市轨道交通RAMS研究与工程应用的开展需要全生命周期的大量RAMS工作数据支持,这是进行RAMS深层次分析和决策的必要条件。尤其是在运营阶段,由于运营时间相对较短,缺乏相关故障和维修数据统计,特别是现场结构故障的数量较少［25］,导致故障数据统计方法的科学性较差。因此,需要进一步推广和完善统一的故障数据收集管理机制和支持平台,加强数据质量控制和验证,积累长期运营故障数据,在大规模真实可靠的样本数据支撑下,充分分析和挖掘故障规律［34］。

为了有效支持RAMS分析,可以依托数字孪生技术建立城市轨道交通数字孪生平台。数字孪生是通过在数字空间中同步构建与物理城市轨道交通工程实时匹配的孪生虚拟实体,能够精准感知和预测物理实体的RAMS状态［45］。数字孪生平台能够有效收集和利用各种RAMS信息,对RAMS信息进行跟踪、收集、分析和处理,确保信息的及时性、真实性、完整性和连续性。通过数字孪生技术,可以更好地支持城市轨道交通RAMS工程的设计和改进RAMS工作方法,为决策提供科学依据。

4.2 AI辅助城市轨道交通运维决策

当前维修管理策略主要以故障维修为主,这不仅需要巨大的资源投入,而且不符合高可靠性运营的发展趋势。未来的运维策略将更加注重预防性维护。为此,地铁行业已经普遍建立了基于RAMS体系的FRACAS工作流程系统,以增强日常设备检测和主动维护,从而避免被动的故障维护出现。同时,基于RAMS的城市轨道交通设备运维体系带来了大量的数据资源。利用人工智能进行数据挖掘和智能分析,智能判断以及智能处理将成为RAMS技术发展的一大挑战［46］。AI技术的引入可以充分利用这些数据资源,从中提取有价值的信息和知识,为运维决策提供支持。

AI辅助城市轨道交通运维决策,可以实现以下几个方面的优势。首先,基于大数据的分析和挖掘,可以更准确地预测设备的故障概率和维修需求,从而提前进行预防性维护,降低设备故障率和运营风险［47］。其次,AI技术可以帮助进行设备状态监测和诊断,实时掌握设备的工作状态,及时发现异常并采取相应的措施。此外,通过智能化的维修计划和资源优化,可以提高维修效率,减少停运时间,提升运营可用性和服务质量。

4.3 城市轨道交通RAMS标准体系

RAMS标准体系在我国城市轨道交通行业尚未未建立［48］,近年来由于自动运行系统(FAO)在国内的大规模应用以及FAO对于RAMS管理的要求,上海、南宁等城市地铁建设都开展了RAMS管理［49］,然而现行法律法规中并未对城市轨道交通RAMS管理提出明确的要求或者规范。参考铁路行业,ISO/TS 22163—2017《铁路应用 质量管理体系》基于铁路行业管理特点,专门提出了组织实施RAMS的要求,并贯穿到产品全生命周期［50］。城市轨道交通行业的RAMS应用也需要法规规范的引导来提升普及。

城市轨道交通行业的RAMS标准目前有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》,该标准仅起到纲领性作用,在可操作性上还有待进一步发展,需要面向城市轨道交通行业各专业以及各参与主体全面制定标准体系,特别是各参与主体自身需要建立相应的技术规程文件,才能将RAMS方法系统化、规范化地应用到城市轨道交通系统设计、生产以及运营过程中。因此,针对城市轨道交通RAMS标准体系将成为RAMS技术下一步发展的重要任务［51］。

4.4 总结

城市轨道交通RAMS技术是保障轨道交通系统高效运营和安全运输的关键因素。当前,随着城市轨道交通网络扩展以及FAO普及,RAMS技术的应用也显得日益重要。尽管RAMS已在国内取得一定进展,但仍存在一些挑战和不足之处,RAMS标准体系尚未完全建立导致推广应用不足,RAMS技术还需要数字孪生支持平台支撑建立全生命周期数据基础,推广和完善故障统计数据和积累大量真实可靠的样本数据,并且要训练AI模型揭示故障规律、提升运维效率。通过克服当前的挑战,城市轨道交通RAMS技术将进一步提升城市轨道交通系统的运营水平,为乘客提供更安全、便捷和舒适的出行体验。