基于多维度评价的动车组故障等级划分方法研究

赵泽平，姚建伟，张可新，安 迪

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081）

动车组在运行过程中的故障可能造成相应线路区段通行效率下降，致使列车延误，从而影响旅客运输效率和客运服务质量。对动车组故障等级进行合理的划分，有助于客观的判断某故障模式以及该故障模式涉及到的零部件或子系统对整车、整条线路的运营造成不良后果的严重程度，并进行可靠性评价和故障模式及影响分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）或者危害性分析（Criticality Analysis，CA）。危害性分析是通过计算故障模式危害度，对其危害性进行定量评估的一种常用方法，在铁路领域计算危害度的参数通常为故障率、运营里程、故障模式发生的条件概率和故障模式导致确定故障后果的条件概率。文中在计算危害度的通用公式中加入了故障等级参数，将故障的严重程度也作为危害性分析的考虑因素，以期对动车组子系统或零部件的安全性进行更加客观的评价，为后续可靠性分析、故障分析、维修策略优化以及维修资源分配工作提供参考。

1 动车组故障等级划分现状

在动车组出现以前，对机车车辆故障等级的划分通常参考铁路行车事故的相关规定，故障的严重程度按照事故造成人员伤亡的情况、设备和环境损失情况或者是直接、间接的经济损失情况划分。有文献依据《铁路行车事故处理规则》，建议将我国机车车辆故障等级按照“经济性故障后果”划分为特别重大、重大、较大、一般4 个等级。划分原则为：由于机车车辆故障造成的人员伤亡以及直接、间接经济损失情况［1］。

2008 年，京津城际铁路开通运营，从此，动车组在我国被普遍使用。为了保障运营安全性和更高的正点到达率，相关部门在故障分析方面做了大量的工作，并按照晚点时间长短、人员伤亡情况、车辆设备损坏维修情况等几个方面，将京津城际铁路中运用的动车组故障划分为轻微故障、一般故障、重大故障、严重故障4 个等级，其他一些早期开通的高速铁路也沿用了此种划分方法。

动车组的运用可靠性和安全性随着技术的进步和维修体制的完善逐渐提高，几乎不会出现“人员伤亡”、“设备重大损毁”等情况。另外，此种故障等级评价的依据，采用“发生频度的高低”、“严酷度的大小”等表达，评判标准具有很强的主观性，给后续的故障模式定性、定量分析带来了一些不便，不再适应当今的故障分析以及后续的可靠性、安全性分析工作。

2014 年，《速度350 km/h 中国标准动车组暂行技术条件》正式发布，该技术条件根据对动车组可靠性的要求，将故障分为了4 个等级，见表1。

表1 速度350 km/h 中国标准动车组故障等级划分

现行动车组故障等级划分规则，综合考虑了动车组设备故障对运输组织造成的影响程度和非正常停车时间的长短，更加贴近运用实际。但是故障等级评价的主要依据是非正常停车时间，且划分范围仅有“20 min”和“1 h”2 个时间节点，在设备故障对运输组织造成的影响程度方面，用“是”或“否”进行区别。动车组在运行过程中，故障产生的影响种类多样，故障引发晚点的情况十分复杂，造成了该种故障等级评价方法在实际应用和科学研究工作中具有一定的局限性。

2 动车组故障等级多维度划分方法

2.1 评价维度的确定

通过统计、分析某型动车组一段时间内的运行故障及处置记录，总结梳理出故障普遍具有的3个特征：一是故障均会对当列动车组或者整条线路的运行产生影响（故障影响范围）；二是故障一般都会造成不同程度的晚点（影响时间）；三是不同故障模式有不同的发生概率（故障概率）。

故障影响范围是故障对铁路正常运行秩序产生影响的宏观体现。除了我国铁路行业标准TB/T 3133—2006《铁道机车车辆电子产品的可靠性、可用性、可维修性和安全性》、国家标准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》等标准或文件中提到的故障造成人员伤亡和环境、经济损失之外，故障对公共交通秩序和国民经济生活正常运行的影响以及可能会造成的不良社会影响等因素，也应作为故障等级评价的考虑范畴。

影响时间即故障造成动车组晚点时间，是故障影响动车组正常运行最直观的体现。不论发生故障的系统或零部件关键与否、可靠性高或低、故障检测率大或小，只要是该种故障模式导致了长时间的晚点，那这个故障模式就应该被着重关注，所以影响时间成了既有故障等级划分以及前人研究中经常用到的一个参考因素。

故障概率是某种故障模式发生可能性和频率的一个量化体现，在国际标准IEC 62278-2002《轨道交通可靠性、可用性、可维修性和安全性（RAMS）规范及示例》和我国国家标准GB/T 21562—2008 中，均有对故障概率等级划分的相关要求。即使是很小的故障，如果发生频率过高，那也将会给动车组的正常安全运行造成很大的隐患。所以，故障概率的大小也应是故障等级评价工作中一个必不可少的考虑因素。

综上所述，文中对动车组故障等级进行基于以上3 个维度的综合评价。

（1）故障影响范围

根据故障对动车组后续运行的影响以及对整条线路产生的影响，结合故障处理的方式、难度，将故障影响范围从小到大分为4 个等级，见表2。

表2 故障影响范围等级的划分

（2）影响时间

在京津城际铁路动车组事故等级的划分规则和《高铁动车组应急处置预案》中，晚点时间通常以2、5、15、30 min 作为分界点，将晚点的时间从短到长划分为5 个等级，见表3。

表3 晚点时间等级的划分

（3）故障概率

不同的故障模式发生的概率大小不同，参考《故障模式、影响及危害性分析指南》［2］和《轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性（RAMS）》［3］中对故障概率等级划分的方法，用某种故障模式发生概率与总故障概率的比定义故障概率，并从小到大分为5 个等级，见表4。

表4 故障概率的等级划分

2.2 基于层次分析法的动车组故障等级的多维度评价

层次分析法是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法，是将半定性、半定量问题转化为定量问题的行之有效的一种方法。构建层次结构模型后，利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，进而求解多目标、多准则结构特性的复杂决策问题［4］。由于文中研究的3 个评价维度中既有定性指标又有定量指标，而故障等级划分的依据是对故障情形打分的排序，所以层次分析法是解决该问题的最佳方法。具体过程如下：

（1）构建递阶层次结构

首先，建立由目标层、指标层和方案层构成的故障等级评价体系递阶层次模型，如图1 所示。

图1 故障等级评价体系

在方案层，故障影响的范围分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 个等级，晚点时间分为A、B、C、D、E 共5 个等级，故障概率分成了1、2、3、4、5 共5 个等级。3 个评价维度的组合，将故障情形分成了100 种，例如，ⅠA1 代表的故障情形为：不影响继续行车，造成2 min 以内的晚点且发生概率小于总故障概率的0.1%的故障。

（2）构建两两比较判断矩阵

采用1～9 标度法建立指标层相对于目标层的3 标度两两判断矩阵，计算单排序和各层次的总排序，见表5。

表5 判断矩阵

（3）权重计算

权重计算就是计算判断矩阵特征值的最大值及其所对应的特征向量，得出准则层对目标层的重要性数据排序，获得最优解。计算过程如下：

①权重系数计算为式（1）：

得到式（2）：

由公式（3）：

进行一级指标的权重系数计算，为式（4）：

式中：W1=0.527 8，W2=0.332 5，W3=0.139 6

矩阵的最大特征值为λmax，计算公式为式（5）：

得到一级指标的最大特征值：λmax=3.053 6

② 计算一致性指标CI和一致性比率CR，公式为式（6）：

由于n=10＞2，所以要用CR表示矩阵的一致性。CR=CI/RI。RI的取值见表6。

表6 平均随机一致性指标

通过计算得到：

当n=3 时，RI=0.58：

根据计算结果可知CR＜0.1，所以文中构建的判断矩阵的一致性符合要求；指标层对目标层特征值的最大值对应的特征向量（权重向量）为：w=(0.527 8，0.332 5，0.139 6)。

（4）综合评价

采用百分制方法对3 个评价指标进行无量纲化处理，在处理非量化指标时，采用“间隔取值”法，在处理量化指标时，采用“取中间值”方法。由于故障影响范围是非量化指标，故将4 个等级按照“间隔取值”方法将4 个等级量化；晚点时间为可量化指标，考虑到晚点时间通常以分钟计，所以用“取值区间的中值/60”进行处理；故障概率为可量化指标，直接采用“取值区间的中值”进行处理。得到量化值后再进行计算得到综合评价值，方法见表7。

表7 指标量化表

代入权重向量计算每种故障情形的得分，分数从低到高将故障为轻微故障、一般故障、重大故障和严重故障4 个等级，见表8。由此，得到了一个基于故障影响范围、影响时间、故障概率3 个维度的用来评价故障等级的参考表格，可以根据实际发生的故障情形，参照下表进行评价。

表8 综合评价结果

3 结合故障等级的危害度计算

危害度计算的目的是比较每一种故障模式的严重程度及发生概率所产生的综合影响，即故障模式的危害性，是一种定量评估的方法。通过比较各种故障模式的危害性，可以找到整个大系统的薄弱环节，为后续的优化、改进以及维修制度的完善等提供指导。在危害度计算的过程中，根据发生该种故障模式时导致的故障情形判断该次故障的等级，并作为其中一个计算参数，这样就把参与计算的每一次故障情况进行更具体的描述，使计算过程更加贴近实际情况，得出的结论更加可靠。

3.1 结合故障等级的危害度计算模型

在计算大型系统危害度的时候，通常用到的危害度计算公式为式（7）［5］：

式中：Ck为故障模式k 的危害度；αkp为零部件p 发生故障模式k 的条件概率；βk为故障模式k 将会导致确定故障后果的条件概率；λkp为零部件p 的故障率（故障模式k）；t为运营里程；λkpt即为运营里程为t时，故障模式k 发生的次数。

在此基础上，加入故障等级参数，为故障模式k 中第i次故障的故障等级。当故障模式k 发生导致确定故障后果的故障次数为nk时，故障等级参数γk为式（8）：

这样就得到结合故障等级的危害度计算公式为式（9）：

在计算过程中，参考相关文献中对故障等级的量值方法［5-6］，的推荐值见表9。

表9 故障等级的推荐值

3.2 高压牵引系统故障模式的危害度计算

动车组高压牵引系统主要包括受电弓、牵引装置、主变压器、主断路器、线路断路器、网侧变流器、电动机、网端检测装置等部件［7］，是动车组的重要组成部分，直接影响行车安全，此外，高压牵引系统各个设备相对独立，便于故障模式的统计、分析，故选取该系统为算例。

经查某型80 列动车组多年的运行故障及处理结果台账，在统计区间内共发生高压牵引系统故障704 次，其中导致临时停车、晚点等确定故障后果的故障252 次。使用上述危害度计算模型，计算高压牵引系统主要故障模式的危害度，结果见表10。

表10 高压牵引系统故障模式危害度表

计算结果表明，高压牵引系统中危害度较大的两个故障模式是受电弓机械故障（包括碳滑板损坏）和网侧过电流检测装置故障，其危害度高于其他故障模式。根据该型动车组故障处理记录以及查阅相关资料［8-10］，动车组在实际运行时，受电弓机械故障虽然是比较容易处理的一类故障，单弓故障可以通过换弓运行，但是由于该故障模式误报率低，不能通过复位等操作消除，且在出现故障时，机械师需要下车或登顶检查，造成临时停车和晚点；网侧过电流检测装置故障会引起过电流继电器无法接收到车顶电流互感器传出的电流，将导致受电弓降弓，发生该故障模式时，定位故障设备比较困难，通过常规操作不易消除。发生这两种故障模式时，一般都会造成临时停车，机械师现场检修，有必要时会封闭邻线，影响多列动车组的正常运行，是危害性较大的故障模式，在修订维修策略时可以多加关注。网侧变流器、电机变流器、主断路器、线路断路器等设备，可靠性较高，极少因自身损坏而引发故障，在发生涉及这些设备的故障模式时，随车机械师可以快速排除硬件故障，通常通过主控复位等常规操作后即可消除，对动车组的正常运行影响较小。

通过算例验证，此种结合故障等级的危害度计算方法得出的结论贴近实际情况，可以为判定动车组某种故障模式对正常运行产生的影响大小提供参考。

4 结论

文中基于影响范围、影响时间和故障概率3 个评价维度对动车组故障等级进行了划分，将得到的故障等级划分结果应用于危害性分析，建立了新的危害度计算模型，通过实例验证了计算结果符合实际情况，同时也验证了该种故障等级划分方法在动车组故障分析工作中的适用性。研究结果可以用于初步筛选动车组子系统或零部件的重点维修项目，对后续进一步的可靠性分析、故障分析、维修策略优化以及维修资源分配工作也有一定的帮助。由于受到计算量的限制，文中仅考虑了100 种故障情形，在实际应用中，可以根据具体需要，把3 个评价维度进行更加细致地分级，使所得结论具有更高的准确性和更好的适用性。