城市軌道交通車輛可靠性評價方法研究

張占周

（石家莊市軌道交通有限責任公司，河北石家莊 050035）

0 引言

當前，我國城市軌道交通建設(shè)已進入高速發(fā)展期。截至 2017年7月，全國已有 31 座城市，合計開通運營了 139 條城市軌道交通線路，總里程達 4 066.39 km。車輛作為軌道交通建設(shè)的核心組成部分，其可靠性直接影響到運營安全，因此對車輛可靠性進行全面評估顯得尤為重要。目前車輛到段后，需要通過型式試驗、預驗收等方式來檢驗車輛功能、性能，但尚無一個針對車輛可靠性的評價體系。本文在參考相關(guān)標準和以往線路建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，基于模糊理論構(gòu)建車輛多指標評價體系，計算得到綜合權(quán)重矩陣，形成城軌車輛可靠性評價方法。

1 車輛可靠性評價體系的建立

1.1 車輛可靠性評價指標

車輛驗收、運行過程中，人工發(fā)現(xiàn)的故障會由建設(shè)單位、運營單位記錄整理形成故障庫，車輛自帶的故障診斷系統(tǒng)也會自動記錄并上傳診斷發(fā)現(xiàn)的故障。本文以故障數(shù)量為指標來評判車輛可靠性。根據(jù)某市城軌 3 號線車輛驗收、運營故障數(shù)據(jù)庫和故障診斷系統(tǒng)文件，結(jié)合專家經(jīng)驗，將車輛分為轉(zhuǎn)向架、車門、空調(diào)、牽引/輔逆系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng) 7 個系統(tǒng)來進行分析，每個系統(tǒng)的故障按照嚴重程度又可以分為若干類。

按照 GB/T 21562-2008 標準，城市軌道交通車輛的失效種類劃為重大（停車事故）、重要（運行事故）、次要3 種[1]；參考文獻[3]中根據(jù)引起的后果，將故障進一步細化分為救援故障、清客故障、運行故障 3 類。本文參考上述 2 種分類方法，將故障分為 4 類（表1）。

表1 車輛故障分類

將車輛可靠性狀態(tài)記為Y，將7個子系統(tǒng)分別記為A～G，每個系統(tǒng)的故障按等級用1～4來表示。指標A1～G4分別表示系統(tǒng)A～G在故障等級1～4上發(fā)生的數(shù)量。車輛可靠性評價體系如圖1所示。

1.2 評分矩陣

按照模糊理論，需要確定各項指標的評語集和隸屬度函數(shù)[2]。車輛可靠性評價的評語集為優(yōu)、良、差三級，其中“優(yōu)”表示指標檢測結(jié)果合格；“良”表示指標檢測結(jié)果處于臨界狀態(tài)；“差”表示指標檢測結(jié)果不合格。

車輛各系統(tǒng)故障數(shù)越少（即 A1～G4 數(shù)值越小），表明車輛可靠性越高，所以 A1～G4 全部 28 項指標均為成本型指標。其隸屬函數(shù)為[4]：

圖1 車輛可靠性評價體系

按照專家經(jīng)驗，將優(yōu)、良、差三級評語的評分 Fk（k = 1，2，3）分別取為 100、75、50，則評價指標i的模糊評分 Hi為：

評分矩陣 H =（H1H2H3… H28）。

2 車輛可靠性多指標綜合評價方法

2.1 確定權(quán)重矩陣

在車輛可靠性綜合評價中，分別分析各指標在所屬子系統(tǒng)故障中的發(fā)生頻率，以及各子系統(tǒng)故障在整個車輛系統(tǒng)中的發(fā)生頻率和影響程度，采用層次分析法，得到各指標的權(quán)重值。

根據(jù)層次分析法理論，將定量信息分為目標層、目的層和指標層，然后通過比率分析將設(shè)計者主觀定性分析量化，對各指標進行權(quán)重計算[4-6]。上文圖1中，Y 即為目標層，A～G 為目的層，A1～G4 為指標層。下面分 2 個層次來計算確定權(quán)重矩陣。先確定各指標在子系統(tǒng)中的權(quán)重矩陣 M，再計算各指標所在子系統(tǒng)在車輛系統(tǒng)中的權(quán)重矩陣 K，從而得到權(quán)重矩陣 S = M K。

2.1.1 各指標在所屬子系統(tǒng)中的權(quán)重矩陣

由于車輛可靠性評價主要針對故障的發(fā)生頻率和影響程度 2 個層面，A1～G4 指標本身就是按影響程度在所屬系統(tǒng)內(nèi)進行的劃分，故各指標在所屬子系統(tǒng)中的權(quán)重即為發(fā)生頻率權(quán)重，可以得到指標i在所屬子系統(tǒng)中的權(quán)重為：

式（3）中， ni為指標 i 的實測值；Ni為指標i所在子系統(tǒng)的故障總數(shù)。由此確定各指標在子系統(tǒng)中的權(quán)重矩陣：

2.1.2 各子系統(tǒng)在車輛系統(tǒng)中的權(quán)重矩陣

各子系統(tǒng)在車輛系統(tǒng)中的權(quán)重從該系統(tǒng)故障的發(fā)生頻率 F 和影響程度 D 兩個層面進行分析。

根據(jù)專家經(jīng)驗，確定兩個層面的權(quán)重分別為 γ1、γ2，γ1+γ2= 1，則子系統(tǒng) A 在車輛系統(tǒng)中的權(quán)重為KA= γ1×FA+ γ2×DA。其中：

式（4）中，NA為故障庫中系統(tǒng) A 的故障總數(shù)；N 為車輛系統(tǒng)的故障總數(shù)。下面以某市城軌 3 號線為例，計算空調(diào)子系統(tǒng)在車輛系統(tǒng)中的影響程度。對故障庫中的全部 106 項空調(diào)故障數(shù)據(jù)進行分類，得到空調(diào)子系統(tǒng)主要故障可分為 9 種（表2）。

表2 空調(diào)系統(tǒng)的主要故障

可得故障 1 至故障 9 發(fā)生頻率矩陣為：

根據(jù)專家經(jīng)驗，結(jié)合項目實際情況，評級為 1～4的故障對車輛系統(tǒng)的影響程度分別量化為 0.127 9、0.346 0、 0.702 1 、0.885 4。

則空調(diào)子系統(tǒng)的影響程度矩陣：

則空調(diào)子系統(tǒng)的影響程度 D = J×Z = 0.351 1。其他子系統(tǒng)的計算方法類似，可以得到各指標所在子系統(tǒng)在車輛系統(tǒng)中的權(quán)重矩陣。

2.2 綜合評價

城軌車輛可靠性綜合評價流程如圖2所示。車輛可靠性綜合評價 Q = H S。

圖2 城軌車輛可靠性綜合評價流程圖

取車輛可靠性綜合評價的三等級評語 Q 分別為優(yōu)100 分、良 75 分、差 50 分。評價結(jié)果“優(yōu)”表示故障數(shù)少且故障影響程度低，車輛可靠性高；“良”表示故障數(shù)和影響程度可控，車輛可靠性合格，但仍需進一步提高；“差”表示車輛可靠性不合格，在提高到合格線之前不宜上線運行。

由于城市軌道交通車輛的可靠性是一個動態(tài)變化的指標，所以對車輛的可靠性評價也需要定期進行，并依據(jù)評價結(jié)果對車輛進行針對性的維護和保養(yǎng)，使上線車輛的可靠性始終處于可控狀態(tài)。不同城市、不同線路車輛的故障產(chǎn)生情況有很大的差異，所以本文所列的評價方法在后續(xù)推廣過程中，對由專家經(jīng)驗和故障庫得到的各項參數(shù)也要進行不斷修正，從而更準確地反映車輛的可靠性狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文在車輛運營故障庫和專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，綜合運用模糊理論和層次分析法，對城軌車輛的可靠性狀態(tài)進行評價。該評價方法可以進一步完善后推廣，將為試運營評審和運營設(shè)備維護、檢修提供依據(jù)，同時，為后續(xù)線路車輛項目的生產(chǎn)、驗收提供借鑒和參考。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 21562-2008，軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[2]謝季堅，劉承平. 模糊數(shù)學方法及其應用[M]. 湖北武漢：華中科技大學出版社，2006.

[3]何玉琴. 地鐵車輛的可靠性驗證測試[J]. 城市軌道交通研究，2003（3）：42-44.

[4]陳衛(wèi)，楊波，張兆云，等. 計及電動汽車充電站接入的配電網(wǎng)承載能力評估與優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學報,2014，29（8）：27-35.

[5]孫寧. 機電設(shè)備可靠性、可用性、維修性和安全性應用基礎(chǔ)[M]. 北京：中國人事出版社，2014.

[6]董錫明. 軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性(RAMS)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2009.