地鐵車站機電設(shè)備可靠性分析及維保策略研究

高一凡，靳守杰，李賽，潘志剛，王詩瑤，劉曉光

（1.北京錦鴻希電信息技術(shù)股份有限公司，北京100070；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州510220；3.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，北京100044）

0 引言

地鐵車站機電設(shè)備是地鐵車站的重要組成部分，包括AFC系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)，其運行狀況會影響地鐵車站運營，因此保證車站機電設(shè)備的可靠運行至關(guān)重要。通過分析車站機電設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，識別出設(shè)備常見故障，并對常見故障進行針對性維保，能夠降低機電設(shè)備在車站運營期間發(fā)生故障的概率，從而保證地鐵車站的正常運營。

譚鐵仁等［1］分析了地鐵屏蔽門的4種常見故障，并闡述了故障發(fā)生原因及處理辦法，為屏蔽門系統(tǒng)故障分類提供參考。張杰［2］結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算了屏蔽門的平均無故障時間等可靠性指標。蔣堅迪［3］詳細介紹了AFC系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，以及各設(shè)備的功能。張炳森［4］定量分析了自動檢票機的可靠性指標和壽命分布規(guī)律，并結(jié)合自動檢票機實際故障記錄，將設(shè)備故障分為5類，并對各類故障機理進行分析，為分析AFC設(shè)備故障提供參考。趙利瑞［5］介紹了自動扶梯的結(jié)構(gòu)，并通過分析電扶梯的維修數(shù)據(jù)，對電扶梯進行故障模式、影響和危害性分析，發(fā)現(xiàn)電扶梯系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。通過對維修數(shù)據(jù)進行可靠性擬合，得到電扶梯的故障規(guī)律，并提出符合電扶梯故障規(guī)律的可靠度維修策略。Li等［6］分析了閘機、自動扶梯等車站設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，并通過可靠性擬合選出最優(yōu)分布，結(jié)合設(shè)備可靠度要求，分別確定設(shè)備的預(yù)防性維修周期。

分析AFC、電梯和屏蔽門系統(tǒng)等車站機電設(shè)備的實際故障記錄，對設(shè)備故障進行分類。通過統(tǒng)計分析識別出常見故障，使用Minitab軟件對各設(shè)備或部件進行可靠性擬合，確定最優(yōu)分布；再根據(jù)設(shè)備或部件重要程度確定可靠度要求，進而確定車站各設(shè)備維保周期，對設(shè)備進行針對性維保，保證車站設(shè)備可靠運行。

1 屏蔽門系統(tǒng)可靠性分析

屏蔽門系統(tǒng)設(shè)置于地鐵站臺邊緣，將列車與地鐵站臺候車區(qū)域隔離，在列車到達和出發(fā)時可自動開啟和關(guān)閉，為乘客營造安全、舒適的候車環(huán)境。屏蔽門系統(tǒng)由機械和電氣兩部分構(gòu)成，機械部分包括門體結(jié)構(gòu)和門機傳動系統(tǒng)，電氣部分包括電源系統(tǒng)和控制與監(jiān)視系統(tǒng)［7］。地鐵屏蔽門系統(tǒng)基本構(gòu)成如下［8］:

（1）門體結(jié)構(gòu):承重結(jié)構(gòu)、門檻、頂箱、滑動門（ASD）、固定門（FIX）、應(yīng)急門（EED）和端門；

（2）門機傳動系統(tǒng):驅(qū)動裝置、傳動裝置和緊鎖裝置；

（3）電源系統(tǒng):驅(qū)動電源、控制電源和照明燈帶電源；

（4）控制與監(jiān)視系統(tǒng):屏蔽門主控制器（PEDC）、屏蔽門中央接口盤（PSC）、門控單元（DCU）、屏蔽門就地控制盤（PSL）、站臺報警指示警盤（PSA）、就地控制盒（LCB）等。

根據(jù)故障后果嚴重程度，地鐵屏蔽門系統(tǒng)故障可分為系統(tǒng)故障和單個門故障。單個門故障對乘客正常通過屏蔽門無明顯影響，系統(tǒng)故障會嚴重影響乘客通行。

根據(jù)屏蔽門系統(tǒng)故障工單，地鐵屏蔽門系統(tǒng)常見故障如下:

（1）系統(tǒng)故障:①不間斷電源（UPS）蓄電池裝置和配電設(shè)備；②PSL和LCB；③控制和配電設(shè)備。

（2）單個門故障:①后蓋板、絕緣地板；②門體及其固定設(shè)施；③照明系統(tǒng)。

屏蔽門故障樹分為系統(tǒng)故障樹和單個門故障樹。UPS蓄電池裝置和配電設(shè)備故障、PSL和LCB故障、控制和配電設(shè)備故障之間呈串聯(lián)關(guān)系，只要有1類設(shè)備故障，屏蔽門系統(tǒng)就故障。UPS蓄電池裝置和配電設(shè)備故障主要分為驅(qū)動UPS故障和控制UPS故障，且兩者呈串聯(lián)關(guān)系，其他故障發(fā)生頻次太少，故不計入故障樹的分析中。控制及配電設(shè)備故障主要分為安全回路不通、主控報系統(tǒng)故障和PSA死機，且三者呈串聯(lián)關(guān)系，其他故障發(fā)生頻次太少，故不計入故障樹的分析中。屏蔽門系統(tǒng)故障樹見圖1。

圖1 屏蔽門系統(tǒng)故障樹

后蓋板及絕緣地板、門體及其固定設(shè)施和照明系統(tǒng)之間呈串聯(lián)關(guān)系，只要有1類設(shè)備故障，屏蔽門單個門就故障。門體及其固定設(shè)施故障主要包括端門、司機門、應(yīng)急門故障，個別門無法開關(guān)，門單元運行有異響，門頭指示燈不亮或附件故障，并且四者呈串聯(lián)關(guān)系，其他故障發(fā)生頻次太少，故不計入故障樹的分析中。照明系統(tǒng)故障主要分為屏蔽門軟燈故障和光帶故障，且兩者呈串聯(lián)關(guān)系。單個門故障樹見圖2。

根據(jù)廣州地鐵廣佛線2017年10月1日—2018年4月12日的屏蔽門系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)，對屏蔽門系統(tǒng)故障進行統(tǒng)計分析（見圖3）。

門體及其固定設(shè)施故障和照明系統(tǒng)故障占91%，為主要故障，其故障后果均為單個門故障。結(jié)合故障率對各類故障進行定量分析，計算公式如下:

式中:λ為故障率，次/年；Nf為統(tǒng)計時段內(nèi)設(shè)備故障總次數(shù)；Δt為統(tǒng)計時長，d；N0為設(shè)備總數(shù)。

系統(tǒng)故障總數(shù)為28次，統(tǒng)計時長為194 d，統(tǒng)計車站數(shù)為25座，共50套屏蔽門系統(tǒng)，則系統(tǒng)故障率為1.05次/年。系統(tǒng)故障率很低，對于單個車站，系統(tǒng)故障發(fā)生隨機性較大，甚至在統(tǒng)計時段內(nèi)可能不會發(fā)生故障。

圖2 單個門故障樹

圖3 屏蔽門系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

以各個車站為樣本使用Minitab軟件進行可靠性擬合，采用極大似然估計法進行參數(shù)估計，使用安德森-達林（Anderson-Darling，AD）檢驗進行擬合度檢驗，得出最優(yōu)分布參數(shù)［9］，其中，對應(yīng)的AD值越小，分布與數(shù)據(jù)擬合越好；同時，利用對應(yīng)的P-value（P值）來檢驗數(shù)據(jù)是否來自所選擇的分布，如果P值小于所選α（通常為0.05或0.10），則拒絕數(shù)據(jù)來自該分布的原假設(shè)，P在［0，1］之間取值，P值越大，分布與數(shù)據(jù)擬合越好。門體及其固定設(shè)施故障和照明系統(tǒng)故障的可靠性擬合結(jié)果分別見圖4、圖5。

門體及其固定設(shè)施故障的最佳分布函數(shù)為指數(shù)分布，則其最優(yōu)可靠度函數(shù)為:

式中:R(t)為可靠度函數(shù)；t為設(shè)備運行時間，d。

照明系統(tǒng)最佳分布函數(shù)為指數(shù)分布，則其最優(yōu)可靠度函數(shù)為:

2 AFC系統(tǒng)可靠性分析

城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)（Automatic Fare Collection System，AFC）是一種由計算機集中控制的自動售票（包括半自動售票）、自動檢票以及自動收費和統(tǒng)計的封閉式自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

AFC自動售檢票系統(tǒng)基于計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、自動控制等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道交通售票、檢票、計費、收費、統(tǒng)計、清分和管理自動化。

AFC系統(tǒng)的主流設(shè)計方案為5層架構(gòu):第1層，軌道交通線網(wǎng)清分系統(tǒng)（ACC）；第2層，線路中心計算機系統(tǒng)（LCC）；第3層，車站計算機系統(tǒng)（SC）；第4層，車站終端設(shè)備（SLE）；第5層，車票。

SC負責(zé)對本車站內(nèi)部的所有設(shè)備進行實時監(jiān)控，并可對本車站自動售檢票系統(tǒng)運營、票務(wù)、收益以及維修等功能進行集中管理。SLE主要由自動售票機（TVM）、自動檢票機（AGM）、票房售票機（BOM）構(gòu)成。車票主要包括軌道交通專用票、市民卡、其他票種等。

車站層面AFC系統(tǒng)故障包括SC設(shè)備故障、TVM設(shè)備故障、BOM設(shè)備故障、AGM設(shè)備故障。當SC設(shè)備故障時，車站層面AFC系統(tǒng)就會發(fā)生故障，TVM設(shè)備、BOM設(shè)備和AGM設(shè)備之間呈并聯(lián)關(guān)系，只有當上述3類設(shè)備全都故障時，車站層面AFC系統(tǒng)才會發(fā)生故障［10］。車站層面AFC系統(tǒng)的故障樹見圖6。

對于SC設(shè)備，全線一年的故障次數(shù)為15次，全線22座車站，SC的故障率為0.68次/年，故障率很低。SLE設(shè)備層面，TVM設(shè)備故障占69%，AGM設(shè)備故障占29%，BOM設(shè)備故障占2%。

圖4 門體及其固定設(shè)施故障可靠性擬合

圖5 照明系統(tǒng)故障可靠性擬合

圖6 車站層面AFC系統(tǒng)故障樹

分別對TVM、AGM、BOM的故障間隔時間進行可靠性擬合，故障擬合結(jié)果見圖7—圖9。

TVM故障的最佳分布函數(shù)為指數(shù)分布，則其最優(yōu)可靠度函數(shù)為:

AGM故障的最佳分布函數(shù)為威布爾分布，則其最優(yōu)可靠度函數(shù)為:

BOM故障的最佳分布函數(shù)為指數(shù)分布，則其最優(yōu)可靠度函數(shù)為:

3 自動扶梯可靠性分析

自動扶梯是帶有循環(huán)運行梯級，用于向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅(qū)動設(shè)備。自動扶梯由梯路（變型的板式輸送機）和兩旁的扶手（變形的帶式輸送機）組成。其主要部件有梯級、牽引鏈條及鏈輪、導(dǎo)軌系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)（包括電動機、減速裝置、制動器及中間傳動環(huán)節(jié)等）、驅(qū)動主軸、梯路張緊裝置、扶手系統(tǒng)、梳板、扶梯骨架和電氣系統(tǒng)等［11］。

圖7 TVM故障可靠性擬合

圖8 AGM故障可靠性擬合

自動扶梯常見故障:自動停梯或無法開梯、異響、梯級損壞、導(dǎo)軌故障、扶手帶故障、乘客事故、扶梯壁板帶電、蓋板防盜裝置故障、梳齒板齒或梯級齒損壞、三角警示牌壞、防滑球故障、毛刷脫落或鐵絲外露、無法運行節(jié)能模式、蓋板變形、梳齒板松脫、零部件被盜、方向指示燈故障、安全標識不齊全、扶梯外觀部件有油跡、裝飾條故障、誤報、外包板損壞。

圖9 BOM故障可靠性擬合

自動扶梯故障可分為電氣系統(tǒng)故障和機械系統(tǒng)故障，電氣系統(tǒng)與機械系統(tǒng)呈串聯(lián)關(guān)系，只要有1類部件發(fā)生故障，自動扶梯就會發(fā)生故障。機械系統(tǒng)故障可進一步細分為梯級系統(tǒng)故障、導(dǎo)軌故障、扶手裝置故障、扶手帶系統(tǒng)故障，上述部件同樣也呈串聯(lián)關(guān)系。自動扶梯故障樹見圖10。

分別對自動扶梯電氣系統(tǒng)故障和機械系統(tǒng)故障進行可靠性擬合，擬合結(jié)果見圖11、圖12。

自動扶梯電氣系統(tǒng)故障的最佳分布函數(shù)為威布爾分布，則其最優(yōu)可靠度函數(shù)為:

自動扶梯機械系統(tǒng)故障的最佳分布函數(shù)為威布爾分布，則其最優(yōu)可靠度函數(shù)為:

4 車站機電設(shè)備的維保策略建議

對于屏蔽門系統(tǒng)故障和AFC系統(tǒng)SC設(shè)備故障，其故障后果較為嚴重，但故障率很低，故障發(fā)生隨機性很大，難以進行可靠性擬合分析，建議按照地鐵公司現(xiàn)有維保計劃維保，同時加強故障發(fā)生后的應(yīng)急處理。

參照文獻[6]中地鐵車站設(shè)備故障對地鐵車站運營能力的影響分析可知，自動扶梯是輸送乘客的重要工具且扶梯數(shù)量較少，單個扶梯故障后也會嚴重影響乘客的正常通行，電氣系統(tǒng)或機械系統(tǒng)故障都會導(dǎo)致自動扶梯故障，從而影響乘客通行。由于車站的AGM數(shù)量很多，單個AGM設(shè)備故障對車站運營能力影響較小。隨著電子乘車碼的普及，TVM和BOM不是乘客在車站必須使用的設(shè)備，其單個設(shè)備故障對車站運營能力影響較小。屏蔽門門體及其固定設(shè)施故障會導(dǎo)致單個門故障，從而影響乘客正常上下車，而照明系統(tǒng)故障對乘客正常通行幾乎沒有影響。根據(jù)故障后果嚴重程度，將車站機電設(shè)備或設(shè)備部件的可靠度要求分為3類:

（1）故障后對乘客正常通行影響嚴重的車站設(shè)備或部件，包括自動扶梯的電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)，其可靠度需保持在0.9及以上；

（2）故障后對乘客正常通行有一定影響的車站設(shè)備或部件，包括AGM、TVM、BOM和屏蔽門系統(tǒng)中的門體及其固定設(shè)施，其可靠度需保持在0.7及以上；

（3）故障后對乘客正常通行幾乎無影響的車站設(shè)備或部件，包括屏蔽門系統(tǒng)的照明系統(tǒng)，其可靠度需保持在0.5及以上。

地鐵車站機電設(shè)備可靠性隨著運行時間的增長而降低，為了使地鐵車站機電設(shè)備的可靠性保持在一定水平，盡可能避免車站機電設(shè)備在運營過程中發(fā)生故障，進而影響地鐵車站運營能力，需要對車站機電設(shè)備或部件進行定期維保，每次定期維保后，車站設(shè)備的可靠性會得到提升。根據(jù)車站機電設(shè)備或部件的可靠度要求，結(jié)合其可靠性函數(shù)，車站各機電設(shè)備或部件的建議維保周期見表1。

圖10 自動扶梯故障樹

圖11 自動扶梯電氣系統(tǒng)故障可靠性擬合

圖12 自動扶梯機械系統(tǒng)故障可靠性擬合

表1 車站機電設(shè)備建議維保周期

5 結(jié)論

統(tǒng)計分析了屏蔽門系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、自動扶梯等車站機電設(shè)備的實際故障數(shù)據(jù)，識別出了故障率高的設(shè)備或部件，并進行可靠性擬合，確定了最優(yōu)可靠性分布。根據(jù)設(shè)備或部件故障后果嚴重程度，確定了相應(yīng)的可靠度要求和維保周期，通過有針對的周期性維保，能夠保證車站機電設(shè)備的可靠運行，同時該維保策略可為車站機電設(shè)備的維修管理提供參考。