基于層次聚類的城軌設(shè)備維修方式?jīng)Q策研究

周茂慶，陳 卓，張 寧，張炳森

（1. 無錫地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，江蘇無錫 214000；2. 東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心軌道交通研究所，南京 210018；3. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

1 城軌設(shè)備維修方式概述

目前，城軌設(shè)備的維修主要采用故障維修和定期維修方式[1]。故障維修也稱為事后維修，是在設(shè)備產(chǎn)生故障后才對(duì)其進(jìn)行維修，這種維修方式不僅會(huì)增加設(shè)備停機(jī)時(shí)間，也會(huì)大大降低設(shè)備的使用效率；定期維修，也稱預(yù)防維修，是以固定周期對(duì)設(shè)備開展維修工作[2]，這種維修方式可能造成企業(yè)維修資源浪費(fèi)、運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平降低等相應(yīng)問題。為滿足現(xiàn)階段軌道交通企業(yè)對(duì)設(shè)備維修管理的需求，可引入基于狀態(tài)的維修方式，基于狀態(tài)的維修是根據(jù)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備的實(shí)際狀況，以此確定維修的時(shí)機(jī)，或根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余使用壽命[3]。通過分析基于狀態(tài)的維修定義，可把基于狀態(tài)的維修分為包含以可靠性為中心的維修和預(yù)測(cè)維修兩類。以可靠性為中心的維修實(shí)質(zhì)上是建立設(shè)備的全壽命周期模型，通過分析設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行故障情況，制定不同周期的維修計(jì)劃，這種維修方式也可以理解為計(jì)劃維修；預(yù)測(cè)維修是通過監(jiān)控參數(shù)的方法，分析設(shè)備的狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備故障。為城軌設(shè)備選擇合理的維修方式，更便于管理者為設(shè)備制定針對(duì)性的維修策略，促進(jìn)軌道交通企業(yè)向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)型。

常用的設(shè)備維修決策方法主要有基于可靠性的維修（RCM）、組合維修和分類決策3 類。RCM 的決策理念是判斷故障是否可以通過狀態(tài)檢測(cè)、定期更換的手段來預(yù)防，再考慮設(shè)備具體的應(yīng)用地點(diǎn)和環(huán)境，建立邏輯決斷圖決策維修方式[4-5]，但RCM是基于設(shè)備故障模式及其機(jī)理進(jìn)行決斷的，需要大體量的樣本，難以支撐目前樣本較少情況下的城市軌道交通設(shè)備維修方式?jīng)Q策；組合維修是以均勻維修工作的角度為設(shè)備決策維修方式[6-7]，主要傾向于解決設(shè)備中、大修問題，難以覆蓋日常維修范疇；分類決策則是根據(jù)設(shè)備危害度[8-9]和故障頻率[10]等原則將設(shè)備分類后再?zèng)Q策維修方式，由于算法基于分類研究，其具備處理大量樣本能力，并適用于指導(dǎo)日常維修、中大修決策。但基于危害度等指標(biāo)選取受主觀性影響較強(qiáng)，部分影響因素易被忽略，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際預(yù)期存在偏差，因此本文采用層次聚類方法，從已有樣本數(shù)據(jù)提煉指標(biāo)特性，避免部分主觀因素影響，優(yōu)化分類決策方法，建立基于層次聚類的設(shè)備維修方式?jīng)Q策體系。

2 考慮設(shè)備特性的城軌設(shè)備聚類模型

城市軌道交通系統(tǒng)包含的設(shè)備眾多，設(shè)備自身屬性、工作環(huán)境、故障影響也均不相同，可以采用無監(jiān)督學(xué)習(xí)的聚類技術(shù)進(jìn)行分類決策。即根據(jù)不同對(duì)象的相似程度自動(dòng)對(duì)對(duì)象樣本進(jìn)行分類，直至將樣本劃分為同類對(duì)象的相似程度高于不同類對(duì)象的集合[11]，主要的聚類算法包括K-means 法和層次聚類等。它們的主要不同在于K-means 聚類法需在聚類開始前先確定聚類的具體數(shù)目，而層次聚類法則不需要事先給出[12]，且K-means 算法當(dāng)中，要不斷計(jì)算類的中心，這就需要利用對(duì)象的坐標(biāo)值進(jìn)行分析，本文選擇層次聚類方法根據(jù)設(shè)備特性評(píng)價(jià)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類。

2.1 基于層次分析的城軌設(shè)備特性評(píng)價(jià)

層次分析將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，進(jìn)行定性和定量分析，通過對(duì)系統(tǒng)中相關(guān)問題進(jìn)行兩兩比較來確定權(quán)重，被廣泛應(yīng)用于多準(zhǔn)則決策問題[13]。

由于機(jī)械設(shè)備具有較為穩(wěn)定的衰老過程，因此故障發(fā)生的規(guī)律性較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修的可能性較大；重要設(shè)備故障后對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響程度大，因此應(yīng)對(duì)其采取預(yù)防性的維修方式，爭(zhēng)取設(shè)備零故障、零停機(jī)；故障發(fā)生后，維修工作開展的難易程度直接決定了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，對(duì)于那些維修難度高、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、維修成本高的設(shè)備，也應(yīng)對(duì)其采取預(yù)防性的維修方式；監(jiān)控并記錄設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備基于狀態(tài)的維修的基礎(chǔ)，因此對(duì)于狀態(tài)參數(shù)提取難度大、數(shù)量少的設(shè)備開展基于狀態(tài)的維修較為困難。綜合上述分析、地鐵運(yùn)維信息反饋及設(shè)備的實(shí)際情況，選取設(shè)備故障類型、設(shè)備故障影響、相對(duì)維修成本、故障可維修度、參數(shù)提取度5 個(gè)設(shè)備特性構(gòu)建層次分析模型評(píng)價(jià)設(shè)備，如圖1 所示，建立的設(shè)備特性分析模型屬于三層單目標(biāo)模型。其中，目標(biāo)層代表設(shè)備特性，用I 表示；準(zhǔn)則層代表設(shè)備的特性因素，用C 表示；方案層代表需要進(jìn)行分析的相關(guān)設(shè)備，用P表示。各設(shè)備特性的說明、計(jì)算方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

圖1 設(shè)備特性層次分析模型Fig.1 Hierarchical analysis model of equipment characteristics

表1 設(shè)備特性說明及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Description of equipment characteristics and evaluation criteria

表1 中3 種設(shè)備故障影響程度具體情況如下：1）重大影響：a.造成載客列車終到晚點(diǎn)10 min 以上30 min 以下；b.造成載客列車停運(yùn)或清客2 列次以上；c.造成載客列車跳停2 站次以上；d.處置垂梯困人1 h 以上1 h 30 min 以下或45 min 維修人員未到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)；e.造成乘客有責(zé)投訴或其他情況對(duì)運(yùn)營(yíng)企業(yè)造成重大影響的；f.造成直接經(jīng)濟(jì)損失20 萬元以上30 萬元以下。2）較大影響：a.造成載客列車終到晚點(diǎn)5 min 以上10 min 以下；b.造成載客列車停運(yùn)或清客1 列次；c.造成載客列車跳停1 站次；d.垂梯困人45 min 以上1 h 以下或30 min 維修人員未到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)；e.造成乘客有責(zé)投訴或其他情況對(duì)分公司造成較大影響的；f.造成直接經(jīng)濟(jì)損失10萬元以上20 萬元以下。3）一定影響：a.造成載客列車終到晚點(diǎn)2 min 以上5 min 以下；b.造成直接經(jīng)濟(jì)損失2 萬元以上10 萬元以下；c.其他情況下，對(duì)客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量造成一定影響。

如表2 所示，兩兩對(duì)比評(píng)價(jià)，依次確定準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層、方案層對(duì)準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣A：A=(aij) (i，j=1,2,3,4,5)，采用幾何平均法計(jì)算設(shè)備特性權(quán)重向量wi，如公式（1）所示。

表2 標(biāo)度表Tab.2 Scale table

2.2 城軌設(shè)備層次聚類模型

本文利用距離代表對(duì)象間的差異度間接反映樣本對(duì)象間的相似度，選取新增對(duì)象對(duì)任意對(duì)象組無影響的歐式距離作為相似度度量方法，利用層次聚類算法對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類，設(shè)某兩個(gè)設(shè)備的特性向量為xi={xi1,xi2,…,xi5}、xj={xj1,xj2,…,xj5}，二者的歐式距離如公式（2）所示。

3 城軌設(shè)備維修方式適用性決策

由于各維修方式的適用條件不同，在為城軌設(shè)備選擇維修方式時(shí)，應(yīng)聯(lián)系設(shè)備自身特點(diǎn)和維修方式適用性。根據(jù)前述維修方式定義，分析各種維修方式的適用條件如表3 所示。

從設(shè)備是否具有嚴(yán)格的國(guó)家或行業(yè)維修規(guī)范、設(shè)備是否具備監(jiān)測(cè)其相關(guān)參數(shù)的條件、設(shè)備故障后對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響以及設(shè)備故障后維修花費(fèi)的成本4 個(gè)方面分析，構(gòu)建的設(shè)備維修方式邏輯決斷模型如圖2 所示。

國(guó)家或行業(yè)規(guī)范作為一種強(qiáng)制性要求，要求必須在一定周期內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修、保養(yǎng)、測(cè)試等工作，對(duì)于有國(guó)家或行業(yè)維修規(guī)范的設(shè)備，其維修周期固定，必須采用定期維修的維修方式。對(duì)于故障頻率很低且故障后對(duì)運(yùn)營(yíng)影響很小的設(shè)備，為控制維修成本，可采用故障維修的維修方式，在設(shè)備出現(xiàn)故障后，迅速組織維修人員開展維修工作，減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。通過對(duì)設(shè)備故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，某些設(shè)備的故障率很低，設(shè)備運(yùn)行期間幾乎不發(fā)生故障，但這些設(shè)備的故障影響很大，故障后可能會(huì)引發(fā)行車事故，例如信號(hào)系統(tǒng)中的設(shè)備，這是由于這些設(shè)備本身的可靠性就很高。在決策維修方式時(shí)，除了要注意上述重要設(shè)備外，對(duì)于故障率高的設(shè)備，為了減少維修人員的工作量，維修方式的選擇要考慮設(shè)備是否具備參數(shù)監(jiān)測(cè)條件和設(shè)備故障維修成本兩方面因素。大部分機(jī)械設(shè)備都可以通過一些監(jiān)控或測(cè)試手段獲取其相關(guān)參數(shù)，且維修多以更換部件為主，維修成本不高，其故障率曲線類似“浴盆”形狀，在不同的故障階段，設(shè)備的故障率有顯著差異，因此可以對(duì)該性質(zhì)設(shè)備實(shí)行計(jì)劃維修；而電子和半導(dǎo)體設(shè)備的故障具有較大的偶然性，其故障率曲線表現(xiàn)出一種波動(dòng)增加的“滾輪”形狀，因此要達(dá)到零故障的目的，必須對(duì)該類設(shè)備實(shí)施預(yù)測(cè)維修。

表3 維修方式適用條件Tab.3 Applicable conditions of maintenance methods

圖2 設(shè)備維修方式邏輯決斷模型Fig.2 Logical decision model of equipment maintenance method

4 實(shí)例分析

以無錫地鐵1、2 號(hào)線城軌設(shè)備為研究對(duì)象，選取2017 年全年的故障記錄為原始數(shù)據(jù)集，綜合一線維修人員及設(shè)備管理工程師經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)本文方法進(jìn)行維修方式?jīng)Q策。

現(xiàn)有設(shè)備故障數(shù)據(jù)均以“事件”方式記錄，為了得到設(shè)備故障率，需要將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。根據(jù)圖2 邏輯決斷模型，為減少分類計(jì)算量，可先將故障率低且故障影響小的設(shè)備篩選出來，由于各專業(yè)的設(shè)備性質(zhì)、功能不同，可以設(shè)備故障數(shù)所占本專業(yè)總故障數(shù)的比例篩選設(shè)備。

4.1 城軌設(shè)備聚類

剔除相對(duì)故障率較低且故障影響小的設(shè)備后，將其余設(shè)備應(yīng)用第2.1 節(jié)所述方法，利用層次分析方法評(píng)價(jià)設(shè)備特性。借助公式（1）和表2 計(jì)算每個(gè)特性對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，綜合一線維修人員及工程師的意見后，得到準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)向量，如公式（4）所示。

組織包括一線設(shè)備維修人員、設(shè)備維修管理工程師、車間管理人員在內(nèi)的10 位無錫地鐵相關(guān)人員，以表1 所示設(shè)備特性的計(jì)算方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，取設(shè)備在每一特性下評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值，并將其與公式（4）中各特性對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘，得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果如表4 所示。

表4 待分類設(shè)備評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation results of equipment to be classified

由于蓄電池搬運(yùn)車和電扶梯是特種設(shè)備存在維修資質(zhì)問題，所以將該設(shè)備刪除，繼續(xù)對(duì)剩余的49種設(shè)備以2.2 節(jié)方法將評(píng)價(jià)結(jié)果作為原始數(shù)據(jù)集輸入層次聚類模型，聚類結(jié)果如圖3 所示。

分析聚類結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在5 個(gè)特性維度下，模型將設(shè)備聚為3 類的結(jié)果是較為明顯的。以平均距離為0.8 進(jìn)行切割，可以得到3 類設(shè)備的聚類結(jié)果，如表5 所示。

圖3 設(shè)備聚類結(jié)果Fig.3 Equipment clustering results

表5 設(shè)備聚類結(jié)果Tab.5 Equipment clustering results

4.2 城軌設(shè)備維修方式?jīng)Q策

結(jié)合上述聚類結(jié)果，應(yīng)用圖2 對(duì)設(shè)備維修方式進(jìn)行邏輯決斷?；馂?zāi)報(bào)警主機(jī)、高壓細(xì)水霧火災(zāi)報(bào)警設(shè)備、高壓細(xì)水霧泵組、自動(dòng)扶梯、垂直電梯、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)報(bào)警及模塊這6 類設(shè)備均有嚴(yán)格的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其維修周期固定，必須采用定期維修的維修方式，因此對(duì)這6 類設(shè)備采用定期維修；由于不在分類范圍內(nèi)設(shè)備的故障率較低、第一類設(shè)備故障影響較小，為控制維修成本，對(duì)第一類和除分類外的其他設(shè)備應(yīng)實(shí)行故障維修；由于第二類設(shè)備具備監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)條件但故障成本一般，因此應(yīng)對(duì)第二類設(shè)備實(shí)行計(jì)劃維修；由于第三類具備參數(shù)監(jiān)測(cè)條件且故障成本較高，因此應(yīng)對(duì)第三類設(shè)備實(shí)行預(yù)測(cè)維修。

5 結(jié)語

本文針對(duì)城市軌道交通設(shè)備維修決策中存在過于依賴主觀經(jīng)驗(yàn)、沒有維修側(cè)重點(diǎn)造成的資源浪費(fèi)問題，提出了基于層次聚類的城市軌道交通設(shè)備分類模型，在城軌設(shè)備分類基礎(chǔ)上為不同類別設(shè)備決策維修方式。并將構(gòu)建的模型和方法應(yīng)用于無錫地鐵設(shè)備維修方式?jīng)Q策研究中，以實(shí)例分析驗(yàn)證該方法的可行性，有助于城市軌道交通企業(yè)制定一份科學(xué)合理的設(shè)備維修方案以節(jié)約維修資源、提高設(shè)備維修管理水平。