城市軌道交通車輛可靠性分配及預(yù)測

朱愛鳳 薛淑勝

（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師）

國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)，大多采用了來自歐洲的RA MS（可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性）設(shè)計(jì)管理思想。其中可靠性被定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

伴隨著國外知名的城市軌道交通車輛供應(yīng)商的進(jìn)入，各城市對城市軌道交通車輛可靠性的要求也越來越關(guān)注，并給出了具體的目標(biāo)值。

對于車輛制造廠來說，如何能把這些目標(biāo)值進(jìn)行分配，使其在設(shè)計(jì)中貫徹，在制造中執(zhí)行，以及在零部件和設(shè)備采購合同中提出要求，就顯得尤為重要。這就要求用一種全新的思路去開展設(shè)計(jì)，這是可靠性設(shè)計(jì)。

1 可靠性設(shè)計(jì)的重要性

可靠性設(shè)計(jì)是把工程中的設(shè)計(jì)變量處理成多值的隨機(jī)變量，能夠?qū)Ξa(chǎn)品的故障（失效）、不可靠等狀態(tài)的隨機(jī)性進(jìn)行概率性描述。

現(xiàn)代社會(huì)中，隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展、同類產(chǎn)品的競爭、產(chǎn)品淘汰速度的加快及新產(chǎn)品研制周期的縮短，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)很難保證產(chǎn)品的可靠性要求。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，主要是建立在以往的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，往往帶有一定的主觀色彩。設(shè)計(jì)中，如果不能詳細(xì)考慮產(chǎn)品可靠性要求，不能用可靠性設(shè)計(jì)理念和方法去控制和預(yù)防，那么無論如何去精心制造、嚴(yán)格管理、合理運(yùn)用，也難以保證可靠性要求的實(shí)現(xiàn)。如果產(chǎn)品存在多個(gè)潛在可靠性缺陷，并在運(yùn)用中頻發(fā)，將會(huì)造成成本的嚴(yán)重?fù)p失及信譽(yù)喪失。可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是采取風(fēng)險(xiǎn)評估，其核心理念是預(yù)防，多個(gè)研究已表明開展可靠性設(shè)計(jì)不僅對產(chǎn)品可靠性表現(xiàn)有事半功倍的作用，而且能夠使得產(chǎn)品的壽命周期成本大大減少。近年來，人們把包括可靠性在內(nèi)的質(zhì)量概念稱為近代質(zhì)量，把不包括可靠性在內(nèi)的質(zhì)量概念稱為傳統(tǒng)質(zhì)量。在近代質(zhì)量中，80%質(zhì)量保證工作在研發(fā)階段完成的。

圖1顯示了可靠性設(shè)計(jì)程序和方法。從圖1中可看出可靠性設(shè)計(jì)中在不同階段所要進(jìn)行的工作?？煽啃栽O(shè)計(jì)是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，首先要明確產(chǎn)品的可靠性要求，確定可靠性指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的相關(guān)工作，本文著重介紹城市軌道交通車輛的可靠性指標(biāo)分配和預(yù)測。

2 城市軌道交通車輛可靠性分配

2.1 城市軌道交通車輛功能分解

功能分解是開展可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，城市軌道車輛是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，所以更有必要進(jìn)行功能分解。

圖1 可靠性設(shè)計(jì)程序和方法

功能分解的目的主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1）便于設(shè)計(jì)分組，明確各設(shè)計(jì)組所要完成的功能，進(jìn)行任務(wù)分解、實(shí)現(xiàn)及校核。

2）便于可靠性的任務(wù)分配，以把指標(biāo)作進(jìn)一步分配和實(shí)現(xiàn)。

3）便于可靠性的定性、定量分析。按功能對車輛或列車進(jìn)行分析，易于分析出功能導(dǎo)致的列車事故嚴(yán)重程度及影響，也便于有效措施的制定。

4）便于產(chǎn)品運(yùn)用后進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。考慮到城市軌道交通車輛的功能不盡相同。所進(jìn)行的功能分解也不一定相同，這需要根據(jù)車輛的功能要求和配置進(jìn)行綜合考慮。由于功能分解有如上的作用，這就要求功能分解在項(xiàng)目的層次上，可以由技術(shù)責(zé)任人和RA MS人員共同完成。

表1為列車功能分解的實(shí)例。

2.2 故障分類及指標(biāo)要求

可靠性指標(biāo)的對象就是故障，故障又有不同的分類，軌道交通行業(yè)內(nèi)把故障分為內(nèi)在故障和運(yùn)營故障。

內(nèi)在故障是指產(chǎn)品，主要反映產(chǎn)品對維修人力的要求。因此在評定產(chǎn)品內(nèi)在可靠性時(shí)應(yīng)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品的所有故障，包括運(yùn)營故障。內(nèi)在故障不再細(xì)分。

評定產(chǎn)品運(yùn)營可靠性時(shí)僅考慮運(yùn)營故障的影響。不同的城市軌道交通項(xiàng)目運(yùn)營故障分類有所不同，但通常會(huì)分為如下三類故障。

表1 南京地鐵2號線項(xiàng)目列車功能分解

1）救援故障：列車已嚴(yán)重?fù)p壞或癱瘓，需要牽引車或另一列車的幫助才能拉回基地或避車線。

2）清客故障：列車在故障時(shí)不能繼續(xù)服務(wù)，疏散乘客后自行返回基地或避車線。

3）延誤故障：指列車發(fā)生故障以后影響正常運(yùn)行且列車在線路中的停車時(shí)間超過了5 min（也有定義為3 min或2 min）。

有些項(xiàng)目中，對清客故障須進(jìn)一步細(xì)分，分為清客故障和掉線故障。掉線故障定義為列車運(yùn)行一圈后疏散乘客，退出商業(yè)運(yùn)營；對延誤故障也有不同的說法，稱之為晚點(diǎn)故障，甚至分解為大晚點(diǎn)和小晚點(diǎn)故障。

城市軌道項(xiàng)目中可靠性指標(biāo)實(shí)例見表2。

表2 南京地鐵2號線項(xiàng)目可靠性指標(biāo)

2.3 可靠性分配原則

在可靠性設(shè)計(jì)中，可靠性分配最好以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)是指相似子系統(tǒng)或設(shè)備的長期運(yùn)用中的可靠性表現(xiàn)，是理想的分配依據(jù)。當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)，可靠性分配可以遵守如下原則。

1）技術(shù)水平：對技術(shù)成熟的系統(tǒng)，能夠保證實(shí)現(xiàn)較高的可靠性，或預(yù)期投入使用時(shí)可靠性可有把握地增長到較高水平，則可分配給較低的故障率指標(biāo)。

2）復(fù)雜程度：對較簡單的系統(tǒng)，組成該系統(tǒng)零部件數(shù)量少，組裝容易保證質(zhì)量或故障后易于修復(fù)，則可分配給較低的故障率指標(biāo)。

3）重要程度：對重要的功能系統(tǒng)或單元，失效后將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，或其失效常會(huì)導(dǎo)致車輛系統(tǒng)失效，則應(yīng)分配給較低的故障率指標(biāo)。

4）任務(wù)情況：對整個(gè)任務(wù)期間內(nèi)均需連續(xù)工作以及工作條件嚴(yán)酷，難以保證很高可靠性的系統(tǒng)或單元，則應(yīng)分配給較高的故障率指標(biāo)。

此外，可靠性分配一般還要受費(fèi)用、重量、尺寸等條件的約束。總之，最終都是力求以最合理的分配來達(dá)到車輛系統(tǒng)可靠性的要求。

2.4 可靠性分配

可靠性分配有多種方法，可根據(jù)可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量、設(shè)計(jì)的不同階段以及限制條件等選擇運(yùn)用。常見可靠性分配的方法如下。

1）等分配法：用于對各系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)掌握很少，故假定各系統(tǒng)的條件相同。

2）綜合評分分配法：是按經(jīng)驗(yàn)對各系統(tǒng)考慮主要因素而進(jìn)行綜合評分，可通過頭腦風(fēng)暴（由經(jīng)驗(yàn)豐富的專家團(tuán)隊(duì)制定規(guī)則并進(jìn)行打分）實(shí)現(xiàn)，根據(jù)各系統(tǒng)得分多少分配給相應(yīng)的可靠性指標(biāo)。

3）比例分配法：以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)長期統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)的故障率，能夠?qū)π马?xiàng)目相似系統(tǒng)的表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測，但因?yàn)樾马?xiàng)目規(guī)定了新的可靠性指標(biāo)要求，這時(shí)可把統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的失效率比例用于新項(xiàng)目，對系統(tǒng)按正比進(jìn)行初步分配，也可根據(jù)配置的差異進(jìn)行局部調(diào)整。

現(xiàn)在采用“比例分配法”對表2中內(nèi)在故障指標(biāo)進(jìn)行初步分配，參考示例見表3。

表3 比例分配法計(jì)算示例

表3中內(nèi)在故障百分比數(shù)是通過FRACAS（故障報(bào)告、分析及糾正措施系統(tǒng)）系統(tǒng)，對南京地鐵1號線和2號線、上海軌道交通10號線、蘇州地鐵1號線、深圳地鐵4號線項(xiàng)目相似系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后的計(jì)算數(shù)值。在分配時(shí)首先把總指標(biāo)換算為故障率λ，再按故障百分比數(shù)進(jìn)行分配計(jì)算，需要說明的是軌道車輛作為復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)品，其可靠度可認(rèn)為服從指數(shù)分布，λ和平均無故障運(yùn)行時(shí)間（tMBF）之間換算關(guān)系為：tMBF＝1／λ。

系統(tǒng)指標(biāo)確定后，可在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)一步分配，方法同樣，可一直分配到設(shè)備甚至元器件。

3 可靠性預(yù)測

可靠性指標(biāo)分配后，在各個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要加以貫徹，可通過對指標(biāo)的控制來實(shí)現(xiàn)。針對元器件，通過參數(shù)選型可對指標(biāo)進(jìn)行控制，有很多標(biāo)準(zhǔn)（如：MIL－HDBK－217F《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)》、GJB／Z 299C《電子系統(tǒng)可靠性預(yù)測》可以參考）。針對設(shè)備，可通過對供應(yīng)商提出指標(biāo)需求，并嚴(yán)格審核供應(yīng)商的分析數(shù)據(jù)來控制。在此過程中，可靠性工程師就要及時(shí)跟蹤各子系統(tǒng)可靠性完成情況，開展可靠性定量預(yù)測，如果發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)不能滿足指標(biāo)分配要求，就要采取相應(yīng)措施控制指標(biāo)。

開展可靠性預(yù)測的常用方法是可靠性方框圖（RBD）分析。RBD是利用相互連接的方框（數(shù)學(xué)模型）來顯示系統(tǒng)的失效邏輯，分析系統(tǒng)中每一個(gè)部件故障后對系統(tǒng)的影響，幫助評估系統(tǒng)的整體可靠性。在軌道交通車輛上，采用RBD最多的數(shù)學(xué)模型是串聯(lián)模型、并聯(lián)模型。串聯(lián)模型可理解為：組成產(chǎn)品的所有單元中任一單元發(fā)生故障都認(rèn)為產(chǎn)品故障；并聯(lián)模型可理解為組成產(chǎn)品所有單元同時(shí)工作，只要有一個(gè)單元不發(fā)生故障，產(chǎn)品就不會(huì)發(fā)生故障，可認(rèn)為是一種備份或冗余設(shè)計(jì)。

針對內(nèi)在故障率預(yù)測，就是采用最簡單的串聯(lián)模型，輸入所有單元的故障率后，就能對產(chǎn)品內(nèi)在可靠性表現(xiàn)進(jìn)行計(jì)算；針對運(yùn)營故障率預(yù)測，首先定義清楚各子系統(tǒng)的所有運(yùn)營故障模式，然后對每一個(gè)故障模式進(jìn)行詳細(xì)的RBD建模，在能夠輸入所有單元的故障率后，就可以對故障模式的可靠性表現(xiàn)進(jìn)行定量計(jì)算。當(dāng)對所有故障模式進(jìn)行定量分析后，就能夠?qū)ο到y(tǒng)的整體運(yùn)營可靠性表現(xiàn)進(jìn)行定量預(yù)測。如果這一預(yù)測顯示了對合同規(guī)定的可靠性目標(biāo)的不符合性，就需要采取適當(dāng)?shù)募m正措施來進(jìn)行改進(jìn)。

圖2是采用RBD工具軟件對列車DOR功能的運(yùn)營故障事件進(jìn)行分析的一個(gè)實(shí)例，其中就體現(xiàn)了串聯(lián)模型和并聯(lián)模型的綜合應(yīng)用，每個(gè)方框中的數(shù)值就是故障率值，整體故障率值可通過軟件自動(dòng)計(jì) 算功能得出。

圖2 DOR子系統(tǒng)運(yùn)營故障模型分析實(shí)例

4 做好城市軌道交通車輛可靠性設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

1）應(yīng)該認(rèn)識到開展可靠性設(shè)計(jì)是軌道交通發(fā)展的需要。是車輛制造廠提高車輛質(zhì)量、取得國內(nèi)外城市軌道交通市場必須具備的條件。

2）應(yīng)建立合理的組織保證?？煽啃怨ぷ鞑皇莾H由RA MS人員就能完成的工作，而是一種組織行為，涉及到設(shè)計(jì)、工藝、制造、質(zhì)量、采購、售后以及用戶的共同參與。

3）對從事可靠性工作的人員的素質(zhì)要求：應(yīng)熟悉可靠性理論和開展流程，有較好的組織、協(xié)調(diào)能力；具有能深入分析、發(fā)現(xiàn)和處理具體的可靠性問題的能力。

4）應(yīng)重視專業(yè)分析軟件的使用和開發(fā)。

［1］ EN 50126—1999鐵路應(yīng)用可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性技術(shù)條件和驗(yàn)證［S］.

［2］ GB／T 3187—1994可靠性、維修性術(shù)語［S］.

［3］ GJB 299C—2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊［S］.