城市軌道交通設施設備故障綜合評估預警方法

王 征

(1.昆明地鐵運營有限公司 昆明650504;2.上海地鐵第二運營有限公司 上海200003)

設施設備的正常運轉是城市軌道交通安全運營的前提條件。已有統計資料表明，設施設備故障是引發城市軌道交通事故和故障的主要原因，占所有事故和故障約70%以上的比例［1］。另一方面，城市軌道交通設施設備故障受人為等不可控因素的影響較小，能確保更高的預警精度，因此筆者對城市軌道交通設施設備故障開展預警研究。

基于城市軌道交通設施設備分類，研究城市軌道交通設施設備故障綜合評估預警方法。以設施設備歷史故障信息為基礎，結合運營單位對設施設備安全及可靠性狀況的要求，構建設施設備三級綜合評估預警指標體系，并建立預警界限區域，為構建城市軌道交通設施設備預警平臺、設施設備運營安全管理分析與決策等提供方法依據。

1 預警指標的建立原則

城市軌道交通設施設備預警指標體系的建立需要遵循以下幾個原則:

1)實用化原則。設施設備故障預警指標應該容易量化，且能夠反映軌道交通不同運營階段的變化特征，滿足不同運營階段的安全管理需求。

2)科學化原則。將影響運營安全的常發性設施設備故障的發生數量表示為一定周期的絕對和相對特征量，即把影響運營安全的設施設備故障征兆用數據指標表示，以表明當前軌道交通運營設施設備系統的安全及可靠性狀態。

3)敏感性原則。預警指標要能夠比較可靠性水平及其發展變化趨勢，在危害運營安全事件發生前起到預先警報的作用。

4)可比性原則。設施設備故障預警指標應能夠反映不同時段或不同線路設施設備故障的發展變化，即能夠進行同一時段不同運營線路的橫向對比分析，還可進行同一運營線路不同時段的縱向對比分析。

2 預警指標體系的構建

2.1 預警指標框架體系

城市軌道交通設施設備一般可劃分為車輛、通信信號(下面簡稱“通號”)、供電、工務、機電設備(包括消防系統、車站一般機電設備、環境與設備監控系統、通風和空調設備等)子系統［2］。以上述子系統為設施設備故障一級分類標準，在此基礎上根據2012年上海軌道交通調度日志數據，選擇各子系統常發或重要故障對應的設施設備作為二級分類標準。基于設施設備二級分類建立單因素預警指標，基于設施設備一級分類建立子系統綜合預警指標，在此基礎上建立線路層設施設備綜合預警指標，具體的預警指標體系見圖1。基于設施設備類別劃分建立預警指標體系，有利于設施設備故障分類、查詢統計和預警管理。

圖1 城市軌道交通設施設備預警指標體系

表1中，Fij代表第i個設施設備子系統(車輛、通號、供電、工務、機電設備)第j類故障的單因素預警指標，Fi代表第i個設施設備子系統的綜合預警指標，Fz代表一條線路所有設施設備的綜合預警指標。

2.2 預警指標量化方法

2.2.1 單因素預警指標(Fij)

預警指標一般可通過當期某設施設備故障數量與該類設施設備相同周期的某一基準故障數量(作為對比基準數)之間的對比關系來量化表示。根據對比基準數的類型，可將預警指標劃分為相對預警指標和絕對預警指標［3］。從已有的高速公路或鐵路的事故故障預警平臺看，絕對預警指標應用相對較少［4-5］，因此筆者僅研究城市軌道交通設施設備相對預警指標的定量計算方法。

相對預警指標是指將某類設施設備當期發生故障頻次對比由相同周期歷史數據計算得到的某類相對基準數，在此基礎上多角度、客觀地評估該類設施設備的當前運營安全與可靠性狀態。設施設備故障預警相對指標的一般計算公式為

式中，Fijk代表第i個設施設備子系統第j類故障的第k類相對基準數的相對增量指標，Rijk代表第i個設施設備子系統第j類故障的第k類相對基準數的相對增率指標，Aij為當期第i個設施設備子系統第j類故障的發生次數，Sijk為第i個設施設備子系統第j類故障的第k類相對基準數。

以月為統計和預警周期，定義以下3類相對基準數:移動月平均統計值、上月統計值、上年同期(同月)統計值，其分別表示本月前12個月的每月平均、上月以及上年同期該類設施設備故障的發生次數，相應的相對預警增量指標稱之為相比移動月均故障，增長數記為a，環比故障增長數記為b，同比故障增長數記為c，計算公式為

式中，nm、nl、nlm分別表示移動月平均故障次數、上月故障次數及上年同月故障次數。本月故障次數n是指根據統計得到本月某設施設備子系統的各組成部件的故障次數，不同設施設備子系統的故障次數不疊加。相比移動月均故障增長數a，是指軌道交通各設施設備子系統的各組成部件的本月故障次數對比本月之前12個月的故障次數月均值的變化值;環比故障增長數b，是指軌道交通各設施設備子系統的各組成部件的本月故障次數對比上月故障次數的變化值;同比故障增長數c，是指城市軌道交通各設施設備子系統的各組成部件的本月故障次數對比上年同期故障次數的變化值。

2.2.2 設施設備子系統綜合預警指標(Fi)

以軌道交通設施設備某子系統為統計單位，對下月本條運營線路某設施設備子系統可能發生的故障水平情況做出預警:當某一設施設備系統的故障頻次預測值超過閾值時，需要對該系統加強維修保養;在可能的情況下，控制影響因素往有利于安全運營的方向發展;若沒有辦法控制影響因素，則充分考慮影響因素可能造成的故障，及時調配人員，對該故障涉及的工作人員進行提示，并通過培訓提高相關工作人員解決、清除故障的技能。設施設備子系統綜合預警指標的計算公式為

式中，Fi代表第i個設施設備子系統的綜合預警指標，ωij代表第i個設施設備子系統第j類故障的預警指數的權重，Fij代表第i個設施設備子系統第j類故障的單因素預警指標。以車輛子系統為例，車輛子系統綜合預警指標的計算公式為

式中，ω11～ω16分別表示控制系統、車門系統、制動系統、牽引系統、輔助系統及車輛其他故障的預警指數權重，F11～F16分別表示控制系統、車門系統、制動系統、牽引系統、輔助系統及車輛其他故障的預警指數。

2.2.3 線路設施設備綜合預警指標(FZ)

以線路為統計單位，對下月本條運營線路的所有設備設施可能發生的故障水平情況作出預警。城市軌道交通在實際運營中，設備設施故障信息大多以線路為單位上報線路控制中心(OCC)，所以，針對線路整體設備設施故障進行綜合預警，使運營安全或維護保障管理人員可以了解線路上設施設備的總體故障水平，并針對不良預警結果，提前做好檢修和預防準備，以降低未來可能發生的設備設施故障及其對線路運營的危害。線路設施設備綜合預警指標計算公式為

式中，Fz代表線路設施設備綜合預警指標，F1～F5分別表示車輛系統、通號系統、供電系統、工務系統、機電設備系統綜合預警指數，ωi代表第i個設施設備子系統的綜合預警指數的權重，且分別代表上述系統的權重指數，設施設備子系統綜合預警指標權重ωij和線路設施設備綜合預警指標權重ωi的計算方法可采用比較成熟的層次分析法、序關系分析法等［6-7］，本文不再贅述。

3 預警等級與閾值劃分

3.1 預警閾值及等級劃分

參照國際鐵路事故故障頻次等級劃分標準［8］，將城市軌道交通設施設備故障發生頻次預警閾值及預警等級劃分為4級(見表1)。

表1 預警閾值與預警等級劃分

3.2 單因素預警閾值及等級劃分

本文定義了3類相對預警增量指標，預警時先分別計算相比移動月均故障增長數指標、環比故障增長數指標和同比故障增長數指標，分別將指標計算值與表1的預警閾值區域進行對比，當其中任意1個預警值達到預警標準，就發出該類預警信號。單因素預警閾值及等級確定見表2。

表2 設施設備單因素預警閾值及等級的確定

3.3 設施設備綜合預警閾值及等級劃分

設備設施綜合預警指標代表了某一條線路或某一個子系統的設備設施的總體安全狀態。根據單因素預警指標，利用式(6)、式(8)分別計算出某條線路或某一子系統的綜合預警指數值，將此值與表1的預警閾值進行對比分析，當計算的預警指數值落在哪個區間內，就發出相應的預警信號。

4 結論

針對城市軌道交通設施設備綜合評估預警的需求，構建從單一設施設備、設施設備綜合子系統到線路綜合設施設備系統的三級綜合安全預警指標體系，提出基于歷史數據的3類相對基數預警指標計算方法，參考國際鐵路事故故障頻次等級劃分標準，確定相應的預警閾值及預警等級。本研究成果可為城市軌道交通設施設備故障預警平臺的開發提供方法支持，也可為城市軌道交通運營企業的安全管理決策提供借鑒和依據。值得一提的是，由于本文的設施設備故障二級分類僅根據2012年上海軌道交通調度日志數據確定，因此各軌道交通運營企業在設施設備預警平臺實踐建設中，需要根據具體情況制定分類標準和構建相應的預警指標體系。

［1］羅欽，朱效潔，陳光華，等.城市軌道交通事故故障統計及預警管理信息系統設計［J］.城市軌道交通研究，2005，8(6):39-42.

［2］任星辰.城市軌道交通運營設備設施安全評價體系研究［D］.北京:北京交通大學，2012.

［3］李得偉，孫宇星，黃建玲.地鐵客流預警技術基礎探討［J］.都市快軌交通，2013，26(2):62-66.

［4］何相呈.基于物聯網的公路邊坡危巖體監控預警系統研究［D］.重慶:重慶交通大學，2013.

［5］王艷，劉翀，李丹丹.一種多功能鐵路道口報警系統［J］.自動化技術與應用，2001，(1):38-39.

［6］鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究［J］.數學的實踐與認識，2012，42(7):93-99.

［7］香趙政，廖開際，劉其輝.基于序關系確定成熟度評價指標權重的簡易法［J］.廣西大學學報:自然科學版，2009，34(6):824-826.

［8］張晗.城市軌道交通運營安全綜合評估預警平臺設計研究［D］.北京:北京交通大學，2012.