基于模糊理論的信號(hào)設(shè)備使用壽命研究

王 琳,開祥寶,宋志丹,高 媛

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081; 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所,北京 100081; 3.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

隨著我國(guó)鐵路的全面提速，高鐵成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。而鐵路信號(hào)設(shè)備在確保列車安全運(yùn)行方面占有舉足輕重的地位。如何減少信號(hào)設(shè)備故障的發(fā)生成為日益突出的問題。準(zhǔn)確評(píng)估信號(hào)設(shè)備使用壽命，合理制定設(shè)備維修維護(hù)計(jì)劃，對(duì)保持信號(hào)設(shè)備性能，確保信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 信號(hào)設(shè)備的維修維護(hù)

當(dāng)前我國(guó)鐵路信號(hào)設(shè)備按照運(yùn)行環(huán)境的不同，可以分為地面信號(hào)設(shè)備與車載信號(hào)設(shè)備。地面信號(hào)設(shè)備主要包括：信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備、繼電設(shè)備與電子設(shè)備三大類。車載信號(hào)設(shè)備主要有：車載ATP、列車記錄單元JRU、列車監(jiān)控裝置LKJ等。自動(dòng)車組開通后，大量信號(hào)設(shè)備投入使用，信號(hào)設(shè)備數(shù)量不斷增加。例如：2015年共裝備3609套ATP車載設(shè)備，較2011年的1226套增長(zhǎng)了2.19倍；對(duì)于聯(lián)鎖道岔設(shè)備，其2015年安裝數(shù)量較2011年增長(zhǎng)1.21倍。設(shè)備數(shù)量在不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，其發(fā)生故障的頻率也在不斷增加。對(duì)2013年至2015年信號(hào)設(shè)備故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，故障率較高的信號(hào)設(shè)備主要集中在道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備、軌道電路設(shè)備、閉塞設(shè)備以及聯(lián)鎖設(shè)備。其中，道岔轉(zhuǎn)轍與軌道電路設(shè)備共占總體故障的70%以上。

圖1 近3年信號(hào)設(shè)備故障分布統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)人員對(duì)信號(hào)設(shè)備采取相應(yīng)的維護(hù)手段以確保其正常運(yùn)行。以車載設(shè)備和地面設(shè)備為例，對(duì)于車載信號(hào)設(shè)備，其維修維護(hù)主要隨動(dòng)車組修程進(jìn)行，例如：車載ATP采取運(yùn)用檢修與動(dòng)車組一、二級(jí)檢修同步進(jìn)行，高級(jí)檢修納入動(dòng)車組高級(jí)檢修管理流程的維修方式。對(duì)于地面信號(hào)設(shè)備，其維護(hù)工作由路局、電務(wù)段分級(jí)管理，電務(wù)段又實(shí)行段、車間與工區(qū)三級(jí)管理模式[1]。在現(xiàn)場(chǎng)維修中實(shí)行計(jì)劃修與狀態(tài)修相結(jié)合，主要包括維修、中修、大修及更新改造4種維修模式。這樣的維修模式對(duì)確保行車安全起到重要作用，但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際維護(hù)過程中，信號(hào)設(shè)備仍存在超期服役的現(xiàn)象。對(duì)于超期服役的信號(hào)設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致其電氣或機(jī)械特性不能滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期使用超期服役設(shè)備將嚴(yán)重威脅鐵路行車安全。因此，準(zhǔn)確評(píng)估信號(hào)設(shè)備的使用壽命，合理制定信號(hào)設(shè)備的維修周期，對(duì)保障鐵路運(yùn)輸安全具有重要意義。本文對(duì)影響信號(hào)設(shè)備使用壽命的各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，采用模糊理論對(duì)信號(hào)設(shè)備的使用壽命進(jìn)行評(píng)估，以此為信號(hào)設(shè)備的維修周期提供準(zhǔn)確依據(jù)。

2 信號(hào)設(shè)備使用壽命影響因素分析

綜合分析現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備的故障情況，信號(hào)設(shè)備的使用壽命主要受以下4方面影響。

(1)可靠性指標(biāo)

信號(hào)設(shè)備的可靠性主要指的是設(shè)備在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定條件下完成相應(yīng)任務(wù)[2]，以此保證列車安全運(yùn)行的能力。設(shè)備的可靠性是一個(gè)定性的概念，實(shí)際中，可靠性常以可靠性指標(biāo)的形式量化表示。例如，故障率、可靠度、維護(hù)率、平均故障時(shí)間間隔MTBF、平均維護(hù)時(shí)間MTTR等。這些指標(biāo)與設(shè)備的使用壽命密切相關(guān)。以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)CBI為例，該系統(tǒng)應(yīng)滿足可靠性與安全性設(shè)計(jì)要求，有MTBF≥106h，也就是該系統(tǒng)的平均壽命大概為114年。但這不表示系統(tǒng)的使用壽命可達(dá)114年，只能說(shuō)系統(tǒng)一年的故障率大致為0.878%。由此可靠性要求可以得出，在不考慮外界因素的影響下，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率會(huì)隨著平均壽命的增加而降低。

(2)施工安裝因素

實(shí)踐證明大多數(shù)設(shè)備的故障率滿足浴盆曲線的變化，如圖2所示。設(shè)備的故障變化大致分為3個(gè)階段，早期故障期、偶然故障期與耗損故障期[3]。其中，設(shè)備的故障概率在早期故障期呈現(xiàn)由高到低的下降趨勢(shì)。該階段主要為產(chǎn)品的安裝調(diào)試過程，由圖2可以看出，設(shè)備的施工安裝因素影響著設(shè)備的使用壽命。提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝施工工藝與安裝質(zhì)量將增加設(shè)備的使用壽命期限，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2 浴盆曲線

以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為例，其機(jī)械室內(nèi)設(shè)置有繼電器、接口柜、分線柜、電源屏等設(shè)備。在施工、安裝過程中，現(xiàn)場(chǎng)人員在對(duì)電纜芯線配線時(shí)應(yīng)注意防止因外皮接觸不良造成的設(shè)備故障。對(duì)于電源屏來(lái)說(shuō)，安裝人員應(yīng)將各模塊的邏輯零線獨(dú)立放置，選取滿足設(shè)備要求的接地電阻，以此防止因電流過大引起的電源模塊老化乃至損壞故障的發(fā)生[4]。因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝施工工藝與安裝質(zhì)量對(duì)信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行有直接影響。規(guī)范的施工安裝流程對(duì)提高信號(hào)設(shè)備的使用壽命，保證設(shè)備可靠穩(wěn)定的運(yùn)行起著重要作用。

(3)使用環(huán)境因素

設(shè)備使用環(huán)境影響因素主要包括有：溫度、濕度、酸堿度等，其中，溫度為環(huán)境影響因素的主要方面。

以鐵路信號(hào)智能化電源模塊來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)其電解電容的影響直接關(guān)系到電源模塊使用壽命的長(zhǎng)短。由經(jīng)驗(yàn)可得，溫度的升高會(huì)加速電容器內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，其介質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，因此電源模塊的使用壽命也會(huì)隨之下降。由統(tǒng)計(jì)得到，一個(gè)極限工作溫度為85 ℃的電解電容在溫度為20 ℃的工作條件下，其可保證180 000 h的正常工作，而當(dāng)溫度上升到85 ℃后，僅可保證2 000 h的正常工作[5]。由此可以看到，盡可能地降低電源屏的工作環(huán)境溫度對(duì)延長(zhǎng)其使用壽命十分重要。

(4)維修維護(hù)因素

日常的維修維護(hù)對(duì)減少信號(hào)設(shè)備故障起著重要作用，但是不良的檢修作業(yè)將會(huì)降低設(shè)備的使用壽命。本文對(duì)2014年故障率較高的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以其故障原因?qū)收蠑?shù)據(jù)進(jìn)行分類。以2014年為例，道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備故障共1 124件，其中因檢修不良故障共797件，材質(zhì)不良199件，因外單位影響故障共27件，非責(zé)任100件。對(duì)于軌道電路，其故障總數(shù)共631件，其中因檢修不良故障共342件，材質(zhì)不良129件，因外單位影響故障共19件，非責(zé)任122件。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得到不同故障原因所占故障總數(shù)的百分比，如圖3所示。

圖3 2014年道岔與軌道電路設(shè)備故障原因統(tǒng)計(jì)

由圖3得到，道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備與軌道電路設(shè)備故障的主要原因?yàn)闄z修不良與材質(zhì)不良。檢修不良占總體故障原因的50%以上?，F(xiàn)場(chǎng)的維修維護(hù)人員缺乏維修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備的工作原理，基本性能了解不明確，導(dǎo)致維護(hù)人員在日常檢修時(shí)，抓不住設(shè)備維修的重點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確判斷設(shè)備病害，從而致使設(shè)備故障率的增加。

由以上分析可以得到，信號(hào)設(shè)備的使用壽命除受自身可靠性指標(biāo)的影響外，還受外界因素的影響，因此若想準(zhǔn)確了解信號(hào)設(shè)備的維修周期應(yīng)綜合考慮以上影響因素。對(duì)此本文以聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)的電源模塊為例，基于模糊理論，采用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)其使用壽命進(jìn)行評(píng)估，以此為電源模塊的維修周期提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

3 基于模糊理論的電源模塊壽命分析

對(duì)于經(jīng)典可靠性來(lái)說(shuō)，其壽命分析考慮的是設(shè)備失效的隨機(jī)性，但設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中會(huì)受到各種各樣因素的影響，因此對(duì)設(shè)備使用壽命的評(píng)估不能單一的依據(jù)經(jīng)典可靠性分析[6]。所以，采用模糊綜合評(píng)判的方法，考慮影響電源模塊使用壽命的各個(gè)因素，將其對(duì)電源壽命的影響進(jìn)行量化，從而為電源模塊的維修維護(hù)提供良好的依據(jù)。

3.1 模糊綜合評(píng)判法

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]的模糊理論，對(duì)模糊因素量化、確定評(píng)判對(duì)象的模糊綜合評(píng)判矩陣主要有以下步驟。

(1)確定評(píng)判對(duì)象的因素集

因素集U主要由影響因素ui組成，不同的因素對(duì)評(píng)判對(duì)象具有不同程度的模糊影響

U=[u1，u2，…，un]

(1)

(2)確定評(píng)判對(duì)象的備擇集

評(píng)判對(duì)象的備擇集即為評(píng)價(jià)集，此為評(píng)判對(duì)象的評(píng)價(jià)結(jié)果，用V來(lái)表示

V=[v1，v2，…，vn]

(2)

(3)確定因素的權(quán)重集

不同的因素對(duì)評(píng)判對(duì)象的影響程度是不同的，為了反映因素的重要程度，應(yīng)對(duì)各因素賦以不同的權(quán)數(shù)值ai，由其構(gòu)成的A為權(quán)重集[7]

A=[a1，a2，…，an]

(3)

(4)因素評(píng)判矩陣

因素評(píng)判矩陣R是單個(gè)因素評(píng)判隸屬度的集合。單個(gè)因素評(píng)判隸屬度可用Ri表示，其代表第i個(gè)因素對(duì)備擇集第j個(gè)元素的隸屬度[7]

(4)

(5)模糊綜合評(píng)判矩陣

考慮不同因素的重要程度后，可以得到模糊綜合評(píng)判矩陣B，其中bi即為所得的因素評(píng)判指標(biāo)

B=A·R=[b1，b2，…，bn]

(5)

(6)評(píng)判結(jié)果

已知因素的評(píng)判指標(biāo)后，根據(jù)加權(quán)平均的方法對(duì)評(píng)判對(duì)象的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文對(duì)電源模塊壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)有

(6)

3.2 基于模糊綜合評(píng)判法的電源模塊壽命分析

在模糊綜合評(píng)判方法中需要對(duì)評(píng)判對(duì)象確定其因素集、備擇集以及權(quán)重集。

對(duì)于上位機(jī)的電源模塊來(lái)說(shuō)，其壽命主要受安裝施工工藝、溫度、維修維護(hù)以及上位機(jī)狀態(tài)4方面因素影響。相應(yīng)地，電源模塊的因素集為

U=[u1，u2，u3，u4]

(7)

根據(jù)影響因素所處的狀態(tài)不同，將其分為3個(gè)等級(jí)：好、中、差。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，將各個(gè)影響因素依等級(jí)狀態(tài)進(jìn)行量化表示，得到集合

(8)

對(duì)于電源模塊有備擇集V，其中Vij為評(píng)判等級(jí)，同樣，將等級(jí)分為好、中、差三級(jí)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取t1=3×104h、t2=5×104h、與t3=9×104h，則其對(duì)應(yīng)的備擇集

(9)

已知W與V就可得到因素評(píng)判矩陣

R=W·V=

(10)

不同的因素對(duì)電源模塊使用壽命的影響是不同的，根據(jù)專家打分的方式確定其影響因素的權(quán)重集A，有

(11)

則模糊綜合評(píng)判矩陣為B，有

(12)

對(duì)所得的綜合評(píng)判指標(biāo)采用加權(quán)平均的方式對(duì)電源模塊的壽命進(jìn)行評(píng)估，有

年

綜合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，本文對(duì)2013年、2014年與2015年的上位機(jī)電源模塊故障次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別以開通時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，如圖4所示。

圖4 上位機(jī)電源模塊故障統(tǒng)計(jì)

由圖4可得，上位機(jī)電源模塊在使用5～7年內(nèi)，故障明顯增加。本文對(duì)電源模塊使用壽命的評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。所以，現(xiàn)場(chǎng)維修人員在電源模塊使用5年后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)其制定相應(yīng)大修計(jì)劃，及時(shí)更換設(shè)備，以確保上位機(jī)的正常運(yùn)行。

由以上可得，模糊綜合評(píng)判法因綜合考慮設(shè)備外界因素的影響，其所得的評(píng)估結(jié)果較傳統(tǒng)概率來(lái)說(shuō)更加符合實(shí)際情況。其因素集可隨著現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行具體設(shè)置，所以該方法對(duì)于其他信號(hào)設(shè)備同樣適用?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員可以參考該方法對(duì)設(shè)備制定相應(yīng)的大修維修計(jì)劃，及時(shí)更換，從而減少設(shè)備故障的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，高速鐵路的全面發(fā)展對(duì)信號(hào)設(shè)備的維修維護(hù)工作提出了更高的要求。為制定合理的維修維護(hù)計(jì)劃，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員除準(zhǔn)確把握信號(hào)設(shè)備維修周期外，還可利用相關(guān)監(jiān)測(cè)手段對(duì)信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而制定完善的狀態(tài)等級(jí)評(píng)估體系，為實(shí)現(xiàn)維修工作的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，建立符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的維修管理模式提供準(zhǔn)確依據(jù)。

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