動車組故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及其應(yīng)用

王靈芝

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

目前，中國高速動車組的信息采集技術(shù)不斷增強，最新的復(fù)興號動車組已經(jīng)能夠采集多達1500項動車組的狀態(tài)信息。其覆蓋了動車組很多設(shè)備，也包括了動車組設(shè)備所處的環(huán)境溫度、設(shè)備的磨損情況等。設(shè)備出現(xiàn)異常時系統(tǒng)可自動報警，并將設(shè)備出現(xiàn)的異常情況采集記錄下來。這些信息通過遠程傳輸使得地面及時獲知設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。

信息采集技術(shù)能夠?qū)榆嚱M整個生命周期內(nèi)的運行狀態(tài)、故障信息以及維修情況及時完整地記錄下來。這些信息為動車組故障的診斷提供依據(jù)，通過對故障信息的統(tǒng)計分析，為動車組修程修制的優(yōu)化、售后備件種類和數(shù)量的優(yōu)化、動車組設(shè)備的正常運行提供幫助。

通過對故障信息的宏觀統(tǒng)計分析，工作人員不僅可以獲取故障多發(fā)的時間、多發(fā)的線路、多發(fā)的設(shè)備，還可以獲取主要的故障模式、故障原因、故障影響因素等。對故障信息的深度統(tǒng)計分析，可以優(yōu)化設(shè)備的維修間隔期、調(diào)整各級別修程的維修內(nèi)容、合理調(diào)配維修資源[1]。

1 動車組設(shè)備分級樹的建立

動車組屬于大型設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件種類繁多，因此設(shè)備發(fā)生故障的概率很大。為了更加科學(xué)地對動車組設(shè)備進行故障信息的統(tǒng)計分析，對動車組的層次化、模塊化特點建立設(shè)備分級樹。對故障信息進行分析時，按照設(shè)備分級樹的層級對故障信息進行篩選，使故障信息的統(tǒng)計分析更加條理清晰[2]。

動車組設(shè)備分級樹的部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個動車組劃分為車內(nèi)系統(tǒng)、牽引傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、高壓系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)。第二層級是制動系統(tǒng)，分為風(fēng)源分系統(tǒng)、防滑分系統(tǒng)、制動控制分系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動分系統(tǒng)等。第三層級是制動控制分系統(tǒng)，分為風(fēng)缸、制動控制裝置等。第四層級是制動控制裝置，分為停放控制模塊、供風(fēng)模塊、制動控制模塊、電子制動控制單元等。第五層級是制動控制模塊，分為電磁閥、空重閥和壓力變換閥等。采用類似方法對動車組所有系統(tǒng)、分系統(tǒng)進行設(shè)備分級樹的構(gòu)建，最后形成完整的動車組設(shè)備分級樹。

根據(jù)不同的需求，對不同層級的不同產(chǎn)品進行故障統(tǒng)計分析。例如，動車關(guān)注的是系統(tǒng)、分系統(tǒng)層級的故障，動車段關(guān)注的是裝置、部件層面的故障，主機廠和配件廠關(guān)注的是裝置、部件、零部件的故障。它們可以按照自己的需求，對信息系統(tǒng)的故障按設(shè)備分級樹的方法進行篩選分析，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

2 故障信息的宏觀統(tǒng)計分析

信息系統(tǒng)中每條故障信息至少包含了故障時間、故障部件、故障名稱、故障系統(tǒng)、故障現(xiàn)象、故障原因、故障影響以及故障解決方案等。依據(jù)上述設(shè)備包含的信息選擇分析層級，無論選定哪一層級作為分析對象，統(tǒng)一將分析對象稱為設(shè)備。某動車組各系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，如圖2所示。

圖1 動車組設(shè)備分級樹的部分結(jié)構(gòu)

從各系統(tǒng)故障發(fā)生的頻次來看，車體及車內(nèi)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)故障頻次較高。車體及車內(nèi)系統(tǒng)與乘客和乘務(wù)人員頻繁接觸、使用率高，其故障主要集中在車門和衛(wèi)生供水系統(tǒng)。因此，多準(zhǔn)備相關(guān)的配件，及時對故障件進行更換或修復(fù)。高壓系統(tǒng)中的受電弓部分暴露在動車組車頂，受外部環(huán)境影響很大。受電弓一旦發(fā)生故障，排查維修作業(yè)用時較長，耽誤行車時間較多。針對這種情況，工作人員必須保證受電弓動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效、可靠，及時發(fā)現(xiàn)受電弓狀態(tài)的異常避免故障的發(fā)生。牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何零部件的不良都有可能影響牽引功能的運作。傳感器故障、板卡故障是導(dǎo)致牽引功能出現(xiàn)異常的主要原因，其無法通過實時監(jiān)測提前預(yù)知，因此這些零部件在設(shè)計生產(chǎn)階段需保證較高的質(zhì)量。

圖2 動車組各系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖3 動車組全年各季度故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計

不同季度統(tǒng)計的故障數(shù)據(jù)如圖3所示。12～2月故障最多，冬季天氣惡劣，極端暴風(fēng)雪天氣對制動系統(tǒng)和車體及車內(nèi)系統(tǒng)都是嚴(yán)峻的考驗。車門處積冰等情況對車門控制系統(tǒng)影響很大，氣溫過低對橡膠件的密封性能也會產(chǎn)生一定影響。因此，在冬季特別是運行線路在北方的動車組需準(zhǔn)備充分的備品備件。

3 故障信息的深入統(tǒng)計分析

3.1 故障率函數(shù)的確定方法

故障率是指設(shè)備工作到t時刻后，在單位時間內(nèi)的故障發(fā)生概率，它反映了研究對象在任一瞬時出現(xiàn)故障概率的變化趨勢[3]。

故障率如式（1）所示。

將設(shè)備的故障率σ(t)隨時間變化的函數(shù)用曲線在坐標(biāo)σ(t)-t上繪出，它反映了設(shè)備工作全過程的故障變化情況。

對于動車組某層級的一種設(shè)備，假設(shè)在運行時刻t=0時K個設(shè)備開始運行，到時刻t時有Kf(t)個設(shè)備發(fā)生了故障，這時還有K-Kf(t)個設(shè)備繼續(xù)運行，繼續(xù)運行Δt時間后，又有ΔKf(t)個設(shè)備發(fā)生故障，則工作到t時刻的設(shè)備在單位時間內(nèi)的故障率表達式如（2）所示。

根據(jù)故障信息便可以得到所分析設(shè)備離散時間點的故障率，將這些離散時間點故障率用曲線坐標(biāo)σ(t)-t繪出，進而通過對離散時間點的故障率進行曲線擬合，得到設(shè)備的故障率分布函數(shù)。

動車組設(shè)備修程修制的設(shè)備預(yù)防性維修間隔期自始至終都是相同的，這是基于所有預(yù)防性維修活動能夠在設(shè)備在維修后，保持如新品一樣高的可靠度。實際情況是，預(yù)防性維修很難使設(shè)備達到修復(fù)如新的程度，設(shè)備已經(jīng)運行的時間、預(yù)防性維修話費的費用等都會對預(yù)防性維修后的效果產(chǎn)生影響。如果設(shè)備的故障率隨著工作時間的增長而逐漸增加，那么隨著維修次數(shù)以及設(shè)備運行時間的增加，設(shè)備的可靠性會逐漸降低。根據(jù)上述故障率分布函數(shù)的獲取方法同樣可以得到設(shè)備第一次維修、第二次維修、第三次維修等，每次維修后的故障率分布函數(shù)σ1(t)、σ2(t)、σ3(t)等。

3.2 故障率函數(shù)在維修決策中的應(yīng)用

動車組設(shè)備眾多，功能千差萬別，每個設(shè)備的要求也不盡相同。因此，在制定維修計劃時，每種設(shè)備的側(cè)重點也不同，但總的來說不外乎以下幾個方面。設(shè)備維修費用率最小，設(shè)備達到最大的可用度，設(shè)備在滿足可靠度要求的前提下要求維修費用率最小[4]。

3.2.1 維修費用率最小計算模型

式中，Cg表示設(shè)備發(fā)生故障進行一次修復(fù)所需費用；Cp表示設(shè)備運行到維修時間點進行一次預(yù)防性維修所需費用；Cr表示更換設(shè)備所需費用；T表示設(shè)備兩次預(yù)防性維修之間的運行時間；N表示設(shè)備被更換前經(jīng)歷的預(yù)防性維修次數(shù)；tg表示設(shè)備發(fā)生故障進行一次修復(fù)所需時間；tp表示設(shè)備進行一次預(yù)防性維修所需時間；tr表示設(shè)備進行一次更換所需時間。此模型中的決策變量為T和N，其他參數(shù)都可以通過信息系統(tǒng)記錄的相關(guān)信息得到。

3.2.2 可用度最大計算模型

式中，NT表示設(shè)備正常運行的時間，分母部分表示設(shè)備正常運行時間以及各種維修所需時間之和。此模型中的決策變量為T和N，其他參數(shù)都可以通過信息系統(tǒng)記錄的相關(guān)信息得到。

3.2.3 在滿足可靠度要求的前提下維修費用率最小計算模型

式中，N表示設(shè)備必須滿足的可靠度，一旦低于此可靠度則必須對設(shè)備進行維修。此模型中的決策變量為T和N，其他參數(shù)都可以通過信息系統(tǒng)記錄的相關(guān)信息得到。

3.2.4 成組維修模型

分析了單個設(shè)備的預(yù)防性維修間隔期優(yōu)化模型，對于動車組這樣一個龐大的系統(tǒng)來說，僅按單件所確定的最優(yōu)維修決策并非最優(yōu)。因此，不可能依照這些維修間隔期來執(zhí)行，否則系統(tǒng)就需要不斷地停機來進行維修，而應(yīng)將任務(wù)集中起來形成成組維修策略[5]。

假設(shè)某一系統(tǒng)，包含M種子件，n為在設(shè)定時間短（0，tend）時間內(nèi)對系統(tǒng)進行維修的次數(shù)。Cpk表示部件p在系統(tǒng)完成k-1次維修后到第k次維修所產(chǎn)生的維修費用。SK表示系統(tǒng)因維修停止運行所產(chǎn)生的損失費用。Tparkk系統(tǒng)第k次預(yù)防性維修所產(chǎn)生的停運時間表達式如式（6）所示。

4 結(jié)語

本文描述了動車組設(shè)備分級樹的建立方法，依據(jù)分級樹的層級對故障信息進行篩選分析，并介紹了故障信息的宏觀分析方和深層分析方法，給出了設(shè)備故障率函數(shù)的獲取方法。在此基礎(chǔ)上，本文研究了單設(shè)備的維修間隔期優(yōu)化模型，并給出了多設(shè)備綜合維修的優(yōu)化模型。