城市軌道交通信號設備綜合壽命評價系統研究*

姜 西 虞 翊 阿力瑪斯·伊力夏提 陳義軍

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；2.同濟大學國家磁浮交通工程技術研究中心，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

我國城市軌道交通已有多條早期開通運營線路已進入或已超越大修期，今后會有越來越多的運營線路設備臨近或進入大修期。但我國在城市軌道交通信號設備的使用及替換等方面始終未能提出明確的處理辦法，由此造成了資金浪費、故障頻繁及設備濫用等情況。

目前，對信號設備壽命的研究大多是針對其可靠度及故障率，并提出相應的維修維護策略。文獻[1-3]僅針對設備的物理壽命進行了研究，未考慮其經濟性及其它方面的因素影響。但實際上,對設備使用壽命的評估不僅要考慮設備管理的過程，也要考慮價值變動的過程。因此，科學地評估設備全壽命周期，要綜合考慮設備的可靠性、技術性及經濟性等因素。

1 信號設備的使用壽命

設備的使用壽命是指從設備產品的需求設計開始至設備停用或報廢為止。也有學者認為，設備的壽命是指設備從投入生產開始，經過有形磨損，直至在技術上或經濟上不宜繼續使用，需要進行更新所經歷的時間。

從不同的角度,可將設備的壽命劃分為物理壽命、技術壽命和經濟壽命等，需要綜合考慮各方面的影響因素來確定復雜設備的實際使用壽命。

1.1 信號設備的物理壽命

設備的物理壽命是指設備從全新狀態開始使用，一直到不再具有正常功能而報廢為止的全部時間。它與設備的固有可靠性有關，也與維修保養的好壞密切相關。一般來說，信號設備的物理壽命與其健康水平相關。二者關系如圖1所示，信號設備的相對健康水平S1(t)隨時間的變化為[3]:

S1(t)=a0+f1(t)

(1)

ts1=tf1-t

(2)

式中:

a0——設備相對健康水平變化曲線的形狀參數,為常數;

f1(t)——描述設備相對健康水平變化規律的單調減函數,f1(t)<0;

ts1——信號設備當前的剩余物理壽命;

tf1——設備功能失效不能滿足繼續工作要求的時刻。

S1(t)∈[0,100],即用[0,100]之間的分值表示設備當前的相對物理健康水平，S1(t)=0表示t時刻設備處于功能失效的臨界點，S1(t)=100表示t時刻設備處于最佳工作狀態。

對設備進行維修(包括預防性維修)可以在一定程度上提高設備的相對健康水平，從而延長設備的物理壽命(見圖2)。對設備進行維修,維修后的設備相對健康水平變化曲線形狀參數為a1，所以維修后的設備健康水平為:

S1(t)=a1+f1(t), (t>t1，2)

(3)

圖1 設備相對健康水平隨時間變化曲線

圖2 維修后設備健康水平隨時間變化曲線

1.2 信號設備的技術壽命

信號設備的技術壽命是是指從開始使用到因技術落后而被淘汰所經歷的時間，以技術落后作為

不能“有效使用”的判別準則。圖3為信號設備技術水平隨使用時間改變的示意圖。

圖3 設備技術水平隨時間變化曲線

信號設備的技術水平是一個與時間相關的變量，同設備的相對健康水平類似。設備開始投入使用后的相對技術性評價為式(4),在t2時對設備進行技術更新后，設備的相對技術性評價為式(5)。S2(t)∈[0,100]，0表示設備技術落后的臨界點，100表示設備使用了最新的技術。對設備進行技術更新改變的一般是b0的值。

S2(t)=b0+f2(t)

(4)

S2(t)=b1+f2(t), (t>t2)

(5)

式中:

b0——設備相對技術水平變化曲線的形狀參數,為常數;

b1——維修后的設備相對技術水平變化曲線形狀參數；

f2(t)——描述設備相對技術水平變化規律的單調減函數,f2(t)<0。

1.3 信號設備的經濟壽命

信號設備的經濟壽命是指設備從開始使用到其年度總費用最小的使用年限。設備的經濟壽命如圖4所示。當設備的年度運營維護費用和年度設備消耗費用之和最小時，即tf3時為設備的經濟壽命。設備在t3時的年均總費用Ct如式(6)所示。

圖4 設備的經濟壽命

(6)

式中:

A——設備初期的購置費;

Mi——設備第i年的運營維護費用;

B——設備截至t3時的維修或技術更新總費用[4]。

對設備進行維修或技術更新會對設備的經濟壽命造成一定的影響，有時會延長設備的經濟壽命，而設備在實際使用過程中的經濟性卻降低了。本文對設備的相對經濟性S3(t)用式(7)表示。其中，S3(t)∈[0,100]，0表示在沒有維修和技術更新情況下，設備年均總費用最大；100表示該條件條件下設備年均總費用最小?？梢?，設備的年均總費用越低,經濟性評價越高。

(7)

式中:

Cmax——不存在維修和技術更新條件下設備的最大的年度總費用(一般為設備剛投入使用的一年);

Cmin——最小的年度總費用。

圖5 設備相對經濟性隨時間變化曲線

2 信號設備壽命評價系統設計

本研究主要從設備的相對健康水平、技術水平和經濟性等方面對軌道交通信號設備當前剩余壽命進行綜合評價預測，并針對設備的使用現狀給出相應的維修決策。

2.1 系統結構和功能設計

本研究采用最新的維修管理體系OSACBM(Open System Architecture for CBM)，構建信號設備壽命評價體系結構,如圖6所示。信號系統關鍵設備壽命評價結構主要分為數據采集、數據處理、狀態監測、壽命評估與預測、維護決策支持、表示等6個層次。

圖6 信號設備壽命評價系統

信號系統關鍵設備壽命評價系統聯合既有監測系統、傳感器組合、智能采集單元等信號設備的數據庫，獲得各種設備的運行環境和工作狀態信息，結合專家評價信息和運維消費信息，經數據融合和處理，得到設備的壽命評價結果，并進一步給出相應的維修維護決策建議。

2.2 系統功能

信號系統關鍵設備壽命評價系統是一個開放式分層體系結構的系統工程，主要有數據處理、壽命評價預測,以及維護決策的優化及建模等主要功能。

2.2.1 數據處理

信號設備實際應用環境復雜、影響使用壽命的指標繁多，而且與其使用壽命相關的特征信息很多難以定量。壽命評價系統采取的數據處理方法主要包括數據去噪、數據降維、數據歸一、數據融合等。

2.2.2 壽命評價預測

對設備的剩余壽命評價包括對設備物理壽命、技術壽命和經濟壽命的評價。設備的使用剩余壽命由三者共同決定[5]。

目前,運用較廣泛的設備剩余壽命預測方法主要是基于可靠性的剩余壽命預測法和基于狀態監測的剩余壽命預測法[6-8]。基于可靠性的剩余壽命預測法主要針對服從物理壽命分布類型的設備，根據設備的使用情況,來預測該設備的剩余壽命[9]?；跔顟B監測的剩余壽命預測方法主要通過對設備實時狀態的監測參數，選擇符合監測現狀的失效模型，確定設備失效的界限，從而預測設備的剩余壽命[10]。

設備技術壽命的評估方法主要有歷史經驗法和對比分析法。

2.2.3 維修決策的優化及建模

一般情況下，對設備進行維修或技術更新后，當前設備的相對健康水平或技術水平有一定提升，而設備實際的經濟性卻有所下降。

維修決策的優化目標是：①保證設備的相對健康水平和技術水平能滿足安全可靠性的要求；②信號設備經濟性要求盡可能高，即使用過程中其相對經濟性呈增長趨勢；③維修必須改善設備的實際使用壽命。

在壽命評估預測技術的支持下，設備決策利用最優化維修建模,科學合理地確定維修活動的周期和維修方式，形成提高各關鍵設備實際使用壽命的綜合維修決策。

3 信號設備綜合壽命評價方法

3.1 信號設備綜合使用壽命

本研究主要采用設備的相對健康水平、相對經濟性及技術水平等對設備的剩余壽命進行綜合評價。

首先,獲取運維管理專家對這三方面的客觀評價，借鑒層次分析法的思想構造判斷矩陣A，

式中:

將矩陣A按列歸一化處理:

然后按行求得到:

對vi歸一化處理,得到

所得W=[w1,w2,w3]即為各影響因素的相對重要度權重。

對設備的綜合評價為:

(8)

記t時刻設備的綜合狀態為E(t，E(t))，則設備的綜合評價E(t)變化趨勢如圖7所示。預測得到的剩余壽命是設備維修決策優化的重要依據。

圖7 E(t)隨t變化曲線

3.2 設備的維修決策

設備在使用的過程可能會出現以下兩種情況：

(1) 設備出現物理不可接受的、技術不可接受的或經濟不可接受的狀態。

(2) 設備雖未出現物理不可接受、技術不可接受或經濟不可接受的狀態，但如綜合考慮物理、技術和經濟是不可接受的狀態。

對于已處在E(tf,E(tf))的設備，應立刻中止其使用，其使用壽命已經結束，應更換設備。對于處于不可接受狀態的設備,以及雖處于可接受范狀態但可以進行預防性維修或技術更新的設備，應判斷E(t)采取的措施是否可改善其狀態。

如圖8所示，對采取措施之后的設備狀態記為E(t,E(t))/Sn(t)，其壽命結束條件變為E(tf,E(tf))。對處于不可接受狀態的設備，若采取措施之后E(t)>E(0)，則建議對設備采取相應的維修或技術更新措施，否則建議更換設備。對處于可接受狀態的設備，若E(t)>E(0)，且tf>tf，0，則建議采取預防性維修或技術更新措施。

圖8 采用維修或技術更新等措施的E(t)隨t變化曲線

3.3 算例分析

通過采集相關專家的評價意見，計算得到設備的物理健康狀態、技術水平、經濟性等三個因素的權重為W=(0.40,0.33,0.27)。代入式(8)中進行計算，設備在無預防性維修、第5年進行預防性維修和第10年進行預防性維修條件下的設備綜合評價狀態趨勢變化如圖9所示。

在無預防性維修的情況下，設備的綜合評價使用壽命為17.7 a。若在設備使用的第5年進行預防性維修，則設備綜合評價使用壽命仍為17.7 a;因此，不建議在第5年對設備進行維修。而如在設備使用的第10年對設備進行預防性維修，則可將設備綜合評價使用壽命提高為18.1 a;因此，建議在第10年對設備進行預防性維修。

a) 整體趨勢圖

b) 趨勢圖局部放大圖

對于綜合評價高于E(0)的偶然失效設備，需進行維修預測，若設備維修后的綜合評價值低于E(0)則建議對設備進行更換，否則建議對設備進行故障維修。

4 結論

本文從軌道交通信號設備的物理壽命、技術壽命和經濟壽命等方面綜合對信號設備的實際使用壽命進行評價，給出一種信號設備壽命的評價系統，通過相對健康水平、相對技術水平和相對經濟性等指標對信號設備使用壽命進行綜合評價，并據此作為信號設備的維修決策依據，提出了軌道交通信號設備維修更新處理決策的方法，在一定程度上減少了信號設備維修的資源浪費。