地鐵車站機電設備可靠性分析及維保策略研究

高一凡，靳守杰，李賽，潘志剛，王詩瑤，劉曉光

（1.北京錦鴻希電信息技術股份有限公司，北京100070；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州510220；3.北京交通大學交通運輸學院，北京100044）

0 引言

地鐵車站機電設備是地鐵車站的重要組成部分，包括AFC系統、電梯系統和屏蔽門系統，其運行狀況會影響地鐵車站運營，因此保證車站機電設備的可靠運行至關重要。通過分析車站機電設備的故障數據，識別出設備常見故障，并對常見故障進行針對性維保，能夠降低機電設備在車站運營期間發生故障的概率，從而保證地鐵車站的正常運營。

譚鐵仁等［1］分析了地鐵屏蔽門的4種常見故障，并闡述了故障發生原因及處理辦法，為屏蔽門系統故障分類提供參考。張杰［2］結合相關工程經驗數據計算了屏蔽門的平均無故障時間等可靠性指標。蔣堅迪［3］詳細介紹了AFC系統的組成結構，以及各設備的功能。張炳森［4］定量分析了自動檢票機的可靠性指標和壽命分布規律，并結合自動檢票機實際故障記錄，將設備故障分為5類，并對各類故障機理進行分析，為分析AFC設備故障提供參考。趙利瑞［5］介紹了自動扶梯的結構，并通過分析電扶梯的維修數據，對電扶梯進行故障模式、影響和危害性分析，發現電扶梯系統中的薄弱環節。通過對維修數據進行可靠性擬合，得到電扶梯的故障規律，并提出符合電扶梯故障規律的可靠度維修策略。Li等［6］分析了閘機、自動扶梯等車站設備的故障數據，并通過可靠性擬合選出最優分布，結合設備可靠度要求，分別確定設備的預防性維修周期。

分析AFC、電梯和屏蔽門系統等車站機電設備的實際故障記錄，對設備故障進行分類。通過統計分析識別出常見故障，使用Minitab軟件對各設備或部件進行可靠性擬合，確定最優分布；再根據設備或部件重要程度確定可靠度要求，進而確定車站各設備維保周期，對設備進行針對性維保，保證車站設備可靠運行。

1 屏蔽門系統可靠性分析

屏蔽門系統設置于地鐵站臺邊緣，將列車與地鐵站臺候車區域隔離，在列車到達和出發時可自動開啟和關閉，為乘客營造安全、舒適的候車環境。屏蔽門系統由機械和電氣兩部分構成，機械部分包括門體結構和門機傳動系統，電氣部分包括電源系統和控制與監視系統［7］。地鐵屏蔽門系統基本構成如下［8］:

（1）門體結構:承重結構、門檻、頂箱、滑動門（ASD）、固定門（FIX）、應急門（EED）和端門；

（2）門機傳動系統:驅動裝置、傳動裝置和緊鎖裝置；

（3）電源系統:驅動電源、控制電源和照明燈帶電源；

（4）控制與監視系統:屏蔽門主控制器（PEDC）、屏蔽門中央接口盤（PSC）、門控單元（DCU）、屏蔽門就地控制盤（PSL）、站臺報警指示警盤（PSA）、就地控制盒（LCB）等。

根據故障后果嚴重程度，地鐵屏蔽門系統故障可分為系統故障和單個門故障。單個門故障對乘客正常通過屏蔽門無明顯影響，系統故障會嚴重影響乘客通行。

根據屏蔽門系統故障工單，地鐵屏蔽門系統常見故障如下:

（1）系統故障:①不間斷電源（UPS）蓄電池裝置和配電設備；②PSL和LCB；③控制和配電設備。

（2）單個門故障:①后蓋板、絕緣地板；②門體及其固定設施；③照明系統。

屏蔽門故障樹分為系統故障樹和單個門故障樹。UPS蓄電池裝置和配電設備故障、PSL和LCB故障、控制和配電設備故障之間呈串聯關系，只要有1類設備故障，屏蔽門系統就故障。UPS蓄電池裝置和配電設備故障主要分為驅動UPS故障和控制UPS故障，且兩者呈串聯關系，其他故障發生頻次太少，故不計入故障樹的分析中。控制及配電設備故障主要分為安全回路不通、主控報系統故障和PSA死機，且三者呈串聯關系，其他故障發生頻次太少，故不計入故障樹的分析中。屏蔽門系統故障樹見圖1。

圖1 屏蔽門系統故障樹

后蓋板及絕緣地板、門體及其固定設施和照明系統之間呈串聯關系，只要有1類設備故障，屏蔽門單個門就故障。門體及其固定設施故障主要包括端門、司機門、應急門故障，個別門無法開關，門單元運行有異響，門頭指示燈不亮或附件故障，并且四者呈串聯關系，其他故障發生頻次太少，故不計入故障樹的分析中。照明系統故障主要分為屏蔽門軟燈故障和光帶故障，且兩者呈串聯關系。單個門故障樹見圖2。

根據廣州地鐵廣佛線2017年10月1日—2018年4月12日的屏蔽門系統故障數據，對屏蔽門系統故障進行統計分析（見圖3）。

門體及其固定設施故障和照明系統故障占91%，為主要故障，其故障后果均為單個門故障。結合故障率對各類故障進行定量分析，計算公式如下:

式中:λ為故障率，次/年；Nf為統計時段內設備故障總次數；Δt為統計時長，d；N0為設備總數。

系統故障總數為28次，統計時長為194 d，統計車站數為25座，共50套屏蔽門系統，則系統故障率為1.05次/年。系統故障率很低，對于單個車站，系統故障發生隨機性較大，甚至在統計時段內可能不會發生故障。

圖2 單個門故障樹

圖3 屏蔽門系統故障數據統計分析

以各個車站為樣本使用Minitab軟件進行可靠性擬合，采用極大似然估計法進行參數估計，使用安德森-達林（Anderson-Darling，AD）檢驗進行擬合度檢驗，得出最優分布參數［9］，其中，對應的AD值越小，分布與數據擬合越好；同時，利用對應的P-value（P值）來檢驗數據是否來自所選擇的分布，如果P值小于所選α（通常為0.05或0.10），則拒絕數據來自該分布的原假設，P在［0，1］之間取值，P值越大，分布與數據擬合越好。門體及其固定設施故障和照明系統故障的可靠性擬合結果分別見圖4、圖5。

門體及其固定設施故障的最佳分布函數為指數分布，則其最優可靠度函數為:

式中:R(t)為可靠度函數；t為設備運行時間，d。

照明系統最佳分布函數為指數分布，則其最優可靠度函數為:

2 AFC系統可靠性分析

城市軌道交通自動售檢票系統（Automatic Fare Collection System，AFC）是一種由計算機集中控制的自動售票（包括半自動售票）、自動檢票以及自動收費和統計的封閉式自動化網絡系統。

AFC自動售檢票系統基于計算機、通信、網絡、自動控制等技術，能夠實現軌道交通售票、檢票、計費、收費、統計、清分和管理自動化。

AFC系統的主流設計方案為5層架構:第1層，軌道交通線網清分系統（ACC）；第2層，線路中心計算機系統（LCC）；第3層，車站計算機系統（SC）；第4層，車站終端設備（SLE）；第5層，車票。

SC負責對本車站內部的所有設備進行實時監控，并可對本車站自動售檢票系統運營、票務、收益以及維修等功能進行集中管理。SLE主要由自動售票機（TVM）、自動檢票機（AGM）、票房售票機（BOM）構成。車票主要包括軌道交通專用票、市民卡、其他票種等。

車站層面AFC系統故障包括SC設備故障、TVM設備故障、BOM設備故障、AGM設備故障。當SC設備故障時，車站層面AFC系統就會發生故障，TVM設備、BOM設備和AGM設備之間呈并聯關系，只有當上述3類設備全都故障時，車站層面AFC系統才會發生故障［10］。車站層面AFC系統的故障樹見圖6。

對于SC設備，全線一年的故障次數為15次，全線22座車站，SC的故障率為0.68次/年，故障率很低。SLE設備層面，TVM設備故障占69%，AGM設備故障占29%，BOM設備故障占2%。

圖4 門體及其固定設施故障可靠性擬合

圖5 照明系統故障可靠性擬合

圖6 車站層面AFC系統故障樹

分別對TVM、AGM、BOM的故障間隔時間進行可靠性擬合，故障擬合結果見圖7—圖9。

TVM故障的最佳分布函數為指數分布，則其最優可靠度函數為:

AGM故障的最佳分布函數為威布爾分布，則其最優可靠度函數為:

BOM故障的最佳分布函數為指數分布，則其最優可靠度函數為:

3 自動扶梯可靠性分析

自動扶梯是帶有循環運行梯級，用于向上或向下傾斜輸送乘客的固定電力驅動設備。自動扶梯由梯路（變型的板式輸送機）和兩旁的扶手（變形的帶式輸送機）組成。其主要部件有梯級、牽引鏈條及鏈輪、導軌系統、主傳動系統（包括電動機、減速裝置、制動器及中間傳動環節等）、驅動主軸、梯路張緊裝置、扶手系統、梳板、扶梯骨架和電氣系統等［11］。

圖7 TVM故障可靠性擬合

圖8 AGM故障可靠性擬合

自動扶梯常見故障:自動停梯或無法開梯、異響、梯級損壞、導軌故障、扶手帶故障、乘客事故、扶梯壁板帶電、蓋板防盜裝置故障、梳齒板齒或梯級齒損壞、三角警示牌壞、防滑球故障、毛刷脫落或鐵絲外露、無法運行節能模式、蓋板變形、梳齒板松脫、零部件被盜、方向指示燈故障、安全標識不齊全、扶梯外觀部件有油跡、裝飾條故障、誤報、外包板損壞。

圖9 BOM故障可靠性擬合

自動扶梯故障可分為電氣系統故障和機械系統故障，電氣系統與機械系統呈串聯關系，只要有1類部件發生故障，自動扶梯就會發生故障。機械系統故障可進一步細分為梯級系統故障、導軌故障、扶手裝置故障、扶手帶系統故障，上述部件同樣也呈串聯關系。自動扶梯故障樹見圖10。

分別對自動扶梯電氣系統故障和機械系統故障進行可靠性擬合，擬合結果見圖11、圖12。

自動扶梯電氣系統故障的最佳分布函數為威布爾分布，則其最優可靠度函數為:

自動扶梯機械系統故障的最佳分布函數為威布爾分布，則其最優可靠度函數為:

4 車站機電設備的維保策略建議

對于屏蔽門系統故障和AFC系統SC設備故障，其故障后果較為嚴重，但故障率很低，故障發生隨機性很大，難以進行可靠性擬合分析，建議按照地鐵公司現有維保計劃維保，同時加強故障發生后的應急處理。

參照文獻[6]中地鐵車站設備故障對地鐵車站運營能力的影響分析可知，自動扶梯是輸送乘客的重要工具且扶梯數量較少，單個扶梯故障后也會嚴重影響乘客的正常通行，電氣系統或機械系統故障都會導致自動扶梯故障，從而影響乘客通行。由于車站的AGM數量很多，單個AGM設備故障對車站運營能力影響較小。隨著電子乘車碼的普及，TVM和BOM不是乘客在車站必須使用的設備，其單個設備故障對車站運營能力影響較小。屏蔽門門體及其固定設施故障會導致單個門故障，從而影響乘客正常上下車，而照明系統故障對乘客正常通行幾乎沒有影響。根據故障后果嚴重程度，將車站機電設備或設備部件的可靠度要求分為3類:

（1）故障后對乘客正常通行影響嚴重的車站設備或部件，包括自動扶梯的電氣系統和機械系統，其可靠度需保持在0.9及以上；

（2）故障后對乘客正常通行有一定影響的車站設備或部件，包括AGM、TVM、BOM和屏蔽門系統中的門體及其固定設施，其可靠度需保持在0.7及以上；

（3）故障后對乘客正常通行幾乎無影響的車站設備或部件，包括屏蔽門系統的照明系統，其可靠度需保持在0.5及以上。

地鐵車站機電設備可靠性隨著運行時間的增長而降低，為了使地鐵車站機電設備的可靠性保持在一定水平，盡可能避免車站機電設備在運營過程中發生故障，進而影響地鐵車站運營能力，需要對車站機電設備或部件進行定期維保，每次定期維保后，車站設備的可靠性會得到提升。根據車站機電設備或部件的可靠度要求，結合其可靠性函數，車站各機電設備或部件的建議維保周期見表1。

圖10 自動扶梯故障樹

圖11 自動扶梯電氣系統故障可靠性擬合

圖12 自動扶梯機械系統故障可靠性擬合

表1 車站機電設備建議維保周期

5 結論

統計分析了屏蔽門系統、AFC系統、自動扶梯等車站機電設備的實際故障數據，識別出了故障率高的設備或部件，并進行可靠性擬合，確定了最優可靠性分布。根據設備或部件故障后果嚴重程度，確定了相應的可靠度要求和維保周期，通過有針對的周期性維保，能夠保證車站機電設備的可靠運行，同時該維保策略可為車站機電設備的維修管理提供參考。