基于軌道交通產品功能結構樹的可靠性數據分析系統

王大平，呂愛萍，劉亞妮

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著國內軌道交通領域的快速發展，機車、動車和城軌車輛市場保有量持續上漲，導致軌道交通產品的故障率不斷提升，事故也頻繁發生。軌道交通產品主機廠應充分了解自身產品的可靠性水平，對招投標階段的可靠性要求及自身響應合同的履約能力的評估做到有據可依。為此，軌道交通產品主機廠開發了可靠性數據分析系統，在系統中構建產品功能結構樹，通過導入各車型歷史記錄的故障臺賬，并對故障記錄逐條清洗，每條故障記錄均落實到具體項目車型、具體部件和部件的故障模式中形成可靠性數據庫。通過可靠性數據分析系統的運用，可獲取整車產品故障的分布等相關信息，獲取整車及其各級子部件直至最小可更換單元的故障率、平均無故障時間、故障模式發生占比等可靠性信息，以掌握整車產品的可靠性真實表現，有針對性地提升整車質量。

1 可靠性數據分析系統構成

可靠性數據分析系統的輸入內容為產品運營期間發生的故障臺賬、運營里程、產品的功能結構樹等，這幾項內容為可靠性數據分析的基礎數據，包括車輛故障描述、故障部件、故障類型、故障模式、故障等級等。該系統運用由產品基礎信息模塊、產品生命履歷模塊、數據管理模塊、統計分析模塊4個部分構成，通過對輸入內容的分析，最終輸出的內容為產品的平均無故障運營里程MDBF、平均無故障時間MTBF、部件故障模式發生占比、可靠性增長曲線、故障率等。

1.1 產品基礎信息模塊

該模塊對軌道交通整車產品的型號、所屬項目、功能結構構型以及故障模式進行統一規范。其中，產品的功能結構樹有五層級聯關系，從上至下分別為系統級、子系統級、部件級、零件級、最小可更換單元級。

項目管理將整車產品的功能構型與項目名稱通過關聯表關聯起來，分配產品基礎信息表，在進行統計分析時可以快速定位項目、定位產品；型號管理提供整車相似產品的歸類管理功能，在統計分析時，可以快速定位型號、項目名稱和產品；故障模式是可靠性數據分析的核心內容，并且故障模式具有很強的隸屬性，在不同的產品、功能件中存在各種相似的故障模式，但是并沒有因為相似而將其混為一談，而是根據不同的產品、構型進行分級管理。

1.2 產品生命履歷模塊

該模塊對軌道交通產品整車產品進行全壽命周期的追蹤管理，追蹤到每個型號產品。其中，針對每一個整車產品，系統接受定期更新的運行里程數據。故障履歷錄入系統時，確定每條故障記錄將在產品功能結構樹中具體定位，并確定故障模式及其影響等。系統接受定期更新的供應商名錄表，故障履歷錄入系統時，根據具體產品選擇責任供應商。

1.3 數據管理模塊

該模塊基于故障臺賬，對最小可更換單元、運營里程、責任供應商等信息進行管理。

可靠性分析系統會根據“重大故障判斷標準”自動將某些符合條件的故障記錄轉化為重大故障。例如某一系列產品的某一部件，在3個月時間內發生了超過3起相同故障模式的故障，系統會自動將該故障判定為重大故障。

1.4 統計分析模塊

該模塊提供整車產品及其部件的可靠性、可用性和可維修性數據，以及全生命周期成本中的維修性數據。針對產品功能結構樹中的任一部件，均可統計得到該部件對應的故障次數、故障率、平均無故障時間MTBF、平均無故障運營里程MDBF、平均維修時間MTTR、可用度、故障模式發生占比等相關數據信息。

2 可靠性數據技術分析的實施方案

2.1 獲取整車產品的基礎數據

整車產品的基礎數據包括產品類型、速度等級、配屬車輛段、運營里程、故障臺賬等。在可靠性數據分析過程中，對輸入數據須慎重判斷，數據一經采納，必須給予肯定和采信，相信數據的真實性。

2.2 可靠性數據分析輸入與分析

產品功能結構樹是數據分析和分析結果輸出的基礎，可先建立車型產品功能結構樹母樹，這個過程往往需要幾個月時間，建立過程中，對公司及同行業的產品進行摸底后采用最宜方案。車型產品功能結構樹建立后，就可以在母樹中選取具體項目的產品結構，以構成項目產品功能結構樹。以某地鐵項目車門系統為例，該項目車門系統的功能結構樹為二級系統，其子部件客室外掛門、司機室內藏門、坡道式疏散門從母樹上勾選后，構成了該車門系統的一級子部件，如圖1所示。其一級子部件下屬的部件構成及車輛其他系統的構成，采用相同的方式在母樹上勾選，然后構成該項目的整車產品功能結構樹。

圖1 產品功能結構樹

在可靠性數據分析系統中，需要先建立產品功能結構樹，后導入該產品對應的故障臺賬。故障臺賬的清洗過程可在系統中進行，如圖2所示，前兩列“故障日期”和“故障描述”為售后提供的故障臺賬，該臺賬導入可靠性數據分析系統后，需要對該臺賬進行清洗，即將該產品所發生的每條故障臺賬落實到功能結構樹和對應的故障模式中，見圖2中后六列內容。

圖2 故障臺賬清洗

2.3 可靠性數據分析結果輸出

故障臺賬經過清洗后，即可在系統中獲取該產品的可靠性數據。獲取過程需要選定時間區間后，并確定該產品在該時間區間總的運營里程。其中，列車的運營里程不局限于某個項目，可多個項目累積。假設地區A和地區B的地鐵車輛運營環境相似，地鐵車輛上配置的風源系統壓縮機型號在地區A的某地鐵線和地區B的某地鐵線上一致，現要計算質保期內該型風源系統壓縮機的可靠性數據，則可累積這兩條地鐵線路上所有列車的運營里程和故障數據，得到該型壓縮機的可靠性數據，也可以分別累積兩條線路的運營里程和故障數據，相應地分別計算每條地鐵線路的產品可靠性數據。

基于選定的產品和時間區間，選定故障類型(如碎修、系統修、清客、下線、機破等)，計算該產品在該時間區間、對應故障類型的總故障次數，以及相應的可靠性表現(如MDBF、MTBF、可靠性增長曲線、故障率等)。以某地鐵項目為例，計算某時間段內其平均無故障運營里程MDBF，圖3展示了整車一級系統的MDBF分布結果，圖4展示了整車一級系統的MTBF分布結果。以某機車項目為例，計算某時間區間內的可靠性增長曲線，如圖5所示。

圖3 某地鐵項目的MDBF分布結果

圖4 某地鐵項目的MTBF分布結果

圖5 某機車項目可靠性增長曲線

3 結語

可靠性數據分析系統形成了可靠性數據分析平臺，規范了可靠性數據分析過程，并且提供了一個對故障數據進行統計分析、快速輸出結果的方法，以提高故障信息的利用率；還提供了一個可以多項目交互的對同一廠家外購件的故障快速統計分析、快速輸出結果的方法，為供應商質量管理提供有效依據。后續可借鑒故障數據分析的經驗，基于軌道交通產品功能結構樹，拓展對維修性數據的分析與計算研究。