基于可靠性的牽引供電運營維修管理研究綜述

張 巖，朱克非，鄭平標，戴鈺桀

ZHANG Yan1，ZHU Ke-fei2，ZHENG Ping-biao1，DAI Yu-jie1

（1.中國鐵道科學研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 鐵道技術(shù)研修學院，北京 100081）

（1.Transportation and Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China；2.Railway Technology Research College， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China）

基于可靠性的牽引供電運營維修管理研究綜述

張 巖1，朱克非2，鄭平標1，戴鈺桀1

ZHANG Yan1，ZHU Ke-fei2，ZHENG Ping-biao1，DAI Yu-jie1

（1.中國鐵道科學研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 鐵道技術(shù)研修學院，北京 100081）

（1.Transportation and Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China；2.Railway Technology Research College， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China）

分析 RCM 運營維修管理策略的實施過程，從鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性分析和基于 RCM 的牽引供電系統(tǒng)運營維修管理優(yōu)化 2 個方面，綜述鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性運營維修優(yōu)化研究現(xiàn)狀，結(jié)合我國鐵路牽引供電運營維修管理實際情況，分析研究現(xiàn)狀中存在的問題及其原因，提出應加強理論與方法的研究，在改進 RCM 維修管理實施過程、建立鐵路牽引供電系統(tǒng)的定量可靠性分析模型和優(yōu)化多部件成組運營維修管理策略方面提出研究建議。

鐵路牽引供電系統(tǒng)；RCM；可靠性分析；運營維修管理策略；研究綜述

1　RCM 運營維修管理實施過程

鐵路維修天窗是工務、電務、供電、通信等部門作業(yè)人員進入鐵路線路進行設備設施維修、施工和故障處理的預留時間段。在鐵路維修天窗時間內(nèi)，列車運行圖中不鋪畫、調(diào)整或抽減列車運行線，天窗開設時間越長對于運力資源影響越大，因而應選擇合理的運營維修管理策略，提高運營維修效率和系統(tǒng)可靠性。以可靠性為中心的維修 (Reliability Centered Maintenance，RCM) 簡稱“可靠性維修”，是根據(jù)可靠性分析結(jié)果確定維修計劃的運營維修管理策略。很多國家的學者在利用高效的 RCM 運營維修管理策略提高鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性方面已經(jīng)取得一定的研究成果，但還存在將理論研究與鐵路牽引供電系統(tǒng)運營維修管理實際有效結(jié)合的問題。因此，綜述鐵路牽引供電系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性分析方法和 RCM 優(yōu)化理論，可以為鐵路牽引供電運營維修管理應用 RCM 運營維修管理策略提供參考。

RCM 運營維修管理實施過程從系統(tǒng)級整體功能出發(fā)，首先對系統(tǒng)的功能進行分析，確定系統(tǒng)的重要功能和需要 RCM 研究的部件；然后分析系統(tǒng)的可靠性，通過分析部件狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)記錄，明確系統(tǒng)故障模式、影響和后果，進而確定系統(tǒng)風險；最后進行邏輯決策，在確保系統(tǒng)滿足整體可靠性指標的基礎上，優(yōu)化運營維修管理策略，合理控制運營維修成本[1]。

基于功能的傳統(tǒng) RCM 維修管理實施過程的缺點是實施過程非常復雜，導致很難進行實際應用，需要對原有 RCM 維修管理實施過程進行改進。Lim B O 等[2]提出應用于韓國高速鐵路 (Korea Train eXpress，KTX) 的 KTX-RCM，KTX-RCM 利用運營維修信息計算機系統(tǒng) (Maintenance Information Computer System，MICS) 提供的數(shù)據(jù)接口改進傳統(tǒng)RCM 維修管理的過程和功能，通過與 MICS 系統(tǒng)建立聯(lián)系，獲得需要的數(shù)據(jù)進行定量分析，將數(shù)學模型引入決策過程，提高維修管理效率和準確性。王慶鋒等[3]擴展傳統(tǒng) RCM 維修管理實施過程，提出包含計劃、執(zhí)行、檢查和反饋 4 個主要環(huán)節(jié)的 RCM維修管理實施過程。

2　鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性運營維修優(yōu)化研究現(xiàn)狀

2.1鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性分析研究現(xiàn)狀

鐵路牽引供電系統(tǒng)可靠性分析可以分為定性和定量可靠性分析 2 類。定性可靠性分析主要利用故障模式、影響及危害性分析 (Failure Mode Effect and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)、故障樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)、事件樹分析 (Event Tree Analysis，ETA) 等方法，已經(jīng)比較成熟和完善，而鐵路牽引供電系統(tǒng)的 RCM 分析不只是需要定性可靠性分析，還需要基于部件可靠性分布模型進行定量可靠性分析。牽引供電系統(tǒng)部件可靠性分布模型參數(shù)應根據(jù)部件試驗數(shù)據(jù)或現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計方法來確定。國外 RCM 定量可靠性分析主要依據(jù)不同類型部件的故障概率數(shù)據(jù)[4]，其結(jié)果來自部件在各種固定環(huán)境條件下的試驗數(shù)據(jù)，沒有考慮部件具體的環(huán)境、維護和運行條件，以及零部件制造商、加工精度、材料差異、安裝方式等造成的故障概率差異。陳紹寬[5]在已知部件生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品壽命均值和標準差的前提下，根據(jù)有限的現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，應用基于矩估計的分段多項式估計法，建立牽引供電系統(tǒng)主要部件的威布爾分布模型。謝將劍等[6]提出一種基于部件歷史失效統(tǒng)計信息的遺傳算法擬和方法，比較適用于牽引供電系統(tǒng)部件可靠性的建模，主要部件的可靠性模型擬和結(jié)果都可以通過 K-S 和 W2檢驗，但由于實測數(shù)據(jù)年份不足，在數(shù)學中屬于小樣本擬和，隔離開關(guān)、電流互感器、承力索可靠性的擬和結(jié)果不能同時通過K-S 和 W2檢驗。

牽引供電系統(tǒng)可靠性分析方法主要包括可靠性框圖 (Reliability Block Diagram，RBD) 分析、FMECA、FTA、ETA、貝葉斯網(wǎng)絡模型分析、Markov 過程模型分析等方法。在接觸網(wǎng)子系統(tǒng)可靠性分析方面，萬毅等[7]給出一種接觸網(wǎng)子系統(tǒng)的FTA 可靠性分析模型；楊媛等[8]根據(jù)接觸網(wǎng)子系統(tǒng)中部件的故障概率分布情況，模糊評估接觸網(wǎng)子系統(tǒng)的可靠性；王思華等[9]考慮接觸網(wǎng)子系統(tǒng)可靠性隨時間的變化特征，建立接觸網(wǎng)子系統(tǒng)可靠性Markov 模型，系統(tǒng)各部件的壽命分布與維修時間分布均為指數(shù)分布。在牽引變電所子系統(tǒng)可靠性分析方面，陳民武[10]用 GO 法實現(xiàn)了牽引變電所可靠性的定性和定量分析；曾德容等[11]將 FMECA 和FTA 2 種方法相結(jié)合，通過計算頂事件的失效概率獲得牽引變電所子系統(tǒng)的可靠度。在牽引供電系統(tǒng)整體系統(tǒng)可靠性分析方面，陳紹寬[5]運用 FTA 法分析牽引供電系統(tǒng)整體的可靠性，提出基于威布爾分布的牽引供電系統(tǒng)可靠性模型；謝將劍等[6]利用遺傳算法擬合出各部件及子系統(tǒng)的可靠性模型，然后借助 FTA 法得出接觸網(wǎng)和變電所子系統(tǒng)的可靠性模型，并且將 2 個子系統(tǒng)的可靠度直接相乘，得到整個串聯(lián)牽引供電系統(tǒng)的可靠性模型。

2.2基于 RCM 的牽引供電系統(tǒng)運營維修管理優(yōu)化研究現(xiàn)狀

RCM 運營維修管理優(yōu)化可靠性目標通常指通過可靠性分析得到的系統(tǒng)整體及各子系統(tǒng)需要滿足的可靠性指標[12]。Bae C 等[13]將基于 RCM 的運營維修管理優(yōu)化目標函數(shù)定義為

式中：C 是系統(tǒng)總的運營維修管理成本；n 是部件數(shù)量；Ci是第 i 個部件的運營維修成本；Ri是第 i 個部件的可靠性；Rs是系統(tǒng)可靠性；Rg是期望的系統(tǒng)可靠性；Ri,max是第 i 個部件的最大可靠性；Ri,min是第 i 個部件的最小可靠性；i = 1，2，…，n；Rg= Rs(t*)。公式 ⑴ 表明在系統(tǒng)可靠性大于期望可靠性，而且子系統(tǒng)可靠性滿足部件可靠性范圍約束的條件下，系統(tǒng)的總運營維修管理成本最小。

通過公式 ⑵ 描述的子優(yōu)化過程可以得到 Rg，即

式中：t 為自變量，指系統(tǒng)的整體運行時間，其中t*為維修或更換時間點；ms是系統(tǒng)的平均故障間隔時間 (Mean Time Between Failures，MTBF)。公式⑵ 表示系統(tǒng)運行時間 t 在規(guī)定的約束條件范圍內(nèi)取一個合理值 t*，可以使維修成本最小，系統(tǒng)可靠性最大。

系統(tǒng)可靠性 Rs(Ri) 可以根據(jù) RBD 等方法，用系統(tǒng)與部件間可靠性關(guān)系公式計算出來。類似的研究還有 Benders 分解法以成本最小為目標函數(shù)，系統(tǒng)整體可靠性目標放在約束條件體現(xiàn)[13]。

在鐵路牽引供電系統(tǒng)的應用研究方面，關(guān)金發(fā)等[14]利用 FMECA 對接觸網(wǎng)子系統(tǒng)進行定性的可靠性分析，根據(jù) RCM 決策流程給出一個完整的接觸網(wǎng)子系統(tǒng) RCM 運營維修管理策略，但該方法基于定性的可靠性分析，沒有結(jié)合可靠性數(shù)學模型，無法確定基于時間的預防維修的合理維修間隔；Chi Y L 等[15]提出基于隨機壽命模型的牽引供電系統(tǒng)運營維修計劃分析通用軟件工具，可以定量地分析牽引供電系統(tǒng)的失效風險和費用，以幫助確定合理的運營維修計劃；商奇志[16]提出以 RCM 為指導的接觸網(wǎng)子系統(tǒng)部件運營維修管理策略，分析牽引供電系統(tǒng)主要部件的可靠性，設計相應的維修方案數(shù)學模型，并用動態(tài)規(guī)劃方法優(yōu)化維修計劃；盧西偉[17]運用 RCM 理論，假設牽引供電系統(tǒng)部件可靠性模型已知，根據(jù)檢修模型動態(tài)制定系統(tǒng)維修模式，優(yōu)化牽引供電系統(tǒng)維修計劃。

2.3存在問題及原因

已有的 RCM 相關(guān)研究成果已經(jīng)逐漸成熟與完善，但 RCM 理論方法與鐵路牽引供電系統(tǒng)實際運營維修管理運用相結(jié)合還存在困難，主要原因如下。

（1）基于功能的傳統(tǒng) RCM 在鐵路牽引供電系統(tǒng)運營維修管理實施過程中進行實際應用的可行性面臨著巨大挑戰(zhàn)。①傳統(tǒng) RCM 維修管理實施過程中并非每個步驟都適用于鐵路供電工區(qū)運營維修的實際情況，有些分析步驟的執(zhí)行需要投入大量的時間和人力資源，導致難以進行實際應用。②傳統(tǒng) RCM 維修管理實施過程中沒有考慮鐵路牽引供電維修管理部門所特有的天窗運營維修制度等鐵路行業(yè)管理特征[18]，也不能綜合體現(xiàn)故障帶來的環(huán)境、安全、運營損失、維修成本等影響。③RCM評估結(jié)果報告缺乏動態(tài)反饋和調(diào)整機制，導致鐵路供電運營維修管理部門和執(zhí)行單位很難持續(xù)貫徹執(zhí)行 RCM 輸出的維修計劃，不能充分體現(xiàn) RCM 的實際應用成果。

（2）難以獲得不同安裝工藝和不同環(huán)境下運行的部件可靠性模型。國外 RCM 分析只針對部件種類，同類部件的可靠性模型幾乎相同。牽引供電系統(tǒng)部件難以精確給出考慮環(huán)境影響的部件可靠性模型，即使是相同材質(zhì)和懸掛方式的接觸線，其可靠性分布模型也可能并不相同。牽引供電系統(tǒng)部件可靠性擬合方法需要對部件的使用情況、故障情況進行詳細的跟蹤記錄，得出相關(guān)數(shù)學模型。由于牽引供電系統(tǒng)部件壽命通常在 15～20 年，甚至更長，鐵路牽引供電系統(tǒng)投入運行年限不足，缺乏有效的分類存儲設備，導致各種部件的失效數(shù)據(jù)難以獲得，而且實測數(shù)據(jù)中包含維修效果，與純粹意義上的壽命模型出現(xiàn)偏差，從而限制 RCM 理論的實際應用。

（3）缺少有效描述部件在非完備維修條件下老化過程的概率模型。如果沒有維修，隨著時間增加，部件會按照固有規(guī)律老化，最終失去功能。不同于部件更換，日常維修不能使牽引供電系統(tǒng)部件修復如新，每次維修后部件的故障率都會發(fā)生改變，屬于非完備維修[19]。Park G P 等[20]用擴展的Markov 鏈描述部件在非完備維修條件下維修過后設備的老化過程。Markov 隨機過程模型可以描述可修復部件的可靠性，但要求部件故障函數(shù)和修復函數(shù)服從指數(shù)分布，而實際上牽引供電系統(tǒng)中部件的故障函數(shù)并不完全服從指數(shù)分布。

（4）目前的牽引供電系統(tǒng)整體可靠性分析方法還不能完全滿足 RCM 運營維修管理決策的要求。FMECA 和 FTA 雖然可以引入定量參數(shù)，但更適用于牽引供電系統(tǒng)的定性可靠性分析，不能滿足RCM 運營維修管理決策量化數(shù)據(jù)輸入需求。傳統(tǒng)的利用部件可靠性分布函數(shù)推導系統(tǒng)可靠性模型的研究對象主要針對相對比較規(guī)則的系統(tǒng)，如串并聯(lián)、并串聯(lián)系統(tǒng)和 k-out-of-n 系統(tǒng)。當將以上方法應用于具有復雜結(jié)構(gòu)的鐵路牽引供電系統(tǒng)時，很難獲得牽引供電系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的可靠性關(guān)系[9]，獲得牽引供電系統(tǒng)整體可靠性分布模型更加困難。

（5）組成鐵路牽引供電系統(tǒng)的各部件都擁有各自不同的生命周期。由于所處環(huán)境不同，即使是相同部件的生命周期都有可能存在差異，因而在實際運營維修管理實施過程中僅僅采用一個基于單部件的運營維修管理策略比較困難，但很多研究都只考慮生成單部件運營維修計劃，無法滿足包含多個部件的鐵路牽引供電系統(tǒng)實際運營維護工作的需求，還有待進一步完善。

3　研究建議

為了真正實現(xiàn)在鐵路牽引供電系統(tǒng)中引入基于RCM 的運營維修管理策略，應加強一些理論與方法的研究，在改進 RCM 維修管理實施過程、建立鐵路牽引供電系統(tǒng)的定量可靠性分析模型和基于狀態(tài)的多部件成組運營維修管理策略優(yōu)化方法方面開展研究。

（1）改進 RCM 維修管理實施過程以提高其在鐵路牽引供電系統(tǒng)的適應性和實用性。進一步研究如何在保持 RCM 基本原則基礎上，改進 RCM 維修管理實施過程，以信息化系統(tǒng)為基礎[21]，適應鐵路牽引供電系統(tǒng)部件類型、結(jié)構(gòu)、運行和運營維修管理方式等特點，提高鐵路牽引供電系統(tǒng)運營維修決策水平。擴展的 RCM 維修管理實施過程應增加部件環(huán)境完整性和定量化風險因素，同時考慮增加部件管理因素修正因子和個別部件修正因子。其中，部件管理因素修正因子應考慮修程修制、維修工作流程、績效考核制度等 RCM 維修管理制度因素，特別考慮高速鐵路夜間天窗內(nèi)的運營維修管理特點[22]。個別部件修正因子應考慮部件復雜性、壽命、振動、生產(chǎn)連續(xù)性、結(jié)垢、腐蝕等因素。

（2）研究適合描述鐵路牽引供電系統(tǒng)的定量可靠性分析模型。牽引供電系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，研究適合的可靠性模型應考慮安裝方式、工作環(huán)境、電氣和機械損耗等差異。在無法獲得足夠牽引供電系統(tǒng)部件運行數(shù)據(jù)的情況下，應通過研究基于統(tǒng)計理論的有限樣本數(shù)據(jù)挖掘等相關(guān)技術(shù)，增加無失效數(shù)據(jù)估計方法的精確性。當獲得牽引供電系統(tǒng)部件的長期運行數(shù)據(jù)后，應對其可靠性分布模型進行驗證、修正和優(yōu)化。在獲得準確的牽引供電系統(tǒng)部件可靠性分布模型后，應進一步研究適用于鐵路牽引供電系統(tǒng)復雜性的可靠性分布模型建立方法，用以精確計算牽引供電系統(tǒng)的整體可靠性，使RCM 決策成為鐵路牽引供電系統(tǒng)需要的整體精確定量可靠性模型。

（3）研究基于狀態(tài)的鐵路牽引供電系統(tǒng)多部件成組運營維修管理策略優(yōu)化模型。牽引供電系統(tǒng)運營維修應用成組運營維修管理策略可以將牽引變電所和接觸網(wǎng) 2 個相對獨立的子系統(tǒng)看作不同組，將接觸網(wǎng)供電子系統(tǒng)中供電分區(qū)看作是一個成組維修的單位，當同一供電分區(qū)的某個部件發(fā)生故障時，該供電分區(qū)內(nèi)其他有需要的部件也可以借機安排巡檢和養(yǎng)護等維修活動。研究基于狀態(tài)的多部件成組運營維修管理策略數(shù)學模型，應充分考慮鐵路牽引供電系統(tǒng)中所有部件的不同情況和相互影響，考慮非完備維修對牽引供電系統(tǒng)中各部件的可靠性影響，同時需要研究綜合描述多部件系統(tǒng)壽命變化情況的方法。

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責任編輯：馮姍姍

2015年鐵路建設各項目標全面完成

隨著2015年12月31日海南環(huán)島高鐵的全線貫通，2015 年鐵路建設圓滿收官，全國鐵路完成固定資產(chǎn)投資 8 238 億元，投產(chǎn)新線 9 531 km，均創(chuàng)歷史最好水平。

按照國務院關(guān)于加快鐵路建設的戰(zhàn)略部署，2015 年，中國鐵路總公司充分認識加快鐵路建設對促進國家經(jīng)濟社會發(fā)展特別是在穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)中的重要意義，在國家有關(guān)部門和各地方黨委、政府大力支持下，以中西部鐵路建設為重點，全力推進鐵路建設，全面完成了“兩個8 000 以上”的目標。

2015年，鐵路均衡安排新線投產(chǎn)，扎實做好工程收尾、初步驗收、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、靜動態(tài)驗收、安全評估、運營準備等工作，全年新線投產(chǎn)9 531 km。滬昆高鐵新晃西至貴陽北段、成渝高鐵的開通運營，使“四縱四橫”高鐵主骨架網(wǎng)絡得到完善。合福、哈齊、沈丹、吉圖琿等高鐵的開通運營，形成了現(xiàn)代化的高速鐵路網(wǎng)。鄭州至焦作鐵路、南京至安慶高鐵、津保鐵路等線路的開通運營，促進了區(qū)域一體化發(fā)展。張家口至唐山鐵路的開通運營，對保障國家能源運輸需要及構(gòu)建張家口與承德、唐山間的便捷鐵路通道具有重要意義。南寧至昆明客運專線南寧至百色段、黃韓侯鐵路等線路的開通運營，進一步擴大了西部路網(wǎng)覆蓋面。截至 2015 年底，全國鐵路營業(yè)里程超過 12 萬 km，居世界第二位。其中，高鐵里程達到 1.9 萬 km，居世界第一位。

（摘自《人民鐵道》報）

Study on Operation and Maintenance Management of Traction Power Supply based on Reliability

This paper analyzes the implementation process of the strategy of RCM operation and maintenance management, summarizes study status of optimizing the reliability-based operation and maintenance of railway traction power supply system from 2 aspects including reliability analysis of the traction power supply system and the optimization of operation & maintenance management of traction power supply system based on RCM, and combining with actual situation of operation and maintenance management of railway traction power supply in China, analyzes the problems existing in the study and their reasons. The paper also puts forward that the study on some theories and methods should be strengthened, and puts forward study suggestions on improving implementation process of RCM maintenance management, establishing the quantitative reliability analysis model of railway traction power supply system and optimizing the strategy of multi-components grouped operation and maintenance management.

Railway Traction Power Supply System; RCM; Reliability Analysis; Strategy of Operation and Maintenance Management; Study Review

1003-1421(2016)01-0080-06

U226

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.01.17

2015-11-24

鐵道部科技研究重大課題 (Z2012-059)；中國鐵道科學研究院科研項目 (2013YJ105)