AHP在ATP車載設(shè)備維修決策中的應(yīng)用

何祖濤，程林芳，徐樂英，康仁偉，龐彥知

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京100071；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；3.卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100045)

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AHP在ATP車載設(shè)備維修決策中的應(yīng)用

何祖濤1，程林芳2，徐樂英2，康仁偉2，龐彥知3

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京100071；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；3.卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100045)

基于以可靠性為中心的維修理念，對(duì)列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)車載設(shè)備進(jìn)行功能和故障模式分析，運(yùn)用層次分析法(AHP)對(duì)某種類型的ATP車載設(shè)備故障影響程度進(jìn)行定量評(píng)估.結(jié)果表明：TCR天線的故障影響程度最高，BTM的故障概率最高，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整這兩個(gè)設(shè)備的維修策略.說(shuō)明AHP方法可有效運(yùn)用于ATP車載設(shè)備的維修決策，可針對(duì)性的優(yōu)化既有的通用維修模式.

層次分析法；列車自動(dòng)防護(hù)車載設(shè)備；維修

列車自動(dòng)防護(hù)(Automatic Train Protection，ATP)車載設(shè)備是保證行車安全的重要裝備，隨著動(dòng)車組數(shù)量日益增多，ATP設(shè)備日常維修任務(wù)越來(lái)越大.在保證設(shè)備質(zhì)量前提下，如何有針對(duì)性地對(duì)ATP設(shè)備進(jìn)行維修，對(duì)于優(yōu)化設(shè)備的維修周期和項(xiàng)目，減少維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

本文作者基于可靠性為中心的維修理念(Reliability Centered Maintenance，RCM)[1]對(duì)ATP車載設(shè)備進(jìn)行故障模式及影響分析，運(yùn)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[2-3]對(duì)ATP各子設(shè)備故障后的影響程度權(quán)重進(jìn)行評(píng)估，按照權(quán)重大小，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整ATP子設(shè)備的維修周期和維修項(xiàng)目，對(duì)ATP車載設(shè)備維修提出了優(yōu)化建議.

1 ATP設(shè)備故障模式及影響分析

在分析ATP車載設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)上，列

出ATP設(shè)備的故障模式，確定各模塊故障之后的影響程度，通過(guò)AHP評(píng)估各模塊的維修可信度，進(jìn)而針對(duì)性地得出維修策略.

1.1 ATP車載設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能

從維修的角度，設(shè)備安裝的位置和運(yùn)行環(huán)境影響維修頻次和范圍.如圖1所示.

圖1中ATP車載設(shè)備按安裝的位置有車內(nèi)設(shè)備和車外設(shè)備，車內(nèi)包括安全計(jì)算機(jī)(Vital Computer，VC)，測(cè)速測(cè)距模塊(Speed Distance Unit，SDU)，應(yīng)答器傳輸模塊(Balise Transmission Module ，BTM)，軌道電路信息讀取器(Track Circuit Reader，TCR)，鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication for Railway，GSM-R)，列車接口單元(Train Interface Unit，TIU)，人機(jī)界面(Driver Machine Interface，DMI)，司法記錄器(Juridical Recorder Unit，JRU)等，車外包括速度傳感器、BTM天線、TCR天線和GSM-R天線.

1.2 ATP車載設(shè)備故障模式

故障模式是設(shè)備故障的表現(xiàn)形式.其最先被維修人員感知，隨后進(jìn)行故障處理.通常，故障模式作為設(shè)備故障影響程度的主要參考.ATP車載設(shè)備各子設(shè)備的主要故障模式如表1所示.

1.3 ATP車載設(shè)備故障影響

故障影響是指故障模式會(huì)造成對(duì)安全性和設(shè)備功能的影響，包括局部的和最終的影響.ATP車載設(shè)備故障影響分析從以下幾個(gè)方面進(jìn)行： 1)ATP設(shè)備故障發(fā)生后，造成的后果及故障后果的嚴(yán)重程度；2)故障后果是否影響到行車安全；3)本層次故障是否會(huì)影響更高一層使用；4)處理故障需要做的補(bǔ)償工作.

表1 ATP車載設(shè)備主要故障模式Tab.1 ATP on-board equipment failure modes

根據(jù)鐵路應(yīng)用：可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(RAMS)的規(guī)范和示例[4]，對(duì)ATP設(shè)備故障嚴(yán)重度等級(jí)進(jìn)行劃分，如表2所示.

表2 故障嚴(yán)重度等級(jí)Tab.2 Fault severity levels

2 故障影響評(píng)估

AHP是一種解決多目標(biāo)復(fù)雜問(wèn)題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法.該方法將定量分析與定性分析結(jié)合起來(lái)，用決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷各衡量目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)之間的相對(duì)重要程度，并合理地給出每個(gè)決策方案的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)數(shù)，利用權(quán)數(shù)求出各方案的優(yōu)劣次序[2].

運(yùn)用AHP對(duì)ATP各子設(shè)備故障后的影響程度權(quán)重進(jìn)行評(píng)估，按照權(quán)重大小，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整ATP子設(shè)備的維修周期和維修項(xiàng)目.

2.1 確定評(píng)估指標(biāo)相對(duì)權(quán)重

AHP根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和達(dá)到的總目標(biāo)，將問(wèn)題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，從而最終使問(wèn)題歸結(jié)為最低層(供決策的方案和措施等)對(duì)于最高層(總目標(biāo))的相對(duì)重要權(quán)值的確定或相對(duì)優(yōu)劣次序的排定.構(gòu)造各層對(duì)上一層每一因素的判斷矩陣為A=[aij]n×n，其中:aij>0；aii=1；aji=1/aij.其定義如表3所示.

表3 相對(duì)權(quán)重定義Tab.3 Relative weights definitions

表3中，設(shè)2，4，6，8為中間值.根據(jù)此定義，邀請(qǐng)多位專家對(duì)ATP車載設(shè)備各子設(shè)備故障之后的影響程度進(jìn)行定量評(píng)估，得出判斷矩陣A.

2.2 一致性檢驗(yàn)

能否對(duì)ATP子設(shè)備的故障影響程度進(jìn)行排序，需要對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，所謂一致性檢驗(yàn)是指對(duì)A確定不一致的允許范圍[5-6].通常，采用λ-n數(shù)值的大小衡量A的不一致程度.其中:λ是矩陣A的最大特征根;n是矩陣A的階數(shù).

定義一致性指標(biāo)為

CI=(λ-n)/(n-1)

(1)

式中,CI有如下特點(diǎn)：CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有滿意的一致性；CI越大，不一致越嚴(yán)重.

定義一致性比率為

CR=CI/RI

(2)

一般，當(dāng)一致性比率CR<0.1時(shí)，認(rèn)為A的不一致程度在容許范圍之內(nèi)，有滿意的一致性，通過(guò)一致性檢驗(yàn).可用其歸一化特征向量作為權(quán)向量，否則要重新構(gòu)造矩陣A，對(duì)aij加以調(diào)整.隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值根據(jù)矩陣的階數(shù)決定，具體如表4所示.

表4 RI的取值Tab.4 RI values

判斷完成層次單排序的一致性指標(biāo)后，還需要計(jì)算某一層次所有因素對(duì)于最高層(總目標(biāo))相對(duì)重要性的權(quán)值，即層次總排序.

層次單排序一致性指標(biāo)[7]為CIj，隨機(jī)一致性指標(biāo)為RIj，則層次總排序的一致性比率為

(3)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為層次總排序通過(guò)一致性檢驗(yàn).

2.3 計(jì)算ATP設(shè)備故障影響程度權(quán)重

選取ATP車載設(shè)備生產(chǎn)廠家技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員、ATP車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范人員等專家對(duì)ATP設(shè)備的故障模式進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，得出ATP車載設(shè)備的故障影響及嚴(yán)重程度.本文邀請(qǐng)5位專家對(duì)某種類型的ATP設(shè)備(如下記做ATP-1型)故障影響程度打分，打分過(guò)程中充分考慮專業(yè)儲(chǔ)備知識(shí)，結(jié)合表1的描述、表2和表3的定義，其中1位專家對(duì)ATP-1型ATP設(shè)備的故障影響程度打分構(gòu)成的判斷矩陣為A11，A12和A13.其中，A11表示車內(nèi)設(shè)備相互比較的故障影響程度，A12表示車外設(shè)備相互比較的故障影響程度，A13表示車內(nèi)和車外相互比較的故障影響程度.其他專家的打分結(jié)果類似.

按照?qǐng)D1中設(shè)備的順序，車內(nèi)設(shè)備依次記做A1，A2，…，A9，則判斷矩陣A11為9×9的矩陣，元素aij表示設(shè)備Ai相對(duì)于設(shè)備Aj故障之后的影響重要度。比如，a23=3，表示設(shè)備BTM故障之后的影響稍微重要于設(shè)備SDU，反之，SDU相對(duì)于BTM的值就是1/3，即a32=1/3.同理，可得矩陣A12和A13.

直接計(jì)算AHP權(quán)重結(jié)果是比較復(fù)雜的，本文采用SUPER DECISIONS(簡(jiǎn)稱SD軟件)來(lái)輔助計(jì)算.SD軟件分別計(jì)算5位專家對(duì)應(yīng)的車內(nèi)設(shè)備權(quán)重值如圖2所示，相應(yīng)地，一致性比率CR見表5.

表5 ATP-1型ATP車內(nèi)設(shè)備故障影響程度一致性比率Tab.5 Consistency ratios of ATP-1 inside equipment failure affecting degree

從表5一致性數(shù)值可知專家2的一致性比率超過(guò)了0.1，不滿足一致性校驗(yàn)，所以專家2對(duì)車內(nèi)設(shè)備的判斷數(shù)據(jù)不可用.將專家1、專家3、專家4和專家5對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)取均值，如表6所示.

表6 ATP-1型ATP車內(nèi)設(shè)備故障影響程度權(quán)重均值Tab.6 Mean weights of ATP-1 inside equipment failure affecting degree

同理，可得ATP-1型ATP車外設(shè)備權(quán)重值和車內(nèi)車外設(shè)備比較權(quán)重值分別如表7和表8所示.

表7 ATP-1型ATP車外設(shè)備故障影響程度權(quán)重均值Tab.7 Mean weights of ATP-1 outside equipment failure affecting degree

表8 ATP-1型ATP設(shè)備故障影響程度權(quán)重均值Tab.8 Mean weights of ATP-1 equipment failure affecting degree

綜合表6、表7和表8計(jì)算得到ATP-1型車載設(shè)備的故障影響程度權(quán)值排序如表9所示.

表9 ATP-1型ATP設(shè)備故障影響程度權(quán)重排序Tab.9 Sort weights of ATP-1 equipment failure affecting degree

3 結(jié)果分析

根據(jù)表9所示AHP的分析結(jié)果，繪制ATP-1型ATP設(shè)備故障影響程度柱狀圖如圖3所示.

由圖3可得，對(duì)于ATP-1型ATP設(shè)備，TCR天線故障之后的影響程度最大，速度傳感器次之.因而，應(yīng)該增加對(duì)TCR天線和速度傳感器的檢修頻次，優(yōu)化其檢修項(xiàng)目.

統(tǒng)計(jì)ATP-1型ATP設(shè)備從2011年1月1日至2015年9月30日的歷史故障數(shù)據(jù)，所得各子設(shè)備的故障占比如圖4所示.

由圖4可得，BTM的故障概率為0.53，所占比重相對(duì)最大，該設(shè)備的日常維護(hù)中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)BTM的檢修頻次，并細(xì)化BTM的檢修項(xiàng)目.

綜上，從設(shè)備故障之后的影響程度和故障發(fā)生的概率兩個(gè)層面分析了ATP設(shè)備的故障情況，得出ATP-1型設(shè)備在日常檢修和維護(hù)過(guò)程中，應(yīng)該重點(diǎn)檢查TCR天線、速度傳感器和BTM.所述“重點(diǎn)”是指除了外觀檢查之外，還應(yīng)該通過(guò)數(shù)據(jù)判斷設(shè)備的狀態(tài)，查看是否有異?；蛘弋惓Ｚ厔?shì).

4 結(jié)論

本文作者提出了一種基于AHP優(yōu)化ATP車載設(shè)備維修策略的方法.通過(guò)對(duì)ATP-1型設(shè)備的故障影響程度和故障發(fā)生概率計(jì)算分析，得出了TCR天線故障之后的影響權(quán)重是0.17，BTM故障概率是0.53，這兩個(gè)值相對(duì)最高.因而在日常維護(hù)中，應(yīng)該增大了ATP-1型設(shè)備TCR天線、BTM的檢修頻次，使得設(shè)備維護(hù)更具有針對(duì)性，有益于故障定位和縮短故障處理時(shí)間.可見，AHP對(duì)于優(yōu)化ATP車載設(shè)備的維修策略是有效可行的.

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Application of AHP in ATP on-board equipment maintenance decision

HEZutao1，CHENGLinfang2，XULeying2，KANGRenwei2,PANGYanzhi3

(1.Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Ltd., Beijing 100071, China; 2.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 3. CASCO Signal Ltd., Beijing 100045, China)

This paper analyses the function and failure mode of ATP on-board equipment based on the reliability centered maintenance concept. The analytic hierarchy process (AHP) method is used to quantitatively assess the failure affecting degree of some types of ATP on-board equipment maintenance. The results show that the failure affecting degree of TCR antenna is the highest,the failure probability of BTM is the highest. Therefore the maintenance strategy of this two equipment should be adjusted. AHP method can be effectively applied to the maintenance decision of ATP on-board equipment and it could optimize the existing maintenance modes.

analytic hierarchy process; automatic train protection on-board equipment; maintenance

2016-06-06

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014X008-B);中國(guó)鐵道科學(xué)研究院院基金課題資助(2014YJ071)

何祖濤(1969—)，男，河南南陽(yáng)人，高級(jí)工程師. 研究方向?yàn)楦哞F列車運(yùn)行控制系統(tǒng).email:xly_bj20080808@139.com.

U283.4

A

1673-0291(2016)05-0111-05

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.05.019