高速列車設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

王靈芝

（中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京 100094）

0 引言

隨著我國投入運(yùn)營的高鐵數(shù)量越來越多，各車輛段對(duì)車輛日常維護(hù)保養(yǎng)工作信息化程度的改進(jìn)都在不斷提高，記錄了很多有意義的信息和數(shù)據(jù)，但這些信息和數(shù)據(jù)并未得到有效的利用，特別是在有效信息的篩選、分析以及相應(yīng)軟件的開發(fā)方面，與發(fā)達(dá)國家相比，中國還處在初級(jí)階段。作為鐵路運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，高速列車設(shè)備維修信息系統(tǒng)的主要目標(biāo)是收集列車運(yùn)營和維修過程中的全部履歷，并對(duì)履歷信息進(jìn)行有效分析，為列車運(yùn)營和維修提供實(shí)時(shí)保障。現(xiàn)以高速列車運(yùn)行與維修過程中所記錄的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為主要研究對(duì)象，綜合考慮專家和現(xiàn)場(chǎng)工作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建立設(shè)備重要度評(píng)估模型、壽命分布模型、維修間隔時(shí)間計(jì)算模型以及視情維修模型。在模型建立和求解過程中引入模糊數(shù)學(xué)、參數(shù)估計(jì)方法等數(shù)學(xué)方法，最終建立高速列車設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成架構(gòu)

圖1所示架構(gòu)圖為三庫架構(gòu)，即為本文研究的設(shè)備維修決策系統(tǒng)所采用的架構(gòu)。

（1）數(shù)據(jù)庫，主要保存列車本身的各種基本參數(shù)以及運(yùn)行和維修過程中生成的數(shù)據(jù)。列車本身的基本參數(shù)主要包括：設(shè)備的性能指標(biāo)等基本信息、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)信息、狀態(tài)參數(shù)的閾值等；運(yùn)行和維修過程中生成的數(shù)據(jù)主要包括：列車運(yùn)行時(shí)間、各種故障信息、維修信息等。

（2）模型庫，主要包含重要度評(píng)估模型、模型參數(shù)估計(jì)模型、設(shè)備綜合狀態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)模型、維修間隔時(shí)間模型、多個(gè)部件統(tǒng)籌維修策略模型、故障的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型等各種數(shù)學(xué)計(jì)算模型。

（3）知識(shí)庫，就是將一些現(xiàn)場(chǎng)工人及專家的經(jīng)驗(yàn)用文字或數(shù)字的形式存儲(chǔ)起來，相當(dāng)于一個(gè)規(guī)則庫。

圖1 高速列車設(shè)備維修決策系統(tǒng)架構(gòu)

（4）處理器，高速列車維修決策支持系統(tǒng)中各種模型（包括設(shè)備壽命分布模型、設(shè)備綜合狀態(tài)的評(píng)估及預(yù)測(cè)模型、設(shè)備重要度的綜合評(píng)價(jià)模型、維修間隔時(shí)間確立模型等）的處理和計(jì)算都是由處理器根據(jù)人機(jī)交互界面得到的指令，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)庫以及模型庫來實(shí)現(xiàn)。作為決策系統(tǒng)的核心部分，主要功能是調(diào)用知識(shí)庫中的規(guī)則、數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)各模塊之間的信息傳遞?？梢酝ㄟ^處理器對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問；對(duì)數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行統(tǒng)一格式化處理；本系統(tǒng)中，處理器也可以訪問知識(shí)庫，可以向用戶或?qū)＜易稍儯贿x擇合適的模型。

（5）用戶界面，是維修決策支持系統(tǒng)與用戶之間進(jìn)行信息交換的媒介，用戶可以方便有效地輸入相關(guān)信息，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求將相應(yīng)的結(jié)果顯示在界面上。用戶可方便快捷地了解系統(tǒng)推理的過程，實(shí)時(shí)查看運(yùn)算結(jié)果。

2 系統(tǒng)功能解析

高速列車設(shè)備維修決策系統(tǒng)能對(duì)設(shè)備的基本信息、運(yùn)行維修過程中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理，進(jìn)而確定設(shè)備的壽命分布模型，根據(jù)設(shè)備的維修基本信息給出高速列車設(shè)備高效安全運(yùn)行的維修決策方案。此外還具有靈活、人性化的人機(jī)交互系統(tǒng)。

2.1 具體決策功能模塊

首先選擇、整理和分析來自列車運(yùn)營管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。然后依據(jù)以可靠性為中心的維修思想 (Reliability-Centered Maintenance,RCM)，深入分析設(shè)備壽命分布模型的建立方法、設(shè)備維修間隔時(shí)間，以及檢測(cè)間隔時(shí)間的確定方案、設(shè)備重要度的評(píng)估方案、設(shè)備綜合狀態(tài)的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方案等重要模型，通過不同方法方案的對(duì)比，最終選取最優(yōu)方案，然后利用計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模型的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)維修決策方案的實(shí)施，完成維修決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)功能研究的主要技術(shù)路線，如圖2。

圖2 本文研究的技術(shù)路線

2.1.1 設(shè)備重要度評(píng)價(jià)

高速列車包含眾多設(shè)備，各設(shè)備的功能及故障后造成的影響差別很大，因此在制訂維修計(jì)劃時(shí)，不能對(duì)所有設(shè)備采取同一種維修方式，而要綜合分析設(shè)備故障對(duì)安全性、任務(wù)性以及經(jīng)濟(jì)性的影響程度，在此基礎(chǔ)上確定具體設(shè)備的維修時(shí)間和維修方式。高速列車設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)建立了基于模糊加權(quán)最小二乘法的重要度分析模型，通過設(shè)備重要度指標(biāo)值來反映設(shè)備故障造成的綜合影響，然后根據(jù)設(shè)備重要度以及實(shí)際維修能力來確定具體設(shè)備的維修方式。

2.1.2 設(shè)備壽命分布模型的建立

（1）收集設(shè)備運(yùn)營過程中的故障數(shù)據(jù)、無失效數(shù)據(jù)以及維修信息數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而建立設(shè)備壽命分布模型以及修復(fù)非新模型，此為壽命分布模型建立模塊的主要功能。

（2）基于建立設(shè)備壽命模型包含參數(shù)估計(jì)、擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)以及最優(yōu)模型的選擇。在收集到一定規(guī)模的設(shè)備運(yùn)營故障數(shù)據(jù)和維修信息后，便可根據(jù)這些數(shù)據(jù)和信息建立設(shè)備的壽命分布模型。共包含3個(gè)步驟：①進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。首先對(duì)記錄的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，需要調(diào)用模型庫中的數(shù)據(jù)預(yù)處理模型，根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以構(gòu)造出模型分布概率圖，進(jìn)而對(duì)分布概率圖進(jìn)行分析，確定一種或幾種可能的分布模型，針對(duì)不同的分布模型，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的不同需求調(diào)用模型庫中最適宜的參數(shù)估計(jì)模型，進(jìn)行模型的參數(shù)；②擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。針對(duì)參數(shù)估計(jì)模塊中確定的一種或幾種可能的設(shè)備壽命分布模型，系統(tǒng)自動(dòng)從模型庫中選擇適宜的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，并對(duì)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而判斷所確立的分布模型是否合理；③選擇最優(yōu)的模型。針對(duì)合理的分布模型，調(diào)用模型庫中的灰色關(guān)聯(lián)方法或模糊貼近度方法進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，然后根據(jù)擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)結(jié)果以及用戶的需求確定最優(yōu)分布模型。

針對(duì)無失效數(shù)據(jù)，建立設(shè)備壽命分布模型主要包含參數(shù)估計(jì)，系統(tǒng)中重點(diǎn)應(yīng)用Bayes理論對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集的無失效數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地參數(shù)估計(jì)，針對(duì)數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的無失效數(shù)據(jù)，采用模型庫中的Bayes參數(shù)估計(jì)模型，獲得模型中各參數(shù)的估計(jì)值，從而確定設(shè)備壽命分布模型。

（3）建立修復(fù)非新模型：確定設(shè)備壽命分布模型之后，依據(jù)設(shè)備的維修次數(shù)和服役時(shí)間，對(duì)設(shè)備壽命分布模型進(jìn)行必要的參數(shù)修正。根據(jù)設(shè)備營運(yùn)過程中記錄的故障和維修數(shù)據(jù)，調(diào)用模型庫中的模型，此模型可以確定修復(fù)非新模型影響因子，從而確立設(shè)備壽命的修復(fù)非新模型。

2.1.3 預(yù)防性維修間隔時(shí)間的確定

（1）維修工作是否有效的關(guān)鍵因素就是維修間隔時(shí)間制定的是否合理，它直接關(guān)系到維修工作有效性。對(duì)于故障后果嚴(yán)重的設(shè)備，如果維修間隔時(shí)間過長，便會(huì)降低設(shè)備的安全性以及完成任務(wù)的能力；間隔時(shí)間太短，又會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。因此合理地確定維修間隔時(shí)間需要綜合考慮安全性、任務(wù)性以及經(jīng)濟(jì)性等方面的因素。本系統(tǒng)依據(jù)已經(jīng)確定的設(shè)備壽命分布模型、根據(jù)對(duì)設(shè)備安全性、任務(wù)性或經(jīng)濟(jì)性的不同要求，確立了單個(gè)設(shè)備維修間隔時(shí)間的優(yōu)化模型。由于高速列車包含的設(shè)備眾多，不可能每次維修只針對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行，統(tǒng)籌考慮多個(gè)設(shè)備組合維修才是經(jīng)濟(jì)可行的，因此建立了多設(shè)備組合優(yōu)化維修模型。

（2）在設(shè)備壽命分布模型已經(jīng)確定的前提下，分析單個(gè)設(shè)備周期預(yù)防性維修間隔時(shí)間的確定、順序預(yù)防性維修間隔時(shí)間的確定，以及多個(gè)設(shè)備組合維修間隔時(shí)間的優(yōu)化。單個(gè)設(shè)備預(yù)防性維修間隔時(shí)間的確定，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相關(guān)要求，如設(shè)備安全等級(jí)、經(jīng)濟(jì)性要求、使用有效度等，根據(jù)相關(guān)要求調(diào)用模型庫中對(duì)應(yīng)的維修間隔時(shí)間確定模型，計(jì)算出設(shè)備的最佳維修間隔時(shí)間。在單個(gè)設(shè)備維修間隔時(shí)間確定的基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)設(shè)備的維修方案進(jìn)行優(yōu)化組合，首先確定需進(jìn)行組合維修的設(shè)備，利用模型庫中的多個(gè)設(shè)備組合維修優(yōu)化模型，得到最優(yōu)的多設(shè)備組合維修間隔時(shí)間，在保證設(shè)備安全性的基礎(chǔ)上使維修成本最低。

2.1.4 設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)

對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備，尤其是維修成本又比較高的設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，通過對(duì)參數(shù)的綜合分析來評(píng)價(jià)設(shè)備所處狀態(tài)，并據(jù)此來判定是否對(duì)其進(jìn)行維修，即為視情維修。視情維修中非常重要的一步就是對(duì)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。本系統(tǒng)中建立了設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)模型。針對(duì)不同的設(shè)備，依據(jù)一定的規(guī)則從模型庫中調(diào)用適宜的模型，然后依據(jù)之前設(shè)定的狀態(tài)閾值對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)判斷出是否立即對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)系統(tǒng)具備相應(yīng)的故障診斷和報(bào)警功能。狀態(tài)預(yù)測(cè)主要針對(duì)狀態(tài)評(píng)價(jià)中狀態(tài)不佳的設(shè)備，從模型庫中選擇合適的預(yù)測(cè)模型，依據(jù)預(yù)測(cè)得到的狀態(tài)決定設(shè)備的檢測(cè)間隔時(shí)間或維修時(shí)間點(diǎn)，以便制定合理的維修決策。

2.2 系統(tǒng)管理模塊

此模塊主要對(duì)系統(tǒng)用戶以及用戶權(quán)限進(jìn)行統(tǒng)一配置和管理，對(duì)用戶的登陸和退出進(jìn)行跟蹤記錄。并進(jìn)行系統(tǒng)備份和回復(fù)。

2.3 信息綜合管理模塊

此模塊的主要功能是存儲(chǔ)和管理列車所有相關(guān)設(shè)備的基本信息。包括設(shè)備編碼、設(shè)備基本功能參數(shù)、運(yùn)行過程中故障信息的詳細(xì)記錄、設(shè)備臺(tái)賬的管理等。以便為決策功能模塊提供必要的基本信息。

3 系統(tǒng)開發(fā)工具

作為可視化編程工具中的編程語言Visual C++，它集成了微軟視窗操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（具有與MATLAB應(yīng)用程序的接口），而且提供了有效的編輯、編譯和調(diào)試工具，但不具備強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力。而此決策支持系統(tǒng)中的任一模塊都需要進(jìn)行大量而且復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，因此本系統(tǒng)引入了具有龐大計(jì)算功能的MATLAB軟件。MATLAB軟件是一個(gè)計(jì)算效率和計(jì)算精度都比較高的數(shù)值計(jì)算軟件。

由于本維修決策支持系統(tǒng)中涉及到的信息的形式多樣，如有專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的文字化信息、有設(shè)備基本功能參數(shù)、運(yùn)行里程、維護(hù)費(fèi)用等涉及到的數(shù)字化信息等，因此本文維修決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理軟件采用了Oracle數(shù)據(jù)庫。

將Visual C++、MATLAB軟件和Oracle數(shù)據(jù)庫管理軟件有效地結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)高速列車維修決策支持系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)采用Visual C++實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面，通過此界面不僅能夠?qū)崿F(xiàn)Oracle和MATLAB之間信息的交換和傳輸工作，而且還能快捷方便地對(duì)Oracle數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)及信文字息進(jìn)行調(diào)用和管理，如圖3。

圖3 Visual C++、Oracle和MATLAB之間數(shù)據(jù)傳輸圖

圖4 減振器故障數(shù)據(jù)預(yù)處理

圖5 故障數(shù)據(jù)在概率圖紙的擬合

圖6 減振器壽命分布模型參數(shù)估計(jì)

4 高速列車設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

下面以設(shè)備壽命分布模型的建立過程為例，介紹系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)。

（1）高速列車設(shè)備運(yùn)營故障數(shù)據(jù)大部分為隨機(jī)截尾數(shù)據(jù)。因?yàn)槭苓\(yùn)營方式和維修方式的影響，不可能所有設(shè)備等到故障后才進(jìn)行維修或更換。對(duì)于這種未出現(xiàn)故障就進(jìn)行維修或更換的設(shè)備，可能發(fā)生故障的時(shí)間點(diǎn)很難估計(jì)，也無法得到此設(shè)備的故障秩次。而平均秩次方法則可以解決該難題。因?yàn)槠骄却畏ú捎昧酥形恢鹊挠?jì)算方案，對(duì)樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量要求也不嚴(yán)格。因此針對(duì)這種隨機(jī)截尾數(shù)據(jù)，采用平均秩次法來進(jìn)行設(shè)備故障秩次的計(jì)算，進(jìn)而對(duì)設(shè)備的可靠性進(jìn)行分析。圖4所示為減振器故障數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果。

（2）根據(jù)預(yù)處理的數(shù)據(jù)選擇減振器故障的分布模型。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大致確定減振器故障可能服從指數(shù)分布或威布爾分布，然后根據(jù)預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)在概率圖紙上描點(diǎn)，得到圖5中的概率圖紙。圖5中左下方展示的是減震器故障數(shù)據(jù)的指數(shù)分布擬合情況，圖5中右下方展示的是故障數(shù)據(jù)的威布爾分布擬合情況，由概率圖紙可以看出，本文分析的減振器故障分布更傾向于威布爾分布，而且是三參數(shù)的威布爾分布。

（3）確定分布模型后，便可以根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)估計(jì)方法得到三參數(shù)的威布爾參數(shù)估計(jì)，本系統(tǒng)的三參數(shù)威布爾分布參數(shù)估計(jì)方法有多種，最終選擇估計(jì)結(jié)果最優(yōu)的一種。圖6中采用不同的參數(shù)估計(jì)方法對(duì)減振器故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的參數(shù)估計(jì)結(jié)果，根據(jù)最優(yōu)的估計(jì)結(jié)果建立了故障率分布圖和可靠度分布圖。

5 結(jié)論

通過對(duì)國外高速列車維修決策研究成果以及我國高速列車運(yùn)行與維修現(xiàn)狀的調(diào)查研究，建立以可靠性為中心的設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)。著重處理和分析列車運(yùn)行與維修過程中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)列車設(shè)備維修決策的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析并給出解決策略，最終設(shè)計(jì)和開發(fā)出高速列車設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)為高速列車設(shè)備的運(yùn)行與維修決策提供了一個(gè)通用平臺(tái)。