可靠性分析在軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

陶濤 ，龍靜 ，付勇 ，程曉卿 ，王志鵬

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510320；2.城市軌道交通系統(tǒng)安全與運(yùn)維保障國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510320；3.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

0 引言

不斷增長的交通需求、交通擁擠、能源供給以及氣候變化是整個(gè)世界所面臨的幾個(gè)主要問題，而軌道交通憑借在環(huán)保能效、土地利用、能源消耗以及安全性上的固有優(yōu)勢，必將在未來新型交通系統(tǒng)建設(shè)中扮演重要角色。

近年來，軌道交通系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到了長足發(fā)展，特別是在高速鐵路、高原鐵路、高寒鐵路、重載鐵路以及城市軌道交通等方面，取得了一系列核心關(guān)鍵技術(shù)突破和創(chuàng)新性標(biāo)志成果，而軌道交通系統(tǒng)可靠性問題也隨之越來越受到人們的關(guān)注。

1 軌道交通系統(tǒng)范疇

軌道交通是指運(yùn)營車輛需在特定軌道上行駛的一類交通工具或運(yùn)輸系統(tǒng)，常見的軌道交通有高速鐵路、普速鐵路、磁懸浮、地鐵、輕軌、單軌和有軌電車等。軌道交通是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，是國家全局性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性的基礎(chǔ)設(shè)施，是國家綜合交通運(yùn)輸和城市公共交通系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，也是滿足人民日益增長的出行需求、加強(qiáng)國防建設(shè)的重要交通工具。作為國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)工業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)行業(yè)和承載行業(yè)之一，軌道交通行業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生改善中發(fā)揮著不可替代的重要作用，同時(shí)也為交通強(qiáng)國、科技強(qiáng)國，以及“一帶一路”等建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 軌道交通系統(tǒng)可靠性分析研究現(xiàn)狀

國家標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3133—2006《鐵道機(jī)車車輛電子產(chǎn)品的可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）》[1]給出了關(guān)于可靠性的定義：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品完成規(guī)定功能的能力。規(guī)定的條件指維護(hù)條件、使用條件、環(huán)境條件等；規(guī)定的時(shí)間是可靠性定義的核心，規(guī)定時(shí)間的長短隨著對象產(chǎn)品不同和使用目的不同而不同。針對軌道交通系統(tǒng)，其可靠性的定義為：在軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營的整個(gè)過程中，其子系統(tǒng)功能正常和子系統(tǒng)間作用關(guān)系均正常的條件下，完成軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營規(guī)定任務(wù)的能力。目前，國內(nèi)外研究者集中在軌道交通關(guān)鍵部件、系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施以及整個(gè)路網(wǎng)的可靠性方面進(jìn)行研究。

2.1 部件級(jí)

部件是組成軌道交通系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)鍵要素之一。關(guān)鍵部件在軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營過程中會(huì)由于載荷及運(yùn)行環(huán)境的影響引發(fā)失效，由此會(huì)對軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營安全和運(yùn)營效率造成巨大的負(fù)面效應(yīng)。因此，研究軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性分析方法對于保障其運(yùn)行安全具有十分重要的作用。

傳統(tǒng)的部件可靠性分析模型基本采用基于現(xiàn)場故障記錄歷史數(shù)據(jù)和批量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠度/故障率統(tǒng)計(jì)擬合模型、回歸模型及貝葉斯估計(jì)模型等，并在軌道交通系統(tǒng)中得到了不少應(yīng)用[2]。然而，這些方法大多針對的是批量設(shè)備部件，且計(jì)算精度低，無法滿足軌道交通系統(tǒng)中特定個(gè)體部件及實(shí)時(shí)變化的運(yùn)行工況。因此，后續(xù)學(xué)者在傳統(tǒng)模型上進(jìn)行改進(jìn)，采用基于性能退化預(yù)測模型進(jìn)行部件的可靠性分析，并總結(jié)出分析的主體步驟：

（1）設(shè)備部件運(yùn)行狀態(tài)特征提取；

（2）性能退化演變規(guī)律研究；

（3）基于退化過程的可靠度/故障率分析。

在軌道交通系統(tǒng)中，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，提取關(guān)鍵部件的特征信號(hào)較為困難，目前大部分是在傳感器監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代信號(hào)處理方法進(jìn)行設(shè)備部件的運(yùn)行狀態(tài)特征提取。主要的分析方法包括小波變換[3]、局部均值分解[4-5]、改進(jìn)包絡(luò)分析[6]以及隨機(jī)共振[7]等。在簡單提取的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步提取多傳感器獲得的多域特征，包括時(shí)頻域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、小波參數(shù)、熵參數(shù)等[8-9]。然而，多域特征的證據(jù)沖突和維數(shù)災(zāi)難問題導(dǎo)致特征指標(biāo)性能下降。目前主要通過特征約減降低樣本間的相關(guān)性，包括線性和非線性降維方法，如主成分分析[10]、線性判別分析[11]、流形學(xué)習(xí)[12]、局部保持投影[13]等模型方法。

分析設(shè)備部件性能退化規(guī)律的方法可分為基于統(tǒng)計(jì)的方法、基于狀態(tài)模型的方法以及基于計(jì)算智能的方法。其中，較為常用的模型方法有自組織映射網(wǎng)絡(luò)[14]、隱馬爾可夫模型[15]、支持向量數(shù)據(jù)描述[16]、高斯混合模型[17]等，并在設(shè)備部件性能退化規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)行可靠度/故障率的評(píng)估與預(yù)測計(jì)算。然而，自組織映射網(wǎng)絡(luò)和隱馬爾可夫模型不能直觀反映具體退化程度，支持向量數(shù)據(jù)描述模型在處理不同工況下的多狀態(tài)特征中也有所欠缺，而目前所研究的設(shè)備部件多以“正常”和“故障”2種狀態(tài)為假設(shè)，忽視了部件處于“正常”和“故障”之間的隱藏狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)級(jí)

軌道交通系統(tǒng)是由各種設(shè)備以及基礎(chǔ)設(shè)施組成的網(wǎng)絡(luò)大系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性對于軌道交通系統(tǒng)安全運(yùn)營同樣至關(guān)重要。系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性分析是構(gòu)建在系統(tǒng)各組成要素（部件）可靠性基礎(chǔ)上的綜合計(jì)算和評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性分析方法有可靠性框圖、故障樹分析、故障模式與影響分析等經(jīng)典方法。這些方法在軌道交通系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施中都有所應(yīng)用，包括針對列車系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及輪軌關(guān)系等方面的可靠性分析。但這些經(jīng)典方法大部分是基于專家的主觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定的打分值進(jìn)行計(jì)算，具有一定的主觀不確定性，對分析結(jié)果也有一定影響。因此，后續(xù)學(xué)者為規(guī)避主觀經(jīng)驗(yàn)的影響，從軌道交通系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和內(nèi)在機(jī)理2方面進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析。

統(tǒng)計(jì)模型類方法是通過研究軌道交通系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施故障時(shí)間的概率密度分布函數(shù)等，計(jì)算系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的可靠性指標(biāo)，如故障率、壽命以及平均故障間隔時(shí)間等，是基于軌道交通故障數(shù)據(jù)的分析方法。其一般的分析流程包括[18]：

（1）系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施故障數(shù)據(jù)整理，剔除無效數(shù)據(jù)；

（2）選定函數(shù)類型；

（3）基于故障數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；

（4）基于擬合優(yōu)度進(jìn)行最優(yōu)分布函數(shù)的標(biāo)定。

機(jī)理模型類方法是通過分析軌道交通系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)組成，采用模擬仿真的方法對其進(jìn)行可靠性研究，是基于模擬仿真的分析方法。常用方法是通過進(jìn)行有限元建模分析，構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料性質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)、載荷以及疲勞強(qiáng)度等特征指標(biāo)作為基底變量，進(jìn)而分析系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的可靠性并提出相應(yīng)的管理措施[19-24]。

雖然基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與內(nèi)在機(jī)理的方法能在一定程度上分析軌道交通系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性，但是由于軌道交通系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施具有復(fù)雜的功能且內(nèi)在組成要素（部件）之間存在著共因失效、連鎖失效、競爭失效等復(fù)雜的相互作用關(guān)系，這些方法基本上忽視了系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施內(nèi)在部件之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，對結(jié)果的正確性也會(huì)有一定影響。因此，部分學(xué)者基于軌道交通系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施中各部件之間的相互作用關(guān)系，研究系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的拓?fù)湮锢斫Y(jié)構(gòu)、功能邏輯以及失效關(guān)聯(lián)關(guān)系，并采用圖論與網(wǎng)絡(luò)的方法建立“部件-系統(tǒng)”可靠性網(wǎng)絡(luò)模型，常用的方法有Petri網(wǎng)[25]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[26]以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[27]等。然而，這些網(wǎng)絡(luò)的方法僅在系統(tǒng)部件的規(guī)模較小時(shí)比較適用，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模達(dá)到一定程度時(shí)，采用這些網(wǎng)絡(luò)的方法會(huì)產(chǎn)生組合爆炸的問題。

2.3 路網(wǎng)級(jí)

軌道交通系統(tǒng)由多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)集成而成，包括列車、線路、車站、信號(hào)、列車控制和供電系統(tǒng)等，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行是各子系統(tǒng)及其規(guī)定的完整功能相互集成的結(jié)果。與設(shè)備系統(tǒng)的可靠性分析方法有所區(qū)別的是，有些學(xué)者從軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的視角，提出節(jié)點(diǎn)與邊的概念以及節(jié)點(diǎn)和邊的屬性來研究軌道交通系統(tǒng)可靠性。

大部分學(xué)者采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的模型，以車站為節(jié)點(diǎn)、以線路為邊，以車站整體可靠性狀態(tài)為節(jié)點(diǎn)屬性，以線路整體可靠性狀態(tài)為邊屬性進(jìn)行軌道交通系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，以網(wǎng)絡(luò)生存特性作為軌道交通系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，如系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性、連通性、異質(zhì)性、脆弱性、抗毀性等指標(biāo)[28-33]。

另一部分學(xué)者從軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營服務(wù)的角度，基于列車運(yùn)行過程與客流的角度分析軌道交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營可靠性，包括列車運(yùn)行圖正點(diǎn)可靠性研究[34-37]、運(yùn)營服務(wù)可靠性研究[38-41]等。

3 軌道交通系統(tǒng)可靠性分析研究未來展望

3.1 部件級(jí)

盡管目前國內(nèi)外學(xué)者已在軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性分析研究中作出一定貢獻(xiàn)，但仍有以下問題需要繼續(xù)深入研究與探討：

（1）軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵部件監(jiān)測數(shù)據(jù)是強(qiáng)干擾下的非線性非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，要考慮采用自適應(yīng)的信號(hào)處理方法去除干擾同時(shí)獲得最有效的特征信號(hào)。并且關(guān)鍵部件的監(jiān)測傳感器類型多樣，監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大，如何對多類型多域海量的特征信號(hào)大數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和降維處理是核心的關(guān)鍵問題。

（2）軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵部件的性能退化過程主要受健康狀態(tài)和失效模式的共同作用影響，因此必須同時(shí)考慮基于多域特征變量的狀態(tài)模型和基于失效機(jī)理的物理模型，并在此基礎(chǔ)上考慮有效的混合模型構(gòu)建方法，才能獲得準(zhǔn)確的關(guān)鍵部件性能退化預(yù)測模型。

（3）軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)的演變是多狀態(tài)的，而且受工況、環(huán)境等內(nèi)外部影響因素作用，因此傳統(tǒng)的二狀態(tài)隨機(jī)模型無法滿足可靠性分析評(píng)估的要求，必須構(gòu)建高效的多狀態(tài)可靠性分析評(píng)估隨機(jī)模型，同時(shí)考慮內(nèi)外部影響因素的變化，建立起最大程度反映實(shí)際運(yùn)行狀況的關(guān)鍵部件可靠性分析模型。

3.2 系統(tǒng)級(jí)

系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施可靠性分析方法的研究已經(jīng)逐漸從定性向定量、靜態(tài)向動(dòng)態(tài)、關(guān)系獨(dú)立向關(guān)系復(fù)雜的方向發(fā)展，并在軌道交通系統(tǒng)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施中得到了不少應(yīng)用。然而面向軌道交通系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行的可靠性研究仍存在不少難點(diǎn)：

（1）列車、信號(hào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等軌道交通系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施是一種復(fù)雜的機(jī)電信息大系統(tǒng)，其零部件眾多，且存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系。因此，如何通過建模定量分析系統(tǒng)部件之間的相互作用關(guān)系是需要繼續(xù)跟進(jìn)的研究內(nèi)容。

（2）基于系統(tǒng)部件之間的相互作用關(guān)系，如何通過“部件-系統(tǒng)”自下而上定量有效地分析整個(gè)軌道交通系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的可靠性也是需要深入研究的內(nèi)容。

3.3 路網(wǎng)級(jí)

通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，雖然目前軌道交通路網(wǎng)級(jí)可靠性研究取得了較多成果，但仍存在一定不足，主要體現(xiàn)在：

（1）軌道交通路網(wǎng)規(guī)模巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到車站、線路與路網(wǎng)不同層級(jí)的安全因素，如何建立有效的系統(tǒng)可靠性分析模型以反映路網(wǎng)的實(shí)際情況需要進(jìn)一步研究。

（2）大多數(shù)軌道交通系統(tǒng)可靠性分析主要體現(xiàn)在路網(wǎng)的連通可靠性等方面，并沒有結(jié)合軌道交通系統(tǒng)設(shè)備的可靠性狀態(tài)以及面向運(yùn)輸任務(wù)的可靠性分析。

（3）軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營服務(wù)可靠性分析的研究僅在列車運(yùn)行過程與客流的層面上做出一些嘗試，并沒有拓展到基于整個(gè)軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營任務(wù)的整體分析，因此，如何在軌道交通系統(tǒng)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)營任務(wù)，分析整個(gè)軌道交通系統(tǒng)可靠性需要進(jìn)行深入的研究。

4 結(jié)束語

軌道交通系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)需要總結(jié)國內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和熱點(diǎn)研究內(nèi)容，重點(diǎn)開展基于軌道交通系統(tǒng)關(guān)鍵部件、系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施以及整個(gè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營任務(wù)可靠性的研究，并持續(xù)應(yīng)用新理念，采用新技術(shù)，改造和提升傳統(tǒng)可靠性研究技術(shù)，加快軌道交通系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)的更新和進(jìn)步，以實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)健康、綠色、安全運(yùn)營的目標(biāo)。