基于模塊化設(shè)計的地鐵車輛牽引逆變器大修流程優(yōu)化

沈 豪 王培昌 曾詳旭 袁 磊

(1.申通南車(上海)軌道交通車輛維修有限公司，201800，上海；2.悅利電氣(江蘇)有限公司，215300，蘇州//第一作者，高級工程師)

牽引逆變器作為地鐵車輛的核心系統(tǒng)之一，主要采用委外的模式開展大修活動，牽引逆變器的大修成本及大修周期是影響整車大修交付的關(guān)鍵因素。

因此，在地鐵牽引逆變器大修過程中，引入RCM(以可靠性為中心的維修)理念，按照“七步作業(yè)法”確定維修工序，并對其進行模塊化設(shè)計。通過優(yōu)化目前使用的牽引逆變器大修流程，可在一定程度上提高大修效率。

1 地鐵車輛牽引逆變器大修流程

1.1 地鐵車輛大修規(guī)程

大修是指地鐵車輛在運營公里數(shù)或運營時間達到規(guī)定值時(取先到者)，對車輛進行全面的分解、清洗、檢查、探傷和修復(fù)的綜合性預(yù)防維修。大修要求對列車進行全面檢測、調(diào)試及試驗，將列車恢復(fù)到原出廠標(biāo)準(zhǔn)，或在原技術(shù)等級范圍內(nèi)局部改善，最終達到規(guī)程要求和質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[1]。

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，地鐵車輛定期檢修的修程和周期應(yīng)根據(jù)車輛技術(shù)條件、車輛的質(zhì)量和既有車輛基地的檢修經(jīng)驗制定[2]。其中地鐵車輛架大修修程規(guī)定，如表1所示。

表1 地鐵車輛架大修修程和檢修周期

國內(nèi)各地鐵城市根據(jù)地鐵實際運營經(jīng)驗，分別制定了適用于自身的檢修規(guī)程。

1.2 牽引逆變器大修流程

牽引逆變器作為地鐵車輛核心系統(tǒng)，是地鐵車輛大修的關(guān)鍵部件,一般根據(jù)車輛及系統(tǒng)維修手冊對牽引箱進行拆卸、清洗、分解、零部件檢測與更新、組裝、整機試驗及裝車調(diào)試等工作。大修作業(yè)重點在于優(yōu)化工藝流程，組織好各工位的工作順序，協(xié)調(diào)交叉作業(yè)項目，縮短大修時間，進而縮短大修車輛停庫時間，提高車輛利用率。牽引逆變器大修流程如圖1所示。

圖1中，牽引變電器子系統(tǒng)包括牽引逆變模塊、高速斷路器、撬棒模塊、牽引風(fēng)機等，核心零部件包括IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、PCB(印刷電路板)、電抗器、各類接觸器、繼電器、電容、電源、電阻、傳感器等。

圖1 牽引逆變器大修流程

2 牽引逆變器大修流程的模塊化設(shè)計

基于RCM理論的“七步作業(yè)法”，對牽引逆變器大修流程進行梳理[3]。模塊設(shè)計流程如表2所示。

表2 牽引逆變器大修模塊內(nèi)容設(shè)計

牽引逆變器大修流程的模塊化設(shè)計以大修工藝為劃分依據(jù)，分為若干個工序流程，每個工位中包含多個大修工藝。各工位承擔(dān)的大修作業(yè)既相互關(guān)聯(lián)，又各具技術(shù)差異。因此，在進行模塊化設(shè)計時，根據(jù)各工藝的維修內(nèi)容能否同時交叉開展，將模塊分為標(biāo)準(zhǔn)模塊(以下簡為“S模塊”)和可變模塊(以下簡為“V模塊”)。

S模塊的判定依據(jù)為：

1)牽引逆變器大修流程中必不可少的工藝，如箱體及逆變模塊的分解與組裝、IGBT導(dǎo)熱硅脂涂敷、相關(guān)必?fù)Q件的更新等。

2)由于大修設(shè)備或人員的限制，只能單獨進行操作的工藝，如牽引箱整機檢測、逆變模塊的拆卸、牽引箱包裝運輸?shù)取?/p>

V模塊的判定依據(jù)為：

1)經(jīng)RCM分析及維修人員建議，在不影響維修質(zhì)量的前提下，確定可以少修甚至不修的內(nèi)容，如部分箱體隔間的清潔、接觸器整體更換、觸點更換的選擇等。

2)在環(huán)境允許的前提下，可以與其他工藝同時開展維護工作的工藝，如逆變模塊可以作為獨立系統(tǒng)在和牽引箱體分離后與牽引箱其他子系統(tǒng)和零部件的清潔、更新、檢測同步進行。

上述S模塊、V模塊的判定需由經(jīng)驗豐富的生產(chǎn)管理人員聯(lián)合維修技術(shù)人員聯(lián)合評審制定。

3 牽引逆變器大修流程的優(yōu)化模型

3.1 大修流程優(yōu)化模型

3.1.1 基于安全約束條件下的大修模塊重組模型

牽引逆變器各大修模塊本身有維修時間約束，模塊之間也可能相互關(guān)聯(lián)或存在互斥約束，因此S模塊和V模塊的重組，應(yīng)通過統(tǒng)計分析，在明確各維修工藝及特殊維修條件的基礎(chǔ)上，綜合考慮各模塊之間的關(guān)聯(lián)性以及模塊自身的大修特性和大修條件等，在保證大修需求的前提下，重組工序流程，縮短大修時間，從而保證車輛正線安全、可靠運營[4]。

3.1.2 構(gòu)建以最短大修時間為目標(biāo)函數(shù)的模型

根據(jù)前文所述原則,將牽引逆變器大修工序分為S模塊和V模塊。通過S模塊和V模塊的優(yōu)化組合，使?fàn)恳孀兤鞯拇笮迺r間最短，從而提高維修效率。對優(yōu)化模型計算取整后可得牽引逆變器的維修天數(shù)Z:

(1)

約束條件如下：

(2)

式中：

N——大修流程的工位總數(shù)；

M——大修流程中V模塊的總數(shù)；

t——維修人員每天用于大修的標(biāo)準(zhǔn)工時；

i——第i個大修工位；

j——第j個V模塊；

Si——第i個工位中，S模塊的維修總工時；

Vi,j——第i個工位中，第j個V模塊的維修工時；

Wi——第i個工位大修工藝的維修時間上限；

j1,j2——分別表示2個V模塊；

xi(j1)=xi(j2)——表示模塊j1和j2無互斥關(guān)系，二者可同時開展大修；

xi(j1)≠xi(j2)——表示模塊j1和j2有互斥關(guān)系，二者不可同時開展大修。

3.2 基于模擬退火算法的模型優(yōu)化求解

式(1)所示的數(shù)學(xué)模型是典型的0～1數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，其可行解具有較高的離散性和隨機性，此類優(yōu)化決策問題較難獲得解析解，目前多采用智能優(yōu)化算法如遺傳算法、蟻群算法及模擬退化算法等。本文采用模擬退火算法，該算法具有計算流程簡單、通用、魯棒性強且適用于并行處理的的特點[5-6]，在處理復(fù)雜的線性優(yōu)化問題時具備較大優(yōu)勢。對于理想模型，模擬退火算法通過收斂取得最優(yōu)解需滿足如下3個條件。

1)初始溫度。初始溫度的設(shè)置越高，搜索到全局最優(yōu)解的概率越大，但較大的計算量則需要花費大量時間。鑒于本文模型所涉及的數(shù)據(jù)較少，且優(yōu)先考慮其全局最優(yōu)解，因此初始溫度設(shè)置較大值為10 000 ℃。

2)降溫方式。降溫過快可能丟失極值點，降溫過慢則收斂速度大幅降低。鑒于本文模型復(fù)雜度較低，可采用如下溫度下降函數(shù)T(n)：

T(n+1)=K×T(n)

(3)

式中：

K——降溫系數(shù)；

n——降溫次數(shù)。

3)終止溫度。本文擬采用零度法作為模擬退火算法的終止原則，即事先給出一個較小的正數(shù)，當(dāng)溫度低于正數(shù)時，算法終止，表示達到最低溫度，本文設(shè)定為10-12℃。

4 案例驗證分析

4.1 模型求解

上海軌道交通11號線牽引逆變器采用委外大修的模式，由Y公司負(fù)責(zé)牽引逆變器大修作業(yè)，項目交付期為20 d。Y公司根據(jù)大修技術(shù)規(guī)格書要求，將牽引逆變器大修分為13個工位，每個工位具體工藝內(nèi)容如表3所示。

經(jīng)委外供應(yīng)商Y公司跟蹤統(tǒng)計，并與其生產(chǎn)部門、技術(shù)部門、維修人員深入探討，最終決定將上海軌道交通11號線牽引逆變器大修工藝分為12個S模塊和25個V模塊。S模塊大修總時間為24 h，V模塊大修時間統(tǒng)計如表4所示。

4.1.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)案例條件，參數(shù)設(shè)置如下：N取13，M取25，t取6 h，Wi取24 h，K取0.96；設(shè)置初始溫度為10 000 ℃，設(shè)置終止溫度為10-12℃。

4.1.2 求解結(jié)果

將相關(guān)參數(shù)帶入本文構(gòu)建的優(yōu)化模型，根據(jù)模擬退火算法，利用Matlab工具進行求解。V模塊的計算結(jié)果如表5所示。

表3 牽引逆變器大修工藝內(nèi)容

表4 V模塊大修時間統(tǒng)計

表5 大修可變模塊求解結(jié)果

由表5可知，Y公司13個工位共計使用34個可變模塊，帶入表4計算得到V模塊總維修時間為76 h。已知S模塊總維修時間為24 h，即本項目總大修時間為100 h，當(dāng)t取6 h時，可求得最優(yōu)解取整后為17天，即通過大修流程化后，牽引逆變器大修時間理論上可縮短為17 d，相比大修交期20 d縮短3 d，維修效率提高15%，由此可知模型優(yōu)化具備初步可行性。

4.2 案例驗證

截至2018年7月，上海軌道交通11號線牽引逆變器大修項目共施工完成8列列車，自第6列列車開始按表5所示的求解結(jié)果重新設(shè)計大修工位工序，交付時間如表6所示。

由表5可知，采用優(yōu)化模型重新規(guī)劃生產(chǎn)安排后，平均維修周期為15.67 d，即在10個工作日內(nèi)可完成一列列車大修，較業(yè)主規(guī)定的交期20 d縮短4.3 d，較原大修時間縮短2 d以上，效果較為顯著。

表6 上海軌道交通11號線牽引逆變器大修項目交付時間表

5 結(jié)語

通過對牽引逆變器大修流程進行梳理，基于RCM理論，將大修流程的各個工藝進行優(yōu)化重組，建立了牽引逆變器大修流程優(yōu)化模型并求解。依據(jù)上海軌道交通11號線牽引逆變器委外供應(yīng)商Y公司的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，對模型的可行性進行了驗證。結(jié)果表明，模型求解理論值較項目交期縮短3 d，采用優(yōu)化模型后平均交付時間較項目交期縮短4.3 d，效率提高了約21.5%，效果較為顯著。雖然本文所選取的項目實踐數(shù)據(jù)樣本不夠充足，也未排除短期內(nèi)人為提高維修效率的因素，但根據(jù)委外供應(yīng)商的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和人員反饋表明，此優(yōu)化模型仍具備較高可行性。