軌道交通車(chē)輛全生命周期狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析

劉俊潔

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京210094）

1 軌道交通車(chē)輛全生命周期概述

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60300-2，產(chǎn)品全生命周期可劃分成包含論證、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)用維護(hù)和報(bào)廢等幾個(gè)階段。依照此理論軌道交通車(chē)輛全生命周期可分為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、聯(lián)調(diào)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)各階段[1]，產(chǎn)品全生命周期“V”形圖如圖1 所示。

圖1 軌道交通車(chē)輛全生命周期

依照軌道交通車(chē)輛全生命周期，對(duì)車(chē)輛各階段工作進(jìn)行概述。

1.1 車(chē)輛規(guī)劃階段

軌道交通車(chē)輛規(guī)劃階段的主要工作是，結(jié)合城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及未來(lái)布局規(guī)劃、軌道交通客流預(yù)測(cè)、軌道交通工程投資、軌道交通線(xiàn)路規(guī)劃、技術(shù)要求等，對(duì)車(chē)輛總體制式進(jìn)行規(guī)劃、選擇。車(chē)輛選型需從多方面來(lái)進(jìn)行考量。

車(chē)輛選型過(guò)程主要涉及到建設(shè)方（業(yè)主）、車(chē)輛咨詢(xún)方、供應(yīng)商。車(chē)輛選型的決策主要以建設(shè)方（業(yè)主）為主，供應(yīng)商為輔。雙方通過(guò)以咨詢(xún)方為中間單位的協(xié)調(diào)交涉，來(lái)對(duì)車(chē)輛選型進(jìn)行規(guī)劃。在實(shí)際的車(chē)輛選型中，建設(shè)方（業(yè)主）很少用長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光去對(duì)車(chē)輛選型作出決定，而往往拘泥于當(dāng)前的車(chē)輛采購(gòu)費(fèi)用，往往只考慮到了車(chē)輛采購(gòu)的低成本需求。

1.2 車(chē)輛設(shè)計(jì)階段

車(chē)輛設(shè)計(jì)階段的主要工作是在車(chē)輛選型完成后，對(duì)車(chē)輛的具體內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。車(chē)輛設(shè)計(jì)主要完成車(chē)輛內(nèi)部接口的融和以及車(chē)輛外部接口的匹配。車(chē)輛內(nèi)部接口主要包括了車(chē)輛電氣系統(tǒng)、車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)、司機(jī)室人機(jī)接口以及轉(zhuǎn)向架接口等，車(chē)輛外部接口主要包含了與車(chē)輛相關(guān)的系統(tǒng)接口如，信號(hào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、站臺(tái)屏蔽門(mén)以及軌道系統(tǒng)。

車(chē)輛設(shè)計(jì)階段涉及到建設(shè)方（業(yè)主）、車(chē)輛咨詢(xún)方以及供應(yīng)商（包含系統(tǒng)分包商）。其中，建設(shè)方會(huì)與其他兩方在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)中交流，并一起完成用戶(hù)需求書(shū)的編寫(xiě)，車(chē)輛用戶(hù)需求書(shū)是綜合各方情況的重要技術(shù)文件，它是車(chē)輛高性能、高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則和對(duì)車(chē)輛最終檢驗(yàn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)文件。用戶(hù)需求書(shū)的具體內(nèi)容分類(lèi)如圖2 所示。

圖2 用戶(hù)需求書(shū)內(nèi)容

1.3 車(chē)輛制造階段

車(chē)輛制造階段是車(chē)輛實(shí)體質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，車(chē)輛制造需要嚴(yán)格依照工藝要求，還需依照用戶(hù)需求書(shū)要求來(lái)進(jìn)行例行實(shí)驗(yàn)與型式實(shí)驗(yàn)。車(chē)輛制造主要涉及到監(jiān)造方與制造方。監(jiān)造方在地鐵車(chē)輛的制造實(shí)驗(yàn)以及驗(yàn)收等過(guò)程中，需要對(duì)車(chē)輛關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指導(dǎo)和控制，避免車(chē)輛制造缺陷或者影響交付進(jìn)度的情況發(fā)生。監(jiān)造方的主要工作流程如圖3 所示。

車(chē)輛建造方的監(jiān)督效果很大程度上決定了最終的車(chē)輛質(zhì)量以及功能實(shí)現(xiàn)程度。

1.4 車(chē)輛聯(lián)調(diào)階段

車(chē)輛聯(lián)調(diào)是在車(chē)輛出廠(chǎng)對(duì)車(chē)輛內(nèi)部調(diào)試完成后，采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)車(chē)輛與其他系統(tǒng)的接口系統(tǒng)中的功能、工作狀態(tài)以及各個(gè)系統(tǒng)的匹配度進(jìn)行綜合測(cè)試和驗(yàn)證以及優(yōu)化。車(chē)輛聯(lián)調(diào)是確保車(chē)輛的整體設(shè)計(jì)功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要步驟，也為車(chē)輛總聯(lián)調(diào)做好了準(zhǔn)備。

圖3 監(jiān)造方工作流程

車(chē)輛聯(lián)調(diào)首先需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行線(xiàn)路上的實(shí)驗(yàn)（包括冷滑熱滑、各種載荷情況下），實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再對(duì)車(chē)輛進(jìn)行多系統(tǒng)接口的調(diào)試。車(chē)輛聯(lián)調(diào)的技術(shù)核心也就是車(chē)輛與通信、供電、信號(hào)以及乘客信息系統(tǒng)和屏蔽門(mén)系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)聯(lián)試，對(duì)接口一致性進(jìn)行驗(yàn)證，看接口功能是否滿(mǎn)足需求。車(chē)輛聯(lián)調(diào)的技術(shù)核心如圖4 所示。

圖4 車(chē)輛聯(lián)調(diào)技術(shù)核心

車(chē)輛聯(lián)調(diào)同樣需要涉及到管理工作，通過(guò)管理工作可以使聯(lián)調(diào)效果更好地達(dá)到預(yù)期。車(chē)輛聯(lián)調(diào)管理目前主要通過(guò)建立聯(lián)調(diào)管理組織（由業(yè)主以及各參與方組成），通過(guò)編制車(chē)輛聯(lián)調(diào)管理方案實(shí)現(xiàn)車(chē)輛聯(lián)調(diào)的現(xiàn)場(chǎng)管控。

1.5 車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段

城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)維護(hù)是指為了保持和恢復(fù)軌道交通車(chē)輛運(yùn)營(yíng)規(guī)定功能的能力而采取的技術(shù)活動(dòng)。城市軌道交通車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)使用中，其機(jī)械部件會(huì)逐漸產(chǎn)生磨損、變形甚至斷裂，電氣部件會(huì)發(fā)生老化破損、斷線(xiàn)接地等情況，在維護(hù)中通過(guò)檢查能及時(shí)對(duì)這些情況進(jìn)行處理。從安全角度看，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)任務(wù)是消除安全隱患；從經(jīng)濟(jì)性角度看，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)需要在盡可能延長(zhǎng)車(chē)輛壽命的前提下降低成本。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于車(chē)輛維修的常用維修方式有3 種，分別是按行走公里數(shù)或時(shí)間定期維修、狀態(tài)維修、根據(jù)自身需求定制的維修。而其中運(yùn)用最廣泛的就是按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行的定期維修方式，但是隨著科技發(fā)展，這種以經(jīng)驗(yàn)確定的維修方式難以滿(mǎn)足目前的車(chē)輛維修需求。

2 軌道交通車(chē)輛全生命各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移特征分析

在車(chē)輛全生命周期中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移研究有以下幾步。

2.1 狀態(tài)標(biāo)識(shí)

識(shí)別每一步的狀態(tài)要點(diǎn)，即“每個(gè)狀態(tài)要求是什么”。

2.2 狀態(tài)控制

對(duì)于每一步的狀態(tài)要點(diǎn)進(jìn)行控制，保證其符合要求，即“利用什么方法達(dá)到要求”。

2.3 狀態(tài)記錄

記錄當(dāng)前的狀態(tài)，即“當(dāng)前狀態(tài)是什么”。

2.4 狀態(tài)審核

將當(dāng)前狀態(tài)與狀態(tài)標(biāo)識(shí)中的要求對(duì)比，看是否滿(mǎn)足要求，即“能否向下個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移”。

各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移如表1 所示。

表1 車(chē)輛全生命周期各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移

從軌道交通車(chē)輛全生命周期各階段概述以及表1 對(duì)各階段的狀態(tài)管理控制中可以得到以下幾點(diǎn)：①在車(chē)輛規(guī)劃階段，車(chē)輛選型是車(chē)輛最終性能的決定環(huán)節(jié)，但是建設(shè)方（業(yè)主）缺少對(duì)車(chē)輛選型的多方面考量，也缺少了決策方法來(lái)輔助決策。②車(chē)輛設(shè)計(jì)階段是對(duì)車(chē)輛的細(xì)節(jié)規(guī)劃，只需滿(mǎn)足以及協(xié)調(diào)各方的針對(duì)車(chē)輛的技術(shù)參數(shù)等要求完成用戶(hù)需求書(shū)即可。車(chē)輛制造階段主要由監(jiān)造方對(duì)環(huán)節(jié)過(guò)程進(jìn)行把控。③車(chē)輛聯(lián)調(diào)階段，針對(duì)聯(lián)調(diào)管理目前缺少有效措施。④車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維修階段缺少對(duì)車(chē)輛維修方式的科學(xué)決策方式。

3 軌道交通車(chē)輛全生命各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

通過(guò)對(duì)軌道交通車(chē)輛全生命周期各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移的分析，以及指出車(chē)輛規(guī)劃、車(chē)輛聯(lián)調(diào)以及車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段狀態(tài)控制中的不足之處，接下來(lái)對(duì)這3 個(gè)階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求進(jìn)行具體分析來(lái)提出建議。

對(duì)于車(chē)輛全生命周期成本預(yù)測(cè)主要有以下3 種方法：①專(zhuān)家會(huì)議法以及德?tīng)柗品ǎ@類(lèi)方法適用于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。專(zhuān)家會(huì)議法和德?tīng)柗品ㄊ且揽款I(lǐng)域內(nèi)的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，綜合意見(jiàn)來(lái)進(jìn)行成本預(yù)測(cè)的方法，不需要?dú)v史數(shù)據(jù)，有很強(qiáng)的主觀性。②類(lèi)推預(yù)測(cè)法。類(lèi)推預(yù)測(cè)法是運(yùn)用事物發(fā)展的相似性原理，對(duì)相互類(lèi)似的產(chǎn)品做出分析比較，主要利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。③特征參數(shù)法，即通過(guò)對(duì)產(chǎn)品成本相關(guān)參數(shù)的提取，對(duì)成本和參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合分析來(lái)估算成本的方法。以前經(jīng)常使用的是回歸計(jì)算模型。回歸計(jì)算模型雖然方法簡(jiǎn)單，但成本預(yù)測(cè)并不準(zhǔn)確，隨著技術(shù)發(fā)展，更多的先進(jìn)的算法被引入?yún)?shù)法對(duì)成本預(yù)測(cè)，目前應(yīng)用最多的也就是此方法。

3.1 車(chē)輛規(guī)劃階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

在車(chē)輛設(shè)計(jì)制造中，除了原有的技術(shù)文件要求，還需要從車(chē)輛全生命周期成本的角度針對(duì)車(chē)輛選型做出成本比較，用來(lái)輔助建設(shè)方（業(yè)主）以及供應(yīng)商的選型決策。在一般車(chē)輛選型中，決策者往往更看重“最低的采購(gòu)價(jià)格”，缺少科學(xué)的決策判別依據(jù)。因此，需要利用車(chē)輛全生命周期成本模型來(lái)從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度統(tǒng)計(jì)車(chē)輛成本。

3.2 車(chē)輛聯(lián)調(diào)階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

在車(chē)輛聯(lián)調(diào)中，信號(hào)、供電、通信、PIS、站臺(tái)等系統(tǒng)是以車(chē)輛為載體進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行測(cè)試來(lái)進(jìn)行功能檢驗(yàn)，各系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用。因此，車(chē)輛聯(lián)調(diào)具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)組織復(fù)雜，多方參與，聯(lián)調(diào)涉及范圍廣，聯(lián)調(diào)時(shí)間并不充裕，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，責(zé)任重大。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)軌道交通車(chē)輛聯(lián)調(diào)的研究對(duì)象多為對(duì)車(chē)輛聯(lián)調(diào)過(guò)程以及車(chē)輛聯(lián)調(diào)中各系統(tǒng)的相互作用，并未對(duì)車(chē)輛聯(lián)調(diào)的接口分類(lèi)以及管理進(jìn)行研究。而接口管理是提高管理效率的必要措施，是對(duì)項(xiàng)目過(guò)程管控的關(guān)鍵保障[2]。

目前，車(chē)輛聯(lián)調(diào)的接口管理研究大多著眼于技術(shù)接口，技術(shù)接口確實(shí)是車(chē)輛聯(lián)調(diào)的核心部分，但也是其他接口問(wèn)題產(chǎn)生的基礎(chǔ)。將車(chē)輛聯(lián)調(diào)中的利益相關(guān)者加入接口管理中，可將車(chē)輛接口分為以下3 類(lèi)。

3.2.1 技術(shù)接口

實(shí)現(xiàn)車(chē)輛聯(lián)調(diào)功能的關(guān)鍵就在技術(shù)接口，技術(shù)接口是應(yīng)對(duì)接口問(wèn)題的根基，也是車(chē)輛實(shí)現(xiàn)性能的各個(gè)系統(tǒng)需要遵循的技術(shù)指標(biāo)和條件約束。技術(shù)接口可以分成信息接口和物理接口，信息接口也可稱(chēng)為軟性接口，是設(shè)備或者系統(tǒng)之間通過(guò)通信協(xié)議、軟件等方面的技術(shù)參數(shù)匹配以及相互之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作關(guān)系產(chǎn)生的接口。物理接口也可稱(chēng)為硬性接口，是設(shè)備之間的電氣或者機(jī)械的硬性連接產(chǎn)生的接口。

3.2.2 職能接口

職能接口也可以稱(chēng)為責(zé)任接口，一方面，車(chē)輛聯(lián)調(diào)是車(chē)輛從制造到實(shí)際運(yùn)營(yíng)的重要銜接過(guò)程，會(huì)涉及到軌道交通項(xiàng)目總進(jìn)度、施工安排、職責(zé)與權(quán)力交接等接口問(wèn)題；另一方面，參與車(chē)輛聯(lián)調(diào)往往有眾多的單位，包含多個(gè)設(shè)備供應(yīng)商、各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單位、咨詢(xún)單位以及建設(shè)制造單位，這些單位各有其任務(wù)分工，同時(shí)它們之間存在互相約束關(guān)系。因此，職能接口也包含了設(shè)計(jì)、咨詢(xún)、建設(shè)等多單位之間管理接口。

3.2.3 組織接口

組織接口指參與車(chē)輛聯(lián)管理組織由于組織運(yùn)行而互相協(xié)調(diào)、交流產(chǎn)生的接口關(guān)系。車(chē)輛聯(lián)調(diào)管理組織主要由車(chē)輛聯(lián)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)組（決策）、車(chē)輛聯(lián)調(diào)管理組（執(zhí)行決策與對(duì)車(chē)輛聯(lián)調(diào)進(jìn)行各方協(xié)調(diào)以及保障過(guò)程順利進(jìn)行）以及車(chē)輛聯(lián)調(diào)操作組（車(chē)輛以及相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)人員組成）。各組之間有著互相的信息傳遞與工作流程的相互交流與調(diào)節(jié)，特別是對(duì)于操作組之間由于互相的工作計(jì)劃以及進(jìn)度之間可能會(huì)產(chǎn)生接口矛盾。

車(chē)輛聯(lián)調(diào)的接口管理從以上3 類(lèi)接口上展開(kāi)，可解決更全面的接口問(wèn)題，有助于實(shí)現(xiàn)車(chē)輛聯(lián)調(diào)總性能。

3.3 車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

對(duì)車(chē)輛進(jìn)行維修是對(duì)車(chē)輛壽命的延長(zhǎng)，也是確保車(chē)輛未來(lái)安全運(yùn)營(yíng)的保障措施[3]。目前，基于經(jīng)驗(yàn)的定期檢查計(jì)劃預(yù)防維修策略難以避免車(chē)輛的欠維修或過(guò)維修情況出現(xiàn)[4]。同時(shí)，隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，目前存在大量的車(chē)輛設(shè)備故障數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理處理。軌道交通車(chē)輛是個(gè)龐雜的系統(tǒng)（電氣、機(jī)械等系統(tǒng)），對(duì)于車(chē)輛故障數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行分類(lèi)，一般可從故障發(fā)生原因、故障后果的影響程度、故障發(fā)生頻次等角度進(jìn)行分類(lèi)，從故障可靠性角度分析，一類(lèi)是通過(guò)傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性指標(biāo)，比如可靠度、故障概率密度、故障率以及失效率等；二類(lèi)是通過(guò)數(shù)理方法利用故障分布函數(shù)來(lái)的得到可靠性指標(biāo)，主要有4 種分布函數(shù)，即正態(tài)分布、指數(shù)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。得到可靠性指標(biāo)后，可依據(jù)神經(jīng)算法或延遲時(shí)間理論等來(lái)對(duì)目前的基于經(jīng)驗(yàn)的計(jì)劃預(yù)防修的時(shí)間間隔提出優(yōu)化，同時(shí)需要根據(jù)不同維修方式的特點(diǎn)對(duì)對(duì)應(yīng)車(chē)輛設(shè)備維修做出合理決策。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軌道交通車(chē)輛的全生命周期各階段的工作重點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)述，利用狀態(tài)管理對(duì)車(chē)輛全生命周期各階段進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析，從中總結(jié)出車(chē)輛規(guī)劃、車(chē)輛聯(lián)調(diào)以及車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的目前狀態(tài)控制方式的不足之處，并根據(jù)這三階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求提出狀態(tài)控制方法建議，來(lái)為車(chē)輛狀態(tài)轉(zhuǎn)移深層次的研究進(jìn)行鋪墊。