我國高速鐵路通信信號設(shè)備服役狀態(tài)趨勢研究

闞佳鈺， 韓安平， 姜錫義， 富德佶， 劉鵬

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2. 中國國家鐵路集團有限公司 調(diào)度指揮中心工電調(diào)度處，北京 100844）

0 引言

21世紀(jì)以來，我國鐵路進入高速發(fā)展期。2008年我國首條高速鐵路——京津城際鐵路開通運營，通過10 余年的快速建設(shè)，逐步形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補充的高速鐵路網(wǎng)，實現(xiàn)省會城市高速鐵路通達、區(qū)際之間高效便捷相連［1］。截至2019年底，高鐵營業(yè)里程已突破3.5萬km，穩(wěn)居世界第一。巨大的成就與鐵路安全運營密不可分，故障是評定安全的一個重要指標(biāo)，因此對高鐵故障進行研究具有重大意義［2］。

目前，國內(nèi)外對高速鐵路主要側(cè)重于新技術(shù)引入的研究［3-5］；或者是對某起高鐵事故的調(diào)查、分析、研究［6］；或者是將故障作為我國高鐵安全運營技術(shù)體系中的一部分或案例進行研究［7］。對高鐵故障的系統(tǒng)性研究，特別是研究通信信號設(shè)備服役狀態(tài)趨勢的文獻還比較缺乏。在此，結(jié)合我國高速鐵路10年來電務(wù)故障的統(tǒng)計分析趨勢，總結(jié)發(fā)生規(guī)律，根據(jù)運行階段分析影響因素，預(yù)測發(fā)展趨勢，為相關(guān)部門進行故障防范、對設(shè)備元器件作出相應(yīng)維修決策提供參考，以保證高速鐵路電務(wù)設(shè)備高效運行。

1 服役狀態(tài)趨勢研究程序

1.1 概述

電務(wù)設(shè)備大多為復(fù)雜的電子系統(tǒng)，系統(tǒng)的每個部件都會影響電務(wù)安全的整體狀態(tài)和發(fā)展趨勢。由于大部分構(gòu)成設(shè)備為電子設(shè)備，電務(wù)專業(yè)的故障發(fā)生具有隨機性，因此實施電務(wù)故障規(guī)律統(tǒng)計和故障預(yù)測具有相當(dāng)大的難度。但另一方面，電子設(shè)備的規(guī)律有相似性，對高速鐵路通信信號設(shè)備的服役狀態(tài)趨勢研究，可以選取某種比較重要的電務(wù)設(shè)備，進行初步研究。我國鐵路車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)從無到有，經(jīng)過幾代人的努力和不斷完善，得到了普遍應(yīng)用，現(xiàn)已進入成熟運用階段。采用計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的車站已超過全國車站總數(shù)的70%，這些設(shè)備為提高行車安全和運輸效率發(fā)揮了關(guān)鍵作用。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)技術(shù)成熟，故障數(shù)據(jù)積累豐富，選擇計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)進行研究，具有典型性和代表性。

在前期的分析研究中發(fā)現(xiàn)，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件故障發(fā)生概率偏高。主要有電源故障、聯(lián)鎖機采集驅(qū)動板故障、工控機整機故障等，且故障發(fā)生的情況受部件服役時間的影響較大，是時間的函數(shù)。因此根據(jù)之前對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和研究經(jīng)驗分析，針對鐵路電務(wù)設(shè)備的特點，選取典型高鐵線路，按照開通運營時間進行通信信號設(shè)備的服役狀態(tài)趨勢研究。

1.2 研究程序

具體的服役狀態(tài)趨勢研究程序如下：

（1）對故障和事故情況進行收集。收集我國高速鐵路通信信號設(shè)備的故障數(shù)據(jù)主要包括：故障發(fā)生時間地點、故障發(fā)生時設(shè)備使用時間、所屬線路、故障具體部位、影響行車情況，以及故障描述、處理經(jīng)過等情況；收集我國高速鐵路通信信號設(shè)備的事故數(shù)據(jù)，對故障數(shù)據(jù)作進一步補充；對上述收集到的數(shù)據(jù)進行初步梳理。

（2）分析并確定故障原因。對收集到的數(shù)據(jù)按時間、設(shè)備類型、故障責(zé)任、線路等維度進行初步統(tǒng)計和分析；進行故障定位到子系統(tǒng)的深層次研究；進行理論分析和相關(guān)計算；分析影響行車安全的故障機理。

（3）得出結(jié)論。每一階段的分析工作結(jié)束，都要對本階段的問題進行集中歸納、綜合分析和判斷處理，形成初步結(jié)論。故障分析結(jié)束時，提出一個明確的結(jié)論以及相應(yīng)建議，為積累材料、交流經(jīng)驗、改進工作提供支持。

2 通信信號設(shè)備服役狀態(tài)趨勢研究

2.1 典型線路的故障趨勢

選取開通時間超過5年的典型線路，按開通年份和開通月份分別進行分析，初步選定7條典型線路，開展電務(wù)設(shè)備故障受使用時間影響的研究。7條典型線路擬合后的實際故障趨勢見圖1。

圖1 典型線路擬合后的實際故障趨勢

根據(jù)以上統(tǒng)計結(jié)果進行分析，在開通運營初期（1～2年），所有設(shè)備處于協(xié)同工作磨合期，設(shè)備也處于典型的電子器件早期失效期，另外維護人員對新設(shè)備也有一定的適應(yīng)期，因此故障發(fā)生較多。在運營一段時間后，故障發(fā)生大幅下降并趨于平穩(wěn)，其開通時間與故障發(fā)生情況的關(guān)系，與浴盆曲線的早期故障期和偶然故障期的形狀極為相似。

2.2 浴盆曲線的概念

實踐證明大多數(shù)設(shè)備的故障率是時間的函數(shù)，典型故障曲線稱之為浴盆曲線。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定規(guī)律。如果取產(chǎn)品的失效率作為產(chǎn)品的可靠性特征值，它是以使用時間為橫坐標(biāo)、以失效率為縱坐標(biāo)的一條曲線。因該曲線兩頭高、中間低，有些像浴盆，所以稱為浴盆曲線［8］。

浴盆曲線一般有3個組成部分（見圖2）。第1部分失效率是遞減的，第2 部分失效率接近于1 個常數(shù)，第3部分失效率是遞增的。

圖2 浴盆曲線組成示意圖

在產(chǎn)品剛開始使用時，由于元器件設(shè)計、材料、制造和安裝過程中的缺陷等原因，失效率較高，表現(xiàn)為早期故障。為了縮短這一階段的時間，產(chǎn)品應(yīng)在投入運行前進行試運轉(zhuǎn)，以便及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除故障；或通過試驗進行篩選，剔除不合格品。在此時期對元器件故障原因必須盡早發(fā)現(xiàn)并消除，才能使故障率降低。當(dāng)排除了所有能排除的缺陷后，元器件或系統(tǒng)的失效率近似保持不變，進入偶然故障期。對于元器件而言，此時處于最佳狀態(tài)，并希望失效率盡可能低于要求值，而且希望這一時期的持續(xù)時間盡可能長。偶然故障主要由質(zhì)量缺陷、材料弱點、環(huán)境和使用不當(dāng)?shù)纫蛩匾?。隨著使用時間的增加，元器件和系統(tǒng)開始老化，進入損耗故障期，該階段的失效率隨時間延長而急速增加［9］。

2.3 模型建立

選用一種故障率為浴盆曲線的壽命分布方法，構(gòu)建高速鐵路通信信號設(shè)備浴盆曲線模型［10］。方法如下：

步驟1：線路故障數(shù)據(jù)的收集。具體需要收集的數(shù)據(jù)包括試驗樣本量n、各故障發(fā)生的時間t1，t2，…，tn。

步驟2：參數(shù)η的確定。參數(shù)η表征產(chǎn)品的極限壽命，其取值與所選取的分布無關(guān)，應(yīng)直接根據(jù)試件的故障情況估計η，可使用以下公式確定η：

式中：n為樣本量；tn為第n個故障試件的正常工作時間；k為tn時的同時故障數(shù)。

步驟3：使用極大似然估計確定參數(shù)λ、α和β。在確定η的情況下，令x=t/η，則本分布的概率密度函數(shù)為：

對似然函數(shù)L取對數(shù)：

進而求偏導(dǎo)：

使各偏導(dǎo)函數(shù)取值為零的參數(shù)組合即為本分布的極大似然估計結(jié)果。

故障率函數(shù)為：

各參數(shù)的取值范圍為λ＞0，α＞0，β≥0，η＞0。該方法的分布根據(jù)參數(shù)取值不同，既適用于完整的浴盆曲線，也適用于特殊浴盆曲線；既適用于無限的時間區(qū)間，也適用于有限的時間區(qū)間；該方法的分布能在部分參數(shù)取特殊值時等價于指數(shù)分布和威布爾分布，也能通過調(diào)整參數(shù)取值十分接近正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等。由于該方法的分布對絕大部分產(chǎn)品都適用，可以省去分布模型的選擇，也為高速鐵路通信信號設(shè)備服役狀態(tài)趨勢的研究提供了便利。

2.4 模型試算

2.4.1 典型線路數(shù)據(jù)試算

以典型線路A 高鐵的故障數(shù)據(jù)為例，進行上述浴盆曲線方法的試算。

步驟1：A 高鐵線路故障數(shù)據(jù)收集。具體數(shù)據(jù)包括試驗樣本量n、各故障發(fā)生的時間t1，t2，…，tn。

步驟2：參數(shù)η的確定。采用Spyder 軟件提供的數(shù)值方法，確定η=117.004 731 861 198 74。

步驟3：使用極大似然估計確定參數(shù)λ、α和β，將故障數(shù)據(jù)和η帶入各偏導(dǎo)函數(shù)等于零構(gòu)成的方程組，采用Spyder 提供的數(shù)值方法求解得到：λ=2.106 83，α=0.617 447，β=0.204 969。

將各參數(shù)帶入故障率函數(shù)的表達式中，繪制故障率試算理論曲線（見圖3）。

圖3 A高鐵故障率試算理論曲線

與圖1 中故障趨勢比較，圖3 中出現(xiàn)第1 個拐點的時間基本一致，大約在開通1年左右。但試算曲線圖3中第2個拐點出現(xiàn)的時間大概是開通5年左右，表明在未進行設(shè)備維修及維護保養(yǎng)的情況下，理論上運行5年后故障發(fā)生數(shù)量就會大幅上升。但實際運營中暫時并未出現(xiàn)第2個拐點，原因是電務(wù)部門不斷強化規(guī)范化管理，不斷完善電務(wù)規(guī)章體系建設(shè)，其頒布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對高鐵安全運營起到了顯著的保障作用，且在A 高鐵開通的5年中，設(shè)備得到良好維護，陸續(xù)維修或更換了部分達到壽命期的設(shè)備。

為驗證該模型是否具有偶然性，再選取典型線路B高鐵進行試算。

步驟1：B 高鐵線路故障數(shù)據(jù)收集。具體數(shù)據(jù)包括試驗樣本量n、各故障發(fā)生的時間t1，t2，…，tn。

步驟2：參數(shù)η的確定，η=102.000 364 431 486 89。

步驟3：使用極大似然估計確定參數(shù)λ、α和β，將故障數(shù)據(jù)和η帶入各偏導(dǎo)函數(shù)等于零構(gòu)成的方程組，采用Spyder 提供的數(shù)值方法求解得到：λ=4.199 2，α=0.564 465，β=0.035 430 5。

將各參數(shù)帶入到故障率函數(shù)的表達式中，繪制故障率試算理論曲線（見圖4）。

圖4 B高鐵故障率試算理論曲線

與圖1 中故障趨勢比較，圖4 中出現(xiàn)第1 個拐點的時間基本一致，也大約在開通1年左右。但第2 個拐點出現(xiàn)的時間大概是開通8年左右，表明在未進行設(shè)備維修和維護保養(yǎng)的情況下，理論上運行8年后故障發(fā)生數(shù)量就會大幅上升。但實際運營中也并未出現(xiàn)，原因同樣是電務(wù)部門不斷強化規(guī)范化管理，不斷完善電務(wù)規(guī)章體系建設(shè)，其頒布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對高鐵安全運營起到了顯著的保障作用，且在B高鐵開通的8年中，設(shè)備得到良好維護，陸續(xù)維修或更換了部分達到壽命期的設(shè)備。

2.4.2 典型線路擬合后的浴盆曲線趨勢

采用Spyder 提供的數(shù)值方法，對圖1 中典型線路擬合后的故障趨勢數(shù)據(jù)進行計算，結(jié)果如下：η=126.000 884 955 752 21，λ=2.503 03，α=0.857 063；β=0.165 932。故障率試算曲線見圖5。

圖5 反映出各線路故障發(fā)生的平均水平，基本在1～2年故障發(fā)生趨于平穩(wěn)，與實際情況也基本相符。且在不發(fā)生維修和維護保養(yǎng)的情況下，理論上在使用5年左右后，故障數(shù)量會開始大幅增加。

3 偶然故障期的延長

由于浴盆曲線是在最不利條件下，各類故障條件概率的疊加，而在受控條件下，元器件的最佳狀態(tài)期-偶然故障期已經(jīng)被延長。特別是電務(wù)領(lǐng)域的科學(xué)、技術(shù)和管理水平持續(xù)提升，實際線路數(shù)據(jù)中，運行達到或接近10年的線路，其浴盆曲線的第3 階段尚未出現(xiàn)。高速鐵路通信信號設(shè)備偶然故障期的延長見圖6。

圖5 各線路擬合后的故障率試算曲線

圖6 高速鐵路通信信號設(shè)備偶然故障期的延長

假設(shè)第3 階段在12年后會出現(xiàn)，按選用方法繪制的曲線中，第12年時預(yù)測故障率應(yīng)為0.02，在第15年時預(yù)測故障率應(yīng)為0.03。假設(shè)此時線路上車站有n個，若第15年時發(fā)生設(shè)備更換的車站為m個，則第15年時實際故障率應(yīng)為0.02+（n-m）×（0.03-0.02）/n。繪制浴盆曲線模型中，第3階段可根據(jù)實際情況調(diào)整。

4 運營安全建議

通過對我國高速鐵路通信信號設(shè)備服役狀態(tài)趨勢的研究，結(jié)合我國高鐵電務(wù)設(shè)備10年來的運行情況，提出如下運營安全建議：

（1）嚴(yán)格遵循故障-安全設(shè)計原則，加強安全作業(yè)管理。通過對高速鐵路典型線路10年的故障、事故梳理統(tǒng)計與分析，隨著線路的開通，設(shè)備投入使用后初期故障發(fā)生較多，但伴隨維護保養(yǎng)措施、制度的完善和人員技術(shù)水平的逐步提高，高速鐵路通信信號設(shè)備的故障或事故率呈下降趨勢并基本維持平穩(wěn)狀態(tài)。要持續(xù)加強設(shè)備源頭質(zhì)量控制，嚴(yán)格遵循故障-安全設(shè)計原則，優(yōu)化勘察設(shè)計，強化現(xiàn)場管理，完善聯(lián)調(diào)聯(lián)試，加強維護人員提前介入和維護管理，穩(wěn)步推進系統(tǒng)優(yōu)化創(chuàng)新，盡可能避免由于設(shè)計缺陷帶來設(shè)備運營后的故障增加，確保高速鐵路通信信號設(shè)備安全。

（2）采取有效措施努力降低設(shè)備開通初期故障率。線路開通初期，由于元器件設(shè)計、材料、制造和安裝過程中可能存在缺陷，設(shè)備也處于典型的電子器件早期失效期，并且所有設(shè)備處于協(xié)同工作磨合期，另外維護人員對新設(shè)備也有一定的適應(yīng)期，或?qū)︻A(yù)期風(fēng)險識別的不足，會帶來新的風(fēng)險，造成設(shè)備故障率較高。為降低設(shè)備開通初期的故障率，在設(shè)備研發(fā)時要慎用新技術(shù)，盡可能采用既有成熟技術(shù)。維護接管人員盡早參與到設(shè)備的調(diào)試維護工作中，做到早熟悉、早上手，以使設(shè)備投入運營后能得到良好維護。在設(shè)備優(yōu)化升級時，盡可能聘請行內(nèi)有經(jīng)驗的資深專家參與評審，研發(fā)過程加強風(fēng)險識別，完善測試場景和測試案例，盡可能規(guī)避引入新的風(fēng)險。

（3）關(guān)注通信信號設(shè)備實際運行中“浴盆曲線”第3階段的出現(xiàn)。上述方法顯示，高速鐵路通信信號設(shè)備在不發(fā)生維修和維護保養(yǎng)的情況下，理論上在使用5～8年左右后，故障數(shù)量會開始增加。在實際運營中，很多高鐵線路已經(jīng)運行達到或接近10年，設(shè)備已達到或接近壽命期，應(yīng)高度重視“浴盆曲線”損耗期的出現(xiàn)，根據(jù)需要維修或更換部分達到壽命期的設(shè)備，保證備品備件充足并定期進行養(yǎng)護，保障列車安全運營。

（4）按不同設(shè)備特點采取有效措施降低設(shè)備故障。在研究中發(fā)現(xiàn)，有些典型設(shè)備故障率相對較高，要根據(jù)不同設(shè)備特點采取有效措施降低設(shè)備故障?？梢愿鶕?jù)設(shè)備特點，提升設(shè)備源頭質(zhì)量。通過提升軟件人員水平，提升施工規(guī)范與安全管理水平，提升現(xiàn)場維修維護人員水平，完善設(shè)備生命周期管理，增加鐵路現(xiàn)場綜合監(jiān)控等手段降低典型設(shè)備的故障率；也可以根據(jù)不同設(shè)備發(fā)生的故障規(guī)律，采取專項整治工作，完善相應(yīng)管理機制。

5 總結(jié)

我國高速鐵路通信信號設(shè)備故障的發(fā)生，在時間分布上存在一定的共性，即在開通運營初期，故障發(fā)生較多，在運行1年左右大幅下降并趨于平穩(wěn)。針對故障發(fā)生的時間分布規(guī)律，應(yīng)在故障多發(fā)的時間段采取積極的預(yù)防措施，對通信信號設(shè)備的維護保養(yǎng)要把握細節(jié)和時間節(jié)點，根據(jù)經(jīng)驗對重點、要點進行隱患排查。由于實際線路數(shù)據(jù)中，運行達到或接近10年的線路，其浴盆曲線的第3階段尚未出現(xiàn)，且仍有大部分高鐵線路開通時間尚未超過10年，很多方面都不能獲得比較客觀權(quán)威的數(shù)據(jù)，因此要構(gòu)建客觀權(quán)威的電務(wù)浴盆曲線模型，并對浴盆曲線第3 階段出現(xiàn)時間進行預(yù)測，還需要開展更深入研究。