軌道車輛健康評價系統(tǒng)設(shè)計

陳美霞，吳 強(qiáng)，鄧 然，宋小寧

學(xué)術(shù)探討

軌道車輛健康評價系統(tǒng)設(shè)計

陳美霞1，吳 強(qiáng)1，鄧 然2，宋小寧2

（1. 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210000；2. 江蘇中車數(shù)字科技有限公司，南京 210000）

隨著中國軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，軌道車輛的使用規(guī)模不斷擴(kuò)大，對車輛可靠性的要求也越來越高，而車輛健康管理作為安全運(yùn)營的重要保障，傳統(tǒng)的人工定期檢查已很難滿足要求。首次提出了軌道車輛健康評價方法，包括子系統(tǒng)健康評價、車輛健康評價和線路健康評價，以牽引系統(tǒng)為例，從5個評價維度上，詳細(xì)闡述了健康度的計算方法。由于采用車地實時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)了智能化、實時化和精細(xì)化的車輛健康評價系統(tǒng)，其評價結(jié)果和處理建議對車輛的運(yùn)營和檢修有著非常積極的指導(dǎo)意義。

軌道交通；車輛；健康管理；評價方法

維修是軌道交通車輛運(yùn)行維護(hù)過程中的重要部分，隨著軌道交通行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，車輛的維修方式正從傳統(tǒng)的故障修和計劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變，而基于狀態(tài)的維修需要對車輛以及車輛子系統(tǒng)的健康情況做有效的評估。目前，健康評估在武器、航空等領(lǐng)域應(yīng)用已較為廣泛。而軌道車輛健康評估還處在初級階段，所以研究軌道車輛健康評估方法變得尤為重要。和人體的健康狀態(tài)隨年齡上升而下降類似，一般隨著車輛使用年限的增加，車輛可靠性和健康狀態(tài)也呈一定的下降趨勢[1-3]。

1 健康評價依據(jù)

軌道車輛是一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其健康評價依據(jù)有如下幾個方面：

1) 保留故障：保留故障是指在車輛運(yùn)營過程或者檢修過程中發(fā)現(xiàn)的故障或者缺陷，由于維修工器具不足、車輛停止時間不足、需要保障線路正常運(yùn)力、車輛可靠性評估在可接受水平等原因，車輛運(yùn)營過程中沒有排除的故障和缺陷項目。保留故障雖然沒有影響到當(dāng)前車輛的運(yùn)營，但是持續(xù)、過多的保留故障會讓車輛的可靠性變得越來越低。

2) 不正常數(shù)據(jù)：車輛近期不正常的事件狀況能夠反映出車輛的健康狀態(tài)，包括車輛原因?qū)е碌难诱`、清客、返程和阻塞線路等異常事件以及運(yùn)營公司對車輛不正常所報告的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3) 監(jiān)控故障信息：主要針對車輛重復(fù)發(fā)生且難于處理或者暫時沒有找到故障原因，處于觀察中的故障。車輛故障類型分為重大故障、中等故障、輕微故障和警告。重大故障直接導(dǎo)致車輛不能正常運(yùn)行，或者存在安全隱患[4-5]。

4) 故障的報告數(shù)量：軌道車輛故障的反映形式一般有4種，分別是司機(jī)口頭向維修人員反映、機(jī)組在車輛運(yùn)行過程中由數(shù)據(jù)記錄儀記錄、乘客向運(yùn)營方反映、維修工人在維修中發(fā)現(xiàn)。故障的報告數(shù)量也間接反映了車輛的健康狀態(tài)。

5) 定檢信息：軌道車輛的定期檢修是根據(jù)運(yùn)營資料，在車輛達(dá)到一定時限或者部件到達(dá)使用次數(shù)時進(jìn)行的檢修。定期檢修適用于車體和所有子系統(tǒng)，但不包括翻修[6]。

6) 車齡的影響：隨著車輛年限的增加，車輛部件出現(xiàn)老化，會出現(xiàn)新車沒有發(fā)生過的難于排查的故障，對車輛運(yùn)營安全帶來影響。

7) 車輛的初始數(shù)據(jù)：引進(jìn)新車輛默認(rèn)為滿分，但是引進(jìn)的二手車輛隨著其原有運(yùn)營商維修投入和能力的不同，對其車輛的可靠性狀況有較大影響，也需要考慮[7-8]。

2 健康評價方案設(shè)計

如圖1所示，健康評價總共有5個維度，分別是當(dāng)前故障、歷史故障、養(yǎng)護(hù)信息、使用率和部件壽命。首先計算單車子系統(tǒng)評分，再計算整車子系統(tǒng)的評分，最后計算整車級評分和線路級評分，并給予指導(dǎo)意見[9-10]。

健康評價流程如圖2所示，以六編組四動兩拖地鐵車輛為例，先計算單車牽引系統(tǒng)的評分，如MP1車牽引系統(tǒng)的評分，然后再計算整車牽引系統(tǒng)的評分，包括MP1、M1、M2和MP2。車輛其他子系統(tǒng)評分計算方法跟牽引系統(tǒng)類似，然后將車輛所有系統(tǒng)的評分加權(quán)求和計算出整車評分，最后根據(jù)每列車的評分，計算線路評分并給出指導(dǎo)意見。

圖1 健康評價維度

Figure 1 Health assessment dimensions

圖2 健康評價流程

Figure 2 Health assessment process

3 健康評分規(guī)則設(shè)計

3.1 當(dāng)前故障評分規(guī)則

單車子系統(tǒng)當(dāng)前故障維度按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分。軌道故障通常分為4個等級，即重大故障、中等故障、輕微故障和警告，每項對應(yīng)的扣分值如表1所示。

表1 當(dāng)前故障維度扣分值

實際得分=100–(重大×1+中等×2+輕微×3+警告×4)，其中是相應(yīng)等級故障的數(shù)量，如果計算結(jié)果是負(fù)數(shù)，則按照0分計?？紤]到輕微故障和警告對車輛影響有限，故輕微故障和警告的累計扣分最大值30分，如果大于30分，則以30分計分。

3.2 歷史故障評分規(guī)則

單車子系統(tǒng)歷史故障維度按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分，4個等級故障如前文所述，對應(yīng)的扣分值如表2所示。

表2 歷史故障維度扣分值

歷史故障按照車輛運(yùn)行里程統(tǒng)計，統(tǒng)計最近20 000 km的故障數(shù)。

實際得分=100–(重大×1+中等×2+輕微×3+警告×4)，其中是相應(yīng)等級故障的數(shù)量，如果計算結(jié)果是負(fù)數(shù)，則按照0分計。考慮到某些故障時隱時現(xiàn)，雖然發(fā)生多次，實則是一個故障，需要對此類故障做過濾處理，避免影響計算結(jié)果。清洗掉檢修作業(yè)中人為觸發(fā)的故障，如斷電操作、隔離操作或者拔線，這些都是檢修作業(yè)的正常手段，此時會觸發(fā)大量的“假故障”，影響系統(tǒng)健康狀態(tài)判斷。故障清洗需要結(jié)合車輛速度、信號系統(tǒng)以及手柄級位等信息判斷。

有些故障發(fā)生時間很短，瞬間自動恢復(fù)正常，考慮到不會對行車造成影響，所以存在時間小于5 s的故障均會被清洗，不計入歷史故障扣分。同理，考慮到輕微故障和警告對車輛影響有限，輕微故障和警告的累計扣分最大值30分，如果大于30分，則以30分計。

3.3 延遲養(yǎng)護(hù)評分規(guī)則

延遲養(yǎng)護(hù)又分為2個子維度，當(dāng)前延遲養(yǎng)護(hù)和歷史延遲養(yǎng)護(hù)。延遲養(yǎng)護(hù)按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分。

表3 當(dāng)前延遲養(yǎng)護(hù)扣分值

表3所示，養(yǎng)護(hù)扣分項分為3個級別，輕微延遲、中等延遲和重大延遲，上述表格按照每天運(yùn)行500 km計算，以天數(shù)和里程數(shù)哪個先達(dá)到為準(zhǔn)。

實際得分=100–當(dāng)前延遲養(yǎng)護(hù)扣分

如果發(fā)生了延遲養(yǎng)護(hù)，會對系統(tǒng)造成不可逆的影響，如加速老化、齒輪損傷等。因此整個延遲養(yǎng)護(hù)事件都應(yīng)用于車輛健康評分系統(tǒng)中，

將其算作子維度歷史延遲養(yǎng)護(hù)，做扣分計算，如表4所示。

表4 歷史延遲養(yǎng)護(hù)扣分值

實際得分=100–(重大×1+中等×2+輕微×3)

其中是相應(yīng)等級延遲養(yǎng)護(hù)的數(shù)量，如果計算結(jié)果是負(fù)數(shù)，那么算做0。

3.4 車輛使用率評分規(guī)則

車輛使用率按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分。

最近30 d車輛運(yùn)行1 500 km，那么系統(tǒng)認(rèn)為車輛是健康的，如果車輛運(yùn)行少于這個值，那么減去相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。

實際得分=100–(1500–)/1500×100

其中是近30 d車輛實際運(yùn)行的里程，如果計算結(jié)果大于100，則按照100分計。

3.5 使用壽命評分規(guī)則

使用壽命按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分。

實際得分=(設(shè)計壽命–使用壽命)/設(shè)計壽命×100

3.6 單車子系統(tǒng)評分規(guī)則

單車子系統(tǒng)按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分。按照上述的5個維度得分，加權(quán)求和得出單車子系統(tǒng)得分。

其中是維度，是該維度對應(yīng)的權(quán)重，如表5所示。

3.7 整車子系統(tǒng)評分規(guī)則

整車子系統(tǒng)按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分。

實際得分=(1+2+3+4) /

以制動系統(tǒng)為例，1是第一節(jié)車子系統(tǒng)得分，2是第二節(jié)車子系統(tǒng)得分，以此類推，求得總和后，除以總節(jié)數(shù)，也就是。

表5 維度權(quán)重

3.8 整車綜合評分規(guī)則

整車綜合評價同樣按照百分制打分，其中100分是最高分，0分是最低分，按照整車子系統(tǒng)的加權(quán)求和算得，各個子系統(tǒng)權(quán)重如表6所示，考慮到不同車型設(shè)計差異，子系統(tǒng)失效造成的影響不同，本文不予給出具體權(quán)值。

實際得分=(系統(tǒng)1×1+系統(tǒng)2×2+

系統(tǒng)3×3+系統(tǒng)4×4…)

表6 子系統(tǒng)權(quán)重

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

按照健康評價方案和健康評分規(guī)則，系統(tǒng)軟件設(shè)計可以分成4個部分，分別是評分總覽、線路評分、車輛評分和權(quán)重配置。如圖3所示，評分總覽展示了某一線路下所有車輛的評分基本信息，而且可以通過查看詳情跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)車輛評分功能，查看更加具體的評分。如圖4所示，線路評分同樣展示了某一線路下所有車輛的評分信息，但是信息更加具體，包含線路評分、指導(dǎo)意見和歷史趨勢。車輛評分功能如圖5所示，展示了車輛及其子系統(tǒng)的評分、指導(dǎo)意見和歷史趨勢。最后是參數(shù)配置功能，如圖6所示，評分規(guī)則中涉及的所有參數(shù)都在此功能中設(shè)置。

圖3 評分總覽設(shè)計

Figure 3 Health overview design

圖4 線路評分設(shè)計

Figure 4 Line health design

圖5 車輛評分設(shè)計

Figure 5 Vehicle health design

圖6 權(quán)重配置

Figure 6 Weight configuration

本文限于篇幅，無法完整地展示車輛健康評價過程，故以牽引系統(tǒng)為例，闡述其健康度計算方法，其過程亦可推廣到其他子系統(tǒng)和整車。

牽引系統(tǒng)狀態(tài)如表7所示。針對當(dāng)前故障維護(hù)，由于存在1條輕微故障和2條警告，那么按照3.1節(jié)的評價規(guī)則，得分80；同理，歷史故障維護(hù)，存在中等故障2條，輕微故障6條，警告29條，按照3.2節(jié)的評價規(guī)則，輕微故障和警告觸發(fā)扣分上限30分，最后得分64；使用率維護(hù)維度，由于運(yùn)行里程1800 km，按照3.4的評價規(guī)則，單月運(yùn)行1500 km以上得滿分，故得分100；維修養(yǎng)護(hù)存在2次輕微維修養(yǎng)護(hù)，故得分98。該牽引設(shè)備設(shè)計壽命70萬km，那么按照3.5節(jié)所述的規(guī)則計算，得分99。5個維度的評分計算完成后，按照3.6節(jié)所述的方式，根據(jù)各個維度的權(quán)重，總計得分89。

表7 牽引系統(tǒng)狀態(tài)

5 修程優(yōu)化

以車門系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)為例，現(xiàn)階段是按照列檢、定修和故障驅(qū)動的方式進(jìn)行維修，造成過修、重復(fù)修等現(xiàn)象，導(dǎo)致大量的物料、人工等資源的浪費(fèi)。

現(xiàn)有平臺通過長期的數(shù)據(jù)積累，基于較為準(zhǔn)確的車輛或子系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估，將車輛健康狀態(tài)與修程修規(guī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性匹配，智能生成維修決策，使平臺能夠依據(jù)車輛的實際健康情況智能地調(diào)整車輛修程修規(guī)。平臺已經(jīng)將各系統(tǒng)的健康狀態(tài)與定修的修程計劃進(jìn)行關(guān)聯(lián)，當(dāng)相關(guān)子系統(tǒng)健康診斷狀態(tài)的閾值未達(dá)到，平臺會結(jié)合修程計劃將該系統(tǒng)的定修計劃推遲，延長檢修間隔，降低維修成本。

在系統(tǒng)中，維修策略以通知的形式在主頁提醒，用戶應(yīng)對該策略通知進(jìn)行處理，提醒內(nèi)容有：

1) 執(zhí)行，可以將系統(tǒng)給出的維修策略輸出生成執(zhí)行工單；

2) 延后，保持該維修策略的狀態(tài)，對通知進(jìn)行標(biāo)注，并持續(xù)跟蹤；

3) 取消，取消該維修策略的顯示。一般建議現(xiàn)場檢查確認(rèn)后執(zhí)行取消操作，該次操作會作為輸入條件，迭代修正維修策略算法；

4) 完成，填寫完成情況。關(guān)閉通知的顯示，在歷史事項中可查詢已經(jīng)完成的事項通知。

6 結(jié)論

本文分析了軌道車輛健康評價依據(jù)，制定出健康評價方案和評分規(guī)則，最后設(shè)計出系統(tǒng)軟件和展現(xiàn)界面，實現(xiàn)對修程的自動優(yōu)化，降低物料、人工等資源的浪費(fèi)，對車輛運(yùn)營與維護(hù)有一定的借鑒作用。以中國某條地鐵線路車型為例進(jìn)行說明，其評價體系與支持系統(tǒng)可適用于其他線路車型。

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Design of Health Evaluation System for Railway Vehicle

CHEN Meixia1, WU Qiang1, DENG Ran2, SONG Xiaoning2

(1. CRRC Nanjing Puzhen Co., Ltd., Nanjing 210000; 2. Jiangsu CRRC Digital Technology Co., Ltd., Nanjing 210000)

With the vigorous development of the railway industry in China, the scale of rail vehicles continues to grow, and the requirements for vehicle reliability are increasing. As an important guarantee for a safe operation, a traditional manual inspection makes it difficult to fulfill vehicle health management requirements. This paper first proposes a health evaluation method for railway vehicles, separately from the standpoint of the subsystem, vehicle, and line. This article takes the traction system as an example to elaborate on the calculation method of health from five evaluation dimensions. It realizes an intelligent, real-time, and refined vehicle health evaluation system by using vehicle-to-ground network communication technology. The evaluation results and handling suggestions have an extremely positive guiding significance for the operation and maintenance of railway vehicles.

rail transit; vehicle; health management; evaluation method

U231

A

1672-6073(2021)02-0099-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.016

2019-12-02

2020-01-17

陳美霞，女，碩士研究生，從事列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計和健康診斷系統(tǒng)研究，cmx313@163.com

陳美霞，吳強(qiáng)，鄧然，等. 軌道車輛健康評價系統(tǒng)設(shè)計[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：99-103.

CHEN Meixia, WU Qiang, DENG Ran, et al. Design of health evaluation system for railway vehicle[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 99-103.

（編輯：王艷菊）