基于模型的動車組空調(diào)系統(tǒng)RAMS協(xié)同設計方法

王延翠，楊麗麗，趙心穎，張 寧，王彩蕓

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島266111；2.蘭州交通大學機電工程學院，蘭州 730070）

動車組可以快速地將旅客送至目的地，并在運行過程中為旅客和乘務人員提供舒適的車內(nèi)環(huán)境.因此，動車組上要裝備有性能良好、使用方便、安全可靠的空調(diào)系統(tǒng)來保證車內(nèi)環(huán)境良好.由于我國動車組運行距離遠，使用時間長，途經(jīng)地區(qū)氣候差異大.經(jīng)歷不同的氣候環(huán)境和各種惡劣天氣都對動車組的空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，長此以往，會給動車組的運行留下安全隱患［1］.

以故障樹分析，故障模式、影響及危害性分析和可靠性框圖為代表的傳統(tǒng)的安全性與可靠性評估方法，已經(jīng)廣泛應用在很多重要裝備上，動車組的日常運營和維護中也在使用.但是這些安全性及可靠性分析方法都是應用在系統(tǒng)設計之后，一旦測試出現(xiàn)問題，就要花大量的時間精力去修改設計方案［2］.

關(guān)于軌道交通RAMS分析的相關(guān)研究在我國起步較晚，大部分都是針對已經(jīng)開通運營的城市軌道交通項目的研究.其中文獻［3］針對某市新建地鐵項目動車組應用了RAMS設計，預測其關(guān)鍵零部件的使用壽命和故障概率；文獻［4］介紹了城市軌道交通牽引系統(tǒng)的RAMS設計實施過程；文獻［5］應用RAMS方法針對國內(nèi)某地鐵線路的信號系統(tǒng)完成了狀態(tài)評估；文獻［6］采用GO法對某型號受電弓進行了RAMS分析，完成了動車組受電弓各項零部件可靠性指標的計算.但這些研究基本都是對RAMS中各個單獨的要素進行的優(yōu)化設計，未能在動車組設計階段綜合考慮RAMS各個要素進行協(xié)同設計，導致RAMS設計的優(yōu)勢沒能體現(xiàn)出來.為實現(xiàn)動車組的RAMS協(xié)同設計，需要在其概念設計階段應用基于模型的安全性和可靠性的方法.這種方法目前國內(nèi)主要集中在飛行器領(lǐng)域做了理論研究，文獻［7］介紹了基于模型的系統(tǒng)安全性建模分析流程在飛行器領(lǐng)域的應用；文獻［8］使用了模型分析工具，對飛機的機輪剎車系統(tǒng)的安全性進行了分析，搭建了系統(tǒng)的故障樹；文獻［9］和文獻［10］以飛機航電系統(tǒng)為例，借助SIMFIA軟件對其安全性進行分析，實踐檢驗了基于模型的安全性分析方法的可行性.

本文在動車組空調(diào)系統(tǒng)的概念設計階段，針對空調(diào)系統(tǒng)的特點，分析其RAMS指標關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出空調(diào)系統(tǒng)的RAMS協(xié)同設計方法.在此基礎上，應用基于模型的安全性和可靠性分析方法，對空調(diào)的通風系統(tǒng)進行RAMS設計，為動車組空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設計和維修計劃制訂提供支持.

1 RAMS概述

1.1 基本定義

RAMS是可靠性（reliability）、可用性（availability）、可維修性（maintainability）以及安全性（safety）4個英文單詞首字母縮寫組合而成的.RAMS是系統(tǒng)工程的技術(shù)之一，它可以將動車組運維中的關(guān)鍵因素有機結(jié)合，進行有效的管理，保證其在全壽命周期內(nèi)的安全與可靠［11］.

1．2 RAMS設計目的

動車組的空調(diào)是包含機械、電氣、控制、液力等多種復雜系統(tǒng)的設備，其工作環(huán)境和工作模式是引起故障的主要因素，但其故障模式、故障概率等關(guān)鍵問題卻難以直接確定，所以在動車組空調(diào)的設計階段，不但要根據(jù)其功能、外觀和體積等因素進行設計，而且要針對其安全性、可靠性等進行RAMS設計，在設計環(huán)節(jié)預先估計各子系統(tǒng)的使用壽命和經(jīng)濟成本，以此來保證動車組的安全、可靠及高效的運輸和對乘客的優(yōu)質(zhì)服務.

1．3 RAMS各要素內(nèi)在關(guān)聯(lián)

空調(diào)系統(tǒng)的RAMS中的4個因素是相互影響和轉(zhuǎn)換的.當空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)問題或受到外部因素的影響時，會引發(fā)空調(diào)出現(xiàn)故障，導致空調(diào)從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，使其可靠性降低；故障逐步發(fā)展，使空調(diào)停止工作，空調(diào)進入無法正常使用的狀態(tài)，系統(tǒng)的可用性降低；當出現(xiàn)危害動車組安全的行車事故時，安全性降低；通過維修手段排除故障時，就會對可維修性產(chǎn)生影響.因此，動車組空調(diào)系統(tǒng)的安全性和可用性是動車組空調(diào)系統(tǒng)RAMS的重要指標，并由其設計時的可靠性和可維修性以及后期運營和維修等要素共同決定的，針對各個因素的相關(guān)關(guān)系，需要進行RAMS管理，其關(guān)聯(lián)要素如圖1所示.

圖1 動車組空調(diào)系統(tǒng)RAMS各要素之間相互關(guān)系Fig．1 Relationship between RAMS elements of EMU air conditioning system

1．4 RAMS評價指標

空調(diào)系統(tǒng)的RAMS是在整個系統(tǒng)的全壽命周期內(nèi)，通過設計、分析、計算和評估而獲得的，它需要系統(tǒng)長期積累不斷改進，是一種經(jīng)過長期運用所表現(xiàn)出來的特性［12］.空調(diào)系統(tǒng)因其特殊性，在進行一級檢修以及二級檢修時，只對空調(diào)底板、排水盤和安裝螺絲等進行檢查，其內(nèi)部零部件只有在高級檢修時才會進行狀態(tài)檢修和拆解檢修.

1.4.1 可靠性指標

可靠性是產(chǎn)品的固有屬性，主要由設計決定.空調(diào)系統(tǒng)的可靠性是指動車組在正常的工作條件和環(huán)境條件下和理論的壽命周期內(nèi)無故障的調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣環(huán)境的能力，其可靠度要至少滿足一個三級檢修的周期.在設計階段采用平均故障間隔時間（MTBF）作為空調(diào)系統(tǒng)的可靠性指標，其計算公式如下：

式中：R（t）是動車組空調(diào)系統(tǒng)正常工作的概率．

1．4．2 可維修性指標

可維修性設計是以可靠性為中心，計算出執(zhí)行整個維修程序所需要的時間為目的的設計．動車組空調(diào)系統(tǒng)的可維修性是用于評價空調(diào)系統(tǒng)在執(zhí)行維修程序時，是否容易維修或維護的特性，現(xiàn)行制度下動車組檢修采用狀態(tài)修和計劃修相結(jié)合的維修方法，運用中突發(fā)故障要求維修時間不超過0．5 h，動車組單次檢修與整備作業(yè)時間不超過8 h.用平均故障修復時間（MTTR）來表示，其計算公式如下：

1．4．3 可用性指標

空調(diào)系統(tǒng)可用性是指在動車組使用條件滿足前提下，空調(diào)系統(tǒng)能夠正常運行的時間占有率．空調(diào)系統(tǒng)的可用性指標由3部分組成，分別是在設計階段確定固有可用度和可達可用度以及根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的具體使用情況來計算出的使用可用度．空調(diào)系統(tǒng)的固有可用度要求在80%以上，高峰期的可達可用度要達到95%以上．其計算公式如下：

1.4.4 安全性指標

安全性是指空調(diào)系統(tǒng)在運營和維護中不發(fā)生事故的能力，安全性是空調(diào)系統(tǒng)設計時最重要的目標.安全性通常用故障模式發(fā)生頻率及故障模式危害嚴重性來評價，出現(xiàn)故障模式的頻率越低安全性越好，造成的危害嚴重性越輕，嚴重等級越低.

2 基于模型的安全性、可靠性分析方法

基于模型的安全性、可靠性分析方法，來源于基于模型的系統(tǒng)工程（model based systems engineering，MBSE），是MBSE工程在安全性與可靠性分析方面的一種應用，是實現(xiàn)復雜系統(tǒng)安全性、可靠性設計的關(guān)鍵［13］.在空調(diào)系統(tǒng)的概念設計階段應用這種方法可以有效且準確的分析和解決動車組空調(diào)系統(tǒng)的安全性和可靠性相關(guān)問題.這種方法要求在空調(diào)系統(tǒng)的概念設計階段，建立一個系統(tǒng)級風險分析模型，這個模型要根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)在MBSE實施早期的需求分析的結(jié)果來建立，而且模型既能實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)正常功能，又能模擬空調(diào)系統(tǒng)的故障.應用這種方法，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的功能設計與安全性、可靠性設計的協(xié)同.此外，應用模型仿真功能，能夠有效的解決一些存在于空調(diào)系統(tǒng)的安全性、可靠性建模與分析的問題.

3 空調(diào)通風系統(tǒng)RAMS協(xié)同設計

3.1 動車組空調(diào)通風系統(tǒng)頂層設計目標

動車組在設計時要遵循可靠性、可用性、可維修性和安全性的設計原則.根據(jù)《時速250公里中國標準動車組暫行技術(shù)條件》和GB／T 21562《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范和示例》［14］中的相關(guān)要求，在動車組的概念設計階段，對空調(diào)通風系統(tǒng)進行RAMS設計.

動車組空調(diào)系統(tǒng)是通過對客室空氣濕度、溫度和空氣清潔度調(diào)節(jié)以獲得良好乘車環(huán)境的重要車載設備.速度250 km／h中國標準動車組空調(diào)通風系統(tǒng)主要新風道、回風道、混合箱、控制器、蒸發(fā)風機和送風道等零部件.通風系統(tǒng)的主要功能及性能指標如表1所列.

表1 動車組空調(diào)通風系統(tǒng)功能及性能指標Tab．1 Function and performance index of EMU air conditioning and ventilation system

3.2 系統(tǒng)級風險分析模型建模

在概念設計階段根據(jù)功能分析階段分析整理出的動車組空調(diào)通風系統(tǒng)物理架構(gòu)及功能樹，搭建系統(tǒng)級風險分析模型，設定模型影響因子，對系統(tǒng)進行RAMS分析.模型要通過功能塊與相關(guān)屬性的設置共同實現(xiàn)其頂層功能及性能的要求.在這一階段建立系統(tǒng)級風險分析模型的意義在于：概念設計階段對系統(tǒng)進行安全性設計，分析系統(tǒng)失效響應順序，確定系統(tǒng)薄弱點及關(guān)鍵零部件理論的故障原因；對系統(tǒng)風險模型進行可靠性設計分析，計算出在動車組要求的壽命周期內(nèi)，關(guān)鍵零部件的故障概率和理論修復前平均時間.在設計階段提高了空調(diào)制冷系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護性以及安全性.通風系統(tǒng)的系統(tǒng)級風險分析模型如圖2所示.

圖2 通風系統(tǒng)風險分析模型Fig．2 Risk analysis m odel of ventilation system

3.3 安全性設計研究

通風系統(tǒng)安全性設計主要的評價方法是故障響應分析和故障模式、影響和危害性分析（failure mode，effects and criticality，analysis，F(xiàn)MECA）［15］.

故障響應分析使用了基于模糊認知圖（fuzzy cognitive maps，F(xiàn)CM）的方法［16］，在這種方法下，故障的響應順序只能是從前向后單向傳遞的，沒有反饋和負反饋的影響.當系統(tǒng)中的一個零部件或子系統(tǒng)發(fā)生故障時，只有它后面的零部件或子系統(tǒng)會受到影響.如圖3所示，在通風系統(tǒng)中，假設新風道的進風口發(fā)生故障或出現(xiàn)堵塞時，車外新風吸入量會下降，混合箱氣體體積減小，為保證客室的空氣流速處于正常狀態(tài)，蒸發(fā)風機送風量減少，送入客室內(nèi)的風速就會下降，送風道的出風口就會部分閉合.應用這種單向傳遞的故障響應評價方法，可以在動車組通風系統(tǒng)發(fā)生故障時，快速準確的判斷出是哪一個零部件或子系統(tǒng)發(fā)生的故障.

圖3 通風系統(tǒng)故障響應分析結(jié)果Fig．3 Analysis results of ventilation system fault response

FMECA是一種歸納分析的方法，主要目的是分 析系統(tǒng)在概念設計階段由于設計約束的不足導致的所有可能出現(xiàn)的故障模式，確定每一種故障模式可能對系統(tǒng)造成的危害，并通過分析選擇故障解決方法.FMECA采用了基于風險順序數(shù)（risk priority number，RPN）理論的分析方法，利用RPN等級評價潛在的危害，度量故障模式發(fā)生的概率和危害的嚴重性.RPN包含了故障模式的嚴重程度等級（S），如表2所列；故障模式發(fā)生的概率（O），如表3所列；以及故障模式被檢測難度等級（D），如表4所列3個部分，最后通過三者的乘積來確定的，即：RPN=S×O×D．其中每一項的分值按其嚴重程度劃分為1～10，對于RPN值大于125以及單項評分大于7的潛在故障，要采取措施降低RPN值，并在動車組運用及日常檢修中要格外注意，通風系統(tǒng)FMECA結(jié)果如表5所列.

表2 嚴重程度等級表Tab．2 Severity scale

表3 故障模式發(fā)生概率等級表Tab．3 Failure mode probability rating table

表4 被檢測難度等級表Tab．4 Table of detected difficulty level

表5 空調(diào)通風系統(tǒng)主要零部件FMECA結(jié)果Tab．5 FMECA results of main components of air conditioning and ventilation system

根據(jù)FMECA結(jié)果顯示，空調(diào)通風系統(tǒng)的控制器作為調(diào)節(jié)整個空調(diào)輸出的子系統(tǒng)，在使用中有著最高的RPN值，為280；而新風道的RPN值只有8.

3.4 可靠性設計研究

動車組的可靠性設計目標是達到目標的可靠度和壽命時間.為滿足設計要求，首先會將系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分解，對組成系統(tǒng)的每個零部件都提出很高的可靠度要求，再進行對系統(tǒng)的可靠度權(quán)重分配，最后使總可靠度符合設計要求.

3.4.1 可靠性建模

蒸發(fā)風機由進風口、聯(lián)軸器、風扇、排風口和截流板組成，蒸發(fā)風機的可靠性串聯(lián)模型如圖4所示.

圖4 蒸發(fā)風機可靠性模型Pig．4 Reliability model of evaporation fan

依據(jù)串聯(lián)可靠性模型，式（4）給出了蒸發(fā)風機的可靠度計算公式：

3.4.2 可靠性分配

根據(jù)蒸發(fā)風機客戶需求中的系統(tǒng)壽命要求，定義系統(tǒng)工作環(huán)境，確定系統(tǒng)工作流程并分配時間，計算出整個壽命周期內(nèi)系統(tǒng)工作的次數(shù)，應用AGREE分配方法，將可靠性權(quán)重分配到每個零部件上，計算出零部件的理論平均修復前時間（MTBF）.在AGREE分配方法下，首先要假設失效率是常數(shù)，失效率服從指數(shù)分布，且系統(tǒng)的各組成單元相互獨立，為串聯(lián)系統(tǒng).AGREE分配法的計算公式如下：

式中：i是i個部件；t是系統(tǒng)工作時間；ti是第i個部件工作時間；Wi是重要度因子；ni是部件i的個數(shù)；R（t）是系統(tǒng)可靠性；Ri（ti）是第 i個部件分配的可靠度值；MTBFi是第i個部件分配的MTBF的值；N是系統(tǒng)包含的部件個數(shù)．

計算出的各零部件的可靠度和MTBF結(jié)果如表6所列.

表6 蒸發(fā)風機可靠性設計結(jié)果Tab．6 Results of reliability design of evaporation fan

以蒸發(fā)風機每年工作300天，單日運行累計工作12 h，設計壽命30年，無故障概率為95%，對蒸發(fā)風機進行可靠性計算，得到蒸發(fā)風機的MTBF為850 h，可達可用度為98%，滿足高峰期可用度要求.

4 結(jié)論

本文采用了基于模型的安全性與可靠性分析方法，建立了空調(diào)系統(tǒng)的風險分析模型，對其進行了RAMS協(xié)同設計，設計結(jié)果表明設計方案符合我國現(xiàn)行的動車組頂層設計要求.本文針對空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，在分別分析了可靠性、可維修性、可用性和安全性指標的基礎上，建立了空調(diào)系統(tǒng)的風險分析模型；通過故障響應分析和故障模式、影響及危害性分析的方法，分析了動車組空調(diào)系統(tǒng)的故障響應機理和潛在的故障模式及危害程度；通過可靠性建模及可靠性分配，計算出了蒸發(fā)風機的理論平均修復前時間和可達可用度.

論文主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)MBSE工程實施早期分析出的功能架構(gòu)建立了空調(diào)系統(tǒng)風險分析模型，模型既能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的功能，又能通過仿真模擬出空調(diào)系統(tǒng)的故障，縮短了設計周期，便于對設計方案進行優(yōu)化；

2）通過模擬故障響應，分析故障機理，尋找故障源頭；定義嚴重程度等級、故障發(fā)生概率和被檢測難度3個指標，得到RPN最高和最低的零部件，分析空調(diào)系統(tǒng)潛在的故障模式，為后續(xù)空調(diào)系統(tǒng)改進和維修提供參考；

3）根據(jù)蒸發(fā)風機的零部件復雜程度，建立了可靠性模型，對可靠性權(quán)重進行分配，計算出了蒸發(fā)風機的理論平均修復前時間.設計結(jié)果符合理論上的預期壽命，可以為動車組空調(diào)系統(tǒng)維修計劃的制訂提供指導.