地鐵車輛維修策略研究

吳寬，段洪亮，孫洪亮，葉都瑋

（1.北京京城地鐵有限公司，北京 101312；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；3.上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海 200245）

0 引言

地鐵作為我國城市軌道交通的關(guān)鍵組成部分，地鐵車輛的維修工作能為車輛的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供基本條件，合理開展地鐵車輛維修工作，能有效地保障地鐵車輛安全運(yùn)行，提升車輛運(yùn)行質(zhì)量、降低運(yùn)營成本［1］。由于目前我國大多數(shù)地鐵公司制定的地鐵車輛維修制度大多根據(jù)《鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，有很多概念和理念未脫離鐵路框架和束縛［2］，地鐵車輛檢修部門依據(jù)車輛運(yùn)營規(guī)劃、根據(jù)地鐵車輛場段的檢修條件、確保地鐵車輛狀態(tài)滿足上線需求提前下，制定出地鐵車輛維修計(jì)劃。

地鐵車輛維修計(jì)劃依據(jù)車輛供應(yīng)商的技術(shù)資料（尤其是地鐵車輛各部件的維修周期和壽命周期），按地鐵車輛運(yùn)營里程和運(yùn)營時(shí)間編制，地鐵車輛維修計(jì)劃以定期維修為主，涵蓋定期維修、故障維修和改善維修3 種維修方式，通常可分為廠修、架修、定修、月檢和列檢5 個(gè)等級(jí)，其中廠修、架修和定修為定期維修，月檢和列檢為日常維修。故障維修又稱臨修，即當(dāng)?shù)罔F車輛發(fā)生隨機(jī)故障時(shí)臨時(shí)檢修處理［3］。國內(nèi)部分地鐵公司執(zhí)行日檢與均衡修、架大修等地鐵車輛維修計(jì)劃，所謂均衡修，指將原來集中在某幾個(gè)檢修時(shí)間段內(nèi)的檢修作業(yè)任務(wù)分散到運(yùn)用窗口期或者較低級(jí)別的修程中進(jìn)行，使整個(gè)檢修工作分散而均衡，以平衡各個(gè)級(jí)別修程的修車庫停時(shí)間［4］。綜上，我國地鐵車輛主要采用預(yù)防計(jì)劃性維修為主體與故障修結(jié)合的檢修模式，例如北京京城地鐵有限公司負(fù)責(zé)運(yùn)營的北京地鐵機(jī)場線執(zhí)行《QKZ5 型地鐵車輛檢修規(guī)程》，規(guī)定車輛檢修除日檢、周檢外，還在不同的走行公里或時(shí)間間隔進(jìn)行規(guī)定項(xiàng)目維修，所以北京地鐵機(jī)場線地鐵車輛預(yù)防修采用以周期檢修與定期檢修相結(jié)合的計(jì)劃修方式。在過去的3 年中，北京地鐵機(jī)場線車輛專業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃完成率、全年列車運(yùn)行圖兌現(xiàn)率和列車正點(diǎn)率均完成較好，實(shí)現(xiàn)北京地鐵機(jī)場線運(yùn)營工作平穩(wěn)有序。2021 年度，北京地鐵機(jī)場線車輛專業(yè)故障率年控指標(biāo)為2.31 件/百萬車公里，實(shí)際為1.594 件/百萬車公里，車輛專業(yè)的維修成本占總維修成本（包括車輛、供電、通信、信號(hào)、線路、AFC、土建設(shè)施專業(yè)）的14%左右，減小欠修與過修的影響、保證正線故障數(shù)可接受、降低維修成本，成為北京地鐵機(jī)場線地鐵車輛維修的研究課題。

1 維修策略概念

維修策略是指針對(duì)產(chǎn)品劣化情況制定的維修方針，包括決策依據(jù)、維修措施和維修計(jì)劃。決策依據(jù)指用于評(píng)估產(chǎn)品劣化情況的依據(jù)，主要包括壽命、狀態(tài)和故障；維修措施是執(zhí)行維修決策和到達(dá)預(yù)期效果的手段；維修計(jì)劃包括維修間隔或周期安排、檢查間隔和周期安排等。相對(duì)目前我國地鐵車輛局限于計(jì)劃修與故障修模式，EN 13306 將維修策略在整體上劃分為糾正性維修和預(yù)防性維修兩大類，并細(xì)化了可用的所有維修措施，維修結(jié)構(gòu)分類見圖1。糾正性維修在故障或故障識(shí)別后進(jìn)行，旨在將設(shè)備恢復(fù)到能夠執(zhí)行所需功能的狀態(tài)，細(xì)分為即刻糾正性維修與延遲糾正性維修。預(yù)防性維修可分為2 種方法：第1 種方法按照既定時(shí)間間隔或使用次數(shù)進(jìn)行預(yù)防性維修，但事先未進(jìn)行狀態(tài)調(diào)查，該方法稱為預(yù)定維修，通常基于使用情況（自然時(shí)間、工作時(shí)間、里程或次數(shù)等）；第2 種方法包括對(duì)物理?xiàng)l件的評(píng)估、分析和可能的后續(xù)維修行動(dòng)制定的預(yù)防性維修，該方法稱為基于狀態(tài)的維修，基于狀態(tài)的維修的間隔不根據(jù)固定的使用情況，僅在“需要時(shí)”執(zhí)行維修，也稱為按需維修。

圖1 維修結(jié)構(gòu)分類

我國已有專家提出運(yùn)營后期條件成熟時(shí)，采取“以狀態(tài)預(yù)防維修為主，多種維修方式并存”的維修策略，不但可以降低故障率，也可以有效控制檢修成本和周期，提升車輛整體運(yùn)營水平［5］。

采用多種維修策略組合的維修計(jì)劃可盡可能地減少檢查、維修和設(shè)備停機(jī)時(shí)間，降低整體維修費(fèi)用，通過更有效地規(guī)劃維修干預(yù)措施，可提高地鐵車輛的可用率和可靠性。采用多種維修策略組合的地鐵車輛維修計(jì)劃，并通過地鐵車輛的運(yùn)營情況與維修數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化修程是減少正線故障率與降低整體維修成本的可行之路。

2 研究路線

地鐵車輛維修策略研究及規(guī)程優(yōu)化工作是地鐵車輛全壽命周期運(yùn)維管理中重要的工作之一，研究路線包括地鐵車輛研發(fā)設(shè)計(jì)、危害模式和后果、建立維修策略與規(guī)程并進(jìn)行成本效益分析、維修計(jì)劃生產(chǎn)與維修實(shí)施（見圖2）。

圖2 地鐵車輛維修策略研究路線

2.1 維修策略化

2.1.1 維修策略類型

當(dāng)前，國際上比較先進(jìn)的地鐵車輛維修策略主要分為兩大類：

（1）糾正性維修：通常指當(dāng)設(shè)施設(shè)備故障后安排維修人員到場維修，糾正性維修細(xì)化為即刻糾正性維修與延遲糾正性維修。

（2）預(yù)防性維修：主要為預(yù)定維修、基于狀態(tài)維修，其中基于狀態(tài)維修進(jìn)一步分為預(yù)測維修與基于狀態(tài)非預(yù)測維修，進(jìn)一步細(xì)化為基于狀態(tài)維修與預(yù)測維修、基于狀態(tài)非預(yù)測維修。相對(duì)其他維修，基于狀態(tài)維修與預(yù)測維修、基于狀態(tài)非預(yù)測維修3種維修策略相對(duì)較先進(jìn)，歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13306 對(duì)基于狀態(tài)維修的定義為預(yù)防維修，包括物理狀態(tài)評(píng)估、分析和可能的后續(xù)維修行動(dòng)，基于狀態(tài)維修是維修活動(dòng)的進(jìn)階狀態(tài)，即維修方通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行相應(yīng)的維修工作。歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13306 對(duì)預(yù)測維修的定義為根據(jù)重復(fù)分析或已知特性得出的預(yù)測以及對(duì)項(xiàng)點(diǎn)退化的重要參數(shù)的評(píng)估，進(jìn)行基于狀態(tài)的維修。

2.1.2 基于狀態(tài)維修

2.1.2.1 概念

近年來，人們一直努力將航空、軍事領(lǐng)域中發(fā)展起來的狀態(tài)監(jiān)測概念引入地鐵車輛維修領(lǐng)域，在這種模式下，維修從基于時(shí)間或里程的構(gòu)建過渡到基于系統(tǒng)本身需求或條件的構(gòu)建。隨著我國城市軌道交通的智能運(yùn)維工程逐步開展與推廣，例如科技部關(guān)于北京地鐵的“超大城市軌道交通智能維修關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究”，隨傳感器與退化分析技術(shù)越來越成熟，越來越多部件性能退化可以被觀察到，這種維修策略會(huì)更加普遍。

2.1.2.2 類型

基于狀態(tài)維修首要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)與設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控，最早出現(xiàn)自動(dòng)狀態(tài)是在20 世紀(jì)40 年代末的格蘭德鐵路公司，他們通過在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中檢測到“任何”乙二醇或燃料時(shí)進(jìn)行維修，可減少發(fā)動(dòng)機(jī)故障。狀態(tài)監(jiān)測有2種類型：在線連續(xù)型監(jiān)測和定期離線監(jiān)測。

（1） 在線連續(xù)型監(jiān)測。通過安裝在地鐵車輛上的傳感器對(duì)地鐵車輛子系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測，并在超過閾值時(shí)觸發(fā)警告。

（2） 定期離線監(jiān)測。通過地鐵車輛以外的各類檢測儀器，在一段監(jiān)測周期內(nèi)對(duì)地鐵車輛進(jìn)行必要的監(jiān)測稱離線監(jiān)測。通常定期離線監(jiān)測是相對(duì)優(yōu)選的，因?yàn)槠涓哂谐杀拘б?，但是需要結(jié)合檢測技術(shù)特征、設(shè)施設(shè)備故障規(guī)律、維修活動(dòng)的可執(zhí)行性等后決定定期離線監(jiān)測的檢測周期。

選擇在線連續(xù)型監(jiān)測或定期離線監(jiān)測，需要從多方面綜合考慮。

2.2 確定維修策略

采用可靠性為中心的維修方法可以確定地鐵車輛各級(jí)設(shè)施設(shè)備維修策略，需要了解可靠性與可靠性為中心的維修（RCM）概念：（1）可靠性。指系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、在運(yùn)行環(huán)境中按設(shè)計(jì)運(yùn)行而無故障的能力；（2）RCM。是一種基于操作、經(jīng)濟(jì)和安全、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制定和選擇維修策略及設(shè)計(jì)方案的方法。RCM 出現(xiàn)于20 世紀(jì)60 年代，最初面向飛機(jī)維修，并在過去的幾十年其他行業(yè)也開始接受這一概念。

RCM 是一種用于確定設(shè)備維修需求、制定和優(yōu)化維修策略的系統(tǒng)工程，以研究設(shè)備可靠性規(guī)律為基礎(chǔ)而得到廣泛應(yīng)用。RCM 通過基于設(shè)備在其使用環(huán)境下的功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備故障后果和危害程度；對(duì)安全、可靠與經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮，利用一種規(guī)范化的決斷邏輯對(duì)不同維修策略進(jìn)行選擇和組合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障后果的全面和有效管理。

RCM 與各種維修策略協(xié)同，是使用適用的維修技術(shù)支持選擇和執(zhí)行維修任務(wù)的管理決策。RCM 作為管理工具將各類維修策略有機(jī)組合，維修人員可以加強(qiáng)為各級(jí)設(shè)施設(shè)備選擇技術(shù)最合適、最有效的維修策略。反之，通過維修后反饋的及時(shí)、準(zhǔn)確狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)提高RCM對(duì)故障管理策略的分析與確定。

2.3 地鐵車輛結(jié)構(gòu)化分解及對(duì)應(yīng)維修策略

2.3.1 結(jié)構(gòu)化分解

地鐵車輛維修重點(diǎn)是根據(jù)各零部件的狀態(tài)為具體零部件選擇正確的維修方式和維修層次，合理安排修理計(jì)劃并付諸實(shí)施［6］。實(shí)現(xiàn)地鐵車輛多種運(yùn)用修策略選擇與實(shí)施前，需要對(duì)地鐵車輛結(jié)構(gòu)化分解，分解工作可參照北京地鐵公司編制的《車輛設(shè)備設(shè)施分級(jí)編碼規(guī)范》，該規(guī)范結(jié)合北京地鐵公司既有維修模式，給出地鐵車輛分級(jí)清單，進(jìn)一步確定地鐵車輛運(yùn)維管理工作中設(shè)備解構(gòu)模型、設(shè)備重要性分級(jí)、設(shè)備編碼形式與運(yùn)維管理設(shè)備主數(shù)據(jù)，指導(dǎo)各單位維修系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)交互過程。

《車輛設(shè)備設(shè)施分級(jí)編碼規(guī)范》將車輛專業(yè)劃分成12 個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)車輛專業(yè)重要程度，細(xì)化為4級(jí)編碼與對(duì)應(yīng)的維修項(xiàng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)客車標(biāo)準(zhǔn)化與結(jié)構(gòu)化分解，為實(shí)現(xiàn)地鐵車輛多種運(yùn)用修策略的選擇做出重要的基礎(chǔ)工作。

2.3.2 對(duì)應(yīng)維修策略

依照“十字法則”，可將地鐵車輛各級(jí)設(shè)施設(shè)備的故障頻率和發(fā)生故障后的影響程度劃成2 個(gè)維度及4 個(gè)象限，從中優(yōu)先考慮運(yùn)用修策略。針對(duì)故障率低且故障影響小的設(shè)備設(shè)施可采取故障修的策略；針對(duì)故障率高且故障影響小的設(shè)備設(shè)施可采取預(yù)防維修的策略；針對(duì)故障率高且故障影響嚴(yán)重的設(shè)備設(shè)施建議更換設(shè)備或進(jìn)行投資改造；針對(duì)故障率低且故障影響嚴(yán)重的設(shè)備設(shè)施建議采取基于狀態(tài)的維修。

對(duì)地鐵車輛發(fā)生故障后影響程度劃分時(shí)，需依據(jù)事前已做出定級(jí)的設(shè)備重要性以及故障影響程度兩者綜合評(píng)判結(jié)果，盡量避免人為主觀因素干擾，保證故障分類的客觀性，且不允許出現(xiàn)同一設(shè)備同一故障現(xiàn)象及故障分類結(jié)果不一致的情況。該工作可參照北京地鐵公司編制的《車輛設(shè)備設(shè)施故障分類規(guī)范》。

2.4 對(duì)系統(tǒng)性能退化評(píng)估與修程優(yōu)化

基于狀態(tài)非預(yù)測維修主要結(jié)合地鐵車輛設(shè)備本身的運(yùn)作監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及運(yùn)作機(jī)理進(jìn)行簡單判斷，對(duì)外部影響因素考慮不全時(shí)，會(huì)發(fā)生欠修的情況；基于狀態(tài)預(yù)測性維修是地鐵車輛運(yùn)用修最新發(fā)展的方向，主要得益于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能的交互應(yīng)用，主動(dòng)且針對(duì)性強(qiáng)，其核心思想是通過對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障診斷與健康預(yù)測，最大化部件的使用效益，同時(shí)也極大地降低正線故障發(fā)生概率?；跔顟B(tài)非預(yù)測維修與預(yù)測性維修之間最大的差異在于是否重復(fù)分析或已知特性得出預(yù)測，以及對(duì)項(xiàng)點(diǎn)退化的重要參數(shù)評(píng)估。

地鐵車輛屬于機(jī)電產(chǎn)品，包含有極高可靠性的元器件，這些零部件在壽命試驗(yàn)中通常只有少量故障或者沒有失效出現(xiàn)，從某種意義上講，可以認(rèn)為地鐵車輛的零部件性能退化最終導(dǎo)致了車輛專業(yè)的設(shè)施設(shè)備失效（或故障）產(chǎn)生?！痘谛阅芡嘶瘮?shù)據(jù)的可靠性評(píng)估》［7］中針對(duì)具有退化失效機(jī)理的高可靠長壽命產(chǎn)品，提出了基于退化軌跡與基于性能退化量分布2種可靠性評(píng)估方法。地鐵車輛較高的可靠性元器件可采用退化失效建模的數(shù)學(xué)方法，包括定量失效退化模型與非定量失效退化方法，其中定量失效退化模型基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論與相關(guān)推導(dǎo)過程，包括基本概率理論、馬爾可夫理論、貝葉斯理論與泊松過程等。同時(shí)，利用高加速試驗(yàn)或領(lǐng)跑試驗(yàn)得到的零部件性能退化數(shù)據(jù)可以在產(chǎn)品不出現(xiàn)失效的情況下對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行評(píng)估，并修正零部件的定量失效退化模型。

2.5 費(fèi)用效益

在選擇策略中，尤其在選擇預(yù)測維修與基于狀態(tài)非預(yù)測維修、預(yù)定維修這3個(gè)維修策略時(shí)，還需要綜合考慮三者的費(fèi)用效益比。結(jié)合當(dāng)前運(yùn)維檢修目標(biāo)與實(shí)際狀況，可設(shè)定4個(gè)主要的費(fèi)用效益目標(biāo)：

（1）減少因設(shè)備故障導(dǎo)致的地鐵車輛在正線的故障次數(shù)。

（2）減少地鐵車輛的維修總成本與總?cè)斯r(shí)。

（3）增加可重復(fù)計(jì)劃和安排的工作量，減少重型維修、隨機(jī)發(fā)生和計(jì)劃外的工作量，且維持相對(duì)穩(wěn)定的工作負(fù)荷水平。

（4）減少對(duì)設(shè)施設(shè)備的不必要更換，且減少材料和備件庫存的金額或數(shù)量。

3 案例分析

3.1 車門系統(tǒng)維修決策

“超大城市軌道交通智能維修關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究”項(xiàng)目組首次從北京地鐵機(jī)場線地鐵車輛的系統(tǒng)層面進(jìn)行可靠性分析和維修策略優(yōu)化，引入馬爾可夫-通用生成函數(shù)法模型并構(gòu)建最小費(fèi)用模型（見圖3），實(shí)現(xiàn)車門系統(tǒng)的維修費(fèi)用降低。通過長期數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)車門的維修周期過短，存在過修現(xiàn)象。通過對(duì)車門系統(tǒng)維修周期優(yōu)化，在滿足車門系統(tǒng)可靠性的條件下延長車門系統(tǒng)維修周期，每年預(yù)防性維修費(fèi)用降低超過20%。

圖3 構(gòu)建最小費(fèi)用模型

3.2 備品備件需求預(yù)測

北京地鐵機(jī)場線2018—2021 年中共有1 583 種備件，其中需要預(yù)測的備件共有1 364 種，部分較重要且需求量較大的備件需要更準(zhǔn)確的預(yù)測方法，如輪對(duì)、制動(dòng)閘片、受流器滑塊、制動(dòng)器懸架、一系懸掛橡膠墊等。

“超大城市軌道交通智能維修關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究”項(xiàng)目組對(duì)受流器滑塊進(jìn)行基于壽命分布參數(shù)預(yù)測的備品備件需求預(yù)測研究，引入窗口刪失更新理論，估計(jì)部件的壽命分布參數(shù)并預(yù)測（見圖4），實(shí)現(xiàn)受流器滑塊備品備件需求更平滑、波動(dòng)更小。

圖4 估計(jì)部件的壽命分布參數(shù)與預(yù)測

4 結(jié)束語

結(jié)合多種維修策略的地鐵車輛維修計(jì)劃潛在優(yōu)勢包括：更具預(yù)測性與決策能力、車輛關(guān)鍵設(shè)備健康的實(shí)時(shí)評(píng)估、實(shí)現(xiàn)整體配車組數(shù)可用性提高與剩余壽命估計(jì)等。同時(shí)，適當(dāng)?shù)牡罔F車輛維修計(jì)劃應(yīng)該經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，需要對(duì)維修成本、設(shè)施設(shè)備故障成本和其他相關(guān)損失進(jìn)行平衡，同時(shí)也要對(duì)資產(chǎn)所有權(quán)和運(yùn)營利潤之間的關(guān)系進(jìn)一步優(yōu)化。

建立包括預(yù)測維修等多種維修策略的地鐵車輛維修計(jì)劃是地鐵車輛運(yùn)維企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一項(xiàng)重要工作，在風(fēng)險(xiǎn)、績效與成本3個(gè)方面重新構(gòu)建新模式，對(duì)地鐵車輛運(yùn)維業(yè)務(wù)的變革產(chǎn)生積極影響，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛核心資產(chǎn)的價(jià)值最大化。