城市軌道交通RAMS技術(shù)發(fā)展與展望*

曾若辰

(上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院,上海 201800)

0 引言

近年來,隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市軌道交通成為破解大城市出行難題的重要途徑,憑借其運(yùn)量大、效率高、安全舒適、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)備受青睞［1］。截至2022年末,中國內(nèi)地城市軌道交通運(yùn)營里程已突破1萬km［2］,各地軌道交通發(fā)展顯現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營、客流量激增、發(fā)車密度增大等趨勢?！笆奈濉逼陂g,我國城市軌道交通進(jìn)入運(yùn)營管理快速提升的轉(zhuǎn)型發(fā)展期,行業(yè)重心已逐步向管理效能提升、運(yùn)營可靠度提高、服務(wù)質(zhì)量升級(jí)階段過渡［3］。與發(fā)達(dá)國家相比,我國地鐵建設(shè)及運(yùn)營體量雖位于世界領(lǐng)先地位,但運(yùn)營維護(hù)水平尚存在較大差距。目前國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)正在逐漸引入RAMS技術(shù)作為一種主動(dòng)隱患管理工具,保障城市軌道交通系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。本文將從城市軌道交通RAMS指標(biāo)體系、工作流程、技術(shù)應(yīng)用等方面分析當(dāng)前我國RAMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望,對(duì)我國城市軌道交通RAMS技術(shù)推廣應(yīng)用具有積極的作用。

1 城市軌道交通RAMS體系

為了提高城市軌道交通系統(tǒng)的整體性能和安全性,需要綜合考慮可靠性(reliability)、可用性(availability)、維修性(maintainability)和安全性(safety)這4個(gè)要素,即RAMS［4］。RAMS是軌道交通產(chǎn)品的4個(gè)重要特性,也是世界先進(jìn)軌道交通行業(yè)普遍采用的關(guān)鍵技術(shù)。軌道交通RAMS各要素間的相互關(guān)系如圖1所示［5］。不同的RAMS要素有不同的側(cè)重點(diǎn)和管理方法,例如,RAM管理主要關(guān)注故障分析和運(yùn)營任務(wù)的成功實(shí)現(xiàn),而安全管理則重視危險(xiǎn)分析和人員安全保障。通過將RAMS結(jié)合起來,可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)運(yùn)營管理,從而實(shí)現(xiàn)可靠、可用、易維護(hù)和安全運(yùn)營。因此,RAMS技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域中具有重要意義和廣闊的發(fā)展前景。

圖1 RAMS相互作用關(guān)系模型Fig.1 RAMS interaction relationship model

1.1 可靠性

可靠性是指部件或系統(tǒng)在給定的時(shí)間和條件下,執(zhí)行給定功能的能力［6］。可靠性與其他指標(biāo)的關(guān)系表現(xiàn)在,高可靠性意味著低故障率和少停機(jī)時(shí)間,從而增加了系統(tǒng)的可用性和安全性。可靠性可以用故障率λ或平均故障間隔時(shí)間(MTBF)來衡量,它們互為倒數(shù)關(guān)系。可靠性函數(shù)R(t)是系統(tǒng)在t時(shí)間內(nèi)正常工作的概率［7］。

R(t)=Pr{T≥t}

(1)

(2)

式中：T為系統(tǒng)故障前的正常工作時(shí)間,令F(t)=1-R(t),F(t)為故障累計(jì)分布函數(shù),f(t)是故障概率密度函數(shù)：

(3)

故障概率分布函數(shù)f(t)可以通過處理大量歷史故障數(shù)據(jù),擬合確定部件故障規(guī)律得到故障分布函數(shù)［8］,如宗志祥［9］采用上海地鐵13號(hào)線3年車門故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了車門故障時(shí)間間隔服從指數(shù)分布函數(shù)。常見的概率密度函數(shù)如表1所示［10］。

表1 常見故障概率密度函數(shù)Table 1 Common failure probability density functions

1.2 維修性

維修性是指部件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件、程序和資源下,從故障狀態(tài)維修恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力［11］。它涉及維修時(shí)間、維修費(fèi)用以及維修人員和設(shè)備的需求。維修性對(duì)可靠性和可用性有直接影響,因?yàn)榭s短維修時(shí)間和降低維修費(fèi)用可以減少系統(tǒng)的停機(jī)損失,提高系統(tǒng)的有效運(yùn)行和安全保障［12］。維修性通常用維修時(shí)間的概率分布來描述,其常用的指標(biāo)為平均修復(fù)時(shí)間(MTTR),即從故障發(fā)生到故障修復(fù)所需的平均時(shí)間［13］。

(4)

維修時(shí)間的概率密度函數(shù)h(t)是維修性分析的基礎(chǔ),它描述了單位時(shí)間內(nèi)完成維修的可能性。根據(jù)每個(gè)部件和系統(tǒng)的MTTR和故障次數(shù)的預(yù)測,可以計(jì)算總體平均維修時(shí)間的期望值。

(5)

式中：ti為第i次記錄的修復(fù)時(shí)間;nr為記錄維修次數(shù)。

1.3 可用性

可用性是指部件在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)維持規(guī)定功能的能力［14］。對(duì)于城市軌道交通運(yùn)營而言,地鐵列車工作時(shí)間的延長和非工作時(shí)間的減少是一個(gè)重要目標(biāo),可用性是可靠性和維修性的綜合表征?？捎眯孕枰紤]系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間、平均故障修復(fù)時(shí)間以及設(shè)備備件的可獲得性等因素。部件可用度如式(6)所示［8］：

(6)

1.4 安全性

安全性指標(biāo)衡量了系統(tǒng)在運(yùn)行期間保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全的程度,考慮事故發(fā)生的概率、事故嚴(yán)重程度以及系統(tǒng)應(yīng)對(duì)事故的能力［15］。安全性是RAMS中至關(guān)重要的指標(biāo),引入了風(fēng)險(xiǎn)概念,改變了傳統(tǒng)安全管理的事后性質(zhì),更加強(qiáng)調(diào)前瞻性的風(fēng)險(xiǎn)管理［16］。常用的安全性指標(biāo)是事故發(fā)生概率,采用平均事故率λs表示,與平均事故間隔時(shí)間MTBF(H)互為倒數(shù)［10］。

(7)

式中：ti為第i次記錄的安全運(yùn)營時(shí)間;ns為記錄安全事故次數(shù)。

2 城市軌道交通RAMS工作流程

城市軌道交通系統(tǒng)RAMS工作流程包括項(xiàng)目全生命周期對(duì)系統(tǒng)的RAMS工作需求,可以分為RAM和安全兩個(gè)部分進(jìn)行［17］,如圖2所示［18］。RAM活動(dòng)側(cè)重于通過RAM指標(biāo)的分配、分析和驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可能發(fā)生故障的閉環(huán)管理程序,而安全活動(dòng)側(cè)重于系統(tǒng)中可能的運(yùn)行、操作和環(huán)境危害的識(shí)別、處理和驗(yàn)證來閉環(huán)管理。

圖2 城市軌道交通系統(tǒng)RAMS管理流程Fig.2 RAMS process of urban rail transit system

2.1 RAM工作流程

2.1.1RAM保證計(jì)劃

在城市軌道交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)之初,需制定實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)可靠性、可用性及可維護(hù)性(RAM)要求的計(jì)劃,制定RAM目標(biāo)并說明如何在全生命周期保證目的落實(shí)。根據(jù)《城市軌道交通初期運(yùn)營前安全評(píng)估管理暫行辦法》和《城市軌道交通正式運(yùn)營前和運(yùn)營期間安全評(píng)估管理暫行辦法》等相關(guān)法規(guī),城市軌道交通系統(tǒng)RAM考核指標(biāo)如表2所示［19］。

表2 RAM考核指標(biāo)Table 2 RAM assessment indicators

2.1.2RAM分配

可靠性分配是將可靠性的定量指標(biāo)合理地逐級(jí)向下分配給子系統(tǒng)、設(shè)備單元、功能模塊和組件等,對(duì)組成系統(tǒng)的每個(gè)子系統(tǒng)或部件都提出相應(yīng)RAM指標(biāo)要求,再進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的RAM權(quán)重分配［20］。RAM指標(biāo)的分配方法主要有等比例分配法、AGREE分配法、比例組合法等。以AGREE分配方法為例,AGREE分配法計(jì)算第i個(gè)部件的MTBF分配值公式如下：

(8)

(9)

式中：ti為第i個(gè)部件工作時(shí)間;Wi為重要度因子;ni為部件i的個(gè)數(shù);Ri(ti)為第i個(gè)部件分配的可靠度值;N為系統(tǒng)包含的部件個(gè)數(shù)。

2.1.3RAM分析

在獲取城市軌道交通系統(tǒng)的RAM指標(biāo)分配值后,需要對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析預(yù)計(jì),將預(yù)計(jì)值與目標(biāo)分配值進(jìn)行比較,若不滿足目標(biāo)要求,則需要對(duì)分析對(duì)象的組成部分可靠性進(jìn)行提升,重新進(jìn)行預(yù)計(jì)和分配。RAM分析步驟如下。

1)建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析是進(jìn)行城市軌道交通系統(tǒng)RAM分析的基礎(chǔ)工作,結(jié)構(gòu)分解可以采用可靠性框圖表示其組成部分間的相互關(guān)系,確定功能失效模式的因果關(guān)系［21］。可靠性框圖旨在圖形化顯示各種使系統(tǒng)成功運(yùn)行的串并聯(lián)模塊組合,常見的串并聯(lián)模型類型如表3所示［15,22］,RBD 圖中每個(gè)模塊代表1個(gè)系統(tǒng)條目或功能。

表3 系統(tǒng)可靠性框圖Table 3 System reliability block

2)故障模式影響及危害性分析

故障模式影響及危害性分析(FMECA)是一種系統(tǒng)化的方法,按照既定的步驟,對(duì)分析對(duì)象的各層次進(jìn)行詳細(xì)的故障模式識(shí)別,評(píng)估故障模式對(duì)系統(tǒng)各方面性能的潛在影響,并基于故障發(fā)生的可能性確定其危害性等級(jí),進(jìn)一步根據(jù)故障的嚴(yán)重性、發(fā)生頻率和檢測困難程度對(duì)每種故障模式進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序,從而通過消除或降低系統(tǒng)組件的潛在故障,提升城市軌道交通系統(tǒng)的可靠性水平。

FMECA包含故障模式影響分析和危害性分析兩部分,并整合到一張分析表上。FMECA以關(guān)鍵故障模式為頂事件建立故障樹進(jìn)行多因素分析,找出各種故障模式的組合,為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)［23］。危害性分析主要采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法(RPN),對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行RPN值排序并采取控制措施,將RPN值控制在可接受的最低水平［13］。FMECA也可以采用故障樹分析、事件樹分析、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等評(píng)估方法［24］。

3)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)

可靠性預(yù)計(jì)根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)選型等信息,以元器件、零部件的失效率作為依據(jù),分析系統(tǒng)實(shí)際可能達(dá)到的可靠性活動(dòng)?？煽啃灶A(yù)計(jì)驗(yàn)證了可靠性分配的合理性,可靠性分配為可靠性預(yù)計(jì)提供目標(biāo)和要求。通過可靠性預(yù)計(jì)和分配,可以使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就達(dá)到規(guī)定的可靠性水平,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。

2.1.4RAM跟蹤

RAM跟蹤管理可采用故障報(bào)告分析和糾正措施系統(tǒng)(FRACAS),FRACAS是項(xiàng)目全生命周期實(shí)現(xiàn)RAMS閉環(huán)管理的必要保證［25］。FRACAS工作流程如圖3所示,FRACAS應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)全生命周期,采用“信息反饋,閉環(huán)控制”的理念,運(yùn)用一套標(biāo)準(zhǔn)化程序上報(bào)、追蹤和糾正設(shè)備故障,監(jiān)控系統(tǒng)RAMS性能表現(xiàn)［26］,從而提高產(chǎn)品可靠性和維修性的預(yù)期要求。

圖3 FRACAS工作流程［27］Fig.3 FRACAS workflow

2.2 安全工作流程

2.2.1安全保證計(jì)劃

安全保證計(jì)劃在項(xiàng)目策劃階段產(chǎn)生。在此階段,安全保證計(jì)劃包括制定安全目標(biāo)和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方式的安全管理策略,以及獲取安全需求的安全分析活動(dòng)的總體描述等內(nèi)容。安全目標(biāo)一般通過安全完整性等級(jí)(SIL)表示［28］(見表4),EN50126,EN50128和EN50129等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的安全目標(biāo)做出了規(guī)定［29］。

表4 SIL等級(jí)Table 4 SIL level

2.2.2風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)管理的第1步就是要綜合全面地識(shí)別出系統(tǒng)中關(guān)于安全與健康的風(fēng)險(xiǎn)源,通過初步危害分析、系統(tǒng)危害分析、子系統(tǒng)危害分析、接口危害分析、操作與支持危害分析等方法分析不同階段的風(fēng)險(xiǎn)源［30］。

2.2.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為定性分析和定量分析兩類。定性分析主要依靠專家經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人能力,采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行風(fēng)評(píng)估［5］。如圖4所示,風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖中橫坐標(biāo)表示危害嚴(yán)重程度,縱坐標(biāo)表示危害發(fā)生頻率［31］。根據(jù)地鐵運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對(duì)危險(xiǎn)源的頻率和后果進(jìn)行評(píng)定確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),確定消除已識(shí)別危險(xiǎn)源的方法或?qū)⑵滹L(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)的措施。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)矩陣Fig.4 Risk matrix

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高(R1,R2)或?qū)е氯藛T死亡的隱患,還要進(jìn)行定量分析,一般采用故障樹分析法(FTA)或事件樹分析法(ETA)進(jìn)行分析評(píng)估。FTA是從頂事件開始成樹枝展開狀的分析評(píng)估過程,可以分析多項(xiàng)故障之間的相互影響,以及會(huì)引起安全風(fēng)險(xiǎn)(如撞車、脫軌等)的組合事件發(fā)生頻率［32］。ETA用于找到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的主要原因,通過推演可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),將故障風(fēng)險(xiǎn)與各種原因之間的邏輯關(guān)系用樹形圖表示,確定風(fēng)險(xiǎn)概率最大的事件路徑［21］。

2.2.4風(fēng)險(xiǎn)控制

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估識(shí)別出控制城市軌道交通系統(tǒng)達(dá)到可接受安全水平所需的措施,同時(shí)將這些安全需求或安全應(yīng)用條件整合形成本專業(yè)的危害日志。這些安全需求將被分配給各專業(yè)和運(yùn)營維護(hù)單位來實(shí)施,并在危害方確認(rèn)接收證明后方可關(guān)閉。在整個(gè)生命周期活動(dòng)中,各專業(yè)負(fù)責(zé)對(duì)危害日志進(jìn)行維護(hù)和更新,以確保危害日志能夠及時(shí)更新［30］。這樣的風(fēng)險(xiǎn)控制流程可以確保城市軌道交通系統(tǒng)的安全性得到有效的管理和維護(hù),同時(shí)保證安全需求落實(shí)和危害控制。

3 城市軌道交通RAMS技術(shù)進(jìn)展

傳統(tǒng)RAMS方法主要依賴于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí),然而城市軌道交通系統(tǒng)難以在試運(yùn)營期內(nèi)產(chǎn)生充分的RAMS數(shù)據(jù)供分析,統(tǒng)計(jì)方法在面對(duì)復(fù)雜的地鐵系統(tǒng)時(shí)可能存在局限性,無法對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確定位和精確分析,準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)RAMS狀態(tài),導(dǎo)致維修和管理策略的制定缺乏科學(xué)性和針對(duì)性。此外,傳統(tǒng)方法還難以預(yù)測和應(yīng)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)和故障,無法滿足地鐵系統(tǒng)快速發(fā)展和復(fù)雜運(yùn)營環(huán)境下的需求。因此,當(dāng)前許多研究對(duì)于RAMS技術(shù)進(jìn)校了進(jìn)一步發(fā)展,主要有系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備識(shí)別、RAMS評(píng)估與預(yù)測、RCM維修策略優(yōu)化3個(gè)方面。

3.1 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備識(shí)別

城市軌道交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜,影響其安全運(yùn)行的因素眾多不同組件發(fā)生故障時(shí),對(duì)系統(tǒng)的可靠性和安全性的影響不同,在多數(shù)情況下,組件越關(guān)鍵,對(duì)系統(tǒng)RAMS特性影響越大,越需要重點(diǎn)考慮。通過深入研究和識(shí)別,系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備識(shí)別在設(shè)計(jì)階段能夠指導(dǎo)系統(tǒng)RAMS需求分配權(quán)重的準(zhǔn)確估計(jì),實(shí)現(xiàn)資源的合理配置［33］;在投入運(yùn)營后,可以制定有針對(duì)地維護(hù)和管理策略,提高地鐵系統(tǒng)的可靠性和可用性［34］。系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備識(shí)別為RAMS評(píng)估與預(yù)測提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的目標(biāo)。

層次分析法(AHP)是系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備識(shí)別最常用的方法,常規(guī)層次分析法為3層結(jié)構(gòu),可以由系統(tǒng)層、子系統(tǒng)和設(shè)備層組成。在建立AHP層次結(jié)構(gòu)模型后,通過判斷矩陣可以得到各指標(biāo)的排序權(quán)重,從而識(shí)別出系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備。但AHP法還存在評(píng)價(jià)主觀性、一致性檢驗(yàn)缺陷等問題,吳高華等［7］通過改進(jìn)危險(xiǎn)源模型評(píng)價(jià),提出了FCS(事故頻次F、事故嚴(yán)重程度C和設(shè)備管控程度S)評(píng)估指標(biāo)與AHP相結(jié)合,識(shí)別出通信信號(hào)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。李國正［10］引入三角模糊數(shù)改進(jìn)AHP法,采用蒙特卡洛法分析相關(guān)數(shù)據(jù),建立了地鐵列車設(shè)備關(guān)鍵度評(píng)估模型。數(shù)據(jù)粗糙集理論［5］、灰色關(guān)聯(lián)理論［34］、聚類分析［35］等方法也被用于基于AHP法的關(guān)鍵設(shè)備識(shí)別模型改進(jìn)中。此外,還有決策擬定網(wǎng)格法、改進(jìn)FMECA方法［34］等常用于設(shè)備重要度評(píng)價(jià),王晨曦等［33］應(yīng)用運(yùn)維數(shù)據(jù)構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)修正權(quán)重排序。這些改進(jìn)方法的引入豐富系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備識(shí)別中的應(yīng)用,提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

3.2 RAMS評(píng)估與預(yù)測

RAMS評(píng)估與預(yù)測的研究能夠全面評(píng)估地鐵系統(tǒng)的性能,識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)和故障,并為系統(tǒng)的維護(hù)和改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。RAMS評(píng)估與預(yù)測方法有馬爾科夫過程、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、Petri網(wǎng)絡(luò)模型與威布爾模型等［5］。

馬爾可夫過程常用于建立可修復(fù)系統(tǒng)的可用性模型,描述系統(tǒng)各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移隨機(jī)過程［36］,吳丹［37］采用馬爾可夫鏈對(duì)軌道交通計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,預(yù)測分析了RAMS指標(biāo)的時(shí)變演化過程。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通過分析和學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù),可以得到不同設(shè)備故障發(fā)生的概率信息,李松峰等［38］提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的地鐵設(shè)備故障診斷算法,將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的故障概率與該種故障排查時(shí)間相結(jié)合作為預(yù)期故障診斷時(shí)間指標(biāo),并以該指標(biāo)值從低到高依序進(jìn)行故障排查診斷,大幅提高了維修效率。Petri網(wǎng)可以建立系統(tǒng)的模型,并模擬系統(tǒng)在不同條件下的運(yùn)行特性,王彪［34］利用擴(kuò)展Petri網(wǎng)理論建立了板式無砟軌道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可靠性模型,并采用蒙特卡洛模擬實(shí)驗(yàn)法預(yù)測系統(tǒng)RAMS穩(wěn)態(tài)特征。威布爾分布是一種常用的可靠性分布模型,可以通過擬合實(shí)際的故障數(shù)據(jù)來描述組件或系統(tǒng)的故障時(shí)間分布特性。丁號(hào)［39］基于最小二乘法和遺傳算法擬合制動(dòng)裝置部件的威布爾分布參數(shù),定量評(píng)估了制動(dòng)裝置可靠性。通過RAMS評(píng)估與預(yù)測技術(shù)的研究,可以深入了解城市軌道交通系統(tǒng)RAMS水平,幫助制定合理的運(yùn)維計(jì)劃和調(diào)度方案,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量,降低事故風(fēng)險(xiǎn),保護(hù)乘客和工作人員的安全。

3.3 RCM維修策略優(yōu)化

以可靠性為中心的維護(hù)(RCM)是目前國際上通行的軌道交通維修策略［40］。RCM維修策略優(yōu)化能夠根據(jù)設(shè)備的可靠性、故障特征和維修成本等因素,制定出更有效的維修策略,提高設(shè)備的可靠性和可用性,減少維修成本和停運(yùn)時(shí)間。傳統(tǒng)的依靠檢修人員經(jīng)驗(yàn)的故障診斷和維修方法已經(jīng)無法有效地應(yīng)對(duì)地鐵系統(tǒng)復(fù)雜化、多樣化的故障維修特征［39］。因此,行業(yè)迫切需要加強(qiáng)對(duì)制定維修策略準(zhǔn)確性與合理性的研究,不斷改進(jìn)優(yōu)化維修策略。

在識(shí)別出系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和設(shè)備RAMS指標(biāo)預(yù)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,維修人員可以按照優(yōu)先級(jí)原則制定檢修計(jì)劃［35］。高彥軍［41］采用邏輯決策法分析不同專業(yè)設(shè)備的維修策略,根據(jù)設(shè)備重要程度分配維修方案。不同的維修活動(dòng)、維修方式對(duì)組件的可靠性、安全性影響不同,所需要的維修費(fèi)用也不同,在定期的預(yù)防性維修中選擇合理的維修方式,也是優(yōu)化維修策略的方式之一。為此,許多研究以系統(tǒng)設(shè)備平均可靠性與維修費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo),將系統(tǒng)的可用性和安全性設(shè)定為約束條件,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型［42］,莫志剛等［43］在多目標(biāo)優(yōu)化模型中應(yīng)用引入退火機(jī)制的粒子群算法尋優(yōu)計(jì)算,制定最有利的信號(hào)系統(tǒng)維修計(jì)劃;姜源［44］采用MATLAB中的搜索仿真方法尋找可靠性閾值內(nèi)的最小維護(hù)費(fèi)用和最優(yōu)維護(hù)周期,并建立LMDP維護(hù)策略模型優(yōu)化設(shè)備狀態(tài)參數(shù)決策誤差對(duì)維修決策的影響。通過RCM維修策略優(yōu)化可以合理規(guī)劃維修活動(dòng),減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間和維修周期,提高設(shè)備利用率和運(yùn)營效益。

4 城市軌道交通RAMS技術(shù)展望與總結(jié)

4.1 城市軌道交通全生命周期數(shù)字孿生

城市軌道交通RAMS研究與工程應(yīng)用的開展需要全生命周期的大量RAMS工作數(shù)據(jù)支持,這是進(jìn)行RAMS深層次分析和決策的必要條件。尤其是在運(yùn)營階段,由于運(yùn)營時(shí)間相對(duì)較短,缺乏相關(guān)故障和維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),特別是現(xiàn)場結(jié)構(gòu)故障的數(shù)量較少［25］,導(dǎo)致故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的科學(xué)性較差。因此,需要進(jìn)一步推廣和完善統(tǒng)一的故障數(shù)據(jù)收集管理機(jī)制和支持平臺(tái),加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和驗(yàn)證,積累長期運(yùn)營故障數(shù)據(jù),在大規(guī)模真實(shí)可靠的樣本數(shù)據(jù)支撐下,充分分析和挖掘故障規(guī)律［34］。

為了有效支持RAMS分析,可以依托數(shù)字孿生技術(shù)建立城市軌道交通數(shù)字孿生平臺(tái)。數(shù)字孿生是通過在數(shù)字空間中同步構(gòu)建與物理城市軌道交通工程實(shí)時(shí)匹配的孿生虛擬實(shí)體,能夠精準(zhǔn)感知和預(yù)測物理實(shí)體的RAMS狀態(tài)［45］。數(shù)字孿生平臺(tái)能夠有效收集和利用各種RAMS信息,對(duì)RAMS信息進(jìn)行跟蹤、收集、分析和處理,確保信息的及時(shí)性、真實(shí)性、完整性和連續(xù)性。通過數(shù)字孿生技術(shù),可以更好地支持城市軌道交通RAMS工程的設(shè)計(jì)和改進(jìn)RAMS工作方法,為決策提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 AI輔助城市軌道交通運(yùn)維決策

當(dāng)前維修管理策略主要以故障維修為主,這不僅需要巨大的資源投入,而且不符合高可靠性運(yùn)營的發(fā)展趨勢。未來的運(yùn)維策略將更加注重預(yù)防性維護(hù)。為此,地鐵行業(yè)已經(jīng)普遍建立了基于RAMS體系的FRACAS工作流程系統(tǒng),以增強(qiáng)日常設(shè)備檢測和主動(dòng)維護(hù),從而避免被動(dòng)的故障維護(hù)出現(xiàn)。同時(shí),基于RAMS的城市軌道交通設(shè)備運(yùn)維體系帶來了大量的數(shù)據(jù)資源。利用人工智能進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析,智能判斷以及智能處理將成為RAMS技術(shù)發(fā)展的一大挑戰(zhàn)［46］。AI技術(shù)的引入可以充分利用這些數(shù)據(jù)資源,從中提取有價(jià)值的信息和知識(shí),為運(yùn)維決策提供支持。

AI輔助城市軌道交通運(yùn)維決策,可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢。首先,基于大數(shù)據(jù)的分析和挖掘,可以更準(zhǔn)確地預(yù)測設(shè)備的故障概率和維修需求,從而提前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),降低設(shè)備故障率和運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)［47］。其次,AI技術(shù)可以幫助進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和診斷,實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的工作狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)的措施。此外,通過智能化的維修計(jì)劃和資源優(yōu)化,可以提高維修效率,減少停運(yùn)時(shí)間,提升運(yùn)營可用性和服務(wù)質(zhì)量。

4.3 城市軌道交通RAMS標(biāo)準(zhǔn)體系

RAMS標(biāo)準(zhǔn)體系在我國城市軌道交通行業(yè)尚未未建立［48］,近年來由于自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(FAO)在國內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用以及FAO對(duì)于RAMS管理的要求,上海、南寧等城市地鐵建設(shè)都開展了RAMS管理［49］,然而現(xiàn)行法律法規(guī)中并未對(duì)城市軌道交通RAMS管理提出明確的要求或者規(guī)范。參考鐵路行業(yè),ISO/TS 22163—2017《鐵路應(yīng)用 質(zhì)量管理體系》基于鐵路行業(yè)管理特點(diǎn),專門提出了組織實(shí)施RAMS的要求,并貫穿到產(chǎn)品全生命周期［50］。城市軌道交通行業(yè)的RAMS應(yīng)用也需要法規(guī)規(guī)范的引導(dǎo)來提升普及。

城市軌道交通行業(yè)的RAMS標(biāo)準(zhǔn)目前有GB/T 21562—2008《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例》,該標(biāo)準(zhǔn)僅起到綱領(lǐng)性作用,在可操作性上還有待進(jìn)一步發(fā)展,需要面向城市軌道交通行業(yè)各專業(yè)以及各參與主體全面制定標(biāo)準(zhǔn)體系,特別是各參與主體自身需要建立相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程文件,才能將RAMS方法系統(tǒng)化、規(guī)范化地應(yīng)用到城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及運(yùn)營過程中。因此,針對(duì)城市軌道交通RAMS標(biāo)準(zhǔn)體系將成為RAMS技術(shù)下一步發(fā)展的重要任務(wù)［51］。

4.4 總結(jié)

城市軌道交通RAMS技術(shù)是保障軌道交通系統(tǒng)高效運(yùn)營和安全運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵因素。當(dāng)前,隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展以及FAO普及,RAMS技術(shù)的應(yīng)用也顯得日益重要。盡管RAMS已在國內(nèi)取得一定進(jìn)展,但仍存在一些挑戰(zhàn)和不足之處,RAMS標(biāo)準(zhǔn)體系尚未完全建立導(dǎo)致推廣應(yīng)用不足,RAMS技術(shù)還需要數(shù)字孿生支持平臺(tái)支撐建立全生命周期數(shù)據(jù)基礎(chǔ),推廣和完善故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和積累大量真實(shí)可靠的樣本數(shù)據(jù),并且要訓(xùn)練AI模型揭示故障規(guī)律、提升運(yùn)維效率。通過克服當(dāng)前的挑戰(zhàn),城市軌道交通RAMS技術(shù)將進(jìn)一步提升城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營水平,為乘客提供更安全、便捷和舒適的出行體驗(yàn)。