基于多維度評(píng)價(jià)的動(dòng)車組故障等級(jí)劃分方法研究

趙澤平，姚建偉，張可新，安 迪

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中的故障可能造成相應(yīng)線路區(qū)段通行效率下降，致使列車延誤，從而影響旅客運(yùn)輸效率和客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量。對(duì)動(dòng)車組故障等級(jí)進(jìn)行合理的劃分，有助于客觀的判斷某故障模式以及該故障模式涉及到的零部件或子系統(tǒng)對(duì)整車、整條線路的運(yùn)營(yíng)造成不良后果的嚴(yán)重程度，并進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)和故障模式及影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）或者危害性分析（Criticality Analysis，CA）。危害性分析是通過(guò)計(jì)算故障模式危害度，對(duì)其危害性進(jìn)行定量評(píng)估的一種常用方法，在鐵路領(lǐng)域計(jì)算危害度的參數(shù)通常為故障率、運(yùn)營(yíng)里程、故障模式發(fā)生的條件概率和故障模式導(dǎo)致確定故障后果的條件概率。文中在計(jì)算危害度的通用公式中加入了故障等級(jí)參數(shù)，將故障的嚴(yán)重程度也作為危害性分析的考慮因素，以期對(duì)動(dòng)車組子系統(tǒng)或零部件的安全性進(jìn)行更加客觀的評(píng)價(jià)，為后續(xù)可靠性分析、故障分析、維修策略優(yōu)化以及維修資源分配工作提供參考。

1 動(dòng)車組故障等級(jí)劃分現(xiàn)狀

在動(dòng)車組出現(xiàn)以前，對(duì)機(jī)車車輛故障等級(jí)的劃分通常參考鐵路行車事故的相關(guān)規(guī)定，故障的嚴(yán)重程度按照事故造成人員傷亡的情況、設(shè)備和環(huán)境損失情況或者是直接、間接的經(jīng)濟(jì)損失情況劃分。有文獻(xiàn)依據(jù)《鐵路行車事故處理規(guī)則》，建議將我國(guó)機(jī)車車輛故障等級(jí)按照“經(jīng)濟(jì)性故障后果”劃分為特別重大、重大、較大、一般4 個(gè)等級(jí)。劃分原則為：由于機(jī)車車輛故障造成的人員傷亡以及直接、間接經(jīng)濟(jì)損失情況［1］。

2008 年，京津城際鐵路開通運(yùn)營(yíng)，從此，動(dòng)車組在我國(guó)被普遍使用。為了保障運(yùn)營(yíng)安全性和更高的正點(diǎn)到達(dá)率，相關(guān)部門在故障分析方面做了大量的工作，并按照晚點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)短、人員傷亡情況、車輛設(shè)備損壞維修情況等幾個(gè)方面，將京津城際鐵路中運(yùn)用的動(dòng)車組故障劃分為輕微故障、一般故障、重大故障、嚴(yán)重故障4 個(gè)等級(jí)，其他一些早期開通的高速鐵路也沿用了此種劃分方法。

動(dòng)車組的運(yùn)用可靠性和安全性隨著技術(shù)的進(jìn)步和維修體制的完善逐漸提高，幾乎不會(huì)出現(xiàn)“人員傷亡”、“設(shè)備重大損毀”等情況。另外，此種故障等級(jí)評(píng)價(jià)的依據(jù)，采用“發(fā)生頻度的高低”、“嚴(yán)酷度的大小”等表達(dá)，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的主觀性，給后續(xù)的故障模式定性、定量分析帶來(lái)了一些不便，不再適應(yīng)當(dāng)今的故障分析以及后續(xù)的可靠性、安全性分析工作。

2014 年，《速度350 km/h 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組暫行技術(shù)條件》正式發(fā)布，該技術(shù)條件根據(jù)對(duì)動(dòng)車組可靠性的要求，將故障分為了4 個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 速度350 km/h 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組故障等級(jí)劃分

現(xiàn)行動(dòng)車組故障等級(jí)劃分規(guī)則，綜合考慮了動(dòng)車組設(shè)備故障對(duì)運(yùn)輸組織造成的影響程度和非正常停車時(shí)間的長(zhǎng)短，更加貼近運(yùn)用實(shí)際。但是故障等級(jí)評(píng)價(jià)的主要依據(jù)是非正常停車時(shí)間，且劃分范圍僅有“20 min”和“1 h”2 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在設(shè)備故障對(duì)運(yùn)輸組織造成的影響程度方面，用“是”或“否”進(jìn)行區(qū)別。動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中，故障產(chǎn)生的影響種類多樣，故障引發(fā)晚點(diǎn)的情況十分復(fù)雜，造成了該種故障等級(jí)評(píng)價(jià)方法在實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)研究工作中具有一定的局限性。

2 動(dòng)車組故障等級(jí)多維度劃分方法

2.1 評(píng)價(jià)維度的確定

通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析某型動(dòng)車組一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行故障及處置記錄，總結(jié)梳理出故障普遍具有的3個(gè)特征：一是故障均會(huì)對(duì)當(dāng)列動(dòng)車組或者整條線路的運(yùn)行產(chǎn)生影響（故障影響范圍）；二是故障一般都會(huì)造成不同程度的晚點(diǎn)（影響時(shí)間）；三是不同故障模式有不同的發(fā)生概率（故障概率）。

故障影響范圍是故障對(duì)鐵路正常運(yùn)行秩序產(chǎn)生影響的宏觀體現(xiàn)。除了我國(guó)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3133—2006《鐵道機(jī)車車輛電子產(chǎn)品的可靠性、可用性、可維修性和安全性》、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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》等標(biāo)準(zhǔn)或文件中提到的故障造成人員傷亡和環(huán)境、經(jīng)濟(jì)損失之外，故障對(duì)公共交通秩序和國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活正常運(yùn)行的影響以及可能會(huì)造成的不良社會(huì)影響等因素，也應(yīng)作為故障等級(jí)評(píng)價(jià)的考慮范疇。

影響時(shí)間即故障造成動(dòng)車組晚點(diǎn)時(shí)間，是故障影響動(dòng)車組正常運(yùn)行最直觀的體現(xiàn)。不論發(fā)生故障的系統(tǒng)或零部件關(guān)鍵與否、可靠性高或低、故障檢測(cè)率大或小，只要是該種故障模式導(dǎo)致了長(zhǎng)時(shí)間的晚點(diǎn)，那這個(gè)故障模式就應(yīng)該被著重關(guān)注，所以影響時(shí)間成了既有故障等級(jí)劃分以及前人研究中經(jīng)常用到的一個(gè)參考因素。

故障概率是某種故障模式發(fā)生可能性和頻率的一個(gè)量化體現(xiàn)，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62278-2002《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）規(guī)范及示例》和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21562—2008 中，均有對(duì)故障概率等級(jí)劃分的相關(guān)要求。即使是很小的故障，如果發(fā)生頻率過(guò)高，那也將會(huì)給動(dòng)車組的正常安全運(yùn)行造成很大的隱患。所以，故障概率的大小也應(yīng)是故障等級(jí)評(píng)價(jià)工作中一個(gè)必不可少的考慮因素。

綜上所述，文中對(duì)動(dòng)車組故障等級(jí)進(jìn)行基于以上3 個(gè)維度的綜合評(píng)價(jià)。

（1）故障影響范圍

根據(jù)故障對(duì)動(dòng)車組后續(xù)運(yùn)行的影響以及對(duì)整條線路產(chǎn)生的影響，結(jié)合故障處理的方式、難度，將故障影響范圍從小到大分為4 個(gè)等級(jí)，見表2。

表2 故障影響范圍等級(jí)的劃分

（2）影響時(shí)間

在京津城際鐵路動(dòng)車組事故等級(jí)的劃分規(guī)則和《高鐵動(dòng)車組應(yīng)急處置預(yù)案》中，晚點(diǎn)時(shí)間通常以2、5、15、30 min 作為分界點(diǎn)，將晚點(diǎn)的時(shí)間從短到長(zhǎng)劃分為5 個(gè)等級(jí)，見表3。

表3 晚點(diǎn)時(shí)間等級(jí)的劃分

（3）故障概率

不同的故障模式發(fā)生的概率大小不同，參考《故障模式、影響及危害性分析指南》［2］和《軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）》［3］中對(duì)故障概率等級(jí)劃分的方法，用某種故障模式發(fā)生概率與總故障概率的比定義故障概率，并從小到大分為5 個(gè)等級(jí)，見表4。

表4 故障概率的等級(jí)劃分

2.2 基于層次分析法的動(dòng)車組故障等級(jí)的多維度評(píng)價(jià)

層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化的、層次化的分析方法，是將半定性、半定量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量問(wèn)題的行之有效的一種方法。構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型后，利用較少的定量信息，把決策的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，進(jìn)而求解多目標(biāo)、多準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題［4］。由于文中研究的3 個(gè)評(píng)價(jià)維度中既有定性指標(biāo)又有定量指標(biāo)，而故障等級(jí)劃分的依據(jù)是對(duì)故障情形打分的排序，所以層次分析法是解決該問(wèn)題的最佳方法。具體過(guò)程如下：

（1）構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)

首先，建立由目標(biāo)層、指標(biāo)層和方案層構(gòu)成的故障等級(jí)評(píng)價(jià)體系遞階層次模型，如圖1 所示。

圖1 故障等級(jí)評(píng)價(jià)體系

在方案層，故障影響的范圍分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 個(gè)等級(jí)，晚點(diǎn)時(shí)間分為A、B、C、D、E 共5 個(gè)等級(jí)，故障概率分成了1、2、3、4、5 共5 個(gè)等級(jí)。3 個(gè)評(píng)價(jià)維度的組合，將故障情形分成了100 種，例如，ⅠA1 代表的故障情形為：不影響繼續(xù)行車，造成2 min 以內(nèi)的晚點(diǎn)且發(fā)生概率小于總故障概率的0.1%的故障。

（2）構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣

采用1～9 標(biāo)度法建立指標(biāo)層相對(duì)于目標(biāo)層的3 標(biāo)度兩兩判斷矩陣，計(jì)算單排序和各層次的總排序，見表5。

表5 判斷矩陣

（3）權(quán)重計(jì)算

權(quán)重計(jì)算就是計(jì)算判斷矩陣特征值的最大值及其所對(duì)應(yīng)的特征向量，得出準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的重要性數(shù)據(jù)排序，獲得最優(yōu)解。計(jì)算過(guò)程如下：

①權(quán)重系數(shù)計(jì)算為式（1）：

得到式（2）：

由公式（3）：

進(jìn)行一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)計(jì)算，為式（4）：

式中：W1=0.527 8，W2=0.332 5，W3=0.139 6

矩陣的最大特征值為λmax，計(jì)算公式為式（5）：

得到一級(jí)指標(biāo)的最大特征值：λmax=3.053 6

② 計(jì)算一致性指標(biāo)CI和一致性比率CR，公式為式（6）：

由于n=10＞2，所以要用CR表示矩陣的一致性。CR=CI/RI。RI的取值見表6。

表6 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

通過(guò)計(jì)算得到：

當(dāng)n=3 時(shí)，RI=0.58：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知CR＜0.1，所以文中構(gòu)建的判斷矩陣的一致性符合要求；指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層特征值的最大值對(duì)應(yīng)的特征向量（權(quán)重向量）為：w=(0.527 8，0.332 5，0.139 6)。

（4）綜合評(píng)價(jià)

采用百分制方法對(duì)3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，在處理非量化指標(biāo)時(shí)，采用“間隔取值”法，在處理量化指標(biāo)時(shí)，采用“取中間值”方法。由于故障影響范圍是非量化指標(biāo)，故將4 個(gè)等級(jí)按照“間隔取值”方法將4 個(gè)等級(jí)量化；晚點(diǎn)時(shí)間為可量化指標(biāo)，考慮到晚點(diǎn)時(shí)間通常以分鐘計(jì)，所以用“取值區(qū)間的中值/60”進(jìn)行處理；故障概率為可量化指標(biāo)，直接采用“取值區(qū)間的中值”進(jìn)行處理。得到量化值后再進(jìn)行計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)值，方法見表7。

表7 指標(biāo)量化表

代入權(quán)重向量計(jì)算每種故障情形的得分，分?jǐn)?shù)從低到高將故障為輕微故障、一般故障、重大故障和嚴(yán)重故障4 個(gè)等級(jí)，見表8。由此，得到了一個(gè)基于故障影響范圍、影響時(shí)間、故障概率3 個(gè)維度的用來(lái)評(píng)價(jià)故障等級(jí)的參考表格，可以根據(jù)實(shí)際發(fā)生的故障情形，參照下表進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表8 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)合故障等級(jí)的危害度計(jì)算

危害度計(jì)算的目的是比較每一種故障模式的嚴(yán)重程度及發(fā)生概率所產(chǎn)生的綜合影響，即故障模式的危害性，是一種定量評(píng)估的方法。通過(guò)比較各種故障模式的危害性，可以找到整個(gè)大系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的優(yōu)化、改進(jìn)以及維修制度的完善等提供指導(dǎo)。在危害度計(jì)算的過(guò)程中，根據(jù)發(fā)生該種故障模式時(shí)導(dǎo)致的故障情形判斷該次故障的等級(jí)，并作為其中一個(gè)計(jì)算參數(shù)，這樣就把參與計(jì)算的每一次故障情況進(jìn)行更具體的描述，使計(jì)算過(guò)程更加貼近實(shí)際情況，得出的結(jié)論更加可靠。

3.1 結(jié)合故障等級(jí)的危害度計(jì)算模型

在計(jì)算大型系統(tǒng)危害度的時(shí)候，通常用到的危害度計(jì)算公式為式（7）［5］：

式中：Ck為故障模式k 的危害度；αkp為零部件p 發(fā)生故障模式k 的條件概率；βk為故障模式k 將會(huì)導(dǎo)致確定故障后果的條件概率；λkp為零部件p 的故障率（故障模式k）；t為運(yùn)營(yíng)里程；λkpt即為運(yùn)營(yíng)里程為t時(shí)，故障模式k 發(fā)生的次數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，加入故障等級(jí)參數(shù)，為故障模式k 中第i次故障的故障等級(jí)。當(dāng)故障模式k 發(fā)生導(dǎo)致確定故障后果的故障次數(shù)為nk時(shí)，故障等級(jí)參數(shù)γk為式（8）：

這樣就得到結(jié)合故障等級(jí)的危害度計(jì)算公式為式（9）：

在計(jì)算過(guò)程中，參考相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)故障等級(jí)的量值方法［5-6］，的推薦值見表9。

表9 故障等級(jí)的推薦值

3.2 高壓牽引系統(tǒng)故障模式的危害度計(jì)算

動(dòng)車組高壓牽引系統(tǒng)主要包括受電弓、牽引裝置、主變壓器、主斷路器、線路斷路器、網(wǎng)側(cè)變流器、電動(dòng)機(jī)、網(wǎng)端檢測(cè)裝置等部件［7］，是動(dòng)車組的重要組成部分，直接影響行車安全，此外，高壓牽引系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，便于故障模式的統(tǒng)計(jì)、分析，故選取該系統(tǒng)為算例。

經(jīng)查某型80 列動(dòng)車組多年的運(yùn)行故障及處理結(jié)果臺(tái)賬，在統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)共發(fā)生高壓牽引系統(tǒng)故障704 次，其中導(dǎo)致臨時(shí)停車、晚點(diǎn)等確定故障后果的故障252 次。使用上述危害度計(jì)算模型，計(jì)算高壓牽引系統(tǒng)主要故障模式的危害度，結(jié)果見表10。

表10 高壓牽引系統(tǒng)故障模式危害度表

計(jì)算結(jié)果表明，高壓牽引系統(tǒng)中危害度較大的兩個(gè)故障模式是受電弓機(jī)械故障（包括碳滑板損壞）和網(wǎng)側(cè)過(guò)電流檢測(cè)裝置故障，其危害度高于其他故障模式。根據(jù)該型動(dòng)車組故障處理記錄以及查閱相關(guān)資料［8-10］，動(dòng)車組在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，受電弓機(jī)械故障雖然是比較容易處理的一類故障，單弓故障可以通過(guò)換弓運(yùn)行，但是由于該故障模式誤報(bào)率低，不能通過(guò)復(fù)位等操作消除，且在出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)械師需要下車或登頂檢查，造成臨時(shí)停車和晚點(diǎn)；網(wǎng)側(cè)過(guò)電流檢測(cè)裝置故障會(huì)引起過(guò)電流繼電器無(wú)法接收到車頂電流互感器傳出的電流，將導(dǎo)致受電弓降弓，發(fā)生該故障模式時(shí)，定位故障設(shè)備比較困難，通過(guò)常規(guī)操作不易消除。發(fā)生這兩種故障模式時(shí)，一般都會(huì)造成臨時(shí)停車，機(jī)械師現(xiàn)場(chǎng)檢修，有必要時(shí)會(huì)封閉鄰線，影響多列動(dòng)車組的正常運(yùn)行，是危害性較大的故障模式，在修訂維修策略時(shí)可以多加關(guān)注。網(wǎng)側(cè)變流器、電機(jī)變流器、主斷路器、線路斷路器等設(shè)備，可靠性較高，極少因自身?yè)p壞而引發(fā)故障，在發(fā)生涉及這些設(shè)備的故障模式時(shí)，隨車機(jī)械師可以快速排除硬件故障，通常通過(guò)主控復(fù)位等常規(guī)操作后即可消除，對(duì)動(dòng)車組的正常運(yùn)行影響較小。

通過(guò)算例驗(yàn)證，此種結(jié)合故障等級(jí)的危害度計(jì)算方法得出的結(jié)論貼近實(shí)際情況，可以為判定動(dòng)車組某種故障模式對(duì)正常運(yùn)行產(chǎn)生的影響大小提供參考。

4 結(jié)論

文中基于影響范圍、影響時(shí)間和故障概率3 個(gè)評(píng)價(jià)維度對(duì)動(dòng)車組故障等級(jí)進(jìn)行了劃分，將得到的故障等級(jí)劃分結(jié)果應(yīng)用于危害性分析，建立了新的危害度計(jì)算模型，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，同時(shí)也驗(yàn)證了該種故障等級(jí)劃分方法在動(dòng)車組故障分析工作中的適用性。研究結(jié)果可以用于初步篩選動(dòng)車組子系統(tǒng)或零部件的重點(diǎn)維修項(xiàng)目，對(duì)后續(xù)進(jìn)一步的可靠性分析、故障分析、維修策略優(yōu)化以及維修資源分配工作也有一定的幫助。由于受到計(jì)算量的限制，文中僅考慮了100 種故障情形，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需要，把3 個(gè)評(píng)價(jià)維度進(jìn)行更加細(xì)致地分級(jí)，使所得結(jié)論具有更高的準(zhǔn)確性和更好的適用性。