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.上海軌道交通設備發展有限公司，上海 200245）

0 引言

地鐵作為我國城市軌道交通的關鍵組成部分，地鐵車輛的維修工作能為車輛的安全穩定運行提供基本條件，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行，提升車輛運行質量、降低運營成本［1］。由于目前我國大多數地鐵公司制定的地鐵車輛維修制度大多根據《鐵路設計規范》，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車輛運營規劃、根據地鐵車輛場段的檢修條件、確保地鐵車輛狀態滿足上線需求提前下，制定出地鐵車輛維修計劃。

地鐵車輛維修計劃依據車輛供應商的技術資料（尤其是地鐵車輛各部件的維修周期和壽命周期），按地鐵車輛運營里程和運營時間編制，地鐵車輛維修計劃以定期維修為主，涵蓋定期維修、故障維修和改善維修3 種維修方式，通?？煞譃閺S修、架修、定修、月檢和列檢5 個等級，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，即當地鐵車輛發生隨機故障時臨時檢修處理［3］。國內部分地鐵公司執行日檢與均衡修、架大修等地鐵車輛維修計劃，所謂均衡修，指將原來集中在某幾個檢修時間段內的檢修作業任務分散到運用窗口期或者較低級別的修程中進行，使整個檢修工作分散而均衡，以平衡各個級別修程的修車庫停時間［4］。綜上，我國地鐵車輛主要采用預防計劃性維修為主體與故障修結合的檢修模式，例如北京京城地鐵有限公司負責運營的北京地鐵機場線執行《QKZ5 型地鐵車輛檢修規程》，規定車輛檢修除日檢、周檢外，還在不同的走行公里或時間間隔進行規定項目維修，所以北京地鐵機場線地鐵車輛預防修采用以周期檢修與定期檢修相結合的計劃修方式。在過去的3 年中，北京地鐵機場線車輛專業的生產計劃完成率、全年列車運行圖兌現率和列車正點率均完成較好，實現北京地鐵機場線運營工作平穩有序。2021 年度，北京地鐵機場線車輛專業故障率年控指標為2.31 件/百萬車公里，實際為1.594 件/百萬車公里，車輛專業的維修成本占總維修成本（包括車輛、供電、通信、信號、線路、AFC、土建設施專業）的14%左右，減小欠修與過修的影響、保證正線故障數可接受、降低維修成本，成為北京地鐵機場線地鐵車輛維修的研究課題。

1 維修策略概念

維修策略是指針對產品劣化情況制定的維修方針，包括決策依據、維修措施和維修計劃。決策依據指用于評估產品劣化情況的依據，主要包括壽命、狀態和故障；維修措施是執行維修決策和到達預期效果的手段；維修計劃包括維修間隔或周期安排、檢查間隔和周期安排等。相對目前我國地鐵車輛局限于計劃修與故障修模式，EN 13306 將維修策略在整體上劃分為糾正性維修和預防性維修兩大類，并細化了可用的所有維修措施，維修結構分類見圖1。糾正性維修在故障或故障識別后進行，旨在將設備恢復到能夠執行所需功能的狀態，細分為即刻糾正性維修與延遲糾正性維修。預防性維修可分為2 種方法：第1 種方法按照既定時間間隔或使用次數進行預防性維修，但事先未進行狀態調查，該方法稱為預定維修，通?；谑褂们闆r（自然時間、工作時間、里程或次數等）；第2 種方法包括對物理條件的評估、分析和可能的后續維修行動制定的預防性維修，該方法稱為基于狀態的維修，基于狀態的維修的間隔不根據固定的使用情況，僅在“需要時”執行維修，也稱為按需維修。

圖1 維修結構分類

我國已有專家提出運營后期條件成熟時，采取“以狀態預防維修為主，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，提升車輛整體運營水平［5］。

采用多種維修策略組合的維修計劃可盡可能地減少檢查、維修和設備停機時間，降低整體維修費用，通過更有效地規劃維修干預措施，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劃，并通過地鐵車輛的運營情況與維修數據動態優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程優化工作是地鐵車輛全壽命周期運維管理中重要的工作之一，研究路線包括地鐵車輛研發設計、危害模式和后果、建立維修策略與規程并進行成本效益分析、維修計劃生產與維修實施（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

當前，國際上比較先進的地鐵車輛維修策略主要分為兩大類：

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

（2）預防性維修：主要為預定維修、基于狀態維修，其中基于狀態維修進一步分為預測維修與基于狀態非預測維修，進一步細化為基于狀態維修與預測維修、基于狀態非預測維修。相對其他維修，基于狀態維修與預測維修、基于狀態非預測維修3種維修策略相對較先進，歐盟標準EN 13306 對基于狀態維修的定義為預防維修，包括物理狀態評估、分析和可能的后續維修行動，基于狀態維修是維修活動的進階狀態，即維修方通過對設備運行狀態監控進行相應的維修工作。歐盟標準EN 13306 對預測維修的定義為根據重復分析或已知特性得出的預測以及對項點退化的重要參數的評估，進行基于狀態的維修。

2.1.2 基于狀態維修

2.1.2.1 概念

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

2.1.2.2 類型

基于狀態維修首要任務是對系統與設備進行自動狀態監控，最早出現自動狀態是在20 世紀40 年代末的格蘭德鐵路公司，他們通過在發動機機油中檢測到“任何”乙二醇或燃料時進行維修，可減少發動機故障。狀態監測有2種類型：在線連續型監測和定期離線監測。

（1） 在線連續型監測。通過安裝在地鐵車輛上的傳感器對地鐵車輛子系統持續監測，并在超過閾值時觸發警告。

（2） 定期離線監測。通過地鐵車輛以外的各類檢測儀器，在一段監測周期內對地鐵車輛進行必要的監測稱離線監測。通常定期離線監測是相對優選的，因為其更具有成本效益，但是需要結合檢測技術特征、設施設備故障規律、維修活動的可執行性等后決定定期離線監測的檢測周期。

選擇在線連續型監測或定期離線監測，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設施設備維修策略，需要了解可靠性與可靠性為中心的維修（RCM）概念：（1）可靠性。指系統在規定時間內、在運行環境中按設計運行而無故障的能力；（2）RCM。是一種基于操作、經濟和安全、環境標準制定和選擇維修策略及設計方案的方法。RCM 出現于20 世紀60 年代，最初面向飛機維修，并在過去的幾十年其他行業也開始接受這一概念。

RCM 是一種用于確定設備維修需求、制定和優化維修策略的系統工程，以研究設備可靠性規律為基礎而得到廣泛應用。RCM 通過基于設備在其使用環境下的功能與故障分析，明確系統內各設備故障后果和危害程度；對安全、可靠與經濟性方面綜合考慮，利用一種規范化的決斷邏輯對不同維修策略進行選擇和組合優化，實現設備故障后果的全面和有效管理。

RCM 與各種維修策略協同，是使用適用的維修技術支持選擇和執行維修任務的管理決策。RCM 作為管理工具將各類維修策略有機組合，維修人員可以加強為各級設施設備選擇技術最合適、最有效的維修策略。反之，通過維修后反饋的及時、準確狀態評估數據提高RCM對故障管理策略的分析與確定。

2.3 地鐵車輛結構化分解及對應維修策略

2.3.1 結構化分解

地鐵車輛維修重點是根據各零部件的狀態為具體零部件選擇正確的維修方式和維修層次，合理安排修理計劃并付諸實施［6］。實現地鐵車輛多種運用修策略選擇與實施前，需要對地鐵車輛結構化分解，分解工作可參照北京地鐵公司編制的《車輛設備設施分級編碼規范》，該規范結合北京地鐵公司既有維修模式，給出地鐵車輛分級清單，進一步確定地鐵車輛運維管理工作中設備解構模型、設備重要性分級、設備編碼形式與運維管理設備主數據，指導各單位維修系統的設備數據交互過程。

《車輛設備設施分級編碼規范》將車輛專業劃分成12 個子系統，每個子系統根據車輛專業重要程度，細化為4級編碼與對應的維修項點，實現電動客車標準化與結構化分解，為實現地鐵車輛多種運用修策略的選擇做出重要的基礎工作。

2.3.2 對應維修策略

依照“十字法則”，可將地鐵車輛各級設施設備的故障頻率和發生故障后的影響程度劃成2 個維度及4 個象限，從中優先考慮運用修策略。針對故障率低且故障影響小的設備設施可采取故障修的策略；針對故障率高且故障影響小的設備設施可采取預防維修的策略；針對故障率高且故障影響嚴重的設備設施建議更換設備或進行投資改造；針對故障率低且故障影響嚴重的設備設施建議采取基于狀態的維修。

對地鐵車輛發生故障后影響程度劃分時，需依據事前已做出定級的設備重要性以及故障影響程度兩者綜合評判結果，盡量避免人為主觀因素干擾，保證故障分類的客觀性，且不允許出現同一設備同一故障現象及故障分類結果不一致的情況。該工作可參照北京地鐵公司編制的《車輛設備設施故障分類規范》。

2.4 對系統性能退化評估與修程優化

基于狀態非預測維修主要結合地鐵車輛設備本身的運作監控數據及運作機理進行簡單判斷，對外部影響因素考慮不全時，會發生欠修的情況；基于狀態預測性維修是地鐵車輛運用修最新發展的方向，主要得益于工業互聯網、大數據及人工智能的交互應用，主動且針對性強，其核心思想是通過對設備及系統運行狀態進行故障診斷與健康預測，最大化部件的使用效益，同時也極大地降低正線故障發生概率?；跔顟B非預測維修與預測性維修之間最大的差異在于是否重復分析或已知特性得出預測，以及對項點退化的重要參數評估。

地鐵車輛屬于機電產品，包含有極高可靠性的元器件，這些零部件在壽命試驗中通常只有少量故障或者沒有失效出現，從某種意義上講，可以認為地鐵車輛的零部件性能退化最終導致了車輛專業的設施設備失效（或故障）產生?！痘谛阅芡嘶瘮祿目煽啃栽u估》［7］中針對具有退化失效機理的高可靠長壽命產品，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學方法，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計學理論與相關推導過程，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，利用高加速試驗或領跑試驗得到的零部件性能退化數據可以在產品不出現失效的情況下對產品可靠性進行評估，并修正零部件的定量失效退化模型。

2.5 費用效益

在選擇策略中，尤其在選擇預測維修與基于狀態非預測維修、預定維修這3個維修策略時，還需要綜合考慮三者的費用效益比。結合當前運維檢修目標與實際狀況，可設定4個主要的費用效益目標：

（1）減少因設備故障導致的地鐵車輛在正線的故障次數。

（2）減少地鐵車輛的維修總成本與總人工時。

（3）增加可重復計劃和安排的工作量，減少重型維修、隨機發生和計劃外的工作量，且維持相對穩定的工作負荷水平。

（4）減少對設施設備的不必要更換，且減少材料和備件庫存的金額或數量。

3 案例分析

3.1 車門系統維修決策

“超大城市軌道交通智能維修關鍵技術與應用研究”項目組首次從北京地鐵機場線地鐵車輛的系統層面進行可靠性分析和維修策略優化，引入馬爾可夫-通用生成函數法模型并構建最小費用模型（見圖3），實現車門系統的維修費用降低。通過長期數據分析發現車門的維修周期過短，存在過修現象。通過對車門系統維修周期優化，在滿足車門系統可靠性的條件下延長車門系統維修周期，每年預防性維修費用降低超過20%。

圖3 構建最小費用模型

3.2 備品備件需求預測

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

“超大城市軌道交通智能維修關鍵技術與應用研究”項目組對受流器滑塊進行基于壽命分布參數預測的備品備件需求預測研究，引入窗口刪失更新理論，估計部件的壽命分布參數并預測（見圖4），實現受流器滑塊備品備件需求更平滑、波動更小。

圖4 估計部件的壽命分布參數與預測

4 結束語

結合多種維修策略的地鐵車輛維修計劃潛在優勢包括：更具預測性與決策能力、車輛關鍵設備健康的實時評估、實現整體配車組數可用性提高與剩余壽命估計等。同時，適當的地鐵車輛維修計劃應該經過精心設計，需要對維修成本、設施設備故障成本和其他相關損失進行平衡，同時也要對資產所有權和運營利潤之間的關系進一步優化。

建立包括預測維修等多種維修策略的地鐵車輛維修計劃是地鐵車輛運維企業數字化轉型的一項重要工作，在風險、績效與成本3個方面重新構建新模式，對地鐵車輛運維業務的變革產生積極影響，實現地鐵車輛核心資產的價值最大化。