城市轨道交通设施设备故障综合评估预警方法

王 征

(1.昆明地铁运营有限公司 昆明650504;2.上海地铁第二运营有限公司 上海200003)

设施设备的正常运转是城市轨道交通安全运营的前提条件。已有统计资料表明，设施设备故障是引发城市轨道交通事故和故障的主要原因，占所有事故和故障约70%以上的比例［1］。另一方面，城市轨道交通设施设备故障受人为等不可控因素的影响较小，能确保更高的预警精度，因此笔者对城市轨道交通设施设备故障开展预警研究。

基于城市轨道交通设施设备分类，研究城市轨道交通设施设备故障综合评估预警方法。以设施设备历史故障信息为基础，结合运营单位对设施设备安全及可靠性状况的要求，构建设施设备三级综合评估预警指标体系，并建立预警界限区域，为构建城市轨道交通设施设备预警平台、设施设备运营安全管理分析与决策等提供方法依据。

1 预警指标的建立原则

城市轨道交通设施设备预警指标体系的建立需要遵循以下几个原则:

1)实用化原则。设施设备故障预警指标应该容易量化，且能够反映轨道交通不同运营阶段的变化特征，满足不同运营阶段的安全管理需求。

2)科学化原则。将影响运营安全的常发性设施设备故障的发生数量表示为一定周期的绝对和相对特征量，即把影响运营安全的设施设备故障征兆用数据指标表示，以表明当前轨道交通运营设施设备系统的安全及可靠性状态。

3)敏感性原则。预警指标要能够比较可靠性水平及其发展变化趋势，在危害运营安全事件发生前起到预先警报的作用。

4)可比性原则。设施设备故障预警指标应能够反映不同时段或不同线路设施设备故障的发展变化，即能够进行同一时段不同运营线路的横向对比分析，还可进行同一运营线路不同时段的纵向对比分析。

2 预警指标体系的构建

2.1 预警指标框架体系

城市轨道交通设施设备一般可划分为车辆、通信信号(下面简称“通号”)、供电、工务、机电设备(包括消防系统、车站一般机电设备、环境与设备监控系统、通风和空调设备等)子系统［2］。以上述子系统为设施设备故障一级分类标准，在此基础上根据2012年上海轨道交通调度日志数据，选择各子系统常发或重要故障对应的设施设备作为二级分类标准。基于设施设备二级分类建立单因素预警指标，基于设施设备一级分类建立子系统综合预警指标，在此基础上建立线路层设施设备综合预警指标，具体的预警指标体系见图1。基于设施设备类别划分建立预警指标体系，有利于设施设备故障分类、查询统计和预警管理。

图1 城市轨道交通设施设备预警指标体系

表1中，Fij代表第i个设施设备子系统(车辆、通号、供电、工务、机电设备)第j类故障的单因素预警指标，Fi代表第i个设施设备子系统的综合预警指标，Fz代表一条线路所有设施设备的综合预警指标。

2.2 预警指标量化方法

2.2.1 单因素预警指标(Fij)

预警指标一般可通过当期某设施设备故障数量与该类设施设备相同周期的某一基准故障数量(作为对比基准数)之间的对比关系来量化表示。根据对比基准数的类型，可将预警指标划分为相对预警指标和绝对预警指标［3］。从已有的高速公路或铁路的事故故障预警平台看，绝对预警指标应用相对较少［4-5］，因此笔者仅研究城市轨道交通设施设备相对预警指标的定量计算方法。

相对预警指标是指将某类设施设备当期发生故障频次对比由相同周期历史数据计算得到的某类相对基准数，在此基础上多角度、客观地评估该类设施设备的当前运营安全与可靠性状态。设施设备故障预警相对指标的一般计算公式为

式中，Fijk代表第i个设施设备子系统第j类故障的第k类相对基准数的相对增量指标，Rijk代表第i个设施设备子系统第j类故障的第k类相对基准数的相对增率指标，Aij为当期第i个设施设备子系统第j类故障的发生次数，Sijk为第i个设施设备子系统第j类故障的第k类相对基准数。

以月为统计和预警周期，定义以下3类相对基准数:移动月平均统计值、上月统计值、上年同期(同月)统计值，其分别表示本月前12个月的每月平均、上月以及上年同期该类设施设备故障的发生次数，相应的相对预警增量指标称之为相比移动月均故障，增长数记为a，环比故障增长数记为b，同比故障增长数记为c，计算公式为

式中，nm、nl、nlm分别表示移动月平均故障次数、上月故障次数及上年同月故障次数。本月故障次数n是指根据统计得到本月某设施设备子系统的各组成部件的故障次数，不同设施设备子系统的故障次数不叠加。相比移动月均故障增长数a，是指轨道交通各设施设备子系统的各组成部件的本月故障次数对比本月之前12个月的故障次数月均值的变化值;环比故障增长数b，是指轨道交通各设施设备子系统的各组成部件的本月故障次数对比上月故障次数的变化值;同比故障增长数c，是指城市轨道交通各设施设备子系统的各组成部件的本月故障次数对比上年同期故障次数的变化值。

2.2.2 设施设备子系统综合预警指标(Fi)

以轨道交通设施设备某子系统为统计单位，对下月本条运营线路某设施设备子系统可能发生的故障水平情况做出预警:当某一设施设备系统的故障频次预测值超过阈值时，需要对该系统加强维修保养;在可能的情况下，控制影响因素往有利于安全运营的方向发展;若没有办法控制影响因素，则充分考虑影响因素可能造成的故障，及时调配人员，对该故障涉及的工作人员进行提示，并通过培训提高相关工作人员解决、清除故障的技能。设施设备子系统综合预警指标的计算公式为

式中，Fi代表第i个设施设备子系统的综合预警指标，ωij代表第i个设施设备子系统第j类故障的预警指数的权重，Fij代表第i个设施设备子系统第j类故障的单因素预警指标。以车辆子系统为例，车辆子系统综合预警指标的计算公式为

式中，ω11～ω16分别表示控制系统、车门系统、制动系统、牵引系统、辅助系统及车辆其他故障的预警指数权重，F11～F16分别表示控制系统、车门系统、制动系统、牵引系统、辅助系统及车辆其他故障的预警指数。

2.2.3 线路设施设备综合预警指标(FZ)

以线路为统计单位，对下月本条运营线路的所有设备设施可能发生的故障水平情况作出预警。城市轨道交通在实际运营中，设备设施故障信息大多以线路为单位上报线路控制中心(OCC)，所以，针对线路整体设备设施故障进行综合预警，使运营安全或维护保障管理人员可以了解线路上设施设备的总体故障水平，并针对不良预警结果，提前做好检修和预防准备，以降低未来可能发生的设备设施故障及其对线路运营的危害。线路设施设备综合预警指标计算公式为

式中，Fz代表线路设施设备综合预警指标，F1～F5分别表示车辆系统、通号系统、供电系统、工务系统、机电设备系统综合预警指数，ωi代表第i个设施设备子系统的综合预警指数的权重，且分别代表上述系统的权重指数，设施设备子系统综合预警指标权重ωij和线路设施设备综合预警指标权重ωi的计算方法可采用比较成熟的层次分析法、序关系分析法等［6-7］，本文不再赘述。

3 预警等级与阈值划分

3.1 预警阈值及等级划分

参照国际铁路事故故障频次等级划分标准［8］，将城市轨道交通设施设备故障发生频次预警阈值及预警等级划分为4级(见表1)。

表1 预警阈值与预警等级划分

3.2 单因素预警阈值及等级划分

本文定义了3类相对预警增量指标，预警时先分别计算相比移动月均故障增长数指标、环比故障增长数指标和同比故障增长数指标，分别将指标计算值与表1的预警阈值区域进行对比，当其中任意1个预警值达到预警标准，就发出该类预警信号。单因素预警阈值及等级确定见表2。

表2 设施设备单因素预警阈值及等级的确定

3.3 设施设备综合预警阈值及等级划分

设备设施综合预警指标代表了某一条线路或某一个子系统的设备设施的总体安全状态。根据单因素预警指标，利用式(6)、式(8)分别计算出某条线路或某一子系统的综合预警指数值，将此值与表1的预警阈值进行对比分析，当计算的预警指数值落在哪个区间内，就发出相应的预警信号。

4 结论

针对城市轨道交通设施设备综合评估预警的需求，构建从单一设施设备、设施设备综合子系统到线路综合设施设备系统的三级综合安全预警指标体系，提出基于历史数据的3类相对基数预警指标计算方法，参考国际铁路事故故障频次等级划分标准，确定相应的预警阈值及预警等级。本研究成果可为城市轨道交通设施设备故障预警平台的开发提供方法支持，也可为城市轨道交通运营企业的安全管理决策提供借鉴和依据。值得一提的是，由于本文的设施设备故障二级分类仅根据2012年上海轨道交通调度日志数据确定，因此各轨道交通运营企业在设施设备预警平台实践建设中，需要根据具体情况制定分类标准和构建相应的预警指标体系。

［1］罗钦，朱效洁，陈光华，等.城市轨道交通事故故障统计及预警管理信息系统设计［J］.城市轨道交通研究，2005，8(6):39-42.

［2］任星辰.城市轨道交通运营设备设施安全评价体系研究［D］.北京:北京交通大学，2012.

［3］李得伟，孙宇星，黄建玲.地铁客流预警技术基础探讨［J］.都市快轨交通，2013，26(2):62-66.

［4］何相呈.基于物联网的公路边坡危岩体监控预警系统研究［D］.重庆:重庆交通大学，2013.

［5］王艳，刘翀，李丹丹.一种多功能铁路道口报警系统［J］.自动化技术与应用，2001，(1):38-39.

［6］邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究［J］.数学的实践与认识，2012，42(7):93-99.

［7］香赵政，廖开际，刘其辉.基于序关系确定成熟度评价指标权重的简易法［J］.广西大学学报:自然科学版，2009，34(6):824-826.

［8］张晗.城市轨道交通运营安全综合评估预警平台设计研究［D］.北京:北京交通大学，2012.