基于RAMS的城市轨道交通车辆设计安全研究

梁 琦，陈兴华

(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081；2.铁科院(北京)工程咨询有限公司，北京 100081)

基于RAMS的城市轨道交通车辆设计安全研究

梁 琦1，陈兴华2

(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081；2.铁科院(北京)工程咨询有限公司，北京 100081)

RAMS作为设计理念运用到工程技术中，从而创建出一种既可靠又安全的管理模式。RAMS管理可以为轨道交通提供安全保障，提高运行效率，该管理模式在国外已得到广泛应用，并取得了良好成效。因此引入RAMS管理是确保城市轨道交通车辆安全发展的必然趋势。以RAMS介绍为基础，论述其可靠性、可用性、维修性、安全性，并通过工程实例论证了RAMS管理对地铁车辆工程的重要性。

城市轨道交通车辆；RAMS；可靠性；可用性；维修性；安全性

可靠性(reliability)、可用性(availability)、维修性(maintainability)和安全性(safety)的相互关联组成RAMS管理，其理念是在保证外部资源的前提下，产品在规定条件和时间内可以完成规定功能，同时在故障状态下允许通过正常的程序或手段进行维修以保持和恢复原功能，并且在失效时不会引起人员、环境、设备和财产的损伤。

目前，以欧美地区为代表的发达国家均在城市轨道交通方面普遍采用RAMS工程这一先进技术，并已经达到相对成熟阶段。如法国、英国、美国、德国等国家建立了较为完整的RAMS工程法律法规，并广泛应用于各类产品的技术平台，且RAMS工程的系统化发展显著提高了轨道交通产品的各项指标[1]。

1 城市轨道交通车辆RAMS工程

1.1 RAMS研究目的

由于轨道交通运输方式的特殊性，城市轨道交通车辆的RAMS工程与轨道交通的整体系统密切相关。地铁车辆集合机械部件、动力系统、电气系统、电子控制系统、液压系统等机电设备于一体，同时地铁车辆外界工作环境条件多变且较为严酷，造成其故障模式种类较多，故障概率分布形式各异且复杂，所以在RAMS标准原理设计可实现的前提下，要严格要求车辆整体的耐久性指标，进而在设计环节控制各分部子系统的使用寿命和经济效益，从而保障轨道交通的运输安全、服务质量和运输能力，以降低全寿命周期成本(LCC)[2-4]。

1.2 RAMS与故障分析

故障问题存在于地铁车辆的设计、制造和运用维修中，贯穿地铁车辆全寿命周期，是RAMS解决的核心问题[5]。从地铁车辆方案论证开始，需要参考同类型产品的故障问题统计资料，在现有设计水平和制造工艺水准的基础上提出RAMS定性、定量指标；利用RAMS分析技术，对地铁车辆的故障及其后果、发生原因及发生概率进行计算分析，通过发现故障位置，采取相应措施对系统薄弱环节进行设计改进；优化制造工艺，防止产生制造缺陷，通过可靠性试验验证设计方案，对暴露的故障问题进行工艺改进及再验证；在运用维修阶段，记录地铁车辆的故障发生情况，有目的地进行分析，修改相应的维修规程，并将故障信息记录反馈给设计单位，进行再次优化。目前常用的故障分析方法如图1所示。

图1 常用故障分析方法

地铁列车的故障模式在实践应用中不是固定不变的。故障模式是进行RAMS分析的基础，故障模式影响及危害度分析和故障树分析也是依据故障模式进行的。整车由上万种零部件组成，各零部件的设计、制造、材料、使用和存储不尽相同，同时生产厂家及生产批次的差异造成了故障模式的不定性。因此在进行项目综合性系统需求分析时，根据RAMS设计评价和故障模式影响分析的结果，对设备器材的选型、外购的控制及结构设计方面进行设计失效模式和影响分析(DFMEA)，对设计工序的过程质量进行过程失效模式和后果分析(PFMEA)，将设计过程中分解的分部子系统划分到相应的故障后果严重等级，确定重要次序。

2 城市轨道交通车辆RAMS构成[6-7]

2.1 可靠性(R)[8]

地铁车辆按照可靠性形成过程可以划分为固

有可靠性和运用可靠性。固有可靠性存在于地铁车辆各部件系统设计和制造过程中；运用可靠性是在使用条件下，保证固有可靠性的发挥程度。可靠性的稳定性关乎地铁车辆的全面质量和耐久性。

2.1.1 可靠性设计分析

可靠性设计是完成可靠性工程的重要组成部分，地铁列车的可靠性在很大程度上依赖于设计的准确性。可靠性分配是将整车可靠性指标逐步分解、分配到各组件、零部件的演绎分解过程。首先要整理各单元之间的逻辑关系建立系统可靠性模型；其次预计系统各产品的可靠性指标，依据零部件的可靠性指标进行系统可靠性分配；再次根据FMECA和FTA分析系统找出薄弱环节采取相应措施；最后根据分析结论进行可靠性设计。可靠性常用模型如表1所示。

常用可靠性预计方法有性能参数法、故障率预计法、相似系统法、专家评分法、极限法、元件计数法和应力分析法等，从方案论证、初步设计到详细设计，每种方法都有其相应的适用阶段。常用可靠性分配方法有比例组合法、评分分配法、重要及复杂程度分配法、拉格朗日分配法和工程综合法等，主要依据系统或单元的重要性合理分配可靠性指标。

表1 几种常用模型

可靠性预计和分配是建立在模型可靠的基础上，为保证地铁车辆各系统可靠性预计和分配的正确性和精确性，首先要明确系统的故障来源，合理简化系统，根据相关资料或相似产品选取有效数据，依据可靠性预计和分配方法反复迭代、论证，同时优化可靠性模型。通过结果的相对比较，找出系统故障的薄弱环节加以改进，贯彻执行有效的可靠性设计准则。

2.1.2 可靠性计算

(1)可靠度。将可靠性量化形成可靠度，即系统在额定条件和时间内，完成额定功能的概率。可靠度是时间函数，用R(t)表示可靠度函数，其表达公式为：

(1)

式中：T为车辆寿命；R(t)为产品在额定时间t内无障碍工作概率。并且根据可靠度与时间的关系可知：

(2)

(2)故障(失效)概率和概率密度。故障(失效)概率F表示在额定条件和额定时间内发生故障的概率，其概率数值与可靠度互补，即：

(3)

故障(失效)概率密度f(t)表示单位时间内故障(失效)概率函数编号,即F(t)对时间的导数:

(4)

故障(失效)概率可以估算为：

(5)

式中:r(t)为t时刻时失效系统数量；N为实验的系统总数。

(3)故障率(失效率)。故障率(失效率)记作λ(t)，表示在某时刻t尚未失效的系统，在t时刻后单位时间内发生的概率，由此可得故障率计算推导公式：

(6)

对式(6)积分，可得函数：

(7)

由此可知系统的失效率越小，可靠度越大。其估算公式为：

(8)

式中：Ns(t)为t时刻未发生故障的系统数；Δr(t)为(t,t+Δt)时间间隔内的系统故障数；Δt为所取时间间隔。

(4)寿命。根据不可维修系统和可维修系统的分类，将系统平均寿命分为平均修复时间(MTTF)和平均故障间隔时间(MTBF)，其反映了系统可靠性的时间指标。对于n个不可维修系统在相同条件下测得全部寿命时间数据t1,t2,…,tn,则其平均寿命为：

(9)

对于一个可修复系统,在每次修复故障后又进行工作，n次工作时间分别为t1,t2,…,tn,则其平均寿命为：

(10)

平均故障间隔时间与故障率的关系为：

(11)

2.2 可用性(A)

车辆系统的可用性是可以通过平均可用时间(MUT)、平均不可用时间(MDT)和可用度进行度量的，系统的各种状态也可以用可用性的特征量来表示，如图2所示。在实际工程中，由于问题的关注点不同，可用性分析参数指标也不同。通常有通过系统内在可用度属性反映的固有可用度(Ai)；通过材料质量、制造工艺水平、系统运用和综合维修技术反映系统硬件水准的达到可用度(Aa)；反映系统工作总时间的使用可用度(Au)。其表达式分别为：

(12)

(13)

(14)

图2 系统寿命周期时间分配关系

2.3 维修性(M)

维修性是指实施故障系统维修工作的难易程度，通常分为预防性维修(PM)和修复性维修(CM)。预防性维修是防止故障发生的一种手段，可以保持系统的正常运行及可用状态；可靠性是决定修复性维修工作量的因素，维修活动虽然不能完全预计，但可以通过MTTR进行量化。描述维修性的定量指标有维修度、修复率、平均修复时间等，用于细化地铁车辆各系统的维修指标。维修度表示t时刻时已修复的系统数量在开始时需要修复数量的比例；修复率是通过单位时间内修复发生故障系统的比例来度量维修性，指t时刻后单位时间内未修复系统完成修复的概率；平均修复时间则是排除系统故障所需实际时间的平均值，其中去除管理和后勤等原因所延误的时间。

2.4 安全性(S)

地铁车辆安全性研究的目的是保证乘客的人身安全。地铁车辆的安全性是通过对车辆系统各部件的危险性进行定性和定量分析，以寻求最低事故率从而抵御损害风险。地铁车辆安全性能的提高是当前轨道交通发展的需要，城市交通运输行业竞争非常激烈，要想满足市场需求就必须要满足安全、快捷、舒适和高效低能的标准。与可靠性指标相仿，安全性指标是指系统会发生危险性的故障或事故，采用平均故障率和平均故障间隔时间MTBF表示，且通过危险源经验分析法、故障树分析(FTA)、故障模式影响分析(FMEA)及风险评估等方法识别危险源，确定系统的安全性等级，提高系统的安全完整性。只有当安全性和RAM被有效执行后，才能满足系统的RAMS技术要求。

3 城市轨道交通车辆RAMS管理

根据我国城市轨道交通车辆发展现状，越来越多的生产厂家涉足轨道交通领域，产品种类不断增多，造成地铁车辆各系统行业发展参差不齐。在不断学习和引进国外先进技术的同时，需将各行业纳入地铁车辆RAMS体系，遵循RAMS管理，从而提高整体竞争力。RAMS是系统的内在属性，贯穿于整个系统的生命周期。为了获得优质的体验，对RAMS进行管理是非常重要的。

RAMS管理[9-10]是基于各管理层的职能手段，以系统整体为大局，对人力、财力、物力等资源进行优化配置，从而达到控制全过程活动的目的。RAMS管理的内容包括：RAMS管理组织机构对基层单位的RAMS工作进行指导、监督，制定相应的RAMS计划，组织RAMS评审并由其进行认证和监督检查，同时开展RAMS教育培训工作，建立相关的数据库，收集行业信息。

为了得到可靠的列车系统，需要通过适当的手段对影响系统RAMS的列车自身因素、运用条件和维修条件等各种因素(如图3所示)，在列车系统全寿命周期中的每个阶段进行鉴定评估，控制风险影响源头，如编制计划、设计分析和试验、实际验证、事实确认等，以便优化整个系统性能。因此在轨道交通车辆设计和实施阶段需要进行的RAMS任务有：设计和制造可靠性分析、安全性分析、维修分析、基于维修性的可用性分析、寿命周期费用评估、可靠性和维修性试验等RAM管理方案。

图3 轨道交通车辆RAMS各因素之间相互关系

运用RAMS管理模式进行安全设计的目的在于提出消除安全隐患的措施，降低潜在风险。首先要明确基于RAMS的安全性管理是针对人、物和环境，设计过程中不仅要考虑系统本身性能，还要考虑人为因素造成的误差；其次，根据可靠性分配结果，确定产品的安全等级，制定相应的控制管理措施；再次，根据系统受使用环境的影响程度，优化安全功能分配；最后，只有安全计划和RAM共同作用时，才能保证系统的安全完整性，保证轨道交通车辆RAMS技术达到预期要求。

4 实例应用

4.1 应用背景

某市新建地铁项目，引进20列6辆编组某型地铁车辆。假设每列车每天运行10.4 h，平均旅行速度为35 km/h，年运行约12万km。要求根据车辆结构组成，建立列车的可靠性框架图，如图4所示，将整车可靠性指标分配到车辆各子系统中，作为子系统的可靠性指标。经过可靠性分析和可靠性指标分配的范围、原则、方法和分配结果，使设计人员明确可靠性设计要求，对关键部件进行优化设计，提高整车的可靠度。

图4 列车可靠性框架图

4.2 可靠性目标及分析

根据招标合同要求，可靠性目标为MTBF=150 h，平均无运营故障间隔里程(MDBFS)=12.5万km。依据车辆结构组成，将整车分为18个子系统，分配原则为：①遵循整车的可靠度大于整车的可靠度指标；②对于复杂度高、技术不成熟、环境条件恶劣、需要长期工作的部件，分配较低的可靠性指标；③对于重要度高的部件，分配较高的可靠性指标；④依据工程经验，留有10%可靠性分配余量。

采用等分配法和专家评分分配法进行各子系统在方案论证阶段的初步分配，将结构组成非常相似的新设计产品与老产品进行比例组合法分配，同时参考同类型车辆运行中故障发生频率，考

虑类似产品所受影响因素造成差异的情况下，再利用其所产生的数据，辅以其他方法进行调整形成初始可靠性预计方案，然后结合产品的运行比、设计方案、工艺水平、元器件和原材料水平、产品现状、供应商能力、可靠性分配值及预留分配余量进行调整，采用串联系统模型和可靠性工程综合分配法进行λ和MTBF的反复试算、迭代，形成可用的产品可靠性分配方案。

列车整车故障率为：

(15)

4.3 可靠性分配结果

通过上述可靠性分配方法和计算方法，根据整车可靠性目标，列车各子系统基本可靠性目标和运营故障可靠性目标分配值如表2所示。

表2 列车各子系统基本可靠性指标和运营故障可靠性指标分配表

注:MTBFS表示平均无运营故障时间；MDBFS表示平均无运营故障里程；N/A表示不适用

从上述初步得到的计算数据可以看出：首先，在设计阶段进行RAMS的可靠性分析是必要的，通过从整体到局部的分解，确定每个子系统的可靠性目标，以便于从设计阶段开始对各子系统有目的地进行管控，从而保证整车的安全可靠性；其次，通过对主要子系统的运行可靠性指标进行分析，运营部门可以进行针对性地检修管理，提高了运营效率。

5 结论

城市轨道交通已经成为一种低碳环保的主流出行方式。有关可靠性、可用性、维修性和安全性等单方面研究已有很多，但是将其作为RAMS整体来研究的比较少；其次缺乏RAMS行业标准和指导性文件，用户对购置地铁车辆的可靠性、维修性指标理解不够明确；再次在地铁车辆设计时，由于行业RAMS信息数据缺乏及RAMS专业人员的不足，造成RAMS指标的分配与落实不彻底；最后对地铁车辆制造过程中没有进行可靠性、维修性的监督和验收以及在车辆投入运用后未进行结论验证[11-12]。因此，根据我国轨道交通发展现状[13]，地铁车辆要以安全性、可靠性为前提，增加RAMS工程在轨道交通车辆的运用与研究，缩短与国外发达国家RAMS管理的差距，提高轨道交通安全。

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LIANG Qi:Postgraduate; China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China.

Study of City Rail Transit Vehicles Safety Design Based on the RAMS

LIANGQi,CHENXinghua

RAMS is applied to the engineering technology as design concept, so as to create a reliable and safe management mode. RAMS can provide security for the rail transportation management and improve operational efficiency, this management mode has been widely used in abroad and shows a good result. So the introduction of RAMS management is to ensure that the inevitable developing trend of urban rail transit vehicle safety. In this paper, based on the RAMS, it discusses reliability, availability, maintainability and safety, and demonstrated by an engineering example that the importance of RAMS management of metro vehicle engineering.

urban rail transit vehicle; RAMS; reliability; availability; maintainability; safety

2095-3852(2017)04-0397-06

A

2017-02-16.

梁琦(1989-),男,河北石家庄人,中国铁道科学研究院硕士研究生,主要研究方向为城市轨道交通车辆.

U279.5

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.04.005