基于模糊理论的信号设备使用寿命研究

王 琳,开祥宝,宋志丹,高 媛

(1.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081; 2.中国铁道科学研究院通信信号研究所,北京 100081; 3.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081)

随着我国铁路的全面提速，高铁成为人们日常出行的首选。而铁路信号设备在确保列车安全运行方面占有举足轻重的地位。如何减少信号设备故障的发生成为日益突出的问题。准确评估信号设备使用寿命，合理制定设备维修维护计划，对保持信号设备性能，确保信号设备稳定运行具有重要意义。

1 信号设备的维修维护

当前我国铁路信号设备按照运行环境的不同，可以分为地面信号设备与车载信号设备。地面信号设备主要包括：信号基础设备、继电设备与电子设备三大类。车载信号设备主要有：车载ATP、列车记录单元JRU、列车监控装置LKJ等。自动车组开通后，大量信号设备投入使用，信号设备数量不断增加。例如：2015年共装备3609套ATP车载设备，较2011年的1226套增长了2.19倍；对于联锁道岔设备，其2015年安装数量较2011年增长1.21倍。设备数量在不断增长的同时，其发生故障的频率也在不断增加。对2013年至2015年信号设备故障进行统计，统计结果如图1所示，故障率较高的信号设备主要集中在道岔转辙设备、轨道电路设备、闭塞设备以及联锁设备。其中，道岔转辙与轨道电路设备共占总体故障的70%以上。

图1 近3年信号设备故障分布统计

现场维修维护人员对信号设备采取相应的维护手段以确保其正常运行。以车载设备和地面设备为例，对于车载信号设备，其维修维护主要随动车组修程进行，例如：车载ATP采取运用检修与动车组一、二级检修同步进行，高级检修纳入动车组高级检修管理流程的维修方式。对于地面信号设备，其维护工作由路局、电务段分级管理，电务段又实行段、车间与工区三级管理模式[1]。在现场维修中实行计划修与状态修相结合，主要包括维修、中修、大修及更新改造4种维修模式。这样的维修模式对确保行车安全起到重要作用，但在现场实际维护过程中，信号设备仍存在超期服役的现象。对于超期服役的信号设备，长时间的负荷运行导致其电气或机械特性不能满足相关技术标准。长期使用超期服役设备将严重威胁铁路行车安全。因此，准确评估信号设备的使用寿命，合理制定信号设备的维修周期，对保障铁路运输安全具有重要意义。本文对影响信号设备使用寿命的各个因素进行综合分析，采用模糊理论对信号设备的使用寿命进行评估，以此为信号设备的维修周期提供准确依据。

2 信号设备使用寿命影响因素分析

综合分析现场信号设备的故障情况，信号设备的使用寿命主要受以下4方面影响。

(1)可靠性指标

信号设备的可靠性主要指的是设备在规定时间、规定条件下完成相应任务[2]，以此保证列车安全运行的能力。设备的可靠性是一个定性的概念，实际中，可靠性常以可靠性指标的形式量化表示。例如，故障率、可靠度、维护率、平均故障时间间隔MTBF、平均维护时间MTTR等。这些指标与设备的使用寿命密切相关。以计算机联锁系统CBI为例，该系统应满足可靠性与安全性设计要求，有MTBF≥106h，也就是该系统的平均寿命大概为114年。但这不表示系统的使用寿命可达114年，只能说系统一年的故障率大致为0.878%。由此可靠性要求可以得出，在不考虑外界因素的影响下，系统出现故障的概率会随着平均寿命的增加而降低。

(2)施工安装因素

实践证明大多数设备的故障率满足浴盆曲线的变化，如图2所示。设备的故障变化大致分为3个阶段，早期故障期、偶然故障期与耗损故障期[3]。其中，设备的故障概率在早期故障期呈现由高到低的下降趋势。该阶段主要为产品的安装调试过程，由图2可以看出，设备的施工安装因素影响着设备的使用寿命。提高现场设备的安装施工工艺与安装质量将增加设备的使用寿命期限，提高设备运行的可靠性与稳定性。

图2 浴盆曲线

以计算机联锁系统为例，其机械室内设置有继电器、接口柜、分线柜、电源屏等设备。在施工、安装过程中，现场人员在对电缆芯线配线时应注意防止因外皮接触不良造成的设备故障。对于电源屏来说，安装人员应将各模块的逻辑零线独立放置，选取满足设备要求的接地电阻，以此防止因电流过大引起的电源模块老化乃至损坏故障的发生[4]。因此现场设备的安装施工工艺与安装质量对信号设备的运行有直接影响。规范的施工安装流程对提高信号设备的使用寿命，保证设备可靠稳定的运行起着重要作用。

(3)使用环境因素

设备使用环境影响因素主要包括有：温度、湿度、酸碱度等，其中，温度为环境影响因素的主要方面。

以铁路信号智能化电源模块来说，温度对其电解电容的影响直接关系到电源模块使用寿命的长短。由经验可得，温度的升高会加速电容器内部的化学反应，其介质会随着时间的推移而退化，因此电源模块的使用寿命也会随之下降。由统计得到，一个极限工作温度为85 ℃的电解电容在温度为20 ℃的工作条件下，其可保证180 000 h的正常工作，而当温度上升到85 ℃后，仅可保证2 000 h的正常工作[5]。由此可以看到，尽可能地降低电源屏的工作环境温度对延长其使用寿命十分重要。

(4)维修维护因素

日常的维修维护对减少信号设备故障起着重要作用，但是不良的检修作业将会降低设备的使用寿命。本文对2014年故障率较高的信号设备进行统计，并以其故障原因对故障数据进行分类。以2014年为例，道岔转辙设备故障共1 124件，其中因检修不良故障共797件，材质不良199件，因外单位影响故障共27件，非责任100件。对于轨道电路，其故障总数共631件，其中因检修不良故障共342件，材质不良129件，因外单位影响故障共19件，非责任122件。由统计结果可以得到不同故障原因所占故障总数的百分比，如图3所示。

图3 2014年道岔与轨道电路设备故障原因统计

由图3得到，道岔转辙设备与轨道电路设备故障的主要原因为检修不良与材质不良。检修不良占总体故障原因的50%以上。现场的维修维护人员缺乏维修经验，对设备的工作原理，基本性能了解不明确，导致维护人员在日常检修时，抓不住设备维修的重点，无法准确判断设备病害，从而致使设备故障率的增加。

由以上分析可以得到，信号设备的使用寿命除受自身可靠性指标的影响外，还受外界因素的影响，因此若想准确了解信号设备的维修周期应综合考虑以上影响因素。对此本文以联锁系统上位机的电源模块为例，基于模糊理论，采用模糊综合评判的方法对其使用寿命进行评估，以此为电源模块的维修周期提供准确的依据。

3 基于模糊理论的电源模块寿命分析

对于经典可靠性来说，其寿命分析考虑的是设备失效的随机性，但设备在现场运行过程中会受到各种各样因素的影响，因此对设备使用寿命的评估不能单一的依据经典可靠性分析[6]。所以，采用模糊综合评判的方法，考虑影响电源模块使用寿命的各个因素，将其对电源寿命的影响进行量化，从而为电源模块的维修维护提供良好的依据。

3.1 模糊综合评判法

根据文献[7-8]的模糊理论，对模糊因素量化、确定评判对象的模糊综合评判矩阵主要有以下步骤。

(1)确定评判对象的因素集

因素集U主要由影响因素ui组成，不同的因素对评判对象具有不同程度的模糊影响

U=[u1，u2，…，un]

(1)

(2)确定评判对象的备择集

评判对象的备择集即为评价集，此为评判对象的评价结果，用V来表示

V=[v1，v2，…，vn]

(2)

(3)确定因素的权重集

不同的因素对评判对象的影响程度是不同的，为了反映因素的重要程度，应对各因素赋以不同的权数值ai，由其构成的A为权重集[7]

A=[a1，a2，…，an]

(3)

(4)因素评判矩阵

因素评判矩阵R是单个因素评判隶属度的集合。单个因素评判隶属度可用Ri表示，其代表第i个因素对备择集第j个元素的隶属度[7]

(4)

(5)模糊综合评判矩阵

考虑不同因素的重要程度后，可以得到模糊综合评判矩阵B，其中bi即为所得的因素评判指标

B=A·R=[b1，b2，…，bn]

(5)

(6)评判结果

已知因素的评判指标后，根据加权平均的方法对评判对象的性能进行评价，本文对电源模块寿命进行评价有

(6)

3.2 基于模糊综合评判法的电源模块寿命分析

在模糊综合评判方法中需要对评判对象确定其因素集、备择集以及权重集。

对于上位机的电源模块来说，其寿命主要受安装施工工艺、温度、维修维护以及上位机状态4方面因素影响。相应地，电源模块的因素集为

U=[u1，u2，u3，u4]

(7)

根据影响因素所处的状态不同，将其分为3个等级：好、中、差。依据现场的实际运行情况，将各个影响因素依等级状态进行量化表示，得到集合

(8)

对于电源模块有备择集V，其中Vij为评判等级，同样，将等级分为好、中、差三级。

根据经验选取t1=3×104h、t2=5×104h、与t3=9×104h，则其对应的备择集

(9)

已知W与V就可得到因素评判矩阵

R=W·V=

(10)

不同的因素对电源模块使用寿命的影响是不同的，根据专家打分的方式确定其影响因素的权重集A，有

(11)

则模糊综合评判矩阵为B，有

(12)

对所得的综合评判指标采用加权平均的方式对电源模块的寿命进行评估，有

年

综合现场数据，本文对2013年、2014年与2015年的上位机电源模块故障次数进行统计，分别以开通时间长短对故障数据进行分类，如图4所示。

图4 上位机电源模块故障统计

由图4可得，上位机电源模块在使用5～7年内，故障明显增加。本文对电源模块使用寿命的评估结果与现场实际情况一致。所以，现场维修人员在电源模块使用5年后应加强对模块的状态监测，对其制定相应大修计划，及时更换设备，以确保上位机的正常运行。

由以上可得，模糊综合评判法因综合考虑设备外界因素的影响，其所得的评估结果较传统概率来说更加符合实际情况。其因素集可随着现场实际情况进行具体设置，所以该方法对于其他信号设备同样适用。现场维护人员可以参考该方法对设备制定相应的大修维修计划，及时更换，从而减少设备故障的发生。

4 结语

当前，高速铁路的全面发展对信号设备的维修维护工作提出了更高的要求。为制定合理的维修维护计划，现场维护人员除准确把握信号设备维修周期外，还可利用相关监测手段对信号设备的运行进行实时监测，从而制定完善的状态等级评估体系，为实现维修工作的标准化作业，建立符合现场实际的维修管理模式提供准确依据。

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