可靠性分析在轨道交通系统中的应用

陶涛 ，龙静 ，付勇 ，程晓卿 ，王志鹏

（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510320；2.城市轨道交通系统安全与运维保障国家工程实验室，广东 广州 510320；3.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044）

0 引言

不断增长的交通需求、交通拥挤、能源供给以及气候变化是整个世界所面临的几个主要问题，而轨道交通凭借在环保能效、土地利用、能源消耗以及安全性上的固有优势，必将在未来新型交通系统建设中扮演重要角色。

近年来，轨道交通系统在世界范围内得到了长足发展，特别是在高速铁路、高原铁路、高寒铁路、重载铁路以及城市轨道交通等方面，取得了一系列核心关键技术突破和创新性标志成果，而轨道交通系统可靠性问题也随之越来越受到人们的关注。

1 轨道交通系统范畴

轨道交通是指运营车辆需在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，常见的轨道交通有高速铁路、普速铁路、磁悬浮、地铁、轻轨、单轨和有轨电车等。轨道交通是国民经济发展的大动脉，是国家全局性、基础性、先导性和战略性的基础设施，是国家综合交通运输和城市公共交通系统的骨干网络，也是满足人民日益增长的出行需求、加强国防建设的重要交通工具。作为国家高新技术产业、基础工业、现代服务业发展的驱动行业和承载行业之一，轨道交通行业在我国经济社会发展和民生改善中发挥着不可替代的重要作用，同时也为交通强国、科技强国，以及“一带一路”等建设项目实施奠定坚实的基础。

2 轨道交通系统可靠性分析研究现状

国家标准TB/T 3133—2006《铁道机车车辆电子产品的可靠性、可用性、可维修性和安全性（RAMS）》[1]给出了关于可靠性的定义：在规定的条件下和规定的时间内，产品完成规定功能的能力。规定的条件指维护条件、使用条件、环境条件等；规定的时间是可靠性定义的核心，规定时间的长短随着对象产品不同和使用目的不同而不同。针对轨道交通系统，其可靠性的定义为：在轨道交通系统运营的整个过程中，其子系统功能正常和子系统间作用关系均正常的条件下，完成轨道交通系统运营规定任务的能力。目前，国内外研究者集中在轨道交通关键部件、系统设备设施以及整个路网的可靠性方面进行研究。

2.1 部件级

部件是组成轨道交通系统设备的关键要素之一。关键部件在轨道交通系统运营过程中会由于载荷及运行环境的影响引发失效，由此会对轨道交通系统的运营安全和运营效率造成巨大的负面效应。因此，研究轨道交通系统关键部件的可靠性分析方法对于保障其运行安全具有十分重要的作用。

传统的部件可靠性分析模型基本采用基于现场故障记录历史数据和批量试验数据的可靠度/故障率统计拟合模型、回归模型及贝叶斯估计模型等，并在轨道交通系统中得到了不少应用[2]。然而，这些方法大多针对的是批量设备部件，且计算精度低，无法满足轨道交通系统中特定个体部件及实时变化的运行工况。因此，后续学者在传统模型上进行改进，采用基于性能退化预测模型进行部件的可靠性分析，并总结出分析的主体步骤：

（1）设备部件运行状态特征提取；

（2）性能退化演变规律研究；

（3）基于退化过程的可靠度/故障率分析。

在轨道交通系统中，运行环境复杂多变，提取关键部件的特征信号较为困难，目前大部分是在传感器监测的基础上，采用现代信号处理方法进行设备部件的运行状态特征提取。主要的分析方法包括小波变换[3]、局部均值分解[4-5]、改进包络分析[6]以及随机共振[7]等。在简单提取的基础上，可以进一步提取多传感器获得的多域特征，包括时频域统计指标、小波参数、熵参数等[8-9]。然而，多域特征的证据冲突和维数灾难问题导致特征指标性能下降。目前主要通过特征约减降低样本间的相关性，包括线性和非线性降维方法，如主成分分析[10]、线性判别分析[11]、流形学习[12]、局部保持投影[13]等模型方法。

分析设备部件性能退化规律的方法可分为基于统计的方法、基于状态模型的方法以及基于计算智能的方法。其中，较为常用的模型方法有自组织映射网络[14]、隐马尔可夫模型[15]、支持向量数据描述[16]、高斯混合模型[17]等，并在设备部件性能退化规律的基础上，进行可靠度/故障率的评估与预测计算。然而，自组织映射网络和隐马尔可夫模型不能直观反映具体退化程度，支持向量数据描述模型在处理不同工况下的多状态特征中也有所欠缺，而目前所研究的设备部件多以“正常”和“故障”2种状态为假设，忽视了部件处于“正常”和“故障”之间的隐藏状态。

2.2 系统级

轨道交通系统是由各种设备以及基础设施组成的网络大系统。系统设备与基础设施的可靠性对于轨道交通系统安全运营同样至关重要。系统设备与基础设施的可靠性分析是构建在系统各组成要素（部件）可靠性基础上的综合计算和评价，传统的系统可靠性分析方法有可靠性框图、故障树分析、故障模式与影响分析等经典方法。这些方法在轨道交通系统设备与基础设施中都有所应用，包括针对列车系统、供电系统以及轮轨关系等方面的可靠性分析。但这些经典方法大部分是基于专家的主观经验评定的打分值进行计算，具有一定的主观不确定性，对分析结果也有一定影响。因此，后续学者为规避主观经验的影响，从轨道交通系统设备与基础设施的统计数据和内在机理2方面进行系统可靠性分析。

统计模型类方法是通过研究轨道交通系统设备与基础设施故障时间的概率密度分布函数等，计算系统设备与基础设施相关的可靠性指标，如故障率、寿命以及平均故障间隔时间等，是基于轨道交通故障数据的分析方法。其一般的分析流程包括[18]：

（1）系统设备与基础设施故障数据整理，剔除无效数据；

（2）选定函数类型；

（3）基于故障数据进行参数估计；

（4）基于拟合优度进行最优分布函数的标定。

机理模型类方法是通过分析轨道交通系统设备与基础设施的结构组成，采用模拟仿真的方法对其进行可靠性研究，是基于模拟仿真的分析方法。常用方法是通过进行有限元建模分析，构建系统设备设施的结构强度、材料性质、几何结构、载荷以及疲劳强度等特征指标作为基底变量，进而分析系统设备设施的可靠性并提出相应的管理措施[19-24]。

虽然基于统计数据与内在机理的方法能在一定程度上分析轨道交通系统设备与基础设施的可靠性，但是由于轨道交通系统设备设施具有复杂的功能且内在组成要素（部件）之间存在着共因失效、连锁失效、竞争失效等复杂的相互作用关系，这些方法基本上忽视了系统设备设施内在部件之间复杂的相互作用关系，对结果的正确性也会有一定影响。因此，部分学者基于轨道交通系统设备设施中各部件之间的相互作用关系，研究系统设备设施的拓扑物理结构、功能逻辑以及失效关联关系，并采用图论与网络的方法建立“部件-系统”可靠性网络模型，常用的方法有Petri网[25]、贝叶斯网络[26]以及复杂网络[27]等。然而，这些网络的方法仅在系统部件的规模较小时比较适用，当系统规模达到一定程度时，采用这些网络的方法会产生组合爆炸的问题。

2.3 路网级

轨道交通系统由多个相互关联的子系统集成而成，包括列车、线路、车站、信号、列车控制和供电系统等，整个系统的运行是各子系统及其规定的完整功能相互集成的结果。与设备系统的可靠性分析方法有所区别的是，有些学者从轨道交通系统网络的视角，提出节点与边的概念以及节点和边的属性来研究轨道交通系统可靠性。

大部分学者采用复杂网络的模型，以车站为节点、以线路为边，以车站整体可靠性状态为节点属性，以线路整体可靠性状态为边属性进行轨道交通系统复杂网络模型的构建，以网络生存特性作为轨道交通系统可靠性的指标进行标定，如系统网络的可达性、连通性、异质性、脆弱性、抗毁性等指标[28-33]。

另一部分学者从轨道交通系统运营服务的角度，基于列车运行过程与客流的角度分析轨道交通系统网络运营可靠性，包括列车运行图正点可靠性研究[34-37]、运营服务可靠性研究[38-41]等。

3 轨道交通系统可靠性分析研究未来展望

3.1 部件级

尽管目前国内外学者已在轨道交通系统关键部件的可靠性分析研究中作出一定贡献，但仍有以下问题需要继续深入研究与探讨：

（1）轨道交通系统关键部件监测数据是强干扰下的非线性非平稳随机信号，要考虑采用自适应的信号处理方法去除干扰同时获得最有效的特征信号。并且关键部件的监测传感器类型多样，监测数据量庞大，如何对多类型多域海量的特征信号大数据进行特征提取和降维处理是核心的关键问题。

（2）轨道交通系统关键部件的性能退化过程主要受健康状态和失效模式的共同作用影响，因此必须同时考虑基于多域特征变量的状态模型和基于失效机理的物理模型，并在此基础上考虑有效的混合模型构建方法，才能获得准确的关键部件性能退化预测模型。

（3）轨道交通系统关键部件运行状态的演变是多状态的，而且受工况、环境等内外部影响因素作用，因此传统的二状态随机模型无法满足可靠性分析评估的要求，必须构建高效的多状态可靠性分析评估随机模型，同时考虑内外部影响因素的变化，建立起最大程度反映实际运行状况的关键部件可靠性分析模型。

3.2 系统级

系统设备设施可靠性分析方法的研究已经逐渐从定性向定量、静态向动态、关系独立向关系复杂的方向发展，并在轨道交通系统设备与基础设施中得到了不少应用。然而面向轨道交通系统设备设施运行的可靠性研究仍存在不少难点：

（1）列车、信号系统、供电系统等轨道交通系统设备设施是一种复杂的机电信息大系统，其零部件众多，且存在着复杂的相互作用关系。因此，如何通过建模定量分析系统部件之间的相互作用关系是需要继续跟进的研究内容。

（2）基于系统部件之间的相互作用关系，如何通过“部件-系统”自下而上定量有效地分析整个轨道交通系统设备设施的可靠性也是需要深入研究的内容。

3.3 路网级

通过文献分析发现，虽然目前轨道交通路网级可靠性研究取得了较多成果，但仍存在一定不足，主要体现在：

（1）轨道交通路网规模巨大，结构复杂，涉及到车站、线路与路网不同层级的安全因素，如何建立有效的系统可靠性分析模型以反映路网的实际情况需要进一步研究。

（2）大多数轨道交通系统可靠性分析主要体现在路网的连通可靠性等方面，并没有结合轨道交通系统设备的可靠性状态以及面向运输任务的可靠性分析。

（3）轨道交通系统运营服务可靠性分析的研究仅在列车运行过程与客流的层面上做出一些尝试，并没有拓展到基于整个轨道交通系统运营任务的整体分析，因此，如何在轨道交通系统路网结构的基础上结合系统运营任务，分析整个轨道交通系统可靠性需要进行深入的研究。

4 结束语

轨道交通系统可靠性分析技术需要总结国内外实际应用经验和热点研究内容，重点开展基于轨道交通系统关键部件、系统设备设施以及整个轨道交通网络运营任务可靠性的研究，并持续应用新理念，采用新技术，改造和提升传统可靠性研究技术，加快轨道交通系统可靠性分析技术的更新和进步，以实现轨道交通系统健康、绿色、安全运营的目标。