城市轨道交通信号设备综合寿命评价系统研究*

姜 西 虞 翊 阿力玛斯·伊力夏提 陈义军

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海；2.同济大学国家磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海//第一作者，硕士研究生)

我国城市轨道交通已有多条早期开通运营线路已进入或已超越大修期，今后会有越来越多的运营线路设备临近或进入大修期。但我国在城市轨道交通信号设备的使用及替换等方面始终未能提出明确的处理办法，由此造成了资金浪费、故障频繁及设备滥用等情况。

目前，对信号设备寿命的研究大多是针对其可靠度及故障率，并提出相应的维修维护策略。文献[1-3]仅针对设备的物理寿命进行了研究，未考虑其经济性及其它方面的因素影响。但实际上,对设备使用寿命的评估不仅要考虑设备管理的过程，也要考虑价值变动的过程。因此，科学地评估设备全寿命周期，要综合考虑设备的可靠性、技术性及经济性等因素。

1 信号设备的使用寿命

设备的使用寿命是指从设备产品的需求设计开始至设备停用或报废为止。也有学者认为，设备的寿命是指设备从投入生产开始，经过有形磨损，直至在技术上或经济上不宜继续使用，需要进行更新所经历的时间。

从不同的角度,可将设备的寿命划分为物理寿命、技术寿命和经济寿命等，需要综合考虑各方面的影响因素来确定复杂设备的实际使用寿命。

1.1 信号设备的物理寿命

设备的物理寿命是指设备从全新状态开始使用，一直到不再具有正常功能而报废为止的全部时间。它与设备的固有可靠性有关，也与维修保养的好坏密切相关。一般来说，信号设备的物理寿命与其健康水平相关。二者关系如图1所示，信号设备的相对健康水平S1(t)随时间的变化为[3]:

S1(t)=a0+f1(t)

(1)

ts1=tf1-t

(2)

式中:

a0——设备相对健康水平变化曲线的形状参数,为常数;

f1(t)——描述设备相对健康水平变化规律的单调减函数,f1(t)<0;

ts1——信号设备当前的剩余物理寿命;

tf1——设备功能失效不能满足继续工作要求的时刻。

S1(t)∈[0,100],即用[0,100]之间的分值表示设备当前的相对物理健康水平，S1(t)=0表示t时刻设备处于功能失效的临界点，S1(t)=100表示t时刻设备处于最佳工作状态。

对设备进行维修(包括预防性维修)可以在一定程度上提高设备的相对健康水平，从而延长设备的物理寿命(见图2)。对设备进行维修,维修后的设备相对健康水平变化曲线形状参数为a1，所以维修后的设备健康水平为:

S1(t)=a1+f1(t), (t>t1，2)

(3)

图1 设备相对健康水平随时间变化曲线

图2 维修后设备健康水平随时间变化曲线

1.2 信号设备的技术寿命

信号设备的技术寿命是是指从开始使用到因技术落后而被淘汰所经历的时间，以技术落后作为

不能“有效使用”的判别准则。图3为信号设备技术水平随使用时间改变的示意图。

图3 设备技术水平随时间变化曲线

信号设备的技术水平是一个与时间相关的变量，同设备的相对健康水平类似。设备开始投入使用后的相对技术性评价为式(4),在t2时对设备进行技术更新后，设备的相对技术性评价为式(5)。S2(t)∈[0,100]，0表示设备技术落后的临界点，100表示设备使用了最新的技术。对设备进行技术更新改变的一般是b0的值。

S2(t)=b0+f2(t)

(4)

S2(t)=b1+f2(t), (t>t2)

(5)

式中:

b0——设备相对技术水平变化曲线的形状参数,为常数;

b1——维修后的设备相对技术水平变化曲线形状参数；

f2(t)——描述设备相对技术水平变化规律的单调减函数,f2(t)<0。

1.3 信号设备的经济寿命

信号设备的经济寿命是指设备从开始使用到其年度总费用最小的使用年限。设备的经济寿命如图4所示。当设备的年度运营维护费用和年度设备消耗费用之和最小时，即tf3时为设备的经济寿命。设备在t3时的年均总费用Ct如式(6)所示。

图4 设备的经济寿命

(6)

式中:

A——设备初期的购置费;

Mi——设备第i年的运营维护费用;

B——设备截至t3时的维修或技术更新总费用[4]。

对设备进行维修或技术更新会对设备的经济寿命造成一定的影响，有时会延长设备的经济寿命，而设备在实际使用过程中的经济性却降低了。本文对设备的相对经济性S3(t)用式(7)表示。其中，S3(t)∈[0,100]，0表示在没有维修和技术更新情况下，设备年均总费用最大；100表示该条件条件下设备年均总费用最小。可见，设备的年均总费用越低,经济性评价越高。

(7)

式中:

Cmax——不存在维修和技术更新条件下设备的最大的年度总费用(一般为设备刚投入使用的一年);

Cmin——最小的年度总费用。

图5 设备相对经济性随时间变化曲线

2 信号设备寿命评价系统设计

本研究主要从设备的相对健康水平、技术水平和经济性等方面对轨道交通信号设备当前剩余寿命进行综合评价预测，并针对设备的使用现状给出相应的维修决策。

2.1 系统结构和功能设计

本研究采用最新的维修管理体系OSACBM(Open System Architecture for CBM)，构建信号设备寿命评价体系结构,如图6所示。信号系统关键设备寿命评价结构主要分为数据采集、数据处理、状态监测、寿命评估与预测、维护决策支持、表示等6个层次。

图6 信号设备寿命评价系统

信号系统关键设备寿命评价系统联合既有监测系统、传感器组合、智能采集单元等信号设备的数据库，获得各种设备的运行环境和工作状态信息，结合专家评价信息和运维消费信息，经数据融合和处理，得到设备的寿命评价结果，并进一步给出相应的维修维护决策建议。

2.2 系统功能

信号系统关键设备寿命评价系统是一个开放式分层体系结构的系统工程，主要有数据处理、寿命评价预测,以及维护决策的优化及建模等主要功能。

2.2.1 数据处理

信号设备实际应用环境复杂、影响使用寿命的指标繁多，而且与其使用寿命相关的特征信息很多难以定量。寿命评价系统采取的数据处理方法主要包括数据去噪、数据降维、数据归一、数据融合等。

2.2.2 寿命评价预测

对设备的剩余寿命评价包括对设备物理寿命、技术寿命和经济寿命的评价。设备的使用剩余寿命由三者共同决定[5]。

目前,运用较广泛的设备剩余寿命预测方法主要是基于可靠性的剩余寿命预测法和基于状态监测的剩余寿命预测法[6-8]。基于可靠性的剩余寿命预测法主要针对服从物理寿命分布类型的设备，根据设备的使用情况,来预测该设备的剩余寿命[9]。基于状态监测的剩余寿命预测方法主要通过对设备实时状态的监测参数，选择符合监测现状的失效模型，确定设备失效的界限，从而预测设备的剩余寿命[10]。

设备技术寿命的评估方法主要有历史经验法和对比分析法。

2.2.3 维修决策的优化及建模

一般情况下，对设备进行维修或技术更新后，当前设备的相对健康水平或技术水平有一定提升，而设备实际的经济性却有所下降。

维修决策的优化目标是：①保证设备的相对健康水平和技术水平能满足安全可靠性的要求；②信号设备经济性要求尽可能高，即使用过程中其相对经济性呈增长趋势；③维修必须改善设备的实际使用寿命。

在寿命评估预测技术的支持下，设备决策利用最优化维修建模,科学合理地确定维修活动的周期和维修方式，形成提高各关键设备实际使用寿命的综合维修决策。

3 信号设备综合寿命评价方法

3.1 信号设备综合使用寿命

本研究主要采用设备的相对健康水平、相对经济性及技术水平等对设备的剩余寿命进行综合评价。

首先,获取运维管理专家对这三方面的客观评价，借鉴层次分析法的思想构造判断矩阵A，

式中:

将矩阵A按列归一化处理:

然后按行求得到:

对vi归一化处理,得到

所得W=[w1,w2,w3]即为各影响因素的相对重要度权重。

对设备的综合评价为:

(8)

记t时刻设备的综合状态为E(t，E(t))，则设备的综合评价E(t)变化趋势如图7所示。预测得到的剩余寿命是设备维修决策优化的重要依据。

图7 E(t)随t变化曲线

3.2 设备的维修决策

设备在使用的过程可能会出现以下两种情况：

(1) 设备出现物理不可接受的、技术不可接受的或经济不可接受的状态。

(2) 设备虽未出现物理不可接受、技术不可接受或经济不可接受的状态，但如综合考虑物理、技术和经济是不可接受的状态。

对于已处在E(tf,E(tf))的设备，应立刻中止其使用，其使用寿命已经结束，应更换设备。对于处于不可接受状态的设备,以及虽处于可接受范状态但可以进行预防性维修或技术更新的设备，应判断E(t)采取的措施是否可改善其状态。

如图8所示，对采取措施之后的设备状态记为E(t,E(t))/Sn(t)，其寿命结束条件变为E(tf,E(tf))。对处于不可接受状态的设备，若采取措施之后E(t)>E(0)，则建议对设备采取相应的维修或技术更新措施，否则建议更换设备。对处于可接受状态的设备，若E(t)>E(0)，且tf>tf，0，则建议采取预防性维修或技术更新措施。

图8 采用维修或技术更新等措施的E(t)随t变化曲线

3.3 算例分析

通过采集相关专家的评价意见，计算得到设备的物理健康状态、技术水平、经济性等三个因素的权重为W=(0.40,0.33,0.27)。代入式(8)中进行计算，设备在无预防性维修、第5年进行预防性维修和第10年进行预防性维修条件下的设备综合评价状态趋势变化如图9所示。

在无预防性维修的情况下，设备的综合评价使用寿命为17.7 a。若在设备使用的第5年进行预防性维修，则设备综合评价使用寿命仍为17.7 a;因此，不建议在第5年对设备进行维修。而如在设备使用的第10年对设备进行预防性维修，则可将设备综合评价使用寿命提高为18.1 a;因此，建议在第10年对设备进行预防性维修。

a) 整体趋势图

b) 趋势图局部放大图

对于综合评价高于E(0)的偶然失效设备，需进行维修预测，若设备维修后的综合评价值低于E(0)则建议对设备进行更换，否则建议对设备进行故障维修。

4 结论

本文从轨道交通信号设备的物理寿命、技术寿命和经济寿命等方面综合对信号设备的实际使用寿命进行评价，给出一种信号设备寿命的评价系统，通过相对健康水平、相对技术水平和相对经济性等指标对信号设备使用寿命进行综合评价，并据此作为信号设备的维修决策依据，提出了轨道交通信号设备维修更新处理决策的方法，在一定程度上减少了信号设备维修的资源浪费。