地铁车辆维修策略研究

吴宽，段洪亮，孙洪亮，叶都玮

（1.北京京城地铁有限公司，北京 101312；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062；3.上海轨道交通设备发展有限公司，上海 200245）

0 引言

地铁作为我国城市轨道交通的关键组成部分，地铁车辆的维修工作能为车辆的安全稳定运行提供基本条件，合理开展地铁车辆维修工作，能有效地保障地铁车辆安全运行，提升车辆运行质量、降低运营成本［1］。由于目前我国大多数地铁公司制定的地铁车辆维修制度大多根据《铁路设计规范》，有很多概念和理念未脱离铁路框架和束缚［2］，地铁车辆检修部门依据车辆运营规划、根据地铁车辆场段的检修条件、确保地铁车辆状态满足上线需求提前下，制定出地铁车辆维修计划。

地铁车辆维修计划依据车辆供应商的技术资料（尤其是地铁车辆各部件的维修周期和寿命周期），按地铁车辆运营里程和运营时间编制，地铁车辆维修计划以定期维修为主，涵盖定期维修、故障维修和改善维修3 种维修方式，通常可分为厂修、架修、定修、月检和列检5 个等级，其中厂修、架修和定修为定期维修，月检和列检为日常维修。故障维修又称临修，即当地铁车辆发生随机故障时临时检修处理［3］。国内部分地铁公司执行日检与均衡修、架大修等地铁车辆维修计划，所谓均衡修，指将原来集中在某几个检修时间段内的检修作业任务分散到运用窗口期或者较低级别的修程中进行，使整个检修工作分散而均衡，以平衡各个级别修程的修车库停时间［4］。综上，我国地铁车辆主要采用预防计划性维修为主体与故障修结合的检修模式，例如北京京城地铁有限公司负责运营的北京地铁机场线执行《QKZ5 型地铁车辆检修规程》，规定车辆检修除日检、周检外，还在不同的走行公里或时间间隔进行规定项目维修，所以北京地铁机场线地铁车辆预防修采用以周期检修与定期检修相结合的计划修方式。在过去的3 年中，北京地铁机场线车辆专业的生产计划完成率、全年列车运行图兑现率和列车正点率均完成较好，实现北京地铁机场线运营工作平稳有序。2021 年度，北京地铁机场线车辆专业故障率年控指标为2.31 件/百万车公里，实际为1.594 件/百万车公里，车辆专业的维修成本占总维修成本（包括车辆、供电、通信、信号、线路、AFC、土建设施专业）的14%左右，减小欠修与过修的影响、保证正线故障数可接受、降低维修成本，成为北京地铁机场线地铁车辆维修的研究课题。

1 维修策略概念

维修策略是指针对产品劣化情况制定的维修方针，包括决策依据、维修措施和维修计划。决策依据指用于评估产品劣化情况的依据，主要包括寿命、状态和故障；维修措施是执行维修决策和到达预期效果的手段；维修计划包括维修间隔或周期安排、检查间隔和周期安排等。相对目前我国地铁车辆局限于计划修与故障修模式，EN 13306 将维修策略在整体上划分为纠正性维修和预防性维修两大类，并细化了可用的所有维修措施，维修结构分类见图1。纠正性维修在故障或故障识别后进行，旨在将设备恢复到能够执行所需功能的状态，细分为即刻纠正性维修与延迟纠正性维修。预防性维修可分为2 种方法：第1 种方法按照既定时间间隔或使用次数进行预防性维修，但事先未进行状态调查，该方法称为预定维修，通常基于使用情况（自然时间、工作时间、里程或次数等）；第2 种方法包括对物理条件的评估、分析和可能的后续维修行动制定的预防性维修，该方法称为基于状态的维修，基于状态的维修的间隔不根据固定的使用情况，仅在“需要时”执行维修，也称为按需维修。

图1 维修结构分类

我国已有专家提出运营后期条件成熟时，采取“以状态预防维修为主，多种维修方式并存”的维修策略，不但可以降低故障率，也可以有效控制检修成本和周期，提升车辆整体运营水平［5］。

采用多种维修策略组合的维修计划可尽可能地减少检查、维修和设备停机时间，降低整体维修费用，通过更有效地规划维修干预措施，可提高地铁车辆的可用率和可靠性。采用多种维修策略组合的地铁车辆维修计划，并通过地铁车辆的运营情况与维修数据动态优化修程是减少正线故障率与降低整体维修成本的可行之路。

2 研究路线

地铁车辆维修策略研究及规程优化工作是地铁车辆全寿命周期运维管理中重要的工作之一，研究路线包括地铁车辆研发设计、危害模式和后果、建立维修策略与规程并进行成本效益分析、维修计划生产与维修实施（见图2）。

图2 地铁车辆维修策略研究路线

2.1 维修策略化

2.1.1 维修策略类型

当前，国际上比较先进的地铁车辆维修策略主要分为两大类：

（1）纠正性维修：通常指当设施设备故障后安排维修人员到场维修，纠正性维修细化为即刻纠正性维修与延迟纠正性维修。

（2）预防性维修：主要为预定维修、基于状态维修，其中基于状态维修进一步分为预测维修与基于状态非预测维修，进一步细化为基于状态维修与预测维修、基于状态非预测维修。相对其他维修，基于状态维修与预测维修、基于状态非预测维修3种维修策略相对较先进，欧盟标准EN 13306 对基于状态维修的定义为预防维修，包括物理状态评估、分析和可能的后续维修行动，基于状态维修是维修活动的进阶状态，即维修方通过对设备运行状态监控进行相应的维修工作。欧盟标准EN 13306 对预测维修的定义为根据重复分析或已知特性得出的预测以及对项点退化的重要参数的评估，进行基于状态的维修。

2.1.2 基于状态维修

2.1.2.1 概念

近年来，人们一直努力将航空、军事领域中发展起来的状态监测概念引入地铁车辆维修领域，在这种模式下，维修从基于时间或里程的构建过渡到基于系统本身需求或条件的构建。随着我国城市轨道交通的智能运维工程逐步开展与推广，例如科技部关于北京地铁的“超大城市轨道交通智能维修关键技术与应用研究”，随传感器与退化分析技术越来越成熟，越来越多部件性能退化可以被观察到，这种维修策略会更加普遍。

2.1.2.2 类型

基于状态维修首要任务是对系统与设备进行自动状态监控，最早出现自动状态是在20 世纪40 年代末的格兰德铁路公司，他们通过在发动机机油中检测到“任何”乙二醇或燃料时进行维修，可减少发动机故障。状态监测有2种类型：在线连续型监测和定期离线监测。

（1） 在线连续型监测。通过安装在地铁车辆上的传感器对地铁车辆子系统持续监测，并在超过阈值时触发警告。

（2） 定期离线监测。通过地铁车辆以外的各类检测仪器，在一段监测周期内对地铁车辆进行必要的监测称离线监测。通常定期离线监测是相对优选的，因为其更具有成本效益，但是需要结合检测技术特征、设施设备故障规律、维修活动的可执行性等后决定定期离线监测的检测周期。

选择在线连续型监测或定期离线监测，需要从多方面综合考虑。

2.2 确定维修策略

采用可靠性为中心的维修方法可以确定地铁车辆各级设施设备维修策略，需要了解可靠性与可靠性为中心的维修（RCM）概念：（1）可靠性。指系统在规定时间内、在运行环境中按设计运行而无故障的能力；（2）RCM。是一种基于操作、经济和安全、环境标准制定和选择维修策略及设计方案的方法。RCM 出现于20 世纪60 年代，最初面向飞机维修，并在过去的几十年其他行业也开始接受这一概念。

RCM 是一种用于确定设备维修需求、制定和优化维修策略的系统工程，以研究设备可靠性规律为基础而得到广泛应用。RCM 通过基于设备在其使用环境下的功能与故障分析，明确系统内各设备故障后果和危害程度；对安全、可靠与经济性方面综合考虑，利用一种规范化的决断逻辑对不同维修策略进行选择和组合优化，实现设备故障后果的全面和有效管理。

RCM 与各种维修策略协同，是使用适用的维修技术支持选择和执行维修任务的管理决策。RCM 作为管理工具将各类维修策略有机组合，维修人员可以加强为各级设施设备选择技术最合适、最有效的维修策略。反之，通过维修后反馈的及时、准确状态评估数据提高RCM对故障管理策略的分析与确定。

2.3 地铁车辆结构化分解及对应维修策略

2.3.1 结构化分解

地铁车辆维修重点是根据各零部件的状态为具体零部件选择正确的维修方式和维修层次，合理安排修理计划并付诸实施［6］。实现地铁车辆多种运用修策略选择与实施前，需要对地铁车辆结构化分解，分解工作可参照北京地铁公司编制的《车辆设备设施分级编码规范》，该规范结合北京地铁公司既有维修模式，给出地铁车辆分级清单，进一步确定地铁车辆运维管理工作中设备解构模型、设备重要性分级、设备编码形式与运维管理设备主数据，指导各单位维修系统的设备数据交互过程。

《车辆设备设施分级编码规范》将车辆专业划分成12 个子系统，每个子系统根据车辆专业重要程度，细化为4级编码与对应的维修项点，实现电动客车标准化与结构化分解，为实现地铁车辆多种运用修策略的选择做出重要的基础工作。

2.3.2 对应维修策略

依照“十字法则”，可将地铁车辆各级设施设备的故障频率和发生故障后的影响程度划成2 个维度及4 个象限，从中优先考虑运用修策略。针对故障率低且故障影响小的设备设施可采取故障修的策略；针对故障率高且故障影响小的设备设施可采取预防维修的策略；针对故障率高且故障影响严重的设备设施建议更换设备或进行投资改造；针对故障率低且故障影响严重的设备设施建议采取基于状态的维修。

对地铁车辆发生故障后影响程度划分时，需依据事前已做出定级的设备重要性以及故障影响程度两者综合评判结果，尽量避免人为主观因素干扰，保证故障分类的客观性，且不允许出现同一设备同一故障现象及故障分类结果不一致的情况。该工作可参照北京地铁公司编制的《车辆设备设施故障分类规范》。

2.4 对系统性能退化评估与修程优化

基于状态非预测维修主要结合地铁车辆设备本身的运作监控数据及运作机理进行简单判断，对外部影响因素考虑不全时，会发生欠修的情况；基于状态预测性维修是地铁车辆运用修最新发展的方向，主要得益于工业互联网、大数据及人工智能的交互应用，主动且针对性强，其核心思想是通过对设备及系统运行状态进行故障诊断与健康预测，最大化部件的使用效益，同时也极大地降低正线故障发生概率。基于状态非预测维修与预测性维修之间最大的差异在于是否重复分析或已知特性得出预测，以及对项点退化的重要参数评估。

地铁车辆属于机电产品，包含有极高可靠性的元器件，这些零部件在寿命试验中通常只有少量故障或者没有失效出现，从某种意义上讲，可以认为地铁车辆的零部件性能退化最终导致了车辆专业的设施设备失效（或故障）产生。《基于性能退化数据的可靠性评估》［7］中针对具有退化失效机理的高可靠长寿命产品，提出了基于退化轨迹与基于性能退化量分布2种可靠性评估方法。地铁车辆较高的可靠性元器件可采用退化失效建模的数学方法，包括定量失效退化模型与非定量失效退化方法，其中定量失效退化模型基于统计学理论与相关推导过程，包括基本概率理论、马尔可夫理论、贝叶斯理论与泊松过程等。同时，利用高加速试验或领跑试验得到的零部件性能退化数据可以在产品不出现失效的情况下对产品可靠性进行评估，并修正零部件的定量失效退化模型。

2.5 费用效益

在选择策略中，尤其在选择预测维修与基于状态非预测维修、预定维修这3个维修策略时，还需要综合考虑三者的费用效益比。结合当前运维检修目标与实际状况，可设定4个主要的费用效益目标：

（1）减少因设备故障导致的地铁车辆在正线的故障次数。

（2）减少地铁车辆的维修总成本与总人工时。

（3）增加可重复计划和安排的工作量，减少重型维修、随机发生和计划外的工作量，且维持相对稳定的工作负荷水平。

（4）减少对设施设备的不必要更换，且减少材料和备件库存的金额或数量。

3 案例分析

3.1 车门系统维修决策

“超大城市轨道交通智能维修关键技术与应用研究”项目组首次从北京地铁机场线地铁车辆的系统层面进行可靠性分析和维修策略优化，引入马尔可夫-通用生成函数法模型并构建最小费用模型（见图3），实现车门系统的维修费用降低。通过长期数据分析发现车门的维修周期过短，存在过修现象。通过对车门系统维修周期优化，在满足车门系统可靠性的条件下延长车门系统维修周期，每年预防性维修费用降低超过20%。

图3 构建最小费用模型

3.2 备品备件需求预测

北京地铁机场线2018—2021 年中共有1 583 种备件，其中需要预测的备件共有1 364 种，部分较重要且需求量较大的备件需要更准确的预测方法，如轮对、制动闸片、受流器滑块、制动器悬架、一系悬挂橡胶垫等。

“超大城市轨道交通智能维修关键技术与应用研究”项目组对受流器滑块进行基于寿命分布参数预测的备品备件需求预测研究，引入窗口删失更新理论，估计部件的寿命分布参数并预测（见图4），实现受流器滑块备品备件需求更平滑、波动更小。

图4 估计部件的寿命分布参数与预测

4 结束语

结合多种维修策略的地铁车辆维修计划潜在优势包括：更具预测性与决策能力、车辆关键设备健康的实时评估、实现整体配车组数可用性提高与剩余寿命估计等。同时，适当的地铁车辆维修计划应该经过精心设计，需要对维修成本、设施设备故障成本和其他相关损失进行平衡，同时也要对资产所有权和运营利润之间的关系进一步优化。

建立包括预测维修等多种维修策略的地铁车辆维修计划是地铁车辆运维企业数字化转型的一项重要工作，在风险、绩效与成本3个方面重新构建新模式，对地铁车辆运维业务的变革产生积极影响，实现地铁车辆核心资产的价值最大化。