徐保強(qiáng)，龍靜，李葆文，王海

（1.廣州大學(xué)，廣東 廣州 510006；2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部，廣東 廣州 510220；3. 學(xué)府信息技術(shù)咨詢（廣州）有限公司，廣東 廣州 510090）

1 差異化維修策略與BDBM精準(zhǔn)維修

1.1 如何構(gòu)建適用于城市軌道交通行業(yè)的差異化維修策略

隨著城市軌道交通設(shè)備的更新迭代，設(shè)備種類、設(shè)備技術(shù)層級、設(shè)備役齡等均呈現(xiàn)多樣化。線網(wǎng)的設(shè)備運(yùn)營環(huán)境更為復(fù)雜，新線路維保人員數(shù)量和技術(shù)水平相對不足，設(shè)備工作環(huán)境的差異等因素讓設(shè)備可靠性保持面臨著更多的不確定性。因此，為實(shí)現(xiàn)好設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下可靠性保持的目標(biāo)，研究設(shè)備在不同條件下的差異維修策略，對當(dāng)前軌道交通穩(wěn)定運(yùn)營有著重要意義。

要保證設(shè)備的可靠性目標(biāo)能持續(xù)、有效、全過程地實(shí)現(xiàn)，對維修策略制定要求非常高：不僅需要明確宏觀策略層面的定位，同時(shí)要有執(zhí)行層面的指引，從策略到執(zhí)行層面之間形成關(guān)聯(lián)支撐。即需要制定全系統(tǒng)、全壽命周期不同階段節(jié)點(diǎn)、不同應(yīng)用場景所對應(yīng)的維修策略。同時(shí)，環(huán)境時(shí)刻變化，制定的策略應(yīng)具有時(shí)效性，需要及時(shí)更新。本文結(jié)合上述策略制定的方式，構(gòu)建出城軌交通設(shè)備系統(tǒng)維修策略選擇模型（圖1）。

1.2 什么是基于大數(shù)據(jù)的維修模式

軌道交通領(lǐng)域涉及專業(yè)多而廣，其中土木、車輛、機(jī)電、供電、維保、通信、信號(hào)、環(huán)控、AFC等，這些專業(yè)通過人工或自動(dòng)傳輸?shù)确绞讲杉a(chǎn)生的數(shù)據(jù)數(shù)以百萬計(jì)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，深入探索軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，對于提升軌道交通的運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量和水平有著重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)踐管理作用。

大數(shù)據(jù)和基于大數(shù)據(jù)的維修模式。

大數(shù)據(jù)（big data），指無法在一定時(shí)間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。

所謂基于大數(shù)據(jù)的維修模式（BDBM，Big Data Based Maintenance），就是基于設(shè)備劣化的多種類型的大量數(shù)據(jù)信息，判斷維修時(shí)機(jī)和指導(dǎo)維修工作的維修管理模式，也可以看作是智能維護(hù)時(shí)代一種非常重要的維修策略。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)時(shí)地采集、處理、分析設(shè)備故障及失效模式的所有數(shù)據(jù)成為可能。我們認(rèn)為，在諸多維修策略中，未來BDBM——大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的維修體系將成為主導(dǎo)方向。

1.3 BDBM精準(zhǔn)維修的數(shù)據(jù)來源

對于軌道交通行業(yè)來說，可用于故障及失效預(yù)測的數(shù)據(jù)來源主要包括（限于本文篇幅，每類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)就不再詳細(xì)闡述）：

（1）設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括噪音、振動(dòng)、電流、電壓、溫度、壓力等；

（2）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括在線（連續(xù)）、離線（間隔）監(jiān)測數(shù)據(jù)（開關(guān)量）；

圖1 維修策略選擇模型

（3）設(shè)備點(diǎn)巡檢數(shù)據(jù)，包括通過簡單儀器/工具或人的五感獲取的數(shù)據(jù)和信息；

（4）設(shè)備維修歷史數(shù)據(jù)，包括故障履歷、換件信息、修復(fù)記錄等。

1.4 如何確定適用于BDBM的典型設(shè)備

毫無疑問，基于大數(shù)據(jù)的維修模式（BDBM）并不適用于全體設(shè)備，不管是從技術(shù)手段適用性方面，還是從經(jīng)濟(jì)費(fèi)用有效性分析方面考慮，BDBM都有其適用范圍。一般來說，對于軌道交通行業(yè)來說，我們先依照前文所述的差異化維修策略，確定不同維修策略的設(shè)備集合（新型ABC分類原則），從A類設(shè)備中選擇適于開展BDBM精準(zhǔn)維修模式的設(shè)備，如圖2所示。

圖2 確定適用于BDBM的典型設(shè)備

2 特征參數(shù)矩陣與集合優(yōu)選分析方法

2.1 如何構(gòu)建典型設(shè)備的特征參數(shù)矩陣

如果我們對設(shè)備缺陷/故障特征進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)好的故障特征矩陣（也稱故障字典）應(yīng)該是不亂不漏的，符合代數(shù)線性相關(guān)準(zhǔn)則，可以將其表達(dá)為特征和故障對應(yīng)形式，稱之為典型故障陷阱，如表1所示。

表1 故障特征矩陣與典型故障陷阱

其中，特征即為故障表征，即故障表現(xiàn)出的癥狀，可以是符號(hào)表示，也可以簡單文字描述；故障即故障的名稱，特征值是在{0，1}取值的，非0則1，只有兩個(gè)數(shù)值。0表示該特征不存在，1表示該特征存在。

應(yīng)用要點(diǎn)：

（1）故障特征矩陣中的特征值K1，K2，…Km與系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)值是有所區(qū)別的，特征值是以0或1反映某一特征存在與否，而不代表該特征的具體度量；

（2）故障樹與故障特征矩陣的關(guān)系：不論故障樹的結(jié)構(gòu)如何，均可以簡化為具有如下結(jié)構(gòu)函數(shù)的故障樹，即：，其中為最小割集，每一割集可以看成是一個(gè)子故障，于是可以逐次建立故障特征矩陣；

（3）故障特征對故障的貢獻(xiàn)大小不同，也就是其權(quán)重有所不同；另一方面，許多故障特征有一個(gè)程度問題，不能簡單地用“有”與“沒有”來劃分，需要做進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.2 如何基于故障集合優(yōu)選分析模型來優(yōu)化故障定位

故障集合優(yōu)選分析模型是故障定位的程序優(yōu)化方法。

一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)，故障原因往往不是直觀的，而是潛伏在較深層次之中。因此，在故障診斷中，我們應(yīng)盡可能考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性，尋求在縱橫交錯(cuò)的故障網(wǎng)絡(luò)之中較快地進(jìn)行故障搜尋。

故障的診斷與搜尋，離不開對故障理化現(xiàn)象的了解，對系統(tǒng)的熟悉與認(rèn)識(shí)。而故障的搜尋、判斷速度，則取決于搜尋路線的選擇，取決于優(yōu)化策略和思維邏輯，以及一些運(yùn)算的技巧。

故障集合優(yōu)選分析模型就是通過建立故障原因與表征之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，運(yùn)用集合運(yùn)算的方法，結(jié)合三個(gè)故障搜尋的優(yōu)化準(zhǔn)則（即最大概率原則，最小費(fèi)用原則和純集優(yōu)選原則。）進(jìn)行故障診斷。如果將此模型方法與邏輯推理結(jié)合起來，則構(gòu)成較為完整的故障診斷框架。

在實(shí)際場景下，常常出現(xiàn)這樣的情況：一類故障對應(yīng)產(chǎn)生多種故障表征或者癥狀；反過來，一種表征或癥狀又會(huì)是多類故障的反映。

就方法論而言，故障診斷的途徑不只一種。然而，無論何種手段、方法，一般應(yīng)對被檢對象各種故障所表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象（如噪音、振動(dòng)、溫度、電壓等）有所了解。另外，對“癥狀”與故障原因之間的關(guān)系也應(yīng)清楚。故障的檢測人員還應(yīng)熟悉各種“癥狀”的檢測手段和工具，了解各類檢測的難度和費(fèi)用，對于各種故障對應(yīng)的癥狀或表征、故障原因所發(fā)生的頻率（概率）也應(yīng)盡量掌握。一個(gè)好的維修與設(shè)備管理人員，應(yīng)隨時(shí)收集和記錄以上的信息，主動(dòng)地積累經(jīng)驗(yàn)。只有掌握了充分的故障信息，才能夠更快捷、準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷。

如圖3所示故障與表征（癥狀）的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖，{f1、f2、f3、f4}為故障集合，表示“病因”，{s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7}為表征集合，表示“臨床癥狀”。它們之間的連線表示它們之間存在著因果關(guān)系。顯然，一個(gè)故障可能有多個(gè)表征，就像一種疾病有多個(gè)癥狀一樣；一個(gè)表征聯(lián)系多個(gè)故障，就像一種癥狀可以在多個(gè)疾病里出現(xiàn)一樣。

圖3 故障與表征（癥狀）的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖

診斷及應(yīng)用過程如下：

（1）找出某特征出現(xiàn)后對應(yīng)的故障集，如圖1所示中的s3對應(yīng)的故障集{f1, f2, f4}。

（2）找出它們所對應(yīng)的表征集合：f1→{s1, s2,s3}；f2→ { s1, s2, s3, s4}；f4→ { s3, s4, s5, s6, s7}；

（3）求出各表征純集。Puref1=Ф；Puref2=Ф；Puref4={s5, s6, s7}；

（4）按表征級優(yōu)選準(zhǔn)則，在f4的純集中，按照s6，s5，s7的順序進(jìn)行檢驗(yàn)，s6不顯著，s5顯著，于是可以斷定s5對應(yīng)的故障f4為故障源。

2.3 如何監(jiān)測和收集設(shè)備典型故障失效模式模式的數(shù)據(jù)

我們可以參考《機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測與診斷——總則》（ISO17359：2011）來確定如何監(jiān)測和收集設(shè)備典型故障失效模式的數(shù)據(jù)。

該標(biāo)準(zhǔn)給出了九種通用設(shè)備類型用例，包含典型失效和故障模式以及相關(guān)的故障特征和測量參數(shù)。

主要的步驟如下：

（1）參考《機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測與診斷——總則》（ISO17359：2011）確定目標(biāo)設(shè)備所屬歸類，并確立狀態(tài)檢測與運(yùn)行參數(shù)度量矩陣。

（2）參考《機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測與診斷——總則》確定目標(biāo)設(shè)備已知故障（失效模式）及可測量的癥狀范圍矩陣。

（3）根據(jù)最佳的參數(shù)范圍選擇可用的監(jiān)測技術(shù)手段，并對比優(yōu)缺點(diǎn)。

（4）論證監(jiān)測技術(shù)（離線、在線），組織硬件/儀器采購。

（5）確立監(jiān)測點(diǎn)位及監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用方法，包括正常值、報(bào)警值和危險(xiǎn)值的取值范圍。

3 BDBM雙圈閉環(huán)與工作流程設(shè)計(jì)

3.1 BDBM雙圈閉環(huán)的邏輯流程設(shè)計(jì)

BDBM業(yè)務(wù)閉環(huán)分為“信息采集圈”和“決策實(shí)施圈”。

其中，“信息采集圈”的主要工作包括：

（1）持續(xù)地從設(shè)備上各類傳感器獲取并搜集數(shù)據(jù)。

（2）服務(wù)器監(jiān)控傳感器獲得的數(shù)據(jù)變化，發(fā)出指令。

（3）根據(jù)指令結(jié)合維修策略庫、診斷規(guī)則、維護(hù)計(jì)劃支持決策。

“決策實(shí)施圈”的主要工作包括：

（1）查詢備件資材庫存，確定所需備件定位，工具、吊具到位。

（2）發(fā)出工單，安排維修技術(shù)人員。

（3）相關(guān)信息轉(zhuǎn)達(dá)給維修技術(shù)人員參考。

（4）按照檢修包內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)檢修，恢復(fù)設(shè)備功能。

3.2 BDBM精準(zhǔn)維修的工作流程設(shè)計(jì)

一般來說，BDBM通過數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行故障劣化判斷的核心工作流程如圖4所示。

通過輸入的四類數(shù)據(jù)信息，萃取出設(shè)備故障的典型特征指標(biāo)集，并設(shè)定這些特征指標(biāo)在三個(gè)不同時(shí)段（如提前30天、提前15天、提前7天）的陷阱閾值（如電壓在1.5～1.8V），然后依照設(shè)定的頻次高頻率地采集這些關(guān)鍵特征值的實(shí)時(shí)變化情況，并根據(jù)這些不同特征值是否落入提前設(shè)定的陷阱閾值，進(jìn)行不同級別的預(yù)警，如果是強(qiáng)預(yù)警狀態(tài)，則生成檢修包，精準(zhǔn)指導(dǎo)維修團(tuán)隊(duì)采取維修行動(dòng)。

如果設(shè)備失效模式對應(yīng)的特征指標(biāo)集是開關(guān)量（0/1），則可以依據(jù)事前編制的故障/失效的典型特征矩陣來精準(zhǔn)匹配（故障陷阱），來判斷這些不同特征值是否落入提前設(shè)定的陷阱閾值，進(jìn)行不同級別的預(yù)警。從而觸發(fā)后續(xù)相應(yīng)的維修動(dòng)作。

圖4 BDBM通過數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行故障劣化判斷的核心工作流程

3.3 如何評價(jià)BDBM精準(zhǔn)維修的有效性

費(fèi)用有效性（Cost-effective）是通過維修作業(yè)的費(fèi)用效益分析來判斷維修策略是否合適的管理方法，BDBM的實(shí)施效果評價(jià)也可以基于這種思路展開。但對于軌道交通行業(yè)來說，服務(wù)任務(wù)是否失效才是最關(guān)心的問題而不是維修作業(yè)的費(fèi)用效益。這一點(diǎn)我們在搭建評價(jià)要素的時(shí)候需要特別注意。

從維修工程層面，可以分成3個(gè)維度進(jìn)行評價(jià)，分別是專業(yè)與區(qū)域分類適應(yīng)度評價(jià)、設(shè)備可靠度效果評價(jià)（服務(wù)任務(wù)的可靠度）、診斷與檢修成熟度評價(jià)。

從維修計(jì)劃與控制過程層面，可以從維修方案的設(shè)計(jì)、維修計(jì)劃安排、維修的組織與實(shí)施、維修過程控制等幾個(gè)層面展開。

4 結(jié)語

大數(shù)據(jù)的概念已經(jīng)逐漸為大家所熟悉，城軌交通行業(yè)在客流預(yù)測等業(yè)務(wù)領(lǐng)域也有應(yīng)用大數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)介紹，但并沒有系統(tǒng)進(jìn)行基于大數(shù)據(jù)的維修模式和策略設(shè)計(jì)的完整方案。本文給出的基于大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)維修模式，將有助于實(shí)現(xiàn)差異化維修策略在城軌交通行業(yè)的應(yīng)用與落地。