馬 濤，米根鎖，齊 東

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070)

基于灰色理論ZPW2000A無絕緣軌道電路故障風(fēng)險(xiǎn)分析

馬 濤，米根鎖，齊 東

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070)

鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的故障模式存在不同的風(fēng)險(xiǎn)水平，而傳統(tǒng)的RCM方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)存在精度不高的問題。在FMEA進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，再通過灰色關(guān)聯(lián)度方法對(duì)FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析中的各個(gè)決策因素進(jìn)行加權(quán)處理，實(shí)現(xiàn)了考慮各因素之間相對(duì)權(quán)重的故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析，提高了分析的準(zhǔn)確性。將此方法應(yīng)用于鐵路信號(hào)設(shè)備，以ZPW2000A無絕緣軌道電路作為實(shí)例，通過分析計(jì)算表明該方法可行有效，能為改進(jìn)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的維修策略提供有力的科學(xué)依據(jù)。

灰色關(guān)聯(lián)度;故障風(fēng)險(xiǎn)分析;ZPW2000A無絕緣軌道電路;RCM分析;維修策略

我國(guó)鐵路近年來快速發(fā)展，這對(duì)保障行車安全的信號(hào)設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。以可靠性為中心的維修(RCM)是目前國(guó)際通用的用以優(yōu)化維修策略為目的，確定設(shè)備維修需求的系統(tǒng)工程過程［1］。此方法打破了我國(guó)鐵路信號(hào)設(shè)備傳統(tǒng)的“定修”模式，克服了以往檢修頻繁、盲目維修的問題，不僅降低了維修成本和維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使維修體制更具科學(xué)性，而且可以顯著提高信號(hào)設(shè)備的可靠性水平。但傳統(tǒng)的RCM風(fēng)險(xiǎn)分析方法是通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障模式與影響分析(FMEA)，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)故障模式風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序，以此為依據(jù)來制定有效的維修策略。但該方法沒有考慮(FMEA)分析中各因素間的相對(duì)權(quán)重等影響因子，存在分析精確度不高的問題，而引入灰色理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析方法可以彌補(bǔ)這一不足。因此，本文研究了基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的設(shè)備故障定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，并應(yīng)用于鐵路信號(hào)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)分析中。

1 灰色理論和RCM分析相結(jié)合的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分析方法

1.1 傳統(tǒng)RCM風(fēng)險(xiǎn)分析方法

傳統(tǒng)的RCM定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法的核心是進(jìn)行設(shè)備的FMEA分析，確定系統(tǒng)或者設(shè)備每個(gè)最低組成部分的故障模式，然后來評(píng)定每個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，再依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果針對(duì)不同嚴(yán)重程度的故障模式提出設(shè)備的維修措施建議，得到改進(jìn)的維修策略。FMEA最常采用的分析方法是風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)法RPN(風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)價(jià)的尺度)，其基本方法是:確定系統(tǒng)最小組成的子系統(tǒng)單元;描述各單元的功能，并確定各單元的故障模式;確定每一種故障模式的嚴(yán)重度Severity(以下簡(jiǎn)稱為“S”—根據(jù)可能出現(xiàn)的人員傷亡、環(huán)境損害和任務(wù)失敗等方面的影響程度確定);發(fā)生度Occurrence(以下簡(jiǎn)稱為“O”—故障發(fā)生頻繁程度的度量);檢測(cè)度Detection(以下簡(jiǎn)稱為“D”—故障可以被檢測(cè)到難易程度的度量);最后計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)指數(shù)RPN，它與 S、O、D 三者的關(guān)系為

S、O、D三個(gè)因素的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。RPN數(shù)值的大小就代表了故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)大小，由此為依據(jù)來改進(jìn)設(shè)備的維修策略，使設(shè)備維修更具科學(xué)性。FMEA方法的詳細(xì)介紹詳見參考文獻(xiàn)［2］。

表1 故障風(fēng)險(xiǎn)分析各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法

傳統(tǒng)RCM分析方法進(jìn)行FMEA分析時(shí)用RPN值來評(píng)價(jià)設(shè)備各子系統(tǒng)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)水平。但RPN數(shù)值的計(jì)算中沒有考慮S、O、D三者之間的相對(duì)重要度，將其等同對(duì)待，這樣會(huì)造成不同故障模式的S、O、D定量值的乘積可能產(chǎn)生同樣的RPN值，但這些故障模式的風(fēng)險(xiǎn)水平是不同的。因此存在著分析精確度不高的問題。我國(guó)學(xué)者鄧聚龍教授在1982年開創(chuàng)了灰色系統(tǒng)理論［3］，其優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)部分已知的模糊信息進(jìn)行分析。其中灰色關(guān)聯(lián)度分析法則是以系統(tǒng)內(nèi)部各因素間相互關(guān)系的相似程度來度量其關(guān)聯(lián)程度，因此在FMEA分析的基礎(chǔ)上，再運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度方法進(jìn)行故障風(fēng)險(xiǎn)分析［4］，必然能有效提高分析的精度。分析方法的基本流程如圖1所示［5］。

圖1 灰色關(guān)聯(lián)度分析流程

具體步驟為:首先通過FMEA分析確定系統(tǒng)組成單元所有可能的故障模式，并對(duì)各個(gè)故障模式的決策因素S、O、D進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。模糊評(píng)價(jià)的描述:“很低”、“低”、“中等”、“高”和“很高”共 5級(jí)，評(píng)價(jià)方法見表1所示［5］。接著模糊評(píng)價(jià)進(jìn)行反模糊化。模糊集的脆性系數(shù)K(x)為

對(duì)應(yīng)各模糊評(píng)價(jià)的隸屬函數(shù)如圖2所示［6］，從圖中可得到式(2)中相關(guān)參數(shù)的值。以模糊評(píng)價(jià)描述“低”為例，在取其脆性系數(shù)時(shí)，可由圖2得a0=2，b0=5，a1=b1=3.5，c=0，d=10，代入式(2)有

圖2 隸屬函數(shù)圖

同理可得其他模糊語義描述所對(duì)應(yīng)的脆性系數(shù)，“很低”為 0.196，“中等”為 0.583，“高”為 0.804，“很高”為0.952，如表2所示。

表2 模糊語義反模糊化脆性系數(shù)

根據(jù)得到的脆性系數(shù)以式(3)的形式表示的比較序列

式中，X1，X2，…，Xn表示 n個(gè)故障模式對(duì)應(yīng)的比較序列;{xi(1)，xi(2)，…，xi(m)}表示第 i個(gè)故障模式的m個(gè)決策因素模糊語義評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)的脆性系數(shù)。

同時(shí)得到反映所有決策因素的理想期望水平的標(biāo)準(zhǔn)序列，即

由此，計(jì)算比較序列和標(biāo)準(zhǔn)序列的差序列

式中Δi(k)=xi(k)-x0(k)，則灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)可由式(6)求得

式中，x0(k)表示標(biāo)準(zhǔn)序列中第k個(gè)決策因素對(duì)應(yīng)值;xi(k)表示比較序列矩陣中第i個(gè)故障模式第k個(gè)決策因素對(duì)應(yīng)值;δ為分辨系數(shù)，δ∈(0，1)，它僅影響相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值，因此通?？扇?0.5［6］。

計(jì)算兩序列(比較序列與標(biāo)準(zhǔn)序列)的關(guān)聯(lián)度，可由式(7)得到

式中，βk為決策各因素的權(quán)重系數(shù)，且滿足=1。βk可用層次分析法(AHP)得到，層次分析法的詳細(xì)步驟詳見參考文獻(xiàn)［7］。

由此便可得到故障模式的灰色關(guān)聯(lián)度值，它反映了某一故障模式和決策因素之間相關(guān)聯(lián)程度的關(guān)系，關(guān)聯(lián)度越大的故障模式的整體影響越小，則該部件的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)越低。根據(jù)得到的灰色關(guān)聯(lián)度值就可進(jìn)行系統(tǒng)各個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排序，完成設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)分析。

2 實(shí)例分析

ZPW2000A無絕緣軌道電路是我國(guó)鐵路應(yīng)用最廣泛的信號(hào)設(shè)備之一，其安全性和可靠性關(guān)乎列車運(yùn)行安全。因此，本文以ZPW2000A無絕緣軌道電路為研究對(duì)象進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)RCM分析方法中系統(tǒng)劃分原則，可將本體系統(tǒng)劃分為發(fā)送系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、冗余衰耗系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、扼流匹配變壓器、調(diào)諧匹配單元、補(bǔ)償電容、空心線圈、機(jī)械絕緣節(jié)空心線圈、SPT電纜、通信接口板、扼流變壓器、信號(hào)傳輸線、條件線和監(jiān)測(cè)線共15個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)又包括若干部件。由于對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的分析方法完全相同，這里僅對(duì)發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)進(jìn)行分析驗(yàn)證。具體分析計(jì)算步驟如下。

(1)通過ZPW2000A無絕緣軌道電路發(fā)送器和接收器運(yùn)行、維修的歷史記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用專家調(diào)查法，可得到系統(tǒng)RCM分析結(jié)果，如表3所示［8］。

表3 ZPW2000A無絕緣軌道電路發(fā)送接收系統(tǒng)RCM分析結(jié)果

(2)對(duì)各決策因素反模糊化，得到比較序列矩陣

(3)取各決策因素最低模糊語義評(píng)價(jià)的反模糊化值來確定標(biāo)準(zhǔn)序列。若取標(biāo)準(zhǔn)序列為零矩陣，則兩序列(比較序列與標(biāo)準(zhǔn)序列)的差序列仍為比較序列。式(6)便可簡(jiǎn)化為

由式(8)便可得到每個(gè)故障模式的決策因素相對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)(γs、γo、γd)。

(4)通過咨詢信號(hào)廠家和鐵路局專家以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、維修人員，參照設(shè)備設(shè)計(jì)說明和歷史維護(hù)數(shù)據(jù)，利用AHP法得到式(7)的各因素(故障影響嚴(yán)重度S、發(fā)生度O和檢測(cè)度 D)的權(quán)重分別為0.5、0.25和0.25。

(5)由式(7)代入對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)可得各故障模式所對(duì)應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)度，同時(shí)再根據(jù)表1的標(biāo)準(zhǔn)按式(1)計(jì)算各故障模式的RPN值，并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行故障模式的風(fēng)險(xiǎn)排序，排序結(jié)果如表4所示。

由表4可見:兩種方法的結(jié)果對(duì)比可看出排序的基本一致性。而灰色關(guān)聯(lián)度故障風(fēng)險(xiǎn)分析方法由于考慮了各因素間的相互權(quán)重，克服了不同S、D、O值得到相同RPN值的不足，比傳統(tǒng)RCM風(fēng)險(xiǎn)分析方法提高了分析精度。而且可以看出，RPN排序的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為9級(jí)，而灰色關(guān)聯(lián)度排序的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為12級(jí)，灰色關(guān)聯(lián)的分級(jí)更為精確詳細(xì)。各個(gè)系統(tǒng)的故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)排序也和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、維修情況比對(duì)一致。

表4 ZPW2000A無絕緣軌道電路接收和發(fā)送系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果

4 結(jié)語

利用灰色理論進(jìn)行鐵路信號(hào)設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)分析，可避免傳統(tǒng)RCM分析方法沒有考慮同一故障模式各因素之間的相對(duì)重要度而產(chǎn)生的誤差，有效提高了分析精度。將該方法應(yīng)用于ZPW2000A無絕緣軌道電路設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)分析，用以確定設(shè)備各個(gè)子系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為制定科學(xué)有效的維修策略提供了有力的科學(xué)依據(jù)。該方法可作為一個(gè)通用方法，應(yīng)用于我國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)其他設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)分析中。

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Fault Risk Analysis on ZPW2000A Uninsulated Track Circuit Based on Gray Theory

MA Tao，MI Gen-suo，QI Dong
(School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

The fault models of all the equipments in railway transport system have different risk levels，but the traditional RCM method of risk analysis has some problems in precision.In this method proposed by this paper，every decisive factor in the process of FMEA risk analysis is weighted based on the FMEA quantitative risk analysis by using gray correlation method，so that the fault model risk analysis considering the relative weights of various factors can be achieved，therefore the accuracy of the analysis can be improved.This method can be used in the railway signal equipment， and in this paper，ZPW2000A uninsulated track circuit are taken as an example for risk analysis.Then the analysis and calculation results show that:this method is a feasible and effective method，and it can provide a strong scientific basis for the improvement of the maintenance strategies of various equipments in railway traffic system.

gray correlation degree;fault risk analysis;ZPW2000A uninsulated track circuit;RCM analysis;maintenance strategy

U283.2

A

1004-2954(2013)04-0115-04

2012-08-15

馬 濤(1986—)，男，碩士研究生，E-mail:283584996@qq.com。