陸航， 于衛(wèi)東， 高翔， 王衛(wèi)東， 肖齊， 田光榮， 李方烜

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

1 研究背景

近年來，為掌握事故情況、分析事故規(guī)律和總結(jié)導(dǎo)致事故的不安全因素，我國交通行業(yè)（如民航及內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域）先后引入“安全指數(shù)”作為宏觀安全狀態(tài)及健康評估體系。通過這一指標(biāo)的量化方便分析某一時期的安全狀況，以便采取針對性措施，預(yù)防和減少事故的發(fā)生。民航領(lǐng)域建立了航空運(yùn)輸系統(tǒng)安全指數(shù)指標(biāo)體系［1-2］，內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域提出了水上交通綜合安全指數(shù)法［3-4］。

民航安全狀態(tài)評估技術(shù)，即風(fēng)險指數(shù)和健康評估系統(tǒng)體系的建立對民航安全的管理，尤其是識別潛在風(fēng)險和合理分配民航管理資源都有重要影響。不安全事件的識別可發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生的危險源，探知有可能存在的危險因素。而將風(fēng)險指數(shù)與不安全事件建立深層聯(lián)系，對于提升民航安全管理效果及效率意義重大。風(fēng)險指數(shù)的高低不僅在一定程度上反映了不安全事件發(fā)生的嚴(yán)重度和頻率，更是民航領(lǐng)域安全水平的直觀反映［1-2］。在內(nèi)河航運(yùn)安全指數(shù)體系的構(gòu)建中，對影響航運(yùn)安全的因素進(jìn)行整體分析，依據(jù)人為、船舶、環(huán)境和管理因素4 個版塊進(jìn)行劃分［4］。從安全指數(shù)的使用和成本角度考慮，航運(yùn)系統(tǒng)以月度為發(fā)布周期。同時，用于該安全指數(shù)計算的各項指標(biāo)均按月統(tǒng)計。統(tǒng)計表明，90%的船舶碰撞因素在于人為因素，其中60%為主觀因素直接造成，包括生理、心理因素及船舶操縱、避碰能力。這方面與前期高速鐵路安全因素分析中得到的規(guī)律有較大權(quán)重方面的差異。

動車組是具備檢測監(jiān)測條件的多層級多系統(tǒng)的統(tǒng)一整體，與民用飛機(jī)和水面船舶有相似點［5-7］，如某些系統(tǒng)的故障呈偶發(fā)規(guī)律，與大修修程相關(guān)度較低，同時某些表征現(xiàn)象和檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能反映潛在隱患。在事故和故障安全指數(shù)方面可借鑒民用飛機(jī)的事件、風(fēng)險（險情）參數(shù)（按嚴(yán)重程度劃分）的計算方法，但同時也要關(guān)注動車組與航空及海運(yùn)體系的區(qū)別，如民用飛機(jī)具有較強(qiáng)的自診斷能力，其機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)時效性較強(qiáng)，相應(yīng)的安全評估時效性較好，能及時指導(dǎo)派遣任務(wù)。相較而言，動車組檢測監(jiān)測體系很大程度依賴于軌旁檢測監(jiān)測報警信息，需要中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱國鐵集團(tuán)）或段所級進(jìn)行后期處理分析以保障運(yùn)營安全，時效性略有滯后。

國外鐵路對機(jī)車車輛本身指標(biāo)體系的建立和評價模型的構(gòu)建起步較早，國際鐵路聯(lián)盟（UIC）逐年發(fā)布鐵路安全指數(shù)，覆蓋范圍包括歐洲及中東地區(qū)共24 個成員國［8］。該指數(shù)根據(jù)每件事故的類型、人員受害程度、傷亡人數(shù)及事故責(zé)任等方面進(jìn)行加權(quán)計算得出。而UIC鐵路安全指數(shù)的構(gòu)建主要為宏觀掌握鐵路行業(yè)安全態(tài)勢而設(shè)，遠(yuǎn)不能滿足各專業(yè)安全規(guī)律的數(shù)據(jù)支撐需求。原因如下：（1）國內(nèi)外對于事故事件的定義存在較大差異。由于其體系覆蓋地域較廣，受益群體較多，UIC 的統(tǒng)計分析中將“造成至少1 人死亡或5 人重傷的，以及對機(jī)車車輛、基礎(chǔ)設(shè)施或環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p失（物資損失≥200 萬歐元）的各種列車沖突和脫軌事故”歸為事故，與我國事故定義差異較大。如根據(jù)鐵路安全監(jiān)督管理信息系統(tǒng)（簡稱“安監(jiān)報3”）中提取到的動車組安監(jiān)事故數(shù)據(jù)，《鐵路交通事故調(diào)查處理規(guī)則》定義中按事故影響最輕的事故，即影響本列1 h 以上，歸為D21事故。（2）UIC鐵路安全指數(shù)只涵蓋了事故本身而沒有考慮隱患（險情）影響，即忽略了可能導(dǎo)致事故發(fā)生的風(fēng)險因素，對于高鐵安全規(guī)律的分析中涉及大量檢修及行車過程中暴露的車輛責(zé)任故障，由于其危害程度未達(dá)到事故或應(yīng)急處置及時未演變?yōu)槭鹿识幢唤y(tǒng)計。實際上定責(zé)為車輛部門的故障信息對于安全有著不容忽視的影響，是指每一起嚴(yán)重事故的背后，必然有29 次輕微事故（可類比我國“安監(jiān)報1”記載的行車故障）和300 起未遂先兆。（3）我國現(xiàn)階段高速鐵路整體發(fā)展態(tài)勢趨于平穩(wěn)，安全可控，僅從事故維度出發(fā)難以達(dá)到安全風(fēng)險控制和運(yùn)維指導(dǎo)的作用。

因此，建立符合我國國情、能綜合評價高速鐵路行車安全的指標(biāo)體系勢在必行，思考該體系的受益對象，融入指標(biāo)分解的理念以宏觀服務(wù)于我國鐵路安全事業(yè)。為體現(xiàn)可靠性、安全性、維修性、測試性（檢測監(jiān)測體系）、保障性、環(huán)境適應(yīng)性等制約動車組的安全因素，在安全影響因素參數(shù)的數(shù)據(jù)源處理上，分析事故、故障數(shù)據(jù)源、全路大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中動車組服役與高級修情況及規(guī)章制度中可提取、可量化的部分，可借鑒其他交通領(lǐng)域的權(quán)重分析方法。需同時考慮國內(nèi)外事故故障定義的區(qū)別及我國鐵路的特點，有針對性地構(gòu)建高速鐵路安全指數(shù)體系。針對其中的動車組健康指數(shù)體系進(jìn)行規(guī)劃，闡述其3層分級的體系，并運(yùn)用傳統(tǒng)賦值與機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行試算。

2 指數(shù)體系整體構(gòu)架與統(tǒng)計計算思路

隨著高速鐵路運(yùn)營安全認(rèn)知的提高，高速鐵路指數(shù)體系應(yīng)服務(wù)于多層級的各專業(yè)版塊運(yùn)用部門。以移動裝備版塊來說，除對運(yùn)維保障提供直觀方向性指導(dǎo)，還要一定程度體現(xiàn)各車型間健康指數(shù)的差異。從國際性接軌的“走出去”戰(zhàn)略角度看，以便為各速度等級與運(yùn)營環(huán)境下的新車采購提供方向性建議。為服務(wù)于各層級終端用戶，在高速鐵路安全指數(shù)體系的頂端，總體安全指數(shù)應(yīng)整體反映行業(yè)安全態(tài)勢及管控水平。移動裝備版塊健康指數(shù)體系構(gòu)架與設(shè)計思路見圖1，第1 層由專業(yè)版塊的劃分決定，指標(biāo)包括動車組健康指數(shù)、供電設(shè)備故障指數(shù)、通信信號設(shè)備安全（故障）指數(shù)、工務(wù)設(shè)備安全（病害）指數(shù)和人為因素影響安全指數(shù)等。

圖1 移動裝備版塊健康指數(shù)體系構(gòu)架與設(shè)計思路

著重對移動裝備版塊的整體框架與設(shè)計思路進(jìn)行研究，引入“總體動車組—整車車型—子系統(tǒng)級”3級部署健康指數(shù)，即圖1 中第2、3 版塊劃分。受統(tǒng)計、收集方式等因素制約，用于健康指數(shù)計算的動車組安全規(guī)律數(shù)據(jù)源多以年度為發(fā)布周期，目前掌握以下信息來源：（1）事故數(shù)據(jù)方面，根據(jù)“安監(jiān)報3”中記載的事故認(rèn)定書及事故調(diào)查報告，責(zé)任定為移動裝備專業(yè)的；（2）故障數(shù)據(jù)方面，采用動車組信息管理系統(tǒng)（EMIS）中定責(zé)為車輛部門的行車故障數(shù)據(jù)；（3）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面，收集現(xiàn)役動車組的走行里程、各車型動車組保有量及車型高級修信息等，由于高級修時程較長、跨度大，動車組基礎(chǔ)信息均以年度為發(fā)布周期。因此考慮信息來源及統(tǒng)計成本，確定動車組健康指數(shù)以自然年為發(fā)布周期。

3 動車組健康指數(shù)賦值方法

以現(xiàn)有動車組功能系統(tǒng)的劃分及上述動車組車型故障事故規(guī)律為數(shù)據(jù)源，量化動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)。具體指數(shù)構(gòu)建的技術(shù)路線見圖2，重點對如何利用前述數(shù)據(jù)源量化系統(tǒng)級分值及指數(shù)修正進(jìn)行闡述。

圖2 動車組健康指數(shù)體系技術(shù)路線

將截至2018年12月31日按六大系統(tǒng)的車輛責(zé)任百萬公里故障率依據(jù)車型速度級及技術(shù)平臺分類的故障指數(shù)Fault Index（FI），采用如下方法進(jìn)行初步加權(quán)計算：

式中：FIj為車型平臺故障指數(shù)，以指數(shù)發(fā)布周期自然年為統(tǒng)計維度；n為關(guān)鍵系統(tǒng)數(shù)量，以六大系統(tǒng)故障規(guī)律分析，n=6；Fij為各車型六大系統(tǒng)的車輛責(zé)任百萬公里故障率逐年歷史數(shù)據(jù)；γij為子系統(tǒng)級權(quán)重，考慮該車型類別耦合系統(tǒng)故障事故轉(zhuǎn)化關(guān)系及安全裕度；Cj為車型權(quán)重，考慮各車型故障事故轉(zhuǎn)化關(guān)系，即車型速度等級及車型高級修周期帶來的安全裕度差異；?為總體級權(quán)重系數(shù)，b為偏差修正，預(yù)留?和b，方便各專業(yè)版塊依據(jù)需求宏觀考量，歸一化處理。

通過前述動車組百萬公里事故率、故障率計算得出類別一動車組故障事故轉(zhuǎn)化率達(dá)0.063 0，類別二動車組故障事故轉(zhuǎn)化率約為其2倍，類別三、類別四動車組分別為類別一的0.74和0.68。即在指數(shù)體系中，類別二動車組雖然故障率明顯低于類別四動車組，但其故障較易升級為事故，由此維度得到其權(quán)重系數(shù)為類別四的2.94 倍。因此，確定車型類別權(quán)重系數(shù)Cj分別為：類別一為1、類別二為2、類別三為0.74、類別四為0.68。

將指數(shù)中子系統(tǒng)級權(quán)重γij進(jìn)行分解，根據(jù)現(xiàn)有動車組速度級耦合高級修的分類方式，得到4種車型的車輛責(zé)任行車事故故障轉(zhuǎn)化率（事故數(shù)/故障數(shù)）見表1。

當(dāng)考慮該車型類別耦合系統(tǒng)事故故障轉(zhuǎn)化關(guān)系及安全裕度時，γij取值系數(shù)矩陣見表2（i為所屬系統(tǒng)，j為車型類別）。其中值得重點關(guān)注的是類別一、類別二動車組的網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)雖然故障數(shù)較少，但其事故故障轉(zhuǎn)化率顯著高于其他車型/系統(tǒng)，因此權(quán)重系數(shù)較高。由于目前掌握的移動裝備專業(yè)事故數(shù)據(jù)截至2018 年7 月31 日，類別一動車組輔助電氣系統(tǒng)還未出現(xiàn)責(zé)任事故，考慮其車輛責(zé)任故障數(shù)與類別二近似，后者僅發(fā)生一次責(zé)任事故，為統(tǒng)計計算方便，定義類別一γij系數(shù)為類別二的一半。

表1 動車組車輛責(zé)任行車事故故障轉(zhuǎn)化率

表2 車型耦合系統(tǒng)的γij系數(shù)矩陣

為將故障指數(shù)FIj進(jìn)一步歸一化處理，以找到在無量綱的車型級健康指數(shù)Health Index（HIj）上的最合理非線性映射，同時為更好處理故障指數(shù)本身的非線性度，引入以下映射函數(shù)：

訓(xùn)練區(qū)間利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對各車型權(quán)重系數(shù)aj、bj進(jìn)行修正處理，設(shè)立以60、80分為映射各分?jǐn)?shù)取值的安全及健康基準(zhǔn)序列，即為訓(xùn)練目標(biāo)標(biāo)簽，通過一系列迭代過程，分別找到各車型對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)aj、bj，并以年份數(shù)據(jù)進(jìn)行試算。其試算分步的結(jié)果輸出為車型級健康指數(shù)和子系統(tǒng)級健康指數(shù)。

4 試算結(jié)果及其應(yīng)用

動車組運(yùn)用初期，行車設(shè)備車輛責(zé)任故障率在2010 年武廣高鐵開行后達(dá)到最高峰。綜合考量以下因素，將以自然年為發(fā)布周期的動車組車型—子系統(tǒng)級健康指數(shù)從2011 年開始試算：（1）動車組各主要系統(tǒng)故障發(fā)生時間比較集中，存在嚴(yán)重安全隱患，2011 年原鐵道部針對一些車型進(jìn)行整車集中整改；（2）對于大量源頭質(zhì)量問題，包括源頭設(shè)計（如軟件報警邏輯及部分部件結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷），在運(yùn)營初期暴露較多，導(dǎo)致故障率激增，2011 年之后的集中整治工作有明顯成效；（3）在高鐵運(yùn)營初期，由于規(guī)章制度、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)管理制度不健全，導(dǎo)致運(yùn)營、檢修的作業(yè)質(zhì)量問題多發(fā)，前期統(tǒng)計故障時各項特征指標(biāo)波動較大。運(yùn)用動車組健康指數(shù)賦值方法進(jìn)行試算，動車組車型級健康指數(shù)試算結(jié)果見表3、圖3。

表3 動車組車型級健康指數(shù)試算結(jié)果

圖3 動車組車型級健康指數(shù)

動車組車型級健康指數(shù)試算結(jié)果表明，2011年由于上述集中暴露的源頭與作業(yè)質(zhì)量問題，僅類別一動車組在健康指數(shù)上超過80分；2012年起，原各鐵路局積累了一定的動車組運(yùn)用管理經(jīng)驗，同時通過組織主機(jī)廠開展源頭質(zhì)量整治等措施，類別四動車組2012年健康指數(shù)上升最快，類別二、類別三動車組健康指數(shù)逐年上升，2014年達(dá)到小高峰；然而2015年這3個車型類別健康指數(shù)均有所下降，其原因可歸結(jié)為原中國鐵路總公司在加強(qiáng)責(zé)任追究力度，故障敏感度有所上升；之后2016—2018年雖然有小幅波動，各車型健康指數(shù)總體呈上升趨勢，保持在較高水平。源頭質(zhì)量方面，各段所級運(yùn)用部門對共性故障、典型故障進(jìn)行匯總，協(xié)同各主機(jī)廠針對問題采取有效措施，加強(qiáng)推進(jìn)整治工作及高級修的優(yōu)化實施。作業(yè)質(zhì)量方面，各級人員嚴(yán)格落實崗位職責(zé)制，強(qiáng)化現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，這類故障有明顯減少趨勢。

類別一動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)見圖4。類別一動車組雖然在整車級健康指數(shù)中表現(xiàn)較好，但關(guān)注其子系統(tǒng)級健康指數(shù)時，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)營初期網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)表現(xiàn)較差，直到2015、2016 年得到顯著改善，可能是專項源頭質(zhì)量整治的效果。早期網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)故障率較大，除了由于典型軟件邏輯及網(wǎng)關(guān)故障等問題，該類動車組早期缺乏應(yīng)急處理手段，造成事故故障轉(zhuǎn)化率較高，在前述安全指數(shù)的計算中產(chǎn)生了較大貢獻(xiàn)。

圖4 類別一動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)

類別二動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)見圖5。類別二動車組車載檢測監(jiān)測項點數(shù)量遠(yuǎn)少于同速度級的類別四動車組，單純從故障率及事故率看遠(yuǎn)低于后者。但細(xì)看其子系統(tǒng)級健康指數(shù)，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)用初期轉(zhuǎn)向架及其輔助、供風(fēng)制動和主供電系統(tǒng)問題較大，這些系統(tǒng)在該類車型上一旦出現(xiàn)故障，應(yīng)急處理難以定位，容易造成誤判，同時這些是與安全強(qiáng)相關(guān)的系統(tǒng)，容易直接影響行車，因此事故敏感性較高。該類車型后期加裝大量傳感器，提高了故障定位與處置能力，同時得益于源頭質(zhì)量整治工作的大力推進(jìn)，2016 年后各系統(tǒng)健康指數(shù)均有較大提升。

圖5 類別二動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)

類別三動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)見圖6。類別三動車組在運(yùn)用初期，主供電系統(tǒng)指數(shù)較低，逼近60 分安全基準(zhǔn)，但之后得到較好解決，包括平臺的一些慣性故障，主供電系統(tǒng)之后的健康指數(shù)提升較快，安全可控。近年來不斷加強(qiáng)追責(zé)工作，2015 年牽引、轉(zhuǎn)向架及其輔助、主供電、網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)較前一年健康指數(shù)均有明顯提升，供風(fēng)制動系統(tǒng)健康指數(shù)也在2016 年得到極大改善。各系統(tǒng)均在之后的幾年高于80分“良好”基準(zhǔn)。

類別四動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)見圖7。類別四動車組健康指數(shù)在計算發(fā)布之初的2011 年，除輔助電氣系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)得分均較低，特別是轉(zhuǎn)向架及其輔助、牽引、網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)，均低于60 分基準(zhǔn)；同時供風(fēng)制動與主供電系統(tǒng)在80 分上下徘徊。溯源EMIS 數(shù)據(jù)的行車故障數(shù)據(jù)，以速度級來看，2011 年該類別動車組開行后，發(fā)生的運(yùn)行故障約占全路2/3，當(dāng)年類別四動車組故障率接近全路一半。然而在原鐵道部針對類別四動車組大力整改后，從雷達(dá)圖可以直觀看出，2012 年后，各系統(tǒng)健康指數(shù)大幅提升，同時波動較小；轉(zhuǎn)向架及其輔助、供風(fēng)制動、網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)均有逐年上升的良好表現(xiàn)。

圖6 類別三動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)

圖7 類別四動車組子系統(tǒng)級健康指數(shù)

5 結(jié)論

動車組健康指數(shù)除了作為構(gòu)建我國高速鐵路安全指數(shù)體系的重要版塊，其本身車型—子系統(tǒng)級的健康指數(shù)還能為運(yùn)維保障提供以下直觀方向性指導(dǎo)：

（1）以傳統(tǒng)統(tǒng)計方式，動車組故障率數(shù)值往往隨自然年波動較大，且涉及保密問題只能面向相關(guān)專業(yè)人士。引入無量綱指數(shù)概念，使得該指標(biāo)體系受眾面更廣、更清晰、直觀易讀。以0～100 為分值范圍的健康指數(shù)可宏觀了解動車組健康狀態(tài)。

（2）在一定程度上將車型健康指數(shù)歸一化，減少了車型差異化。受制于各車型技術(shù)平臺之間的差異，布置的檢測監(jiān)測項點數(shù)目差別較大，故障定位、追責(zé)方式不同造成傳統(tǒng)故障/事故率差異極大，需熟悉該平臺的運(yùn)用部門才能掌握車型之間的差異，進(jìn)而才能在年份維度上直觀比較。車型健康指數(shù)的概念為動車組造修提供了一種直觀有效的評價體系。

（3）該指數(shù)體系淡化了各功能系統(tǒng)間故障/事故率的差異。針對同一時期的同一車型，依故障率的統(tǒng)計不同系統(tǒng)間可能相差幾十倍，無法系統(tǒng)、直觀掌握各系統(tǒng)的安全裕度。得益于指數(shù)體系算法中綜合考量事故故障轉(zhuǎn)化關(guān)系等的加權(quán)賦值方法，盡量使子系統(tǒng)級的健康分析落在同一維度。如主供電、網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)，相比具有較大冗余的牽引系統(tǒng)，出現(xiàn)故障后應(yīng)急處理難度大、耽誤行車時間長、事故敏感度更高，單純通過故障/事故率對比難以直接進(jìn)行評價。通過發(fā)揮動車組安全指數(shù)的指導(dǎo)作用，對于健康指數(shù)相較歷史健康指數(shù)突然下降的系統(tǒng)，起到及時警示與溯源作用，繼而對系統(tǒng)級修程修制優(yōu)化提供一定的方向性建議。

動車組車型—子系統(tǒng)級健康指數(shù)體系的構(gòu)建，一定程度上縮小了各車型在傳統(tǒng)統(tǒng)計故障/事故維度上的統(tǒng)計差異，同時可直觀分析同車型各子系統(tǒng)的安全規(guī)律，可為動車組運(yùn)維保障提供直觀的方向性指導(dǎo)。