劉俊潔

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京210094）

1 軌道交通車輛全生命周期概述

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60300-2，產(chǎn)品全生命周期可劃分成包含論證、設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)用維護(hù)和報廢等幾個階段。依照此理論軌道交通車輛全生命周期可分為規(guī)劃、設(shè)計、制造、聯(lián)調(diào)、運(yùn)營維護(hù)各階段[1]，產(chǎn)品全生命周期“V”形圖如圖1 所示。

圖1 軌道交通車輛全生命周期

依照軌道交通車輛全生命周期，對車輛各階段工作進(jìn)行概述。

1.1 車輛規(guī)劃階段

軌道交通車輛規(guī)劃階段的主要工作是，結(jié)合城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及未來布局規(guī)劃、軌道交通客流預(yù)測、軌道交通工程投資、軌道交通線路規(guī)劃、技術(shù)要求等，對車輛總體制式進(jìn)行規(guī)劃、選擇。車輛選型需從多方面來進(jìn)行考量。

車輛選型過程主要涉及到建設(shè)方（業(yè)主）、車輛咨詢方、供應(yīng)商。車輛選型的決策主要以建設(shè)方（業(yè)主）為主，供應(yīng)商為輔。雙方通過以咨詢方為中間單位的協(xié)調(diào)交涉，來對車輛選型進(jìn)行規(guī)劃。在實際的車輛選型中，建設(shè)方（業(yè)主）很少用長遠(yuǎn)的眼光去對車輛選型作出決定，而往往拘泥于當(dāng)前的車輛采購費(fèi)用，往往只考慮到了車輛采購的低成本需求。

1.2 車輛設(shè)計階段

車輛設(shè)計階段的主要工作是在車輛選型完成后，對車輛的具體內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。車輛設(shè)計主要完成車輛內(nèi)部接口的融和以及車輛外部接口的匹配。車輛內(nèi)部接口主要包括了車輛電氣系統(tǒng)、車輛制動系統(tǒng)、司機(jī)室人機(jī)接口以及轉(zhuǎn)向架接口等，車輛外部接口主要包含了與車輛相關(guān)的系統(tǒng)接口如，信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、站臺屏蔽門以及軌道系統(tǒng)。

車輛設(shè)計階段涉及到建設(shè)方（業(yè)主）、車輛咨詢方以及供應(yīng)商（包含系統(tǒng)分包商）。其中，建設(shè)方會與其他兩方在設(shè)計聯(lián)絡(luò)會中交流，并一起完成用戶需求書的編寫，車輛用戶需求書是綜合各方情況的重要技術(shù)文件，它是車輛高性能、高質(zhì)量的實現(xiàn)準(zhǔn)則和對車輛最終檢驗、驗收標(biāo)準(zhǔn)文件。用戶需求書的具體內(nèi)容分類如圖2 所示。

圖2 用戶需求書內(nèi)容

1.3 車輛制造階段

車輛制造階段是車輛實體質(zhì)量的實現(xiàn)環(huán)節(jié)，車輛制造需要嚴(yán)格依照工藝要求，還需依照用戶需求書要求來進(jìn)行例行實驗與型式實驗。車輛制造主要涉及到監(jiān)造方與制造方。監(jiān)造方在地鐵車輛的制造實驗以及驗收等過程中，需要對車輛關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行指導(dǎo)和控制，避免車輛制造缺陷或者影響交付進(jìn)度的情況發(fā)生。監(jiān)造方的主要工作流程如圖3 所示。

車輛建造方的監(jiān)督效果很大程度上決定了最終的車輛質(zhì)量以及功能實現(xiàn)程度。

1.4 車輛聯(lián)調(diào)階段

車輛聯(lián)調(diào)是在車輛出廠對車輛內(nèi)部調(diào)試完成后，采用相關(guān)檢測技術(shù)，對車輛與其他系統(tǒng)的接口系統(tǒng)中的功能、工作狀態(tài)以及各個系統(tǒng)的匹配度進(jìn)行綜合測試和驗證以及優(yōu)化。車輛聯(lián)調(diào)是確保車輛的整體設(shè)計功能達(dá)到設(shè)計要求的重要步驟，也為車輛總聯(lián)調(diào)做好了準(zhǔn)備。

圖3 監(jiān)造方工作流程

車輛聯(lián)調(diào)首先需要對車輛進(jìn)行線路上的實驗（包括冷滑熱滑、各種載荷情況下），實驗結(jié)束后再對車輛進(jìn)行多系統(tǒng)接口的調(diào)試。車輛聯(lián)調(diào)的技術(shù)核心也就是車輛與通信、供電、信號以及乘客信息系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)之間的聯(lián)動聯(lián)試，對接口一致性進(jìn)行驗證，看接口功能是否滿足需求。車輛聯(lián)調(diào)的技術(shù)核心如圖4 所示。

圖4 車輛聯(lián)調(diào)技術(shù)核心

車輛聯(lián)調(diào)同樣需要涉及到管理工作，通過管理工作可以使聯(lián)調(diào)效果更好地達(dá)到預(yù)期。車輛聯(lián)調(diào)管理目前主要通過建立聯(lián)調(diào)管理組織（由業(yè)主以及各參與方組成），通過編制車輛聯(lián)調(diào)管理方案實現(xiàn)車輛聯(lián)調(diào)的現(xiàn)場管控。

1.5 車輛運(yùn)營維護(hù)階段

城市軌道交通的運(yùn)營維護(hù)是指為了保持和恢復(fù)軌道交通車輛運(yùn)營規(guī)定功能的能力而采取的技術(shù)活動。城市軌道交通車輛在運(yùn)營使用中，其機(jī)械部件會逐漸產(chǎn)生磨損、變形甚至斷裂，電氣部件會發(fā)生老化破損、斷線接地等情況，在維護(hù)中通過檢查能及時對這些情況進(jìn)行處理。從安全角度看，車輛運(yùn)營維護(hù)任務(wù)是消除安全隱患；從經(jīng)濟(jì)性角度看，車輛運(yùn)營維護(hù)需要在盡可能延長車輛壽命的前提下降低成本。目前，國內(nèi)對于車輛維修的常用維修方式有3 種，分別是按行走公里數(shù)或時間定期維修、狀態(tài)維修、根據(jù)自身需求定制的維修。而其中運(yùn)用最廣泛的就是按規(guī)定時間進(jìn)行的定期維修方式，但是隨著科技發(fā)展，這種以經(jīng)驗確定的維修方式難以滿足目前的車輛維修需求。

2 軌道交通車輛全生命各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移特征分析

在車輛全生命周期中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移研究有以下幾步。

2.1 狀態(tài)標(biāo)識

識別每一步的狀態(tài)要點，即“每個狀態(tài)要求是什么”。

2.2 狀態(tài)控制

對于每一步的狀態(tài)要點進(jìn)行控制，保證其符合要求，即“利用什么方法達(dá)到要求”。

2.3 狀態(tài)記錄

記錄當(dāng)前的狀態(tài)，即“當(dāng)前狀態(tài)是什么”。

2.4 狀態(tài)審核

將當(dāng)前狀態(tài)與狀態(tài)標(biāo)識中的要求對比，看是否滿足要求，即“能否向下個狀態(tài)轉(zhuǎn)移”。

各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移如表1 所示。

表1 車輛全生命周期各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移

從軌道交通車輛全生命周期各階段概述以及表1 對各階段的狀態(tài)管理控制中可以得到以下幾點：①在車輛規(guī)劃階段，車輛選型是車輛最終性能的決定環(huán)節(jié)，但是建設(shè)方（業(yè)主）缺少對車輛選型的多方面考量，也缺少了決策方法來輔助決策。②車輛設(shè)計階段是對車輛的細(xì)節(jié)規(guī)劃，只需滿足以及協(xié)調(diào)各方的針對車輛的技術(shù)參數(shù)等要求完成用戶需求書即可。車輛制造階段主要由監(jiān)造方對環(huán)節(jié)過程進(jìn)行把控。③車輛聯(lián)調(diào)階段，針對聯(lián)調(diào)管理目前缺少有效措施。④車輛運(yùn)營維修階段缺少對車輛維修方式的科學(xué)決策方式。

3 軌道交通車輛全生命各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

通過對軌道交通車輛全生命周期各階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移的分析，以及指出車輛規(guī)劃、車輛聯(lián)調(diào)以及車輛運(yùn)營維護(hù)階段狀態(tài)控制中的不足之處，接下來對這3 個階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求進(jìn)行具體分析來提出建議。

對于車輛全生命周期成本預(yù)測主要有以下3 種方法：①專家會議法以及德爾菲法，這類方法適用于長期預(yù)測。專家會議法和德爾菲法是依靠領(lǐng)域內(nèi)的專家經(jīng)驗，綜合意見來進(jìn)行成本預(yù)測的方法，不需要歷史數(shù)據(jù)，有很強(qiáng)的主觀性。②類推預(yù)測法。類推預(yù)測法是運(yùn)用事物發(fā)展的相似性原理，對相互類似的產(chǎn)品做出分析比較，主要利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。③特征參數(shù)法，即通過對產(chǎn)品成本相關(guān)參數(shù)的提取，對成本和參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合分析來估算成本的方法。以前經(jīng)常使用的是回歸計算模型?；貧w計算模型雖然方法簡單，但成本預(yù)測并不準(zhǔn)確，隨著技術(shù)發(fā)展，更多的先進(jìn)的算法被引入?yún)?shù)法對成本預(yù)測，目前應(yīng)用最多的也就是此方法。

3.1 車輛規(guī)劃階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

在車輛設(shè)計制造中，除了原有的技術(shù)文件要求，還需要從車輛全生命周期成本的角度針對車輛選型做出成本比較，用來輔助建設(shè)方（業(yè)主）以及供應(yīng)商的選型決策。在一般車輛選型中，決策者往往更看重“最低的采購價格”，缺少科學(xué)的決策判別依據(jù)。因此，需要利用車輛全生命周期成本模型來從長遠(yuǎn)角度統(tǒng)計車輛成本。

3.2 車輛聯(lián)調(diào)階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

在車輛聯(lián)調(diào)中，信號、供電、通信、PIS、站臺等系統(tǒng)是以車輛為載體進(jìn)行車輛運(yùn)行測試來進(jìn)行功能檢驗，各系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互作用。因此，車輛聯(lián)調(diào)具有以下特點：結(jié)構(gòu)組織復(fù)雜，多方參與，聯(lián)調(diào)涉及范圍廣，聯(lián)調(diào)時間并不充裕，風(fēng)險系數(shù)高，責(zé)任重大。目前，國內(nèi)對軌道交通車輛聯(lián)調(diào)的研究對象多為對車輛聯(lián)調(diào)過程以及車輛聯(lián)調(diào)中各系統(tǒng)的相互作用，并未對車輛聯(lián)調(diào)的接口分類以及管理進(jìn)行研究。而接口管理是提高管理效率的必要措施，是對項目過程管控的關(guān)鍵保障[2]。

目前，車輛聯(lián)調(diào)的接口管理研究大多著眼于技術(shù)接口，技術(shù)接口確實是車輛聯(lián)調(diào)的核心部分，但也是其他接口問題產(chǎn)生的基礎(chǔ)。將車輛聯(lián)調(diào)中的利益相關(guān)者加入接口管理中，可將車輛接口分為以下3 類。

3.2.1 技術(shù)接口

實現(xiàn)車輛聯(lián)調(diào)功能的關(guān)鍵就在技術(shù)接口，技術(shù)接口是應(yīng)對接口問題的根基，也是車輛實現(xiàn)性能的各個系統(tǒng)需要遵循的技術(shù)指標(biāo)和條件約束。技術(shù)接口可以分成信息接口和物理接口，信息接口也可稱為軟性接口，是設(shè)備或者系統(tǒng)之間通過通信協(xié)議、軟件等方面的技術(shù)參數(shù)匹配以及相互之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作關(guān)系產(chǎn)生的接口。物理接口也可稱為硬性接口，是設(shè)備之間的電氣或者機(jī)械的硬性連接產(chǎn)生的接口。

3.2.2 職能接口

職能接口也可以稱為責(zé)任接口，一方面，車輛聯(lián)調(diào)是車輛從制造到實際運(yùn)營的重要銜接過程，會涉及到軌道交通項目總進(jìn)度、施工安排、職責(zé)與權(quán)力交接等接口問題；另一方面，參與車輛聯(lián)調(diào)往往有眾多的單位，包含多個設(shè)備供應(yīng)商、各系統(tǒng)的設(shè)計單位、咨詢單位以及建設(shè)制造單位，這些單位各有其任務(wù)分工，同時它們之間存在互相約束關(guān)系。因此，職能接口也包含了設(shè)計、咨詢、建設(shè)等多單位之間管理接口。

3.2.3 組織接口

組織接口指參與車輛聯(lián)管理組織由于組織運(yùn)行而互相協(xié)調(diào)、交流產(chǎn)生的接口關(guān)系。車輛聯(lián)調(diào)管理組織主要由車輛聯(lián)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)組（決策）、車輛聯(lián)調(diào)管理組（執(zhí)行決策與對車輛聯(lián)調(diào)進(jìn)行各方協(xié)調(diào)以及保障過程順利進(jìn)行）以及車輛聯(lián)調(diào)操作組（車輛以及相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)人員組成）。各組之間有著互相的信息傳遞與工作流程的相互交流與調(diào)節(jié)，特別是對于操作組之間由于互相的工作計劃以及進(jìn)度之間可能會產(chǎn)生接口矛盾。

車輛聯(lián)調(diào)的接口管理從以上3 類接口上展開，可解決更全面的接口問題，有助于實現(xiàn)車輛聯(lián)調(diào)總性能。

3.3 車輛運(yùn)營維護(hù)階段狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求分析及建議

對車輛進(jìn)行維修是對車輛壽命的延長，也是確保車輛未來安全運(yùn)營的保障措施[3]。目前，基于經(jīng)驗的定期檢查計劃預(yù)防維修策略難以避免車輛的欠維修或過維修情況出現(xiàn)[4]。同時，隨著狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，目前存在大量的車輛設(shè)備故障數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理處理。軌道交通車輛是個龐雜的系統(tǒng)（電氣、機(jī)械等系統(tǒng)），對于車輛故障數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行分類，一般可從故障發(fā)生原因、故障后果的影響程度、故障發(fā)生頻次等角度進(jìn)行分類，從故障可靠性角度分析，一類是通過傳統(tǒng)基于經(jīng)驗公式的可靠性指標(biāo)，比如可靠度、故障概率密度、故障率以及失效率等；二類是通過數(shù)理方法利用故障分布函數(shù)來的得到可靠性指標(biāo)，主要有4 種分布函數(shù)，即正態(tài)分布、指數(shù)分布、對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。得到可靠性指標(biāo)后，可依據(jù)神經(jīng)算法或延遲時間理論等來對目前的基于經(jīng)驗的計劃預(yù)防修的時間間隔提出優(yōu)化，同時需要根據(jù)不同維修方式的特點對對應(yīng)車輛設(shè)備維修做出合理決策。

4 結(jié)論

通過對軌道交通車輛的全生命周期各階段的工作重點進(jìn)行簡述，利用狀態(tài)管理對車輛全生命周期各階段進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析，從中總結(jié)出車輛規(guī)劃、車輛聯(lián)調(diào)以及車輛運(yùn)營維護(hù)階段的目前狀態(tài)控制方式的不足之處，并根據(jù)這三階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移需求提出狀態(tài)控制方法建議，來為車輛狀態(tài)轉(zhuǎn)移深層次的研究進(jìn)行鋪墊。