摘要：城市轨道交通系统各设备的稳定运行是保证运营安全和运营品质的前提，采用合理的维修方式管理设备是保证设备良好状态的基础。为解决城市轨道交通设备维修决策中存在过于依赖主观经验、缺乏维修侧重点造成的资源浪费问题，无锡地铁运营分公司提出了基于层次聚类的城市轨道交通设备分类模型。结合无锡地铁运营生产实际的维修管理构建设备的维修方式体系，采用层次分析方法分析各目标设备的特性，引入层次聚类方法，将目标设备按特性分类后进行逻辑决断，为目标设备选择不同维修方式。最后，本文以无锡地铁1、2号线设备为例，验证该方案的可行性。
关键词：轨道交通设备；维修方式；层次聚类
1 概述
城市轨道交通系统作为公共交通系统中的重要组成部分，系统各设备的稳定运行是保证运营安全和品质的前提。采用合理的设备维修方式是保证设备良好状态的基础。目前，城轨设备主要采用故障维修、定期维修的维修方式，维修方式的选择依赖管理者的主观经验和设备厂家提供的技术指导文件，并未考虑设备的实际工作环境和使用情况。目前国内学者对于设备分类的研究主要采用层次分析法[1][2]和灰色关联分析法，这些方法都建立在设备重要度的基础上，对于设备维修方式决策主要采用多目标决策、层次分析和以可靠性为中心的维修三种方法。
以上研究不足之处在于：没有考虑到设备维修方式体系的建立，对设备维修决策的针对性不强；没有考虑到设备参数的提取情况；分类模型输入属性维度少，泛化能力不足。本文首先构建城轨设备维修方式体系，统计设备实际故障信息选择目标设备，再采用层次分析方法分析目标设备的特性，建立层次聚类模型将目标设备分类后对不同类型设备维修方式进行逻辑决断，该研究成果有助于城市轨道交通企业节约维修资源、提高设备维修管理水平，使设备维修方式决策更具有针对性和科学性。
2 设备维修方式体系构建
目前国内城轨设备主要采用预防性定期维修结合故障修的维修体系。预防性定期维修易造成维修不足或维修过剩的现象，故障维修则大大降低设备的可靠性。随着城市轨道交通设备的自动化程度提高、系统联动性加强，现有维修方式体系已不能满足轨道交通企业对设备维修管理的需要。因此状态修越来越显得必要，状态维修是根据先进的状态监测和诊断技术提供的设备状态信息，预知设备的故障，并根据预知的故障信息合理安排检修项目和周期的维修方式。
3 设备分类
由于设备属性、工作环境、故障影响的不同，维修方式的适用性不同，在选择合适的维修方式前需进行设备分类。
3.1 目标设备选择
城市轨道交通系统包含的设备众多，且各设备在逻辑层和物理层的联系错综复杂，本文的目标设备选择的依据是设备故障率和设备功能。
设备的故障率是指设备一段时间内发生故障次数和该时间的比值，但由于城市轨道交通企业中不同专业所管辖设备的故障次数存在差异，本文提出相对故障率的概念：
此外，故障影响重大的设备，相对故障率较低，但需要对其实施较高的维护管理水平，因此加入功能分析法，从系统功能层面将故障影响重大的设备纳入目标设备范畴。
3.2 目标设备特性
采用层次分析方法对目标设备特性进行进一步分析。
如图1所示。
设备故障类型在本模型中指机械、电气类故障比例；设备重要性指设备故障后对运营安全、质量方面的影响；运营安全性是指设备故障后对地铁运营安全的影响程度；运营质量是指设备可靠性；故障可维修度是指设备故障后维修工作难易程度；相对维修成本指故障检修的相对人工成本、消耗材料成本等；参数提取度是指在设备被监测所能提取参数的程度。
4 设备维修方式决策
城市轨道交通设备的维修方式应根据自身特点，结合运营单位现有的维修技术条件以及设备实际使用情况进行选择。本文采用决策树模型对城轨设备的维修方式进行决策，如图2所示。对国标及行业维修标准的设备，采用预防性定期维修。
5 实例分析
以无锡地铁1、2号线设备为研究对象，选取某年的故障记录为原始数据，综合维修实际，对设备进行分类和维修方式决策，验证本方法的可行性。
5.1 目标设备选取
城市轨道交通企业选择相对故障率较高的设备作为目标设备，相对故障率由式（1）计算，目标设备故障统计结果如图3所示。
此外，通过分析设备功能，将牵引系统、列车控制系统、车门系统、接触轨、道岔系统、空调水泵、电动风阀等10类设备纳入目标设备范畴之中。最终确定BOM、TVM、AGM 、门禁工作站、车载ATC系统、PIS系统、洗车机、高压细水雾、自动扶梯、等51类设备为目标设备。其它设备，选择原有维修方式不变。
5.2 目标设备分类
得到目标设备在各特性下的评定结果，如图4所示。对结果结合企业的维修纸质进行再次评定，将评定结果作为原始数据集输入层次聚类模型，聚类结果如图5所示，纵坐标是设备间平均距离，横坐标是设备编号。
分析聚类结果发现，在五个特性维度下，模型将设备聚为三类的结果是较为明显的。以平均距离为0.8进行切割，可以得到三类设备的聚类结果。
5.3 目标设备维修方式决策
应用图3中所示设备维修方式逻辑决断模型，为三大类目标设备选择维修方式，决策结果如下：
火灾报警主机、高压细水雾火灾报警设备、高压细水雾泵组、自动扶梯等六类设备有严格的国家或行业标准，划分为预防性定期维修；第一类设备（TVM、不落轮镟床、电客车辅助系统、专用电话系统、400v开关柜等）不影响列车车辆运行且没有故障先兆，划分为故障维修；第二类设备（道岔系统、工程车、综合检测车、PSC控制系统、接触轨、车门系统）故障率较低，划分为预测维修；第三类设备（电客车ATC系统、牵引系统、电客车PIS系统、轮对动态监测系统、电动风阀等）故障率较高的设备，划分为计划维修。
6 结论
本文针对城市轨道交通设备维修决策中存在过于依赖主观经验、没有维修侧重点造成的资源浪费问题，提出了基于层次聚类的城市轨道交通设备分类模型，在城轨设备分类基础上为不同类别设备决策维修方式。并将构建的模型和方法应用于无锡地铁设备维修方式决策研究中，实例分析表明设备分类后再决策维修方式是可行的。本方法有助于城市轨道交通企业制定一份科学合理的设备维修方案以节约维修资源、提高设备维修管理水平。诚然，本文侧重于设备维修方式决策，设备维修时机决策将是下一步重点研究工作。
参考文献
[1]李国正,谭南林,张建斌.基于改进型AHP的地铁列车设备重要度分析[J].电子测量与仪器学报,2012,26(06):503-507.
[2]金恺.模糊层次分析法在原料药设备重要度评价的应用研究[J].机电信息,2015(02):48-52.
论文作者:张明,陈卓, 王海庆
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第18期
论文发表时间:2019/11/7
标签：设备论文; 方式论文; 故障论文; 目标论文; 设备维修论文; 系统论文; 故障率论文; 《工程管理前沿》2019年第18期论文;