城市轨道交通车辆维保策略优化思考——以青岛市为例

本文是一篇工程管理论文，论文分析了城市轨道交通车辆系统组成、维保理论及相关行为，研究了城市轨道交通车辆维保策略优化问题。研究了车辆维保修程设置、维保模式、维保形式、管理架构，在分析车辆故障机理和故障规律的基础上，基于 RCM、FMECA方法建立了车辆最短维保周期优化模型、均衡维保策略优化模型及车辆维保方案评价模型，并应用于车辆维保。

第 1 章 绪论

1.1 研究的背景、意义和目的
1.1.1 研究的背景
我国经济的蓬勃发展加快推动了我国城市化的进程，居民工作、生活的节奏愈来愈快，日常出行频率不断增加，城市拥堵问题随着而来，轨道交通迅速成为诸多城市解决客流运载问题的重要措施，据统计，国内开通了轨道交通的城市已达 40 座，且可能迎来黄金增长期。车辆是保障城市轨道交通安全可靠运营的载体，具有效率高、污染小、准时准点的特点，按照车辆形式和技术指标，可划分为地铁车辆、轻轨车辆、磁悬浮车辆等[1]。随着国内城市轨道交通逐步进入网络化运营，客运量呈显著增长趋势，车辆正线运营载客频率不断增加，每日载客时间不断延长，因而，对轨道交通车辆的维护安全要求日益增高，人们逐步认识到轨道交通车辆存在的安全和隐患可能所带来的危害和风险。
我国城市轨道交通车辆维保制度目前仍借鉴国内铁路机车车辆维保制度，实施预防性计划维保，按照《地铁设计规范》[2]开展日常维保和定期检修（如表 1.1所示），其中架大修是车辆预防性计划维保中最高级别的修程。

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随着对列车安全系统的保护和防范意识不断的增强，全国各地轨道交通系统纷纷启动轨道车辆运维策略研究项目。如何安全、可靠的实施车辆运用和维护，压缩维保时间、减少维保费用、提高维保效益，是国内各城市轨道交通企业在逐步探索、研究的方向。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外车辆维保策略研究现状
国外轨道交通车辆维保策略主要有三种维护保养方式：按运行时间、按走行公里数、按车辆运行状态，轨道交通企业结合车辆状况、运行条件研究选择了不同的车辆维保策略。
1.日本新干线车辆维保策略
日本新干线在车辆维保领域推出了很多先进的措施，田中真一[3]、上野雅之[4]指出考虑车辆在运行速率高、路程远等不同的环境状况，根据车辆部件可靠性进行分类，日本新干线对非故障部件实施实施不同周期间隔的预防维保，对故障部件实施事后维修。瀧英将[5]指出日本四国铁路集团设有 1 个大修厂和几个车辆段，大修厂负责车辆全面维保和重大部位维保，车辆段负责换件维保和日常维保，设立协调联络制度，共享资源信息完成检修、改造工作业务。半田佳之[6]、三技木祐人[7]研究了新干线车辆健康检测系统，利用状态记录装置检测车辆压缩机、受流装置和空调机组劣化指标，确定了寿命分析和故障预测方法，为实现车辆状态维修奠定了基础。阿彦雄一[8]完善了车辆数据分析方法，启用车辆检修管理系统统一管理车辆数据，大幅度提高数据利用率，更好地掌握因使用时间和走行公里而造成的老化，从而确定最佳的维保周期和方式，以定期“点检”为基础，基于车辆数据分析采用“点与线相结合”的维保体系。
2.欧美国家车辆维保策略
巴黎地铁具有百年运营历史，М.Ф.Киреева[9]指出巴黎城市轨道交通计划改变传统的按时间间隔维保的模式，通过安装传感器和问题判断模块，尝试检测车辆运营状态，以达到状态维保目的。CENELEC 编制发布《铁路应用：可靠性、可用性、可维护性和安全性技术规范和验证》[10]，RAMS 分析方法开始推广应用于城市轨道交通车辆维保领域，并取得了非常显著的效果。Ambika Prasad Patra[11]、Chen S[12]阐述了 RAMS 在收集故障数据、识别故障危害度等方面的应用，建立铁路基础设备设施优化模型，并运用仿真技术分析了维保制度中设备可靠性和经济性之间的关系，进而确定较高经济效益的解决方案和最实用的维保策略。Marco Macchi[13]、Kiran S.[14]提出基于成员和故障树分析法对可靠性进行分析，通过设备本身特性和运行环境进行分类，再根据可靠性将之分到子类中，建立系统的可靠性模型，其结果可靠，但分析尤其繁琐，必须找出系统所有部件的内在联系。Cicco[15]、Karan Doshi[16]分别采用 DFR 法和 S-N 曲线计算方法，提高了部件疲劳可靠性的计算速度。Argyropoulou[17]提出以保障车辆运营为目的的优化模型，降低设备故障的维保时间。Fathollah Bistouni[18]、Gregory Levitin[19]、Elaine A.L[20]、Sayed Javad Aghili[21]分别提出了有限元分析法、马尔科夫分析式、蒙特卡罗仿真法、模糊方程法等模型，开展了可靠性研究。
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第2章 车辆维保相关理论基础

2.1城市轨道交通车辆概述

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通过现场调研，掌握与车辆有关的原始资料，主要包括车辆各系统零部件的结构特性，车辆运行、控制和维护手册，以及车辆运行所处的工作环境、使用条件等，通过 FMECA，确定对城市轨道交通车辆的故障和人员有危害性影响的故障模式及其等级，定量计算出各类故障危害指标，为维保方案选择提供指导。
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2.2 车辆维保理论
2.2.1 车辆维保概念
车辆维保是对车辆进行维护和保养的简称，是为了保持和恢复车辆良好工作状态而进行的所有技术和管理，包括监督的活动。主要工作有清洁、润滑、检查、判断、排查故障，排查故障后的测试及全面翻修等。
2.1.2 车辆维保理论
1.事后维保
这是一种较为传统的维保方式，只对故障后的设备设施进行维保，不故障不维保。这种思想实际上是 20 世纪初期使用装备的自然反应，由于装备复杂程度低、较为可靠，故障后对安全生产的影响较低，采取事后维保可最大程度节约经济成本，至今仍反映在人们的家庭或简单劳动中对待工具的态度上。
2.预防性计划维保
预防性计划维保根据车辆磨损规律制定，是在深入研究机械部件及其零部件浴盆曲线（如图 2.3 所示）后逐步完善形成的，这一维保思想相比于传统的事后维保，在故障萌芽阶段即发现解决了隐患，取得了巨大经济效益和发展[58]。
浴盆曲线由早、中、晚阶段组成。AB 阶段是早期磨合阶段，运用初期，由于设计缺陷和外界环境等各类因素影响，车辆故障率逐渐开始减少，运行趋于平稳。BC 阶段为寿命期，又称随机故障期，是磨合期之后的一段时期，车辆运转稳定，故障率低，出现的故障多为偶发故障、随机故障，不能通过调试、更换零部件消除。CD 阶段为磨损期，又称晚期故障期，如果在 C 点进行维护保养，可进一步推迟磨损期。统计分析表明，对于复杂的城市轨道交通车辆系统，机械部件、设备系统的故障率曲线不再是单一的浴盆曲线，必须通过研究故障机理，找出产生故障的内容在原因，才能更好地采取措施，减少事后维保造成的损失。
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第 3 章 城市轨道交通车辆维保策略 ............................... 18
3.1 车辆维保修程 ....................................... 18
3.2 车辆维保管理模式 ....................................... 18
第 4 章 车辆维保修程优化模型 ..................................... 28
4.1 车辆最短维保周期优化模型 .......................................... 28
4.1.1 综合框架 ........................................... 28
4.1.2 可接受的最低可靠度 .................................. 28
第 5 章 车辆维保策略优化实例分析 ................................... 38
5.1 青岛市轨道交通车辆维保现状 ............................................. 38
5.1.1 车辆及车辆基地设置情况 ............................................... 38
5.1.2 车辆维保管理策略 .................................. 39

第 5 章 车辆维保策略优化实例分析

5.1 青岛市轨道交通车辆维保现状
5.1.1 车辆及车辆基地设置情况
青岛市已获得发改委 9 条轨道交通线路批复建设，其中 1、2、3、8、11、13号线已建成通车，轨道交通车辆配属已达 1292 辆（具体如表 5.1 所示），除 11、13 号线采用 B 型车 4 辆编组车辆，其余线路（1、2、3、4、6、7、8 号线）均采用 B 型车 6 辆编组车辆。

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车辆基地是城市轨道交通车辆停放、检查、维修、保养的专门场所，根据《青岛市城市轨道交通线网规划调整（2015 年）》车辆检修资源共享调整方案，线网架大修任务最终由 6 座车辆基地、1 座轨道交通维保中心（合作成立）承担。目前，3 号线车辆基地、2 号线车辆基地、11 号线大田车辆基地、13 号线古镇口车辆基地已建成，正在建设 8 号线胶州北车辆基地、轨道交通维保中心。
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第 6 章 总结与展望

6.1 总结
论文分析了城市轨道交通车辆系统组成、维保理论及相关行为，研究了城市轨道交通车辆维保策略优化问题。研究了车辆维保修程设置、维保模式、维保形式、管理架构，在分析车辆故障机理和故障规律的基础上，基于 RCM、FMECA方法建立了车辆最短维保周期优化模型、均衡维保策略优化模型及车辆维保方案评价模型，并应用于车辆维保。
论文的主要研究工作及结论如下：
1.分析了城市轨道交通车辆维保面临的挑战，针对车辆故障规律愈加复杂、车辆定期维修效果不佳等问题，调查了国内外同类研究问题现状，确定了研究的方向、实际意义和价值。
2.结合常用的车辆寿命分布函数分析了车辆故障机理和故障规律，阐述了可靠性、可维修性、FMECA 基本理论，以可靠性为中心的维保更具有针对性，避免了“故障后维修”和“多维修、多保养、多多益善”的传统维保思想。
3.研究了传统的车辆维保策略，从维保修程设置、维保模式、维保形式等方面总结了车辆维保相关管理模式。同时，结合城市轨道交通企业发展规模及管理特点，归纳分析了车辆维保管理架构，指导制定运转高效的车辆维保架构和策略选择。
4.基于海因里希法则统计处理车辆故障数据，通过 RCM 理论分析建立了车辆最短维保周期优化模型，通过 FMECA 方法建立了车辆均衡维保策略优化模型，基于层次分析法建立了可靠性、可用性、经济性三个维度的车辆维保方案评价模型，用以评价优化后维保方案的可实施性。
5.选取青岛市为研究对象，提出优化了既有车辆管理策略的建议，对论文提出的车辆最短维保周期优化模型、均衡维保策略优化模型及车辆维保方案评价模型进行应用分析，研究结果表明，优化后修程可靠性、可用性、经济性指标优于原修程，提高了列车利用率，减少新车采购数量和投资成本，维保项点和工作程序更加科学合理，减少了作业风险，提高了维保效率和维保质量。
参考文献（略）