田光榮， 付政波， 于衛(wèi)東， 陳振虹， 陸航， 肖齊， 李方烜

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2. 中國國家鐵路集團有限公司 機輛部，北京 100844；3. 中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州動車段，廣東 廣州 510088）

1 概述

通過不斷自主創(chuàng)新，我國逐步形成了擁有自主知識產權的、適合我國運輸需求的高速動車組運用和維修基本模式，并建立了較為科學完善的動車組成套技術標準體系。我國高鐵運營具有大運量、高速度、高密度等特點，截至2019年底，我國高鐵運營里程達3.5 萬km，動車組保有量超過3 500 標準組，單日開行動車組最多超過6 000 列次。全路動車組保有量和年均走行里程年度變化趨勢示意見圖1。如何保證不同技術平臺、不同速度等級、不同運用環(huán)境的動車組在服役周期內的安全狀態(tài)成為行業(yè)關注焦點。

基于我國動車組運營10年來產生的行車設備類故障數(shù)據(jù)，從時間、里程、高級修周期等不同維度研究動車組及關鍵系統(tǒng)的故障演變規(guī)律，在揭示動車組服役性能演變的基礎上，為動車組修程修制優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 動車組保有量及年均走行里程年度變化趨勢示意圖

2 我國動車組修程修制現(xiàn)狀

合理的運用和維修策略是保障動車組運行安全的關鍵環(huán)節(jié)，包括維修標準、方式、周期、內容等。動車組關鍵系統(tǒng)或部件的狀態(tài)直接決定著動車組的運行安全性和乘坐舒適性。因此，通過設置科學的修程修制，既能有效從系統(tǒng)或部件的健康狀態(tài)層面保障動車組運行安全，又能為降低運維成本提供支撐。對于修程修制的設計，應遵循正向設計原則，從設計研發(fā)階段開始，依據(jù)相關維修思想和理論，并以可靠性為中心，按照全生命周期費用最優(yōu)的原則展開。通常采用仿真或試驗等方法獲取部件的壽命，但實踐分析表明：不論系統(tǒng)還是部件，其服役性能的演變較為復雜，受多種影響因素的復合作用，運用環(huán)境或執(zhí)行程序的差異均會導致其偏離“理論值”。因此，如何充分利用服役期內產生的實際狀態(tài)數(shù)據(jù)修正或指導系統(tǒng)或部件的修程修制設置十分關鍵。

目前，我國動車組主要實行計劃性預防修檢修體制［1］，該體制針對動車組結構及功能特點、運用維修需求，以現(xiàn)代維修理論為指導，按照計劃預防修為主的原則，制定了動車組一至五級修程，采用“以走行公里為主，時間周期為輔”的檢修模式［2-8］。運用實踐表明：該體制在保障運用動車組的技術狀態(tài)良好方面發(fā)揮了積極作用，但也存在部分部件過度維修及總維修成本偏高等不足，總體上偏于謹慎，存在一定優(yōu)化空間［2，5］。傳統(tǒng)計劃性預防修制度已不能很好滿足我國高速鐵路高質量發(fā)展需求。此外，鑒于前期對動車組相關系統(tǒng)或部件實際性能演變規(guī)律的認知及運用維修經(jīng)驗的積累和提取均處于不斷累積過程中，因此有必要、也有條件在充分挖掘動車組運行狀態(tài)及性能演變規(guī)律基礎上，通過多維度分析研究，全面揭示動車組系統(tǒng)或部件服役周期內性能變化趨勢，通過關聯(lián)修程設置，為逐步實現(xiàn)計劃性預防修向數(shù)字化精準預防修轉變提供參考。為此，中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）機輛部在組織推進動車組修程修制改革的指導意見中也明確了檢修周期、檢修標準和檢修范圍等優(yōu)化方向［9］。

3 動車組修程修制優(yōu)化探索

3.1 多維度故障演變規(guī)律分析

受限于結構本身的可靠性問題，動車組系統(tǒng)或部件在服役期內隨著運用時間或里程的增加，會產生性能劣化，影響行車安全。動車組的維修目的是使系統(tǒng)或部件恢復其初始的設計功能或狀態(tài)，其關鍵在于何時修、修什么，要做到精確施控就必須科學掌握系統(tǒng)或部件在全生命周期內的服役性能演變規(guī)律，同時梳理出不同故障的關聯(lián)關系及其影響范疇，在全面揭示故障演變規(guī)律的基礎上提出合理的維修決策［2，7，9-16］。因此，在分析故障演變規(guī)律時需綜合考慮不同維度，如運行時間、走行里程、技術平臺、檢修周期、運用環(huán)境等。截至2019年底，保有動車組中累計走行里程大于300 萬km 的占比約37%，其中600 萬km 以上的占比超過10%。且較大范圍內的樣本動車組經(jīng)歷了四級修及以上高級修程，因此主要關聯(lián)分析高級修程維度。分析的樣本源為我國高速鐵路2008—2019年的動車組行車設備類故障數(shù)據(jù)。為了便于樣本聚類分析，同時在一定程度上兼顧技術平臺和速度級的影響，通過速度級和高級修程的不同設置自定義了4個類別（見表1，其中A＜B、L＜H）。

表1 自定義類別劃分

根據(jù)上述方法，收集定責為車輛責任的動車組事故樣本和故障樣本。為了避免樣本的隨機誤差及聚類分析高級修程，統(tǒng)計時排除尚未進行下一高級修程的故障樣本（為了便于在同一個走行里程條件下比較，將三級修里程A萬km的對應數(shù)據(jù)換算到B萬km）。

動車組故障率演變趨勢示意見圖2，可以看出，故障率演變趨勢總體上屬于收斂，且從2012年左右開始呈下降趨勢，并趨于穩(wěn)定，整體安全態(tài)勢可控。這主要得益于運用、檢修水平和經(jīng)驗的提高，使得運維質量穩(wěn)步提升，同時國鐵集團組織鐵路局集團公司和主機企業(yè)開展了針對性的源頭質量整治工作，綜合各種措施使得我國動車組整體安全態(tài)勢趨于穩(wěn)定和健康。動車組故障率演變過程中，在2010年出現(xiàn)峰值，主要原因在于當年部分車型在部分高鐵線路的較大規(guī)模開行，其行車設備故障約占當年全路設備故障的60%以上。目前的動車組故障率相比于其高點的下降幅度最高達90%。通過整治，消除了一批影響行車安全和運輸秩序的隱患問題，裝備技術水平得到顯著提升。進一步分析事故原因可知，配件質量問題在源頭設計、配件質量、作業(yè)質量及處理程序等4類主導因素中占比最大（超過50%），主要是傳感器問題。隨著源頭質量整治等專項工作的開展，其影響趨勢也逐步下降并收斂。

圖2 動車組故障率演變趨勢示意圖

動車組關鍵系統(tǒng)車輛責任故障占比情況見圖3，可以看出，故障較多發(fā)于網(wǎng)絡及輔助監(jiān)控、轉向架及其輔助、主供電、供風制動系統(tǒng)，且此類故障發(fā)生后，在運用環(huán)節(jié)往往較難進行有效處置，從而導致限速、換車等情況。因此，需進一步優(yōu)化和完善故障應急處置方案，提高故障處理效率，特別是某些慣性故障問題，更需優(yōu)化。

圖3 動車組關鍵系統(tǒng)車輛責任故障占比情況

此外，不同自定義類別之間因技術特性、檢修周期、速度等級和使用環(huán)境等因素的差異會引起整體服役性能的不同。因此可在制定對應運用和維修策略時將其充分納入為影響因子。以車輪鏇修為例，可參照如下示意策略執(zhí)行：

式中：α修正系數(shù)可依據(jù)運行速度等級、運行線路（反映使用環(huán)境）、歷史檢修數(shù)據(jù)等因素動態(tài)調整。

3.2 動車組故障與高級修程關聯(lián)分析

從時間（里程）、技術類別等維度分析了整體和關鍵系統(tǒng)的故障演變規(guī)律，可知總體上故障演變趨勢趨于收斂，安全態(tài)勢可控。針對自定義平臺或某關鍵系統(tǒng)，關聯(lián)故障數(shù)據(jù)至高級修程，以期為優(yōu)化修程修制提供數(shù)據(jù)支撐。以圖3中故障占比較大的關鍵系統(tǒng)之一為例（以“Z 系統(tǒng)”代稱），其故障率隨檢修周期變化趨勢見圖4（圖中兩標記點間的連線不代表故障率的實際變化軌跡）。

圖4 “Z系統(tǒng)”故障率隨檢修周期變化趨勢

（1）從總體上看，故障率呈下降趨勢，合理的修程設置降低了故障的發(fā)生概率，但總體下降趨勢趨緩，初步分析其反映出了系統(tǒng)或部件本身的疲勞可靠性問題；

（2）總體上，高級修間隔周期為A萬km的動車組，其故障率整體明顯低于高級修間隔周期為B萬km 的動車組，即在更短周期內施修可以更好地恢復系統(tǒng)或部件狀態(tài)，降低故障率；此外，短高級檢修周期的動車組，其在不同檢修周期內故障率的變化幅度明顯小于長檢修周期動車組，原因主要在于技術平臺的差異。

目前，“Z 系統(tǒng)”的維修主要依靠日常檢查、定期檢測、定期維修和定期更換等預防性維修策略，檢修周期的長短則取決于設計、工藝、材料、環(huán)境及維修措施等。除典型耗損型產品外，很多產品的壽命曲線不一定遵從“浴盆曲線”，故需以實際運維需求為導向，從設計階段開始充分兼顧維修周期的合理性，以理論設計為基礎，采用不同高級修周期內故障變化趨勢進行修正，再考慮“因地制宜”問題，即同一車型在不同使用環(huán)境下需根據(jù)設計周期，通過實際周期的修正系數(shù)和環(huán)境修正系數(shù)調整為不同的可執(zhí)行策略。

3.3 動車組高級修程優(yōu)化探討

從時間維度看，10年來全路動車組事故率和故障率隨年度變化趨勢的相關系數(shù)為0.59，其中因事故的絕對數(shù)量相比故障數(shù)更少，故其波動性較大，但二者的總體變化趨勢基本一致，即2010年開始整體呈下降趨勢，并趨于收斂。從高級修周期維度看，事故率和故障率的相關系數(shù)能達到0.82，即總體上以固定修程（即走行公里）為綱，事故率和故障率具有更好的相關性。同理得到前述4個自定義類別動車組在不同統(tǒng)計維度條件下事故率和故障率的關聯(lián)性（見圖5）?？芍远x類別3動車組按照時間維度和高級修維度分別統(tǒng)計時二者關聯(lián)系數(shù)相差最大，從側面反映出該平臺動車組高級修對于故障事故的轉化關系影響最大。同時，自定義類別2 動車組事故和故障關聯(lián)系數(shù)在2 個統(tǒng)計維度條件下均相對較高，因此可在后續(xù)修程修制優(yōu)化過程中予以重點關注，通過優(yōu)化設置降低故障率，進而避免或減少事故的發(fā)生，提高安全保障裕度。

對于“Z 系統(tǒng)”，其事故率和故障率與高級修程的相關性見圖6，二者的相關系數(shù)為0.47，且故障率隨高級修周期延長呈下降趨勢的同時，事故率在120 萬～240 萬km 區(qū)間有增大趨勢，初步分析認為事故率的上升主要是一些偶發(fā)性因素所導致，而非該系統(tǒng)的慣性故障所引起。

圖5 不同類別動車組事故率和故障率關聯(lián)系數(shù)比較

圖6 “Z系統(tǒng)”事故率和故障率與高級修程的相關性

相關自定義為：故障事故轉化率=事故數(shù)/故障數(shù)，目的是從統(tǒng)計意義上分析二者的轉化關系，從具體的故障演變及轉化概率研究修程修制優(yōu)化的可行性。不同速度等級和高級修周期的動車組故障率及故障事故轉化率對比見表2，其中以高級修周期A的相關數(shù)據(jù)為基準，計算得到高級修周期B條件下對應指標與其的倍數(shù)關系。

表2 不同速度等級和高級修周期的動車組故障率及故障事故轉化率對比

由表2可知，同速度等級條件下，更長高級修周期（B）的動車組平均故障率為較短周期（A）動車組的約3.0 倍，一定程度上符合可靠性演變規(guī)律；同速度等級條件下，更長高級修周期（B）的動車組故障事故轉化率為較短周期（A）動車組的0.7～0.9 倍，基本相當，即高級修程延長并不一定導致更高的故障事故轉化率。換言之，較短周期動車組的高級修周期延長具備一定的安全裕度。

同理分析同一檢修周期下不同速度等級動車組故障和事故相關指標對比情況（見表3）。

表3 同一檢修周期下不同速度等級動車組故障和事故相關指標對比

由表3可知，在同等高級修程周期條件下，不同速度等級動車組的故障率大致相當，但故障事故轉化率有較大差異，速度等級越高轉化率越大。因此對于高速度級（H）動車組，結合故障演變規(guī)律，可考慮從較大走行里程時高級修的內容優(yōu)化方面入手解決降低故障事故轉化率，包括優(yōu)化檢修里程或每個高級修程中對應的檢修內容。

4 結論與建議

（1）在現(xiàn)行計劃預防修制度存在一定不足的情況下，基于不同維度分析得到的動車組關鍵系統(tǒng)故障演變規(guī)律，進一步關聯(lián)至高級修程，可為修程修制的優(yōu)化提供指導意義；

（2）高級修周期延長并不一定導致更高的故障事故轉化率，動車組較短高級修周期延長具備一定的安全裕度；

（3）對于更高速度等級動車組，其故障事故轉化率更高，即在故障率大致不變的條件下導致更高的事故率的幾率更大，需關注較大走行里程后高級修間隔及檢修內容的設定；

（4）對于平均故障事故轉化率較高的動車組相關系統(tǒng)，其修程可根據(jù)技術特性及運用實際進行完善，特別是在經(jīng)過多次高級修后要重點關注，同時需加強車載和地面安全檢測監(jiān)測設備以進一步保障安全性。

此外，為了更全面地分析故障演變規(guī)律及轉化關系，一方面建議強化動車組行車設備故障和檢修故障描述的規(guī)范性，以此形成更結構化和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源；另一方面，建議優(yōu)化和完善動車組車載和軌邊檢測監(jiān)測設備，以提供更為豐富的狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，能對故障診斷提供更為精確的輸入，有利于提高結果的準確性和后續(xù)故障預測工作的開展。