劉 博，張 衡

（北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208）

目前，適用于地鐵的列車乘客信息系統(tǒng)(passenger information system，PIS)日趨多樣化，更替速度加快，導(dǎo)致現(xiàn)行的一些設(shè)備落后于運(yùn)營需求，另一些設(shè)備的性能參數(shù)、維修方式等各有不同，這給列車日常運(yùn)營維護(hù)、周期性故障診斷檢修等造成了很大的困難。一般列車壽命周期為30年，PIS大多采用了多年前的流行技術(shù)，在列車運(yùn)行與維修中已經(jīng)暴露出一系列問題[1]。以北京地鐵10號線車輛為例，近年來列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備老化、備件停產(chǎn)、型號繁雜等問題日趨凸顯，這給列車維修、配件管理等帶來極為不利的影響[2]。

1 列車乘客信息系統(tǒng)架構(gòu)

對于北京地鐵而言，乘客信息系統(tǒng)(PIS)不能一概而論。根據(jù)所屬的監(jiān)管部門不同，把 PIS劃分為站臺乘客信息系統(tǒng)和列車乘客信息系統(tǒng)。但是，這種從管轄范圍上的分類也造成設(shè)備種類和性能上的差異[3]。筆者主要對影響運(yùn)營安全最為重要且檢修難度較大的列車乘客信息系統(tǒng)在規(guī)范性方面進(jìn)行研究。

列車乘客信息系統(tǒng)主要由 3部分組成：列車廣播系統(tǒng)(包括乘客緊急對講、司機(jī)對講、車門動態(tài)地圖顯示(LED或LCD))、車端信息顯示多媒體播放系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)[4]。

列車廣播及多媒體系統(tǒng)(見圖1)由司機(jī)室和客室設(shè)備組成：司機(jī)室設(shè)備包括媒體服務(wù)器，客室設(shè)備包括解碼分屏器、網(wǎng)關(guān)和客室LCD顯示器。其中，客室兩端LED顯示器可根據(jù)具體需求來確定是否加裝[5]。

圖1 列車廣播及多媒體播放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of broadcasting and multimedia broadcasting system

網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)冗余的連接方式，所有的控制信息及音視頻信息均以數(shù)字形式通過以太網(wǎng)傳輸，系統(tǒng)中預(yù)留一對列車音頻總線。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)(見圖2)宜單獨(dú)組網(wǎng)，司機(jī)室設(shè)置一臺主機(jī)(即媒體服務(wù)器)，每個(gè)客室設(shè)置一臺網(wǎng)關(guān)，設(shè)備間采用以太網(wǎng)傳輸，建議采用集成拾音器的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of video surveillance system

特別指出的是，廣播系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)宜分別獨(dú)立供電，設(shè)置獨(dú)立電源開關(guān)。因電器柜尺寸原因，可將廣播系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成?？褪臆嚩孙@示器可根據(jù)要求確定是否設(shè)置。司機(jī)室宜采用3層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，客室宜采用2層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

2 列車乘客信息系統(tǒng)可靠性

可靠性分析是建立在對故障統(tǒng)計(jì)研究的基礎(chǔ)之上的，筆者采用故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析法(FMECA)，對北京地鐵10號線在2016年的列車乘客信息系統(tǒng)故障檢修情況進(jìn)行了研究。首先，對10號線運(yùn)行列車的車載乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行故障情況調(diào)研，了解其設(shè)備種類、故障類型、故障頻次以及故障趨勢。在此基礎(chǔ)上，對故障等級參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，然后進(jìn)行故障模式分析，以便區(qū)分故障的輕重緩急，制定合理的應(yīng)對措施[6]。最后，形成危害性風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣，以便研究故障與檢修規(guī)程之間的匹配程度，并為下一步進(jìn)行設(shè)備及維修的標(biāo)準(zhǔn)化研究提供支撐。

2.1 故障統(tǒng)計(jì)分析

故障統(tǒng)計(jì)部分，選取了2016年北京地鐵10號線一期列車的乘客信息系統(tǒng)作為研究對象，追蹤調(diào)研了視頻監(jiān)控、列車廣播、主控單元(MCU)、電子地圖、客室電視等故障高發(fā)及關(guān)鍵設(shè)備的故障情況，對列車的乘客信息系統(tǒng)設(shè)備故障規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析(見圖3)[7]。

圖3 2016年10號線列車乘客信息系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)Figure 3 Fault statistics of passenger information system of Line 10 trains in 2016

截至2016年12月，10號線車輛列車廣播系統(tǒng)共發(fā)生碎修故障1 608起，相比2015年的1 381起上升了14.1%。2016年1—12月中，監(jiān)控系統(tǒng)故障729起，占總故障的45.3%；自動廣播故障381起，占總故障的23.6%；動態(tài)地圖故障87起，占總故障的5.4%；MCU故障112起，占總故障的6.9%；客室LCD故障289起，占總故障的17.9%；其他故障10起，占總故障的 0.6%。通過統(tǒng)計(jì)分析，2016年監(jiān)控和自動廣播的故障占總故障的 68.9%。由于客室電視相關(guān)備品廠家停產(chǎn)等原因，使備品準(zhǔn)備不足，客室電視故障無法及時(shí)修復(fù)，導(dǎo)致客室電視故障率大幅增加。由于對監(jiān)控系統(tǒng)和動態(tài)地圖的整改，使得2016年監(jiān)控系統(tǒng)故障數(shù)與往年持平，錄像丟失隱患基本消除，動態(tài)地圖故障下降，乘客投訴有所減少。

2.2 故障模式分析

故障模式分析建立在故障統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)之上，選擇故障高發(fā)的設(shè)備或部件進(jìn)行研究。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，主控單元(MUC)、音頻控制模塊、電源模塊為關(guān)鍵性設(shè)備，涉及列車乘客信息系統(tǒng)能源供給與信號傳輸，應(yīng)該予以特別關(guān)注。視頻播放單元、乘客信息顯示屏、動態(tài)電子地圖、視頻監(jiān)控是整個(gè)系統(tǒng)中功能輸出的關(guān)鍵設(shè)備，與乘客的乘車體驗(yàn)與應(yīng)急安全有著密切聯(lián)系，其中乘客信息顯示屏在故障統(tǒng)計(jì)中占有很大比重，是故障高發(fā)設(shè)備，應(yīng)予以關(guān)注[8]。在選取關(guān)鍵設(shè)備后，對故障模式、成因及特性進(jìn)行了分析，具體如表1所示。

表1 故障模式分析Table 1 Failure mode analysis

通過分析可以發(fā)現(xiàn)：從故障特性看，所有的故障均為隨機(jī)故障，說明與系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布局無關(guān)；從故障成因看，除視頻監(jiān)控、攝像頭、視頻設(shè)備接口外，其余故障均與電壓電流變化引起的峰值、電涌或干擾有關(guān)，應(yīng)定期檢查設(shè)備絕緣情況。電源設(shè)備屬于早期工藝，應(yīng)該制定新的規(guī)范提升其性能，并對各設(shè)備加裝電源開關(guān)，穩(wěn)定電阻，在方便檢修的同時(shí)，減少電路故障。

通過故障影響分析(見表2)可以發(fā)現(xiàn)，除了視頻播放單元產(chǎn)生故障時(shí)需要駕駛?cè)藛T人工廣播告知以外，其余故障均不影響運(yùn)營，可待停運(yùn)后進(jìn)行維護(hù)檢修。從保護(hù)措施來看，許多設(shè)備性能上已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的落后與不足，如視頻播放單元抗干擾能力差、攝像頭清晰度不夠等。這種問題只通過日常檢修已經(jīng)無法改善，應(yīng)該制定或修訂列車乘客信息系統(tǒng)規(guī)范，提高設(shè)備性能要求。

表2 故障影響分析Table 2 Failure impact analysis

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣

風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣的建立，主要參照《軌道交通可靠性、可用性、可維修性及安全性規(guī)范示例》(GB/T21562)中關(guān)于軌道交通車輛維修的風(fēng)險(xiǎn)與安全性評價(jià)的要求[9]。建立列車乘客信息系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣，并根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)與日常檢修經(jīng)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)錄入并比對風(fēng)險(xiǎn)矩陣模型，形成的重要性分析結(jié)果如表3所示。

表3 乘客信息系統(tǒng)設(shè)備重要性分析Table 3 Analysis of importance of passenger information system equipment

從整體結(jié)果看，列車乘客信息系統(tǒng)故障的危害性普遍不高(為R4)，且相較于其他設(shè)備而言，故障發(fā)生率也不高(為F)，但是對照日常檢修規(guī)程可以看出，日常對上述設(shè)備的檢修頻率并不低，這說明檢修與故障發(fā)生存在匹配度低的問題。因此，應(yīng)該對列車乘客信息系統(tǒng)的設(shè)備檢修頻次進(jìn)行調(diào)整，使其與故障發(fā)生率相匹配。同時(shí)，通過危害的重要性分析，使關(guān)鍵設(shè)備的故障情況更加明晰，有助于日常修程修制的修訂。可將該方法規(guī)范化到設(shè)備日常統(tǒng)計(jì)中，追蹤設(shè)備故障變化情況[10]。

3 列車乘客信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化

綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前列車乘客信息系統(tǒng)存在設(shè)備老化、備品備件缺失、型號規(guī)格不統(tǒng)一等問題，具體如下：

1) 車輛PIS設(shè)備老化，故障率升高。PIS在運(yùn)用中多采用故障修的方法進(jìn)行維修，當(dāng)列車進(jìn)入較高級別修程(如架修)時(shí)才進(jìn)行系統(tǒng)的整改、維修。列車架修時(shí)機(jī)隨車型而不同，一般距列車上線運(yùn)行7～8年或更長的時(shí)間。10號線一期、二期和二期增購車輛分別于2007、2012、2015年開始投入運(yùn)營使用，其中一期、二期車輛運(yùn)營時(shí)間較長，設(shè)備性能下降明顯，故障率較高。

2) 車輛PIS設(shè)備備件停產(chǎn)，故障無法修復(fù)?，F(xiàn)有對策只能進(jìn)行車輛設(shè)備升級改造，車輛維修成本大幅增加。如10號線一期、二期車輛電力網(wǎng)絡(luò)橋接器(PLC)停產(chǎn)，導(dǎo)致車輛客室電視黑屏、花屏等故障無法修復(fù)，曾多次遭乘客投訴[11]。

3) 車輛PIS設(shè)備型號繁復(fù)，統(tǒng)型難度大。PIS沒有制造、驗(yàn)證方面的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，模塊化程度低，造成產(chǎn)品型號繁復(fù)，配件不統(tǒng)一，相互不兼容，維修周期不統(tǒng)一。目前，10號線車輛PIS使用了包括三所、華高、阿納克斯、山海天地等廠家的產(chǎn)品，各廠家設(shè)備通信協(xié)議、設(shè)備接口、系統(tǒng)設(shè)計(jì)均不盡相同，給車輛PIS的維修帶來很大困擾。

針對上述問題，可以通過標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)入機(jī)制，降低列車乘客信息系統(tǒng)故障率，減輕檢修難度，具體舉措如下：

1) 在北京地鐵10號線進(jìn)行列車乘客信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)入制度。首先，通過編制適用于10號線的設(shè)備技術(shù)規(guī)范與檢測規(guī)范，在設(shè)備采購選型階段控制各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)；其次，建立檢測平臺，對準(zhǔn)備采購或更新的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的性能測試，通過檢測平臺，方可準(zhǔn)入10號線列車進(jìn)行應(yīng)用。

2) 采用可靠性分析方法，對10號線列車乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)追蹤分析，并根據(jù)分析結(jié)果修訂檢修規(guī)程，使之與故障發(fā)生規(guī)律相匹配，減少不必要的日常檢修，設(shè)立重點(diǎn)專項(xiàng)檢修制度。

3) 建立設(shè)備全生命周期的成本核算體系，明確設(shè)備損耗及采購的經(jīng)費(fèi)支出，減少不必要的開支，在保障運(yùn)營安全的基礎(chǔ)之上，保證經(jīng)費(fèi)支出的合理性。

4 應(yīng)用效果與推廣價(jià)值

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化舉措，對10號線萬柳檢修中心管轄范圍內(nèi)車載PIS進(jìn)行跟蹤改進(jìn)研究，經(jīng)過2018年對修程修制的優(yōu)化以及設(shè)備準(zhǔn)入制的實(shí)行，故障發(fā)生情況有所下降，具體如圖4所示。

圖4 2019年10號線列車乘客信息系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)Figure 4 Fault statistics of Line 10 train passenger information system of Line 10 in 2019

通過統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，2019年共發(fā)生車載乘客信息系統(tǒng)故障 1 251起，其中監(jiān)控故障 541起，占總故障率的 43.2%；廣播故障 345起，占總故障率的27.6%；MCU故障99起，占總故障率的7.9%；動態(tài)地圖故障77起，占總故障率的6.2%；客室電視故障87起，占總故障率的7%；其他各類故障 102起，占總故障率的8.2%。

監(jiān)控和廣播故障仍為檢修中最多見的故障，但相比2016年，監(jiān)控故障減少了188起，廣播故障減少了36起，總故障減少了357起。通過回訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化修程修制，增加了重點(diǎn)設(shè)備的故障排查頻率，同時(shí)降低了少發(fā)故障設(shè)備的排查頻率，有效起到了故障預(yù)防作用，并降低了工作人員的總工作時(shí)間。從經(jīng)濟(jì)性分析，故障的減少帶來檢修支出的減少，初步統(tǒng)計(jì)約25萬元。通過設(shè)備準(zhǔn)入制度的建立，采購了一批符合10號線當(dāng)前檢修標(biāo)準(zhǔn)的車載PIS設(shè)備，預(yù)計(jì)未來會進(jìn)一步減少重點(diǎn)設(shè)備故障的發(fā)生，同時(shí)降低故障檢修的難度。近一年的跟蹤調(diào)研顯示，10號線車載PIS標(biāo)準(zhǔn)化策略具備進(jìn)一步推廣的價(jià)值。

5 結(jié)語

綜上所述，研究結(jié)果為北京地鐵現(xiàn)有車型車載PIS技術(shù)升級改造后的統(tǒng)型、后續(xù)車型車載PIS的采購提供了技術(shù)支持。目前，北京地鐵10號線列車乘客信息系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范、檢測規(guī)范的征求意見稿及配套的檢修規(guī)程已經(jīng)編制完畢，已于2019年在車輛大修中10號線萬柳檢修中心進(jìn)行應(yīng)用，并取得初步成效。