基于層次分析法的地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)故障風(fēng)險模型及應(yīng)用

張龍

摘 要：本文介紹了層次分析法的基本原理及其應(yīng)用方法，并以此為基礎(chǔ)對地鐵車輛的空氣制動系統(tǒng)建立故障風(fēng)險評價模型。將空氣制動系統(tǒng)按分為系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級和零部件級，對各層級進(jìn)行權(quán)重計算及一致性檢驗。結(jié)果表明，空氣制動系統(tǒng)中故障風(fēng)險最高的是空氣供給設(shè)備，而在子系統(tǒng)中，空氣壓縮機(jī)、風(fēng)缸模塊、網(wǎng)關(guān)閥、高度閥、制動管路的故障風(fēng)險最大。本文所建立的地鐵車輛空氣制動故障風(fēng)險模型可以幫助地鐵公司及時發(fā)現(xiàn)地鐵車輛零部件的薄弱環(huán)節(jié)，為檢修策略制定和維修計劃制定提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;層次分析法;空氣制動系統(tǒng);故障風(fēng)險

1 引言

隨著城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，城市內(nèi)部人員交流不斷增強(qiáng)，城市對于公共交通運(yùn)行方式提出了新的要求。地鐵作為一種大運(yùn)量、較快捷、低污染的交通工具，由于其良好的規(guī)劃性、較強(qiáng)的能動性特點(diǎn)而受到大中型城市的青睞。空氣制動系統(tǒng)作為地鐵車輛的重要系統(tǒng)，其性能的好壞決定地鐵車輛的安全性及乘客的舒適性。

地鐵車輛的空氣制動系統(tǒng)一般由空氣供給設(shè)備、制動控制設(shè)備、空氣懸掛設(shè)備和基礎(chǔ)制動設(shè)備組成，主要實現(xiàn)地鐵車輛常用制動、快速制動、緊急制動和停放制動等需求，并具有車輪防滑保護(hù)、載荷補(bǔ)償?shù)裙δ?。地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)內(nèi)任一部件的故障，都可能導(dǎo)致其相應(yīng)功能的下降，對地鐵車輛的行車安全產(chǎn)生巨大影響。

縱觀國內(nèi)各大城市地鐵，均有因空氣制動系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的列車晚點(diǎn)、列車救援甚至乘客人身傷害等情況。因此，必須對地鐵車輛的空氣制動系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種技術(shù)故障的風(fēng)險進(jìn)行評估，確定最危險的故障及對應(yīng)設(shè)備，從而有針對性的制定維修策略，保障地鐵車輛的安全可靠。

由于地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)設(shè)備的影響因素復(fù)雜且多樣，空氣制動系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備類型也較多，因此本文采用層次分析法，建立以故障數(shù)據(jù)和技術(shù)人員經(jīng)驗知識的指標(biāo)體系，并用一致性檢驗其風(fēng)險判別的一致度，將定性分析與定量評價有機(jī)結(jié)合，為此類特定條件下的多目標(biāo)風(fēng)險評估提供了一種可行的思路。

2 層次分析法

層次分析法AHP（Analytic Hierarchy Process）是由Thomas L.Saaty開發(fā)出的一種用于解決復(fù)雜多準(zhǔn)則決策問題的方法，該方法要求決策者對每個標(biāo)準(zhǔn)的相對重要性做出基于數(shù)據(jù)分析及經(jīng)驗積累的判斷，由此給出不同類別的重要程度。層次分析法的輸出就是一個按照優(yōu)先級排列的決策方案列表。其基本方法如下：

（1） 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

將決策的目標(biāo)、決策準(zhǔn)則、決策對象按照其相互關(guān)系，繪出層次結(jié)構(gòu)圖。最高層是指決策的目的、需要解決的問題，最底層是指決策時的方案，中間層是指考慮的因素、決策的準(zhǔn)則。

（2） 構(gòu)造判斷矩陣

層次分析法不把所有因素放在一起比較，而是兩兩之間相互比較，采用相同尺度，以盡可能減少因性質(zhì)不同的諸因素相互比較的困難，以此提高判斷的準(zhǔn)確度。 為要素i和要素j重要性比較結(jié)果，其比較值可按照表1取值。按照兩兩比較結(jié)果構(gòu)成的矩陣稱作判斷矩陣。判斷矩陣具有如下性質(zhì)：

（3） 權(quán)重計算及一致性檢驗

根據(jù)判斷矩陣，計算某一層次下各因素的相對權(quán)重，得出權(quán)重向量。其方法是解判斷矩陣A的特征根問題， 為A的最大特征根，它所對應(yīng)的特征向量W歸一化后就是排序權(quán)向量（即權(quán)重）的一個估計。因此可求出 及相應(yīng)的特征向量W，并將此作為權(quán)重。

一致性檢驗，就是要對單一準(zhǔn)則下的權(quán)重向量進(jìn)行一致性檢驗，即要求判斷舉證應(yīng)大體上滿足一致性。其計算方法如式2.2，其中CI為一致性指標(biāo)，當(dāng)CI=0時，有完全的一致性;當(dāng)CI接近于0，有滿意的一致性;CI越大，不一致越嚴(yán)重。

由于CI的值受矩陣內(nèi)因素數(shù)量的影響較大，因此還需引入檢驗系數(shù)CR，其計算公式如式2.3，其中RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，其值由表2決定。若CR<0.1，則認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗，否則就不滿足一致性。

（4）層次排序

在CR滿足小于0.1的情況下，根據(jù)權(quán)重的大小來對各層次內(nèi)因素的重要性進(jìn)行排序，確認(rèn)其中各因素的重要性排序。

3 地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)故障風(fēng)險模型

3.1 構(gòu)造地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)層次分析法的基本原理，將地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)組成的角度進(jìn)行層次區(qū)分，即分成系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、部件級共三個層次。第一個層次系統(tǒng)級即為空氣制動系統(tǒng)，第二個層次為子系統(tǒng)級，共分為空氣供給設(shè)備、制動控制設(shè)備、空氣懸掛設(shè)備、基礎(chǔ)制動設(shè)備，第三個層次為部件級，將子系統(tǒng)進(jìn)一步分解，確定各個因素的風(fēng)險，空氣供給設(shè)備包括空氣壓縮機(jī)、雙塔干燥器、精細(xì)濾油器、風(fēng)缸模塊、安全閥，制動控制設(shè)備分為網(wǎng)關(guān)閥、智能閥、輔助控制單元、雙針壓力表，空氣懸掛設(shè)備分為高度閥、差壓閥、空氣彈簧，基礎(chǔ)制動設(shè)備分為制動缸、停放制動缸、制動管路、閘瓦。空氣制動系統(tǒng)模型如圖1所示。

3.2構(gòu)造地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)判斷矩陣

根據(jù)第2章節(jié)關(guān)于判斷矩陣的構(gòu)造方法，制定地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)風(fēng)險判斷方法，如表3所示?？諝庵苿酉到y(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級和子系統(tǒng)級的判斷矩陣構(gòu)造。

根據(jù)以上構(gòu)造要求及方法，對空氣制動系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)的判斷舉證構(gòu)造，其結(jié)果如圖2、圖3所示。

3.3 地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)權(quán)重計算及一致性檢驗

由3.2章節(jié)給出的判斷矩陣，可以計算各層次矩陣的權(quán)重，從而確定各層次內(nèi)不同系統(tǒng)、

子系統(tǒng)的故障風(fēng)險。在此以系統(tǒng)級判斷矩陣A為例，以一種簡化的近似求解法進(jìn)行權(quán)重計算和一致性檢驗。

（1）權(quán)重計算

i）將矩陣A中的每一列進(jìn)行求和，其值記為 ，其中j代表對應(yīng)列數(shù);

ii）將矩陣A中的每一列數(shù)除以對應(yīng)列的 ，得到一個新的矩陣 ;

iii）計算新的矩陣 中每一行的平均值，該值記為 ，其中i代表對應(yīng)行數(shù)，則 即為該行所代表的子系統(tǒng)的權(quán)重;

根據(jù)以上方法，計算出矩陣A的權(quán)重W為（0.398，0.085，0.218，0.299）

（2）一致性檢驗

i）將矩陣A中的第一列作為一個向量，然后乘以第一行的權(quán)重值，從而得到一個新的向量，并對所有列進(jìn)行同樣的操作，最終將所有向量相加;

ii）將i）中求得的最終向量的每一項值，除以對應(yīng)行數(shù)的權(quán)重，得到的值記為 ，求出 的平均值，該平均值即為該矩陣A的最大特征根 ;

iii）根據(jù)式2.2計算CI值;

iv）根據(jù)式2.3并結(jié)合表2，即可求出CR值;

v）比較CR值與0.1的關(guān)系，若滿足CR<0.1，則表示該矩陣的一致性程度達(dá)到要求;

根據(jù)以上方法，可以求出矩陣A的最大特征根 =4.185，CI=0.617，CR=0.062，滿足CR<0.1，即符合一致性要求。

（3）層次排序

由以上計算步驟，可以得出矩陣A的故障風(fēng)險因素中B1>B4>B3>B2，即組成空氣制動系統(tǒng)的四個基本設(shè)備，空氣供給設(shè)備的故障風(fēng)險最大，制動控制設(shè)備的故障風(fēng)險最小。

3.4計算所有判斷矩陣權(quán)重及一致性檢驗

根據(jù)原始數(shù)據(jù)并結(jié)合以上方法，得出所有矩陣權(quán)重及一致性結(jié)果如下：

（1）系統(tǒng)及分析

矩陣A——[B1～B6]：W=（0.398，0.085，0.218，0.299）， =4.185，CI=0.617，CR=0.062<0.1，滿足一致性;

（2）子系統(tǒng)級、部件級分析

矩陣B1——[C1～C5]：W=（0.342，0.130，0.056，0.342，0.130）， =5.057，CI=0.014，CR=0.012<0.1，滿足一致性;

矩陣B2——[C6～C9]：W=（0.466，0.277，0.161，0.096）， =4.031，CI=0.010，CR=0.011<0.1，滿足一致性;

矩陣B3——[C10～C12]：W=（0.539，0.164，0.297）， =3.009，CI=0.005，CR=0.008<0.1，滿足一致性;

矩陣B4——[C13～C16]：W=（0.171，0.284，0.471，0.074）， =4.051，CI=0.013，CR=0.014<0.1，滿足一致性。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)權(quán)重計算結(jié)果和一致性檢驗，說明原始數(shù)據(jù)的判斷矩陣所得出的權(quán)重具有較好的一致性，表明根據(jù)故障數(shù)據(jù)和技術(shù)人員經(jīng)驗所得出的數(shù)據(jù)是合理的。根據(jù)系統(tǒng)級的權(quán)重計算結(jié)果，對于組成地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)的四個主要子系統(tǒng)，空氣供給設(shè)備的故障風(fēng)險最大。子系統(tǒng)級的權(quán)重計算表明，組成空氣供給設(shè)備的五個零件中，空氣壓縮機(jī)和風(fēng)缸模塊的故障風(fēng)險最大;組成制動控制設(shè)備的四個零件中，網(wǎng)關(guān)閥的故障風(fēng)險最大;組成空氣懸掛設(shè)備的三個零件中，高度閥的故障風(fēng)險最大;組成基礎(chǔ)制動設(shè)備的四個零件中，制動管路的故障風(fēng)險最大。

（2）地鐵公司在制定檢修規(guī)程及檢修計劃時，針對地鐵車輛空氣制動系統(tǒng)而言，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注空氣壓縮機(jī)、風(fēng)缸模塊、網(wǎng)關(guān)閥、高度閥和制動管路的狀態(tài)，及時調(diào)整維修策略，針對這類部件，可以采取定期普查的方式，面對可能的故障因素，優(yōu)化故障處理方式，減少此類故障風(fēng)險造成的影響。

（3）用層次分析法對地鐵車輛各系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評估，在滿足一致性的前提下，可以對地鐵車輛各安全風(fēng)險隱患因素做出較合理的評價。各地鐵檢修部門可結(jié)合本公司具體故障數(shù)據(jù)及相關(guān)技術(shù)人員的經(jīng)驗積累，對地鐵車輛不同系統(tǒng)做出對應(yīng)評估，并以評估結(jié)果適當(dāng)調(diào)整維修策略和檢修計劃，提高地鐵車輛運(yùn)行可靠性。

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