动车组系统故障原因及改进方法资料_动车组故障诊断系统

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目 录

第1章 绪 论...............................................................................................................................2 研究背景及意义.......................................................................................................................2 1.2国内外研究现状................................................................................................................3 1.2.1国内外动车组可靠性研究现状............................................................................3 1.2.2国内外动车组预防维修周期研究现状................................................................6 1.3文章结构............................................................................................................................7 第2章动车组故障等级的划分.......................................................................................................9 2.1动车组故障定义的建议....................................................................................................9 2.2层次分析法划分动车组故障等级..................................................................................12 2.2.1层次分析法简述..................................................................................................14 2.2.2故障等级划分的基础..........................................................................................15 2.2.3分析过程及分析结果..........................................................................................17 致谢................................................................................................................................................24 参考文献.........................................................................................................................................25

摘 要

动车组子系统的可靠性分析以及维修策略的优化研究已成为保障动车组安全、高效运营的关键课题。根据调研得到的动车组故障、维修数据，在总结和分析现有可靠性理论和模型的基础上，主要对动车组故障等级的划分、动车组子系统故障模式危害度分析、动车组子系统寿命分布的拟合、预防维修对动车组子系统可靠性的影响以及预防维修周期决策模型的优化方面进行了研究，得到如下结果:(1)对现有故障数据进行统计分析，利用层次分析法，基于故障的影响等级、影响时间以及发生概率三个维度将动车组的故障分为四个等级。由于评价指标都是针对故障本身，所以得出的结论对于分析故障、优化维修策略等都有一定的指导意义。对某型动车组高压牵引系统的故障模式进行了统计分析，提出了一种结合故障等级的故障模式危害度计算方法，计算得到此系统各种常见故障模式的危害度，并针对高危害度故障模式提出了相应的处理措施，以提高易发高故障模式的部件的可靠性。

(2)推导出了基于维修条件下动车组的可靠度函数和平均失效前工作时间表达式;采用统计学与可靠性理论，拟合出某型动车组高压牵引系统的基本寿命分布函数，并验证了其分布服从威布尔分布;将得到的寿命分布函数代入新建立的预防性维修条件下的可靠度函数模型进行定性、定量的对比分析，得到了预防维修可以明显增加此系统的运用寿命并且可以减慢其可靠度下降速度的结论，同时，也验证了此系统现行的预防维修周期较为合理。

(3)建立了一种适用于以可用度最大为目标的蒙特卡洛法制定预防维修周期的模型。在此基础上，采用多目标规划方法对提出的模型进行了优化，设置综合评价指标，综合考虑动车组在一个维修周期内的可用度、经济性和可靠度，此模型以通过调节权重系数来改变计算过程中可用度、经济性和可靠度的优先级，应用范围较广。两个模型以某型动车组高压牵引系统作为算例分别进行分析，得到了该子系统在相应目标下的预防维修周期。

关键词:动车组;状态监测;故障数据挖掘;知识库

第1章 绪 论

研究背景及意义

为了满足人们口益增长的运输需求，铁路列车的运行速度逐步提高，密度也在不断加大，铁路运输生产对列车运行的可靠性要求越来越高。动车组列车是完成铁路高速运输任务最重要的移动设备，其可靠性研究和维修策略的优化是高速铁路系统综合保障工程中的重要组成部分，也是动车组安全、高效运行的重要保障。

高速铁路技术已经成为衡量一个国家铁路技术发展水平的重要标志。截至到2014年底，中国高速铁路总运营里程已超过一万六千公里，全路动车组保有量已超过一千余列，分成5大系列14种子车型fl-Zl。为了满足社会和国民经济对交通运输需求的口益增长，根据我国铁路发展战略确立了铁路近期的发展规划:在2020年以前，构建以北京、上海、广州和武汉为中心，部分省会城市为节点，辐射全国主要城市，逾几万公里的铁路客运专线网。届时，将会有更多的cRH系列高速动车组投入使用。国产C动车组结构复杂，其运用、维修方式与传统机车车辆有所不同，并且动车组开行密度大、运营里程长、运用环境复杂、检修质量要求高，所以动车组能否保证以高可靠度，安全、高效的运行，成了铁路部门科研工作者和技术人员所关注的最重要问题。

动车组运行速度快、运行图编排密集，过长的停车时间会大大降低运输效率。动车组的故障可能会直接影响高速铁路的运行安全，造成运输中断、线路阻塞，给国民经济造成较大损失。为此，提高动车组的可靠性是今后保障铁路安全的一项重要工作。

本论文是在中国铁道科学研究院行业服务技术创新项目《高速动车组故障规律分析及可靠性试验方案研究》的支持下开展研究的。通过对我国动车组的可靠性评估及维修技术的深入调研发现:基于动车组实际运行故障数据来探索动车组系统故障规律及评估可靠性的研究较少，而我国动车组维修策略也主要是借鉴国外的一些维修制度。我国动车组维修的技术政策是“在计划预防修的前提下，逐步实施状态修、换件修和主要零部件的专业化集中修”。计划预防修符合先进维 2 修理论思想，属于预防性维修，也适用于我国铁路维修现状。但是，我国动车组可靠性研究刚刚起步，动车组子系统的可靠性分析与维修决策优化方面的理论基础和指导方法比较少，对于动车组故障的定义以及故障等级的划分尚无明确、统一的标准，所以仍需要在这方面进行一些基础研究，为动车组运用部门优化维修策略提供了理论依据，具有一定的实际意义和参考价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外动车组可靠性研究现状

发达国家轨道交通行业的可靠性工程已发展到比较先进的水平，建立了系统的可靠性行业标准，具备先进的可靠性设计分析技术和有效的验证方法。国外已经尝试将可靠性技术运用于机车车辆并逐步渗透到动车组列车，以可靠性为中心的维修体制将其设计、制造、评估和维修有机的结合成一体，为动车组安全可靠运行提供了保障，已引起国内相关研究者的高度重视。德国联邦铁路非常重视机车车辆的可靠性工程研究，率先建立了可靠性数据库，收集全路各机务段和修理工厂的数据，并进行数据处理、分析。

德国联邦铁路特别重视对机车车辆故障的分析研究，包括运用中的故障以及机务段、车辆段和修理工厂在机车车辆检修中发现的故障。联邦铁路认为，采用近代可靠性工程方法，可以最大限度地利用故障数据资料，得出具有参考价值的结论，对机车车辆的近期以及中长期的发展均有一定的指导作用。联邦铁路还应用可靠性工程方法对机车车辆主要零部件的磨损情况进行了研究，取得了一定的成果。近年来，德国ICE列车在设计和评价方面充分融入了可靠性理论，采用了模块化设计和等寿命设计原则，在保证可靠性的前提下降低养护维修费用。在列车系统和部件设计制造完成以后，有关部门将对其进行大量的可靠性试验考核，包括单一零部件的可靠性考核和装车后整车的可靠性考核，并对其可靠性做出评价，直到确认所有零部件和整个系统是完全安全可靠的，才允许批量生产和投运营使用

英国铁路对机车车辆的可靠性十分重视，在上个世纪60年代就规定了机车车辆的可靠性指标:发生故障前行驶里程不足24000 km的机车为不良机车，超过 3 24000 km的机车为合格机车，大于48000 km的机车为良好机车。英国铁路经对17个系列2500台内燃机车的故障进行了统计，计算得出它们的可靠性指标，经过对比分析找出主要故障部位以及故障原因，进而采取改进措施，提高了机车的可靠性

日本原国铁于上世纪70年代对新干线高速铁路及机车车辆大力开展了可靠性工程方面的研究工作，以保证高速动车组运行的可靠性和安全性。口本原国铁利用电力机车及动车组列车在干线上发生的故障数据进行了威布尔解析分析，并推测出电力机车的可靠度，所得结论证明了当时电力机车和动车组的故障皆处于初期故障和偶发故障阶段，为延长检修周期找出了依据。与此同时，他们根据可靠性工程理论和现场实际损坏的数据来确定机车车辆主要零部件的寿命，从口本机车车辆最佳全寿命周期费用的角度来检验维修工作的正确性。口本原国铁利用机车车辆监测系统和信息系统对发生的各种故障形式随运行公里或运行时间的变化进行分析，分析结果可供可靠性设计参考;用故障树(FTA)和故障模式及影响分析(FMEA)对机车车辆故障及其影响进行了分析，找出系统的薄弱环节，从而改进设计来提高机车车辆及其主要零件的可靠性和安全性

美国各大铁路公司广泛开展了可靠性工程的研究。例如美国联合太平洋铁路公司建立了完善的可靠性信息系统，利用可靠性工程理论对数据进行处理分析，从而使机车及其零部件的可靠性评价由定性分析提高到定量分析，并制定了可靠性定量指标。美国机车车辆制造公司也应用可靠性技术来提高机车车辆的可靠性，例如在提高内燃机车的可靠性的问题上，不只是通过对薄弱零件的改进来解决，而且要将可靠性技术贯穿于内燃机车设计、制造、试验、使用、维修和管理等各个环节，形成一个系统工程，只有这样才能使复杂先进的内燃机车系统达到真正的高可靠性的目的我国铁道部门近年来在提高机车车辆可靠性方面做了很多工作，并取得一定的成效。设计制造部门针对机车车辆运用中暴露出来的问题和故障进行了分析研究;在机车车辆企业中推行了全面质量管理，提高了质量意识，促进产品质量的提升;运用单位在车辆运用中积累了大量的可靠性数据与经验，运用维修效率不断提高;一些高校和科研单位也开始开设有关可靠性工程的课程和培训班，并招收了相关专业的学生，为可靠性工程的研究提供人员保障。中国铁道科学研究院 4 对机车车辆可靠性工程的研究始于机车车辆研究所在1992年开始的“可靠性工程理论在机车车辆中的应用”课题研究，经过科研人员的多年努力，现已取得了一些成果。中国铁道科学研究院开发了动车组运用检修管理信息系统，该系统采集了目前国内运用的全部动车组的全寿命周期各个阶段的故障信息和维修数据，动车组在运用检修过程中产生的故障维修数据，是动车组在真实运行环境条件下产生的第一手资料，是动车组可靠性的真实反映，为今后的可靠性研究积累了重要的数据。

Bocchi W 机械产品的可靠性进行了研究，初步得出其可靠性分布模型服从指数分布的结论;但经后续研究表明Bocchi W J.的评价结果相对保守，有学者通过论证分析，认为机械产品的可靠性分布模型大多服从威布尔分布，这种分布成为现今对有耗损的动车组子系统进行可靠性分析时常用的分布，Rafal Dorociak建立了贝叶斯网络算法，即通过建立故障传播模型来给出机电整合系统的主要解决方案，适用于复杂的机电系统的可靠性分析，贝叶斯网络算法的优点在于有效识别关键弱点并定义各自的对策，其优越性在动车组可靠性研究领域得以体现;Hanmin Lee等建立了产品资料管理的方法(PDM)，处理动车组的部件管理维护和历史故障数据，以确保系统运行的可靠性和安全性，研究表明此法有助于减少动车组的故障率，使其可靠性增加了30%;王华胜基于我国动车组实际运用状况，依据可靠性理论和现场数据统计分析，验证了动车组整车可靠性服从指数分布的规律，依据可靠性抽样检验理论，计算不同置信度、不同故障率等级要求下的动车组允许故障发生的次数和最小累计运行里程，据此给出动车组整车可靠性的验证方法、CRH2型动车组结构功能特征和运用维修特点，分析了各系统、分系统间逻辑功能关系，初步建立其可靠性模型，并根据其对可靠性的不同要求划分评价等级，采用综合评分法对动车组整车可靠性指标进行分配;胡川建立了动车组系统及其子系统故障树模型，运用蒙特卡洛法和MATLAB软件，对动车组可靠性进行仿真试验和分析，并依据假设检验理论对动车组故障数据进行分析，基于可靠性抽样检验理论，给出动车组可靠性抽样检验的方案;刘建强等分析了CRH3型动车组高压电器系统组成结构及逻辑功能关系，建立高压电器系统的可靠性框图模型，依据系统可靠性理论与故障统计数据，推导并证明CRH3型动车组高压电器系统各部件的可靠性规律，给出可靠性评估指标的计算方法，分 5 析计算高压电器系统各部件的故障率与可靠度。

我国动车组在可靠性工程领域的研究刚刚起步，尚缺乏全面、系统的可靠性工程方面的规划、研究和分析。随着我国经济的发展和科学技术的进步，动车组在安全可靠的前提下向着高速的方向前进，许多可靠性问题函待解决，进行相关可靠性工程的研究工作迫在眉睫。动车组可靠性工程是一个系统工程，需要有关各部门进行长期的工作和积累，投入大量的人力、物力，才能真正达到提高产品可靠性、扩大运输能力、增加运输效率以及降低运输成本的目的。1.2.2国内外动车组预防维修周期研究现状

动车组的维修是客运专线系统综合保障工程中的重要组成部分，国内、外动车组普遍采取以预防维修为主，与事后维修相结合的维修方式。预防维修思想要求装备及其零部件在即将磨损到限，或者即将发生故障之前要及时更换、修理，维修工作在故障发生之前进行。在预防维修思想的指导下，形成了以磨损理论为基础的预防维修制度，这种计划维修制度以机械装备的故障率曲线来确定维修的时机。计划预防维修制度的具体内容可以概括为“定期检查、按时保养、计划修理”，通过降低故障率来保证设备的高可靠性。这种维修制度最关键的一步是确定设备或者子系统的预防维修周期，进而合理划分维修等级和维修周期结构，制定相应的维修规程和规范。所以，预防维修周期的制定成了可靠性范畴内研究动车组维修策略关键的一步。国内一些学者和相关专业技术人员对此做了很多工作，研究最为广泛的模型是以最大可用度为原则确定最佳预防维修周期和以最大经济性为原则制定最佳预防维修周期，随着这方面研究的深入和对动车组维修、运用的逐渐熟悉，也出现了一些其他方法来制定最佳预防维修周期。

Joung E J等指出只通过改善驱动电机来提高动车组的可靠性是难以实现的需要对动车组的零部件和各个子系统分别预测可靠性目标，基于可靠性目标对零部件进行设计和运行检测，对不同零部件和子系统制定不同的维修周期，以提高动车组子系统的可靠性、可用性和可维护性;Lee K M等提出通过统计动车组实际的检验任务周期的方法来确定其预防维修周期，该方法是基于以可靠性为中心的维修、将不必要的检查次数降到最低并尽可能减少维护成本;宋永增等提出利用可靠性的理论，对客车零部件的故障记录进行了数理统计，根据最大有效度原 6 则，得出旅客列车零部件最佳预防维修周期取决于平均预防性维修时间和平均事后维修时间之比;郭乃文对比了货车转向架零部件维修周期的可用度模型和经济性模型，得出在定量分析中最大可用度模型更加方便的结论，并结合实例从理论上计算出转向架零部件的最佳预防维修周期;王彩霞以可靠性工程为基础，通过危害度评估方法确定了动车组不同零部件的维修方式，并建立了分析动车组维修周期常用的任务可靠度模型、经济费用最小模型和最大有效度模型;王灵芝在以可靠性为中心的维修思想指导下，确定了高速列车设备维修决策过程，着重研究了设备重要度分析、设备寿命模型、预防维修周期及维修优化等。

目前，国内针对动车组子系统预防维修周期的研究较少，一方面是由于动车组子系统包含的部件较多，故障模式也比其他机械设备复杂，所以并不能完全套用之前对其他机械设备或系统的预防维修周期决策模型;另外，动车组的维修数据的统计涉及到多个部门，由于没有统一的故障数据管理体系和标准，导致可靠性数据的缺失或者数据统计难度增大。所以动车组运用、维修部门应该在以后的研究过程中，逐渐建立规范的可靠性数据收集、管理体制，为今后进一步的研究提供强大的数据支撑，为动车组可靠性理论研究打下基础。

1.3文章结构

本文分为五个章节，第一章为绪论，第二章为动车组故障等级的划分，第三章为动车组子系统在预防维修条件下的可靠性分析，第四章为动车组子系统预防维修周期决策模型的研究，第五章为结论和展望，具体结构如图1.1所示。

第2章动车组故障等级的划分

可靠性工程是从宏观的角度分析发生故障的可能性、故障分布规律以及发生的故障对整个系统的可靠性带来的影响，是从总体上以系统工程的观点来分析和研究故障的，所以故障数据是可靠性工程研究的基础。想要研究故障，首先要明确故障的定义、对故障的等级进行合理的划分，然后才能科学地筛选、整理、分析数据，从而在庞大的数据库中获取有价值的资料。

采用结合故障等级的危害度计算方法，对某型动车组高压牵引系统常见故障 模式的危害度进行计算，并针对易发生高危害度故障模式的系统或部件提出了提 高其可靠性的建议。

2.1动车组故障定义的建议

根据国家标准GB3187，失效(故障)的定义为:“产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称为故障。”由此可以看出，失效与故障在含义上大致相同，又有所区别，他们都是指“产品丧失规定的功能”，但传统意义上的“故障”一词，用于可修复产品，而“失效”一词多指不可修复产品。动车组属于可修复产品，在机车车辆专业中“故障”一词已经被相关专业人员普遍使用，所以本文在下面讨论中使用“故障”来表示动车组丧失规定的功能。另外，定义中所指的“丧失规定的功能”包括以下情况:产品发生破坏性故障，使其无法工作，因而丧失其功能;产品尚能工作，但有一个或几个性能参数达不到规定的要求;因操作失误而造成产品功能丧失;由于环境应力变化，导致功能丧失。

以前的机车车辆的可靠性分析中，各国铁路对故障定义不尽相同，例如美国、德国规定，列车在线路上由于破损而停止运行，则算作故障;而英、法和口本铁路都以列车破损造成的时间延误而算作故障。并且不同国家对延误时间值有不同的规定。因此，在利用可靠性指标对动车组进行评价时，首先要明确动车组故障的定义。

下面是国外机车车辆对故障的规定，如表2.1所示。

我国目前还没有对机车车辆的故障做出规定，有文献[25]曾经针对其提出了建议，即:在可靠性工程分析中，凡是由于机车车辆破损造成的机破事故就算作故障。也就是说，由于机车车辆破损而造成行车事故的，即列车在区间非正常停车或在车站内非正常停车时间超过3 Omin以上，或由于车钩破损而造成列车分离的均为故障。

对于动车组的运用故障尚没有明确的定义，有专门的动车组书籍[}a6]中提出了，影响运行的故障定义为出现下列情况之一: ①动车组在经过维修后仍能正常运行，但维修导致超过15 min的延误。②动车组经过维修后部分功能受到影响但仍然可以运行，维修导致的延误超过15 minx ③动车组需要被救援或回送。在动车组的实际运用中，故障可能在运用过程中或者预防性维修过程中发现。在预防性维修过程中发现的故障其实是出现在上一个运用周期中，只是没有对行车造成明显的影响，而在运用过程中出现的故障，对行车造成了非正常停车等影响，即影响运行的故障。我国动车组的运用是处在预防维修条件之下的，所以讨论在运行过程中发生的造成晚点或运输中断的故障(运行故障)更有意义。随着动车组技术的进步和动车组维修保障技术的完善，动车组的可靠性已经达到了一个相当高的水平，发生严重故障的几率大大降低。所以，传统的故障定义已经不能完全满足当今动车组可靠性分析的需要。

根据CRHIA,CRHIB,CRHIE,CRH2A,CRH2B,CRH2C,CRH2E,CRH380A,CRH380AL, CRH380B, CRH380BL, CRH380CL, CRH3C, CRHSA共计14个车型980列动车组8557条晚点记录，对晚点时间进行了统计分析，结果如图 2.1所示:

由图2.1可知，超过15 min晚点的情况只占所有晚点情况的7.14%，超过3 0 min晚点情况只占所有晚点情况的2.59%，由此可见，目前动车组非正常停车造成的晚点绝大部分在15 min以内，所以文献中建议的故障定义已经不能完全满足可靠性逐渐提高的动车组的故障定义需求。

动车组的运用范围越来越广，运用条件也越来越苛刻，我国新形势下的运输需求对动车组的可靠性提出了更高的期望，所以结合国内外对机车车辆故障的定义，以及对故障引起的晚点时间的统计分析，本文对动车组故障定义的建议为: ①动车组在经过线上或站内处理、维修后仍能正常运行，但维修导致临时 停车或晚点。

②动车组经过线上或站内处理、维修后部分功能受到影响但仍然可以运行，但维修导致临时停车或晚点。

③动车组经过线上处理、维修后可以限速运行到附近车站，但无法担当后 续交路，需要乘客换乘热备车。

④动车组在线路上非正常停车，无法继续运行，需要被救援与回送。即动车组只要发生非正常停车或因其他原因造成晚点，这种情况就算作一次故障。对故障进行定义是对故障分析的基础，对故障的分析又是开展可靠性工作的基础。故障数据是可靠性分析中最重要的开展可靠性研究的数据，建立故障数据存储和处理系统对推进可靠性技术的发展起着重要作用。故障问题贯穿于产的整个寿命周期，在产品投入使用后，对故障产品进行故障数据分析也是可靠性工程中极其重要的一环，所以故障问题是可靠性工程的核心问题之一。故障数据分析可以对可靠性工程的整个过程做出有效、实际的检验和评定，而且，最重要的是故障数据是对使用现场的真实反馈，通过运用、检修数据的积累和分析，指导设计、制造运用部门逐步规范业务流程，持续改进检修工艺、优化修程修制、控制维修成本，完善和优化动车组运用检修生产力布局，为动车组高效运营提供了强有力的支撑，作为可靠性设计和可靠性试验以及评审的依据。

目前，国内对动车组运用维修的故障数据统计记录最及时、最准确、最完整以及连续性最好的系统是中国铁道科学研究院开发的动车组运用检修管理信息系统，它是客运专线信息化的重要组成部分，是支撑客运专线运营的必要技术手段。该系统是实现全路动车组运用、维修信息化管理，及时掌握动车组检修运用状态，提高动车组专业化管理水平的重要技术平台，也是已上线运行的重要铁路生产系统之一。它采集了国内几乎所有动车组全寿命周期各个阶段的故障信息、维修数据。动车组在运用过程中产生的故障维修数据，是动车组在真实运行环境条件下产生的第一手资料，是动车组可靠性的真实反映。对其统计的故障数据进行归纳分析和等级划分具有如下的意义: 分析动车组故障，可以从中提取出表征动车组可靠性的特征属性，为掌握动车组的故障规律提供理论基础;动车组的可靠性分析就是根据动车组故障模式、故障机理、故障的影响及其后果的严重程度，分析动车组各个关键零部件的失效规律，预测关键零部件的寿命分布模型和可靠性指标，从而采取有效措施，提高高速列车的可靠度;划分故障等级，并通过危害度分析，可以确定动车组关键零部件的维修方式，同时，动车组各子系统的可靠性评估及其薄弱环节的辨识可为可靠性改进设计及维修策略的制定提供参考依据。

2.2层次分析法划分动车组故障等级

故障等级的划分是为了便于掌握零部件的故障对系统的影响和造成后果的严重程度，以便进行可靠性评价和故障模式及影响分析，也是对于决策发生此故障模式的子系统或部件维修方式的一个依据。

之前的故障等级的划分依据是:按故障造成人员伤亡的情况;按故障造成设备和环境的损失情况;按故障造成的直接和间接损失的情况。根据《铁路行车事故处理规则》中的行车事故等级，有文献[28]建议将我国机车车辆故障等级划分为五级，如表2.2所示:

在故障模式的描述中，通常采用发生频度的高低、严酷度的大小等模糊语言，判断标准由于人员各异而产生不同，这给系统的可靠性分析带来了较大的困难。模糊数学能够通过定量的方法来处理定性问题，使得其评价更为科学和准确传统的故障等级的划分，参照的主要是故障产生的事故造成的损失，伤亡人数和经济损失，是通过对事故的损失情况来衡量故障的严重程度的，并没有针对故障本身，对于动车组后续的故障研究以及可靠性研究并没有指导意义。并且，随着动车组技术的进步和预防性维修体制的不断完善，动车组的运用可靠性已经达到了一个相当高的水平，即使发生故障也极少会出现表2.2中工、且、且I.IV以及V中A类所描述的危害情况。故障并不等同于事故，表2.2更加适用于故障造成的事故等级的评定。并且，在实际运用过程中，列车由于故障晚点情况比较复杂，发生的概率也有所不同，用表2.3中将故障概念和事故概念混在一起，无法客观地对故障的严重程度进行等级的评定，不适用于可靠性工程中对于故障的分析，所以有必要针对故障本身对动车组故障等级进行划分。2.2.1层次分析法简述

层次分析法(Analytic Hierarchy Proce，简记AHP)是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法。它是将半定性、半定量问题转化为定量问题的行之有效的一种方法，使人们的思维过程层次化，将决策问题的有关元素分解成目标、准则、方案等层次。构建层次结构模型后，利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，进而求解多目标、多准则结构特性的复杂决策问题。具体地说它是用一定标度对人的主观判断进行客观量化，在此基础上进行定性或定量分析的一种决策方法。

层次分析法把人的思维过程层次化、数量化，并运用数学分析、决策、预报或控制提供定量的依据。应用层次分析法分析问题时，首先把问题层次化，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同组成因素，并按照因素间的相互影响关系以及隶属关系将因素按不同层次组合，形成一个多层次的分析结构模型。并最终将系统分析归结为最底层相对于最高层的重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。综合评价问题就是排序问题。在排序计算中，引入1}9标度法，并写成判断矩阵形式，可以通过计算判断矩阵的最大特征值及相应的特征向量，计算出某一层相对于上一层某一个元素的相对重要性权值。在计算出某一层相对于上一层各个因素的单排序权值后，用上一层因素本身的权值加权综合，即可计算出层次总排序权值，总之，由上而下即可计算出最底层因素相对于最高层 14 的相对重要性权值或相对优劣次序的排序值。

层次分析法是一种模拟人的思维过程的工具。如果说比较、分解和综合是大脑分析解决问题的一种基本思考过程，则层次分析法对这种思考过程提供了一种数学表达及数学处理的方法。因此，层次分析法十分适用于具有定性的，或定性、定量兼有的决策分析，是一种十分有效的系统分析和科学决策方法。由于层次分析法有着严密的数学逻辑，所以可以借助计算机程序进行辅助计算，大大简化了分析过程。

2.2.2故障等级划分的基础

根据调研得到的5000余条运行故障记录，考虑故障影响程度、故障影响时间和故障发生概率三个方面来对动车组故障等级进行划分。

根据运行过程中发生的故障对于动车组后续运行、整条线路产生的影响以及社会影响等，综合考虑对故障的处理方式、处理难度以及处理时间，将故障影响程度分为4个等级，如表2.4所示。

动车组发生不影响继续运行的故障，可以运行到站后由随车机械师或者站内工作人员进行快速的检修，一般操作为隔离、复位等，对旅客的出行和线上其他车次动车组影响极小，故将其划为轻微影响;线上临时停车或限速，将会影响故障动车组所在的整条线路其他车次动车组的正常运行，根据临停时间或限速造成的晚点时间的不同，将其划分为一般影响对旅客的出行造成的影响也会随之不同但是影响不大闭临线围较大将会影响上在出现线上临时停车后机械师下车检查的情况时，需要封下行两条线路上的其他车次的动车组的正常运行，影响范且机械师将承担一定的风险，故将其划分为较大影响;当动车组产生故障不能继续运行时，需要救援车来救援或者需要旅客全部换乘到热备车上以进行后续的旅程，这种情况无论对车上乘客的正常旅行，还是整条线上其他车次动车组的正常运行都会产生很大的影响，车上乘客的不满情绪如果通过网络迅速传播会对铁路运用部门造成负面的社会影响，故将其划分为严重影响，铁路部门应尽量避免此类故障的发生。

每种等级的影响下，都会造成不同的晚点时间，参照表2.3“京津城际铁路高速动车组故障等级的划分”以及对实际故障数据的统计与归类，将晚点时间分为5个等级，如表2.5所示。

不同的故障发生的概率也不一样，小概率故障也可能引起严重的危害，所以在划分动车组故障等级的时候也应该考虑到故障发生概率的因素。参考《故障模式、影响及危害性分析指南》[33]，对不同的故障模式发生概率的等级进行划分，如表2.6所示。

对于影响程度等级高的却并没有对动车组、线路的正常运行产生影响的故障(即未临时停车、限速或晚点)，并不能与影响等级低却造成了长时间晚点的故障直接进行严重程度的对比，而不同故障发生的概率也不尽相同，甚至还有一些小概率事件，所以，用某单一的标准来评定故障的等级并不科学。本文同时考虑影响程度等级、影响时间等级和发生概率等级三个维度，利用层次分析法进行系统的分析得出一个综合评价的排序，使得我们对于动车组发生故障的严重程度可以进行更加客观的评价。2.2.3分析过程及分析结果

构建递阶层次结构 应用层次分析法分析实际的问题，首先要把问题条理化、层次化。构造一好的层次结构对于问题的解决极为重要，它决定了分析结果的有效程度。通过对指标体系分析，建立一个由目标层，指标层和方案层组成的递阶层次模型，如图2.2所示。

建立问题的层次结构模型是AHP法中最重要的一步，把复杂的问题分解成称之为元素的各个部分，并按元素的相互关系及隶属关系形成不同的层次，统一层次的元素作为准则对下一层次的元素起支配作用，同时它又受上一层次元素支配。对于评价故障影响这个问题来说，层次分析模型主要分成三层。最高目标层只有一个元素，为对故障影响的评价，中间层则为准则、子准则，在这一问题中准则有影响等级、影响时间、发生概率三个维度，最下面的一层为方案层，即可能出现的各种故障情形。参考专家的意见，将指标层中的三个指标的重要度进行排序:故障影响程度>故障影响时间>故障发生概率。构建两两比较判断矩阵。

建立层次分析模型之后，我们就可以在各层元素中进行两两比较，构造出比较判断矩阵。层次分析法主要是人们对每一层次中各因素相对重要性给出的判断，这些判断通过引入合适的标度用数值表示出来，写成判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层次因素，本层次与之有关因素之间相对重要性的比较。判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是进行相对重要度计算的重要依据。

假定上一层次的元素从作为准则，对下一层元素代，C1..C2……Cn………有支配关系，我们的目的是要在准则层乓下按它们的相对重要性赋予代C1..C2……Cn………相应的权重。在这一步中要回答下面的问题:针对准则Bk，两个元素C= 25 C….哪个更重要，重要性的大小。需要对重要性赋予一定的数值。赋值的根据或来源，可以是由决策者直接提供，或是通过决策者与分析者的对话来确定，或是由分析者通过某种技术咨询而获得，或是通过其他合适的途径来酌定。

对于个元素来说，得到两两比较判断矩阵C一Ct72 X 72。其中C=J表示因素Z和因素J相对于目标的重要值。

一般来说，构造的判断矩阵取如下形式:

对于这类矩阵称为正反矩阵。对于正反矩阵，若对于任意i……., j, k有C.C二C，此时称该矩阵为一致矩阵。在实际问题求解时，构造的判断矩阵并不一定具有一致性，常常需要进行一致性检验。

本文采用萨蒂提出的19标度法构建两两判断矩阵。各级标度的含义如表 2.7所示。经过相关领域专家依据其工作及实践经验的判断决策，得到指标层相 对于目标层的判断矩阵如表2.8所示。

构造出比较判断矩阵后，即可对判断矩阵进行单排序计算，在各层次单排序计算的基础上还需要进行各层次总排序计算，在这个过程中存在一个判断矩阵的一致性检验问题。

(3)计算权重

计算权重是计算判断矩阵的特征值最大值，及其所对应的特征向量，得出层次单排序，通过获得准则层对于目标层的重要性数据序列，从而获得最优决策。由于故障情形较多，计算比较复杂，故借助Matlab编制了计算权重和一致性检验的计算程序，输入判断矩阵即可输出权重系数以及一致性检验结果。计算过程具体如下所示:

1、利用判断矩阵计算权重系数，由公式:

因为CR

根据以上论述，故障影响的等级分为四个等级(工级、且级、III级、IU级)，故障影响时间分为五个级别(A, B, C, D, E)，故障发生概率的等级分为五个等级(1, 2, 3, 4, 5)，因此，故障情形可以分成100种情况。首先对各个指标的不同级别进行量化表示，以便能够对这100种情况进行比较分析。

为了使所有指标具有可比性，对三个评价指标均采用百分制原则进行量化评分处理，从而消除了量纲的影响。量化处理方法如表2.10所示。

利用计算得到的各指标的权重向量、_(0.5278, 0.3325, 0.1396)，对100种情况进行综合评价，得到结果如表2.11所示。

根据以上分析得出了各个情形的故障等级由高到低的排序，表2.12可以作 为一个库，将对应的故障对号入座。

致谢

我历时将近两个星期的时间终于把这篇论文写完了，在这段充满奋斗的历程中，带给我是涯无限的激情和收获。在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师何老师何曹老师，没有他们对我进行了不厌其烦的指导和帮助，无私的为我进行论文的修改和改进，就没有我这篇论文的最终完成。在此，我向指导和帮助过我的老师们表示最衷心的感谢！同时，我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究成果的启发和帮助，我将无法完成本篇论文的最终写作。至此，我也要感谢我的朋友和同学，他们在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，也在论文的排版和撰写过程中提供热情的帮助！金无足赤，人无完人。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指正！

参考文献

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