（光学工程专业论文）动车组维修管理信息系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 摘要：高速铁路的建设以及客运高速化不仅仅是一个国家铁路技术发展水平 的重要标志，也是当今世界铁路的共同发展趋势。针对铁路快速客运网发展规划 的要求，铁道部加快了铁路装备现代化的步伐，引进了四种动车组。 虽然铁道部已经针对已开行的国产高速动车组拟定了修程修制方案，它基本 上是国外原形动车组修程修制的简单综合，其中没有考虑到我国动车组的实际运 行条件，方案中存在诸多需要补充与完善之处。由于我国高速铁路起步相对较晚， 在高速动车组运用与维修方面面临着先期经验严重匮乏的客观现实，目前制定的 修程修制是否科学合理，尚无科学系统的评价方法；而且动车组是高新技术的集 成体、技术含量高，其运用与维修方式与现行的客货车辆都有较大差异，因此， 开发动车组维修管理信息系统已成为当务之急。 本课题开发了动车组维修管理信息系统。该系统使用v i s u a lc + + 语言为集成 开发平台，在w i n d o w s 环境下进行开发。参照h m i s 公用数据编码规范，设计并建 立了零件编码管理模块，实现零件编码自动生成功能；根据可靠性理论中数据的 收集方法，确定了维修记录收集原则，建立了维修记录管理模块；继而，利用可 靠性理论及数理统计方法中对数据的统计分析，建立了数据统计分析、故障分析 模块，实现了对零部件故障数据的统计、寿命分布规律的选择及对维修周期的预 测。 本系统的开发，为研究动车组故障信息提供了一个系统平台，为未来的深层次 评价动车组修程修制打下基础，加强了动车组的技术管理以及技术分析，加快了 高速铁路现代化建设的进程。 关键词：动车组；维修管理；故障数据；故障规律；维修周期 分类号：u 2 6 8 2 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ec o n t r i b u t i o no fh i g h - s p e e dr a i l w a ya n dp a s s e n g e rh i g h s p e e d o r i e n t a t i o ni sam i l e s t o n ef o rr a i l w a yt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y a n di ta l s ob e c o m e st h e m a i nd i r e c t i o no fr a i l w a yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta l lo v e rt h ew o r l d a c c o r d i n gt ot h e n e e d so fd e v e l o p m e n ta n dp r o g r a m m i n go fr a i l w a yp a s s e n g e rl i n e ，m o rs p e e d su pt h e p r o c e s so fe q u i p m e n tm o d e r n i z a t i o n d u et ot h a t ，f o u rt y p e so fm u l t i p l eu n i t sa r e i n t r o d u c e d m o rh a si n s t i t u t e dm a i n t e n a n c es c h e m e sf o rm u l t i p l eu n i t s ，b u tb a s i c a l l yi t st h e s y n t h e s i z a t i o no ff o r e i g nm u l t i p l eu n i t sm a i n t e n a n c es c h e m e s ，w h i c hd i d n tc o n s i d e r d o m e s t i ca c t u a lr u n n i n gc o n d i t i o n s ，s ot h e r ea r em a n yd i s a d v a n t a g e si nt h es c h e m e s b e c a u s ec h i n e s eh i g h s p e e dr a i l w a yw a sb u i l taf e wy e a r sa g o ，s oc h i n ai ss h o r to f e x p e r i e n c eo nm u l t i p l eu n i t sr u n n i n ga n dm a i n t e n a n c e ，a n dc h i n ah a s n ts c i e n t i f i c e v a l u a t i o ns y s t e mf o rt h es c h e m e s r a t i o n a l i t y e v a l u a t i o n ；m u l t i p l eu n i t s i st h e i n t e g r a t i o no fa d v a n c e dt e c h n o l o g y , a n di t sr u n n i n ga n dm a i n t e n a n c em o d e sd i f f e rf r o m d o m e s t i cw a n g o n sa n dp a s s e n g e rc a r s ，s ot h ed e v e l o p m e n to fm i so nm a i n t e n a n c eo f m u l t i p l eu n i t sc o m p o n e n t si sv e r yu r g e n t m i so nm a i n t e n a n c eo fm u l t i p l eu n i t sw a sd e v e l o p e di n t h i st o p i c t h es y s t e mw a s d e v e l o p e di nw i n d o w se n v i r o n m e n tb yu s i n gv i s u a lc + + l a n g u a g ea st h ei n t e g r a t e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r m r e f e r r i n gt oh m i sp u b l i cd a t ac o d i n gc r i t e r i o n ，p a r t sc o d i n g m a n a g e m e n tm o d u l ew a sd e s i g n e da n de s t a b l i s h e d ，a n dp a r t sc o d i n ga u t o m a t i c g e n e r a t i o nf u n c t i o nw a sr e a l i z e d a c c o r d i n gt o t h ed a t ac o l l e c t i o nm e t h o d si nt h e r e l i a b i l i t yt h e o r y , m a i n t e n a n c er e c o r dc o l l e c t i o np r i n c i p l ew a sd e t e r m i n e d ，a n d m a i n t e n a n c er e c o r dm a n a g e m e n tm o d u l ew a se s t a b l i s h e d t h e n ，b yu s i n gr e l i a b i l i t y t h e o r ya n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o d ，d a t as t a t i s t i ca n a l y s i sa n dm a l f u n c t i o n a n a l y s i sm o d u l e sw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dc o m p o n e n t sf a i l u r ed a t as t a t i s t i c s ，c h o o s i n go f l i f ed i s t r i b u t i o nl a w , a n d p r e d i c t i n go fm a i n t e n a n c ep e r i o dw e r er e a l i z e d d e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mp r o v i d e das y s t e mp l a t f o r mf o rs t u d y i n go nt h ef a i l u r e i n f o r m a t i o no fe m u ，l a i daf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e re v a l u a t i o no nr e p a i rc l a s sa n d r e p a i rs y s t e mo fe m u，a n de n h a n c e dt h et e c h n o l o g ym a n a g e m e n ta n da n a l y s i s ， q u i c k e n e dm o d e mc o n s t r u c t i o no fc h i n e s eh i g h s p e e dr a i l w a y k e y w o r d s ：m u l t i p l eu n i t s ；m a i n t e n a n c e ；m i s ；d a t as t a t i s t i c s ；m a l f u n c t i o na n a l y s i s c l a s s n o ：u 2 6 8 2 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：廊自 签字日期：妒6 年月护日 导师签名： 私奄 签字日期：删年么月。日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字r 期： 年月 日 8 3 致谢 本论文的工作是在我的导师宋永增副教授的悉心指导下完成的，宋永增副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢二 年来宋永增老师对我的关心和指导。 宋老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向宋永增老师表示衷心的谢意。 在论文的完成过程中，还得到了谢基龙老师、丁莉芬老师的指导，在此向老 师们表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，朱明、吴仁恩、方科挺等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 1 选题背景及意义 1绪论 高速铁路已经成为一个国家铁路技术发展水平的重要标志，客运高速化是当 今世界铁路的共同发展趋势。我国铁路为实现跨越式发展，满足国民经济和社会 快速发展对交通运输r 益不断增长的需求，确立了铁路快速客运网的发展规划： 在2 0 2 0 年前，构建以北京、上海、广州、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，最高行车速度达2 0 0 k m h 及以上动车组的数量将超过千列。如此规模的高速动车组能否安全可靠、高效地 运行，是人们极为关注的重大问题之一。 动车组是完成铁路高速运输生产任务的最重要的移动设备。针对铁路快速客 运网发展规划的要求，铁道部加快了铁路装备现代化的步伐，目f ； f 引进了多种动 车组。高速动车组的维修是高速铁路系统综合保障工程中的重要组成部分，是确 保实现动车组安全运行，高效率使用的必要保障。在检修过程中，修程修制又起 着指导性、关键性的作用。合理完善的修程修制是保证高速动车组快速、安全、 舒适、高效运行的基本前提。 所谓动车组的修程修制，主要包括检修规程、检修标准和检修细则( 工艺) 等三项基本内容，检修规程是有关检查体系，检修周期和报废年限的规定；检修 标准是各级修程下的检修范围、使用限度、标准值和调整值等的规定；检修细则 ( 工艺) 是在检修基地内的作业规定。修程是指机车车辆的修理类型、修理周期 ( 以走行公里或走行时间表示) 和具体修复内容。修制主要制机车车辆的检修制 度：计划预防修理制度和按车辆技术状态修理内容。 虽然铁道部已经针对即将开行的国产高速动车组拟定了修程修制方案，但是， 作为我国首次制定的方案，它基本上是国外原型动车组修程修制的简单综合，其 中没有考虑我国动车组的实际运行条件，方案中存在着诸多需要补充、改进和完 善之处。由于我国高速铁路起步相对较晚，在高速动车组运用与维修方面面临着 先期经验严重匮乏的客观现实，目前制定的修程修制是否科学合理，尚无科学系 统的分析评价方法，因此，为确保动车组安全运行，高效率使用目标的实现，必 需及时开展国产高速动车组修程修制评价的研究。 动车组信息化管理是动车组高效、安全运行的保障，通过动车组的信息化管 理大幅度提高管理效率，全方位拉动和改进传统管理模式，实现基本支撑信息化、 生产过程自动化，因此动车组信息化工作起点高、定位高。必须在全面学习和借 鉴国外先进管理理念的基础上，结合我国动车组运用和维修的具体情况，制定出 一套动车组运用和维修管理规范，搭建信息管理软件平台，开发出一整套适合中 国国情、适合铁路现代化管理要求的动车组信息化平台。使该平台能为行业的动 车组技术管理、技术发展分析预测提供了科学依据，同时提高动车组检修、运用 管理的信息化程度。 1 2 国内外动车组修程修制现状及比较 1 2 1 国外主要动车组修程修制现状及比较 1 德国i c e 高速列车的检修制度 德国i c e 动车组维修体制实行定期检测、保养与状态修相结合，采用部件互 换修和主要部件集中修相结合的方法，可分为a 、b 、c 三类。a 类负责动车组日常 运行检测和主要部件补充检查；b 类负责动车组低级修或小规模修，并兼作临修； c 类负责动车组高级修或大范围修理。德国铁路i c e 动车组维修设施，a 类有3 处： 科隆、巴塞尔、莱比锡；b 类有4 处：汉堡( i c e l ) 、柏林( i c e 2 ) 、慕尼黑( i c e 3 表1 1i c e 高速列车的检修周期和内容 t a b 1 1i c eh i l 曲一s p e e dt r a i nm a i n t e n a n c ec y c l ea n dc o n t e n t 项目 检修周期 检修内容检修停时 缪摺 ( 1 0 4 k m ) 走行装置检查 列车排污与供应整备 l 级检修( 走行部检查) 0 3 5 + 1 0 l h 列车内部清洁( 二级) 列车外部清扫 n 级检修( 制动系统检l 级检查的全部内容 查) 2 1 + 2 0 2 h 检查制动装置 n 级检查的全部内容 轮对测量 f 1 级检修( 定期检修) 6 o + 2 0 空调设备的保养 1 8 h 检修fj 及旅客信息系统 列车内部清洗( 三级) f 2 级检修( 定期检修) 1 2 0 + 2 0 同f 1 级，但工作深度加大 2 6 h 列车内部清洗( 四级) 同f 1 f 2 级修理的全部上作 安全装置的维修：作 f 3 级检修( 定期检修) 2 4 o + 2 0 2 6 h 轮对车轴超卢波探伤 车内外彻底清洗 f 4 级检修( 定期检修) 4 8 0 + 2 0 同f 3 2 6 h r e v 级( 厂修) 1 2 0 + 2 0 整列车进行全部修理 1 5 d 2 绪论 和i c e t ) 、法兰克福( i c e 3 和i c e t ) ，另有正在建设中的多特蒙德；c 类有1 处： 纽伦堡。修程分为走行部检查( l ) 、制动系统检查( n ) 、段修l ( f 1 ) 、段修2 ( f 2 ) 和大修( r e v ) 五级。检修周期，l ：0 2 万公罩；n 1 2 万公里；f 1 ：6 万公里；f 2 ： 2 4 万公里；r e v ：1 2 0 万公里即：r e v - f 2 - f 2 一f 2 一f 2 - r e v ，f 2 f 1 一f 1 一f 1 一f 2 ， f 1 一n n n n f 1 ，n - l l l l l n 。l 和n 的检修停时为1h 、f 1 和f 2 检修停时为 8h ，r e v 的检修停时为1 3 天。1 9 9 4 年将修程、检修内容、检修周期和停时调整 如下：修程分为走行部检查、制动系统检查、段修1 、段修2 、段修3 、段修4 、 厂修r e v 。检修周期、停时及检修内容详见表1 - 1 。 2 法国t g v 高速列车检修制度 法国自1 9 7 8 年制造出第一列高速列车以来，至今已发展到生产第三代高速列 车。运行在巴黎东南线的t g v - p s e 型高速列车为第一代高速列车。第二代为运行 在大西洋线、西班牙高速铁路网络、欧洲之星等高速线上高速列车，型号分别为 t g v - a 、a v e 、t g v - r 和e u r o s t a r 等。第三代为t g v - 2 n 型双层列车。由于其 种类和数量较多，为便于管理和简化设施，不同种类高速列车的检修在不同的动 车段内进行。动车段分别建在康夫莱斯( c o n f l a n s ) 、沙地翁( c h a t i l i o n ) ，兰地 ( l a n d y ) 和诺尔特一波特( n o r t h p o l e ) 等地。段内负责列车日常运用、定期检 修等工作。 t g v 高速列车检修周期和修程是：运行1 5 0 0 或2 5 0 0 公里进行行车检查( e s ) ， 运行9 日进行舒适度检查( e c f ) ，运行2 周进行运转部件检查( v o r ) ，运行3 个 月进行限制性检查( v l ) ，运行6 个月进行一般情检查( v g ) ，运行1 8 个月进行一 表1 2t g v 型高速列车检修周期及内容 t a b i - 2t g v h i 曲一s p e e dt r a i nm a i n t e n a n c ec y c l ea n dc o n t e n t 项目 检修周期 修程 ( 1 0 4 k m ) 检修内容 运行检查 日常检查e s ( 一级)o 1 5 - - 一0 2 5 列车内部清扫 列车外部清扫 舒适度检杏( e c f )9 日 运转部件检修 2 周。齿轮及其它运转部件检修 ( v o r ) 检修( 二级) 小规模检查( v l )3 个月走行部、受电弓及撤沙装置检查 一般性检查( v g ) 6 个月 。包括v l 内容及电器部分试验 大规模检修( g v g )1 8 个月 包括v l 内容及更换牵引电机 零部件更换( 三级)不定期更换易耗件，排除故障 厂修8 笠。车体全面检修 般性大检查( g v g ) ，运行8 年以后进行厂修。即：厂修- g v g g v g - g v g - g v g g v g - 厂 3 修g v g v g v g g v g ，v g v l v g ，v l v o r v o r v o r v o r v o r v l ，v o r e c f v o r ，e c f e s e c f 。检修周期及检修内容详见表1 - 2 。 3 日本高速列车的检修制度 自1 9 6 4 年日本开行第一列0 系高速列车至今已经过1 0 0 系、2 0 0 系、3 0 0 系 发展到5 0 0 系高速列车。其所开行的高速列车均采用动力分散方式、即动车和拖 车按一定的数量连接成一个相对固定的车组。日本铁路自1 9 8 7 年国铁民营化以后 组成了七个公司，管理全国铁路。其中高速铁路分别由j r 东日本、j r 东海和j r 西日本管理。随着高速铁路运营公里数增加以及高速列车的增多，r 本铁路相继 建立了多个高速列车运转所及检修基地。该检修基地所采用的检修技术在很大程 度上是从普通列车检修技术延伸而来的，其许多检修设备都是在十分成熟的普通 列车检修设备基础上改造而成的。尽管各检修综合基地所属的公司不同，但它们 的检修修程和检修工艺基本相同。其修程分为日常检修( 双日检) 、定期检修( 月 检) 、转向架检查( 年修) 及全面检查( 大修) 四级。检修周期为同常检修：4 8 小 时；定期检修3 0 日或3 万公里以内；转向架检查：1 2 个月或3 0 万公里以内；全 面检查：3 6 个月或9 0 万公里以内。其检修周期、停时及检修内容详见表1 - 3 。 表1 - 3日本新干线高速列车检修周期及内容 t a b 1 - 3 j a p a n e s en e wr o u t eh j 【g h s p e e dt r a i nm a i n t e n a n c ec y c l ea n dc o n t e n t 项目 检修周期( 1 0 4 公里)检修内容 检修停 穆穰时 按规定补充更换易耗件并对整个车 日常检查( 双日检)4 8 h 以内l h 体进行外观检查 对受电弓、电气装置、转向架、制 定期检修( 月检)3 0 日或3 万公里以内动装置、车体的状态、作用与性能4 h 等方面进行检修 1 2 个月或3 0 万公里以主电机、动力传动装置、转向架、 转向架检查( 年修)9 h 内走行装置、制动等部件分解、检修 3 6 个月或9 0 万公里以动车组各个主要部件拆卸分解，并 全面检查( 人修) l o d 内 全面检查幂l 修理 4 三种高速列车检修方案的比较 ( 1 ) 三种动车组分别采用了不同的修程设置方案。日本高速列车采用时i 日j 周 期和走行公里周期并行的方式；法国t g v 高速列车采用以时间周期为主，走行公 里周期为辅的方式；德国i c e 高速列车采用走行公里周期的方式。 ( 2 ) 选择单辆车每百万公里检修费用与制造价格的比值进行比较，国内2 5 k 型客车是0 2 3 0 3 0 ，引进动车组在0 0 5 左右，同口径相比大大低于国内2 5 k 客 车的检修费率。由于大范围地采用了模块化结构，采取了换件修、委外修等作业 方式，动车组检修频次虽然较高，但检修时间短，车辆周转快，可以较大幅度地 4 绪论 检修单位的生产效率。 ( 3 ) 从概念上讲，三种动车组的检修范围在对应修程下实施的主要项目相近， 在三级及以上修程时，需要解编并进行分解检修，主要区别表现在检修周期的差 异上。 1 2 2 国内动车组修程修制初步方案 铁道部已经针对已经开行的国产高速动车组拟定了修程修制初步方案，动车 组修程分一级维修至五级维修共五个等级，各级修程的检修周期按下列规定执行。 表1 4国产高速动车组修程修制初步方案 t a b 1 - 4 h i g h s p e e dt r a i nm a d ei nc h i n am a i n t e n a n c ec y c l ea n dc o n t e n t 检修周期 检修等级 长客股份产c r h 5四方股份产c r h 2b s p 公司 一级维修一例行检有每次运行结束每次运行结束或4 8 小时1 4 月 二级维修一重点检查 6 万公里3 万公里或3 0 天 1 2 月 三级维修一重点分解检查 1 2 0 万公里 4 5 万公里或1 年6 0 万公里r 四级维修一系统分解检查2 4 0 万公里9 0 万公里或3 年1 2 0 万公里 五级维修一整车分解检查4 8 0 万公里1 8 0 万公里或6 年2 4 0 万公里 各级修程下动车组的检修范围概述如下： ( 1 ) 一级维修例行检查。更换、调整和补充消耗部件，检查各部分的 状态和性能，特别是车下悬吊件的安装情况。 ( 2 ) 二级维修重点检查。按照规定要求进行动车组性能试验和安全性 检测，重点检查轮对踏面和车轴。 ( 3 ) 三级维修重要部件分解检修。对转向架及其主要零部件分解检修。 ( 4 ) 四级维修系统全面分解检修。对各主系统进行分解检修，必要时 进行车体的涂漆。 ( 5 ) 五级维修整车全面分解检修。对全车进行分解检修，较大范围地 更新零部件，并进行车体的涂漆。 1 2 3 我国动车组维修制度存在的问题及建议 第一、检修制度的形成是一个不断积累、不断总结、不断提高的过程，国外 高速铁路已有了几十年的发展历史，各国根据自己国家的实际情况，不断探索， 摸索出了适合自己的维修保养体系。动车组修程修制制定遵循的原则：首先借鉴 国外高速列车检修制度，即以可靠性舒适性为中心，实行计划定期检修和整备与 监控预报状态修理相结合；单元部件换件修和寿命管理、主要元部件实行高度的 专业化集中修理相结合的维修制度，同时总结我国电力机车和客车车辆检修的经 验，更重要的是考虑我国机车车辆制造与检修所能达到的水平。 第二、建立高速列车维修信息系统 高速运营在我国还是空白，运用、维修信息的收集、积累是十分必要的。建 立列车维修信息系统，统计、分析动车组在我国气候、线路条件下的运营状况， 制定适合我国国情的高速列车可靠性、维修性和可用性评价指标，提出确定高速 列车部件视情维修的一般性准则，促进维修管理的现代化进程。 第三、针对目前我国机车车辆从业人员状况，尚缺乏对现代维修理论的足够 理解，应加强现代维修理论的宣传和培训工作。 第四、改善和强化配件生产和供应体系，完善配件生产的质量保证体系及相 应的制度，全面加强配件管理的各项基础工作。 由于我国高速动车组运行区域广阔、单线运行距离长、开行方案复杂，本线 及跨线不同速度等级混运、车型种类不单一等特点，而且我国高速列车研究时间 很短，建立适合中国国情的动车组运用维修基地网，以及与之相应的修程修制必 须经过长时间的研究与考证。 1 3 课题来源 本课题为北京交通大学基金资助项目“国产动车组修程修制评价系统” 的子课题，项目编号为：2 0 0 5 k z 2 0 0 5 。 1 4 论文主要工作 1 深入了解国内外在动车组修程修制的现状，并指出我国在动车组维修制度 中存在的不足，动车组维修信息系统开发研究的必要性和重要性。 2 在充分研究动车组特点的基础上，制定了动车组故障数据的收集原则及内 容；利用直方图法或主次图法等对数据的多层次统计，实现对数据的初步分析。 3 基于维修和可靠性理论理论建立动车组维修管理的理论模型，通过对故障 规律的分析研究，建立威布尔分布、正态分布、对数正态分布的理论模型，实现 对可靠性数据的故障规律分析。 4 根据模型库理论，完成数据库模型的选型和设计，构建动车组维修管理信 息系统的编码数据表及故障数据表。 5 以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具设计应用程序，选取a c c e s s 为建立数据库， 从而实现上述功能。 6 动车组维修管理信息系统分析设计 2 动车组维修管理信息系统分析设计 2 1 系统需求分析 要建立一个好的管理信息系统，明确应用环境对系统的要求是首要的和基本 的。 2 1 1 用户需求 1 铁道部动车组管理人员需要掌握各种动车组技术状态；完成对动车组各种 技术参数的统计和分析，调整优化动车组修程修制。 2 决策部门需要利用动车组运用、维修过程中所累积的海量数据进行深层次 分析，总结经验、发现规律，为动车组管理提供决策支持。 2 1 2 功能需求 功能需求分析的目的就是要弄清用户对目标系统在数据处理方面所提出的具 体的需求。动车组维修管理信息系统就是通过对故障数据的收集与整理，并进行 统计分析，一切功能都是服务于这个中心任务的。因此本系统的主要目的就是确 定故障数据的收集原则，其中含有零件故障编码的制定，最终能对维修记录数据 进行可靠性分析，根据分析结果找出我国现行动车组修程修制的不足之处，达到 完善修程修制的目的。根据对用户需求分析，可以归纳出以下几个主要的功能需 求： ( 1 ) 零件编码的实现 零件编码是为动车组维修管理信息系统做数据支撑平台，制订统一的数据编 码规则有利于系统数据的维护和管理，有利于缩短各应用软件系统数据的刷新周 期，有利于各系统之间进行数据交换、信息共享和各系统信息的应用整合。另外， 统一数据规范可大大减少系统用于数据维护的人力、物力，减轻应用系统维护工 作量。 ( 2 ) 故障数据的收集 故障数据收集的实际功能就是将动车组进段、厂检修过程中所产生的一些新 的信息记录下来，以备查找和以后的统计分析。将这些记录行为计算机化，实际 上就是数据库的录入与更新。因此系统首先要具备的功能就是数据的记录与更新， 能够把各种所需要的数据录入到相应的数据表中，同时还要能进行修改和删除。 只有实现了数据的录入，才能保证系统有数据可用。 ( 3 ) 故障数据的查询 在统计分析过程中，我们常常需要对某些模糊信息进行确定，或者要从维修 7 记录中获取一些自己未知但已被记录的信息，比如零件的具体维修时间、零件的 规格型号、某种故障模式下零件的故障数量、某种故障编码的零件查询以及对维 修信息的咨询等等。这种通过查找维修记录或其他档案而获取记录的具体信息的 行为，在计算机上就表现为数据的查询。通过查询功能，可以让系统更透明、更 直观，只有这样才真正具备系统软件的基本功能。 ( 4 ) 故障数据的统计 在维修单位中，常常需要进行f 1 报表、月报表等各种统计报表。由于统计报 表是一种计算量很大也很复杂的工作，因此在手工报表时期，往往只对一些必须 的项目做一些报表，并且需要专人管理，且极其容易出错。实现了管理的计算机 化后，我们可以充分利用计算机超强的计算能力，在完善和加强原来在手工管理 中极其复杂的各项报表工作的基础上，还可以进一步扩大统计范围。 在本系统中我们可以根据用户的选择进行针对不同车型、不同部位故障统计， 零件故障模式、故障机理主次图统计，进行不同零件故障的以时间、运营区段的 直方图统计、故障率统计等等，并且以文字及各种图表的形式展现在用户面前。 ( 5 ) 故障规律的分析 在对故障数据正确统计的基础上，本系统具有对一组数据进行故障规律分析 的智能化选取的功能，主要通过不同的概率纸上进行直线拟合，在拟合直线图上 能大体看出拟合直线的拟合程度，同时进行参数估计、计算出相应的相关系数并进 行线性回归的显著性检验，并通过k s 假设检验来验证分布的合理性 ( 6 ) 维修周期的预测 以通过检验的分布对数据进行维修周期的预测，得出零部件的维修周期，为优 化动车组修程修制的提供辅助决策。 ( 7 ) 报表的打印输出 通过报表不但可以了解一段时期来的动车组的技术状态，还可以通过月报表 进行横向与纵向对比，由此可以看出打印报表是系统必须具备的功能之一，也只有 实现了打印功能，系统才具有真正的实用性。 2 2 系统设计思想与开发原则 2 2 1 模块化设计 前文已经在宏观上明确了各个模块应具有什么功能，应放在体系结构的哪个 位置。我们习惯地从功能上划分模块，保持“功能独立是模块化设计的基本原 则。因为“功能独立”的模块可以降低开发、测试、维护等阶段的代价。但是“功 能独立 并不意味着模块之间保持绝对的孤立。一个系统要完成某项任务，需要 8 动1 j 升1 维修管理f 氘息系统分忻i 殳汁 各个模块相互配合爿能实现，此时模块之l 、h j 就要进行信，自、交流。比如于和脚是两 个“功能独立”的模块。没有脚时，手照样能十活。没有手时，脚仍i - j 以走路。 但如果希望跑得快，那么迈左脚时一定要仲有臂甩左臂，迈右脚时则要伸左臂甩 右臂。在设计一个模块时彳：仅要考虑“这个模块就该提供什么样的功能”，还要 考虑“这个模块应该怎样与其它模块交流信息”。 根据动车组维修管理信息系统的功能将其分为若干个模块，每一个模块完成 可靠性评估的一种功能。本系统包括的模块有系统管理模块、零件编码模块、维 修记录录入与查询模块、数据统计分析模块、故障规律分析模块、维修周期预测 模块等。图2 1 给出了程序的基本功能菜单。 9 1 1 国产动车组维修管理信鱼系统。 文件旺j系统管理 f s f 编码管理维修记录管理数据统计分析故障规建分析维修周期碗洌数据输出管理帮助 2 2 2 安全设计 图2 1 管理f 。j 息系统菜币 f i 9 2 1m i sm e n u 为了正确地评估动车组的，叮靠性数据，有必要维护可靠性数据的完整性与f 确性。i j 2 时，为a 型的故障率曲线： m 1 时，为b 型的故障率曲线： m = 2 时，为c 型的故障率曲线： m = l 时，为d 型的故障率曲线： 1 m 2 5 0 时，k = l o 2 0 。也可用下列经验公式确定分组数k ：k = 1 + 3 3 x l g n 。 ( 3 ) 计算组距t ，即组与组之间的间隔： 船垦( 3 1 ) k ( 4 ) 确定各组组限值，即各组的上下限值，为避免数据落在分点上，一般将组 限取得比该批数据多一位小数，或将组限取成等于下限值或小于上限值，即按半 闭区间分配数据。 ( 5 ) 计算各组的组中值 t i = ( 组上限值+ 组下限值) 2 ( 3 2 ) ( 6 ) 统计落入各组的频数r i 和频率螂 ( 7 ) 计算样本平均值t 国：尘土 ( 3 3 )国= 上l j 。j ， 聆 f = - = ：z , 4 = 哆 ( 3 4 ) ( 8 ) 计算样本标准差s 4扫1 汴击毫州铲- ) 2 。与 ( 9 ) 作直方图 可有下列三种直方图，三种图形的横坐标相同，纵坐标不同。横坐标可以是 故障时间、故障数、尺寸公差、循环次数或应力水平等。 频数直方图：将各组频数作为纵坐标，做成故障频数直方图。 频率分布图：将各组频率除以组距t ，取以f 为纵坐标，做成故障频率分布 图，当样本容量增大，组距t 缩小时，将各值方中点连成曲线，则它是分布密度 曲线的一种近似。在各组距相同时，产品的频数直方图与频率分布图的形状相同。 2 1 累积频率分布图：第i 组的累积频率计算公式为 f ：宇：亨盟：兰 智。- j = l n疗 73 -6=1 k)，- l ” 式中i 至第i 组结束时的累积频数。 将累积频数作为纵坐标做成累积频率直方图，由图可见，当样本容量增大， 组距t 缩小时，将直方中值点连线，则它将是总体累积分布函数曲线的一种近似。 由直方图的形状可以初步判定样本的总体属于何种分布。 ( 8 ) 做产品的平均故障率曲线 产品的故障率曲线是产品的平均故障率随时间( 或故障数、尺寸公差等直方图 的横坐标值) 的变化盐线。而产品的平均故障率是产品故障分析和可靠性工程中的 重要参数之一。平均故障率兄( 越) 表示在时间区间a t i = 一t 一，内产品的平均故障 率，即 一2 ( at ，2 最怎 协7 ， 式中缸一a t i 时间区间内的故障频数； 传( h ) 一进入第i 个区间( 第i 组) 时的受试样品数；即至一。时刻的继 续受试样品数体( ) = ，z 一，；一。 3 6 2 主次图 主次图又称为排列图或巴雷特图法，它是用来分析产品故障的主要原因或主 要故障模式的一种有效方法。主次图是直方图和折线图的结合，直方图表示各分 类的频数，折线图则表示各分类的相对频率。主次图可以帮助管理人员直观的看 出主次因素，便于抓住主要问题，有步骤的采取措施，加以解决。该方法简单明 了，应用十分广泛。 主次图是由两个纵坐标、一个横坐标、几个按高低顺序一次排列的长方形和 一条累计百分比折线所组成的图。 主次图用双直角坐标系表示，左边纵坐标表示频数，右边纵坐标表示频率， 分折线表示累积频率，横坐标表示故障机理或故障模式，按影响程度的大小( 即出 现频数多少) 从左到右排列，通过主次图的观察分析可以抓住导致产品故障的主要 原因或主要故障模式。主次图法作图十分简单，作图步骤如下： ( 1 ) 首先找出产品故障的原因a 、b 、c 、表示在横坐标上； ( 2 ) 确定各种故障原因发生的频率f ，以z 为纵坐标； ( 3 ) 按故障频率大小依次顺序排列，画出直方图； 动车组维修管理信息系统模型库设计 ( 4 ) 取累积图中点做一光滑曲线，即巴雷特曲线。 在一般情况下，累积频率所占百分数为：由0 8 0 的原因称为关键因素或主 导因素；由8 0 9 0 的原因称为主要因素；由9 0 1 0 0 的原因称为次要因素。 主次图法不仅表示产品故障类别所占比重，进行故障原因分析，而且还用于 发生故障零部件的设计、材料、工艺、质量管理及价值工程等方面的分析。 在本系统中故障数据统计模型从类型上分为故障模式、故障机理统计；故障 数量统计；故障数据直方图分析。 3 7 故障规律分析建模 在工程实践中，因产品的材料、载荷、几何尺寸、使用环境、操作水平等， 影响产品寿命的因素是不确定的，因而造成了产品的寿命有很大的分散性，使产 品在使用中发生随机故障，而这些故障现象大都按某一规律出现，这样产品故障 就服从某种分布。从中提取的数据只是产品总体的一个样本，用统计推断的方法 可以判断出产品的故障分布规律，这对于预测产品的故障、进行风险分析、确定 维修周期、制定维修策略具有重要的意义。 故障规律分析模型主要是用来分析具体故障部件，判断该故障部件所服从何 种分布，得到与之对应的分布参数，再通过假设检验来验证该分布。 3 7 1 常用故障分布类型口2 1 产品的寿命是一个服从一定统计规律的随机变量，一般用寿命的分布函数( 也 叫累积分布函数) 来描述。在可靠性工程中，常用指数分布、正态分布、对数分 布、威布尔分布来描述设备的故障特性，考虑指数分布是威布尔分布的m = 1 ，= 0 的一种特殊情况。所以在动车组维修管理信息系统中采用的寿命分布有：正态分 布、对数正态分布、威布尔分布等。现分别介绍如下： 3 7 1 1 正态分布 正态分布是研究随机现象发生概率应用最广的一种分布，它是德国数学家高 斯( g a u s s ) 在1 8 世纪研究偏差理论时发现的，故也称为高斯分布。 正态分布的概率密度与分布函数： 1- 一( t - u ) 2 厂( f ) = 寺p2 0 2 ，一o 。o)(3-1 1 ) 即，= 去睁1 1 - ( 1 n ；t - 广u ) 2d r 俘 对数正态分布的标准化： 令7 ：i n t - u则f ( t ) 转化成： 川) = 去一：出叫半) 叫z ) ( 3 - 1 3 ) 3 7 1 3 威布尔分布 威布尔分布在可靠性工程中得到广泛应用，它是由最弱环节模型导出的。整 体中任意部分失效则整体失效，即属于最弱环节模型。这种现象很多，机械中疲 劳强度、磨损寿命、腐蚀寿命及由许多单元组成系统的寿命多服从威布尔分布。 这种分布特别适用于机电产品的磨损累积故障的分布形式。由于它可以容易的判 断出分布函数，所以常被应用于寿命试验的数据处理。 威布尔分布的概率密度与分布函数： f ( t ) = 兰r l ( 型r 厂i ，t 三0 7 ( 3 - 1 4 ) 茎 f c z ，= 毛一e 。o c 3 - 5 ， 其中：l r 形状参数( 或威布尔斜率) ； 7 ，位置参数；丁表征分布曲线的位置，不同的丁值曲线沿横轴平 2 4 动车组维修管理信息系统模型库设计 移，在本文中只研究丁：0 时的二参数威布尔分布。 1 1 尺度参数( 或特征寿命) ； 3 7 2 故障分布类型选择1 4 1 分布类型的选择一般有以下几种方法，实际运用时可以采用其中之一，也可 以综合运用其中的某几种。 1 基于对系统运行原理及物理特性的了解，如对故障机理的了解，选择按照 相同机理所推出的那些分布类型。 2 基于经验选择分布类型。例如威布尔分布特别适用于磨损累积故障的分布 形式，如果故障数据属于这种情况，则可以尝试用威布尔分布去拟合数据。 3 尝试一误差法。这种方法只基于数据信息。选择几种可能的分布类型，用 数据分别去拟合它们，确定一种判别的准则，例如拟合值与实测值的误差平方和， 则具有最小误差的模型即为所求的最佳分布类型。 4 选择一个富有弹性的模型。该模型可能有较多的余数，密度函数和故障率 函数图形有多种形状变化，然后用实际数据去拟合该数据。 5 图形方法。所谓图形方法就是将数据呈现在坐标系下，例如概率图纸、累 积失效图等。图形法要求建模者己经掌握某些统计数据模型在特定