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基于RAMS的地铁列车车载设备维修策略与故障诊断研究

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摘要

1 引言

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 我国地铁列车发展现状

1.1.2 地铁列车运营维护的特点

1.1.3 地铁列车RAMS评估理论

1.2 国内外研究现状

1.2.1 系统可靠性评估方法研究现状

1.2.2 安全性评估方法研究现状

1.2.3 轨道列车RAMS评估的研究现状

1.2.4 维修策略的研究现状

1.2.5 故障诊断现状分析

1.3 本文研究的意义

1.4 论文研究内容及组织结构

2 地铁列车系统关键组件评估和维修方式的研究

2.1 地铁列车故障统计和分类

2.1.1 地铁列车系统结构划分和部分系统功能单元分析

2.1.2 地铁列车各系统故障统计和组件失效比例

2.2 系统组件的关键度评估体系

2.2.1 传统系统组件关键度评估方法分析

2.2.2 系统组件关键度的九大相关因素分析

2.2.3 改进型AHP与MonteCarlo法建立关键度评估模型

2.2.4 地铁列车系统组件关键度评估模型实例分析

2.2.5 关键度评估模型与传统关键度评估方法比较

2.3 系统关键组件维修方式确定

2.3.1 地铁列车维修方式的分类

2.3.2 以关键度为基础的组件维修方式决策准则

2.4 本章小结

3 地铁列车车载设备的可靠性和安全性评估研究

3.1 组件可靠性模型的建立方法和流程

3.1.1 地铁列车检修现场数据的特点和预处理方法

3.1.2 组件的可靠性指标和模型选择

3.1.3 组件可靠性分布模型的参数拟合

3.1.4 可靠性模型的拟合优度检验

3.2 地铁列车子系统关键组件的可靠性模型建立

3.2.1 关键组件的运行失效数据统计和预处理

3.2.2 关键组件分布模型的参数拟合和综合优度检验

3.3 地铁列车子系统及其组件的可靠性评估

3.4 地铁列车的安全性评估研究

3.4.1 地铁列车的安全性评估的意义和与可靠性关系

3.4.2 地铁列车安全性指标及事故等级划分

3.4.3 地铁列车定性和定量的安全性分析方法

3.4.4 地铁列车安全评估的基本要素、评价内容和主要步骤

3.5 地铁列车基于风险的定量安全评估

3.5.1 地铁列车安全影响因素构成

3.5.2 地铁列车定量风险分析及评估

3.5.3 FTA与ETA结合的危险度定量计算

3.6 本章小结

4 地铁列车车载设备维修策略优化研究

4.1 地铁列车寿命周期费用分析

4.1.1 寿命周期费用模型和估算方法

4.1.2 地铁列车寿命周期费用模型

4.2 维修活动与可靠性、可用性、安全性、维修费用的关系

4.2.1 维修活动的特点和适用性

4.2.2 维修活动与组件可靠性和故障率的关系及模型的建立

4.2.3 维修活动与组件可用性的关系及模型的建立

4.2.4 维修活动与组件安全性的关系及模型的建立

4.2.5 维修活动与维修费用的关系及模型的建立

4.3 多目标优化算法的研究及改进

4.3.1 多目标优化的方法及相关理论研究

4.3.2 改进型NSGA2算法的研究

4.3.3 多目标优化算法测试计算和结果比较

4.4 地铁列车子系统多组件的维修策略多目标优化研究

4.4.1 子系统维修策略多目标优化模型及相关参数

4.4.2 混沌自适应进化算法和标准NSGA2算法优化计算

4.4.3 优化结果和维修策略的制定

4.5 本章小结

5 地铁列车故障诊断系统和专家系统的设计、实现与应用

5.1 系统总体设计和基本原理

5.1.1 系统功能分析和总体工作流程

5.1.2 车载故障诊断系统的软硬件平台

5.1.3 专家系统的组成结构和软硬件平台

5.2 诊断系统和专家系统在现场检修中的应用

5.2.1 案例推理技术在专家系统中的应用

5.2.2 专家系统在地铁列车维修中的应用

5.3 系统的试验验证和运行调试

5.3.1 系统的试验验证

5.3.2 系统的运营调试情况

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文的主要结论

6.2 论文的主要创新点

6.3 待开展工作

参考文献

附录A 系统电磁兼容检测报告

作者简历

学位论文数据集

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摘要

地铁列车快速、稳定、便捷、低噪、环保,是最佳的大众交通运输工具。近年来,我国城市地铁的发展进入了飞速发展时期,有30多个城市正在筹建,投资超过万亿,为现代化城市建设提供了坚强的运输保障。地铁列车是运输乘客的载体,是地铁运输的核心组成部分,必须提高可靠性、可用性,降低风险和维修费用。目前,地铁列车的运营管理存在以下突出问题:依靠历史经验制定维修策略,依赖检修人员的主观判断进行故障诊断,诊断系统依靠国外技术引进,缺乏统一平台管理数据和制定检修、维护方案。
  本文依托“广州地铁故障诊断系统和专家系统研究”项目,根据地铁列车的系统结构,对车载设备的可靠性、可用性、可维护性和安全性(Reliability AvailabilityMaintainability Safety,RAMS)评估理论开展系统的研究,建立和完善相关数学模型,提出决策方法,解决维修方式不当、维修策略不合理、故障定位困难的问题,开发了故障诊断系统和专家系统并已投入实际应用。本文的主要研究内容包括:
  (1)研究地铁列车的常见故障和各系统的失效组件,从RAMS角度提出影响制定维修策略的9个指标,采用改进型层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和蒙特卡罗法分析相关数据,建立组件关键度定量评估体系,为确定组件的维修方式提供依据。
  (2)结合现场数据的特点,建立组件可靠性模型,提出定量评估系统可靠性和安全性的方法,为建立系统的平均可靠性模型和制定维修策略提供理论基础。并将提出的方法应用于广州地铁一号线的故障数据分析与处理,得出该线路地铁列车部分关键组件的可靠性模型,准确评估了其子系统的可靠性和安全性。
  (3)分析地铁列车的寿命周期费用和维修活动的特点,研究不同维修级别与组件可靠性、可用性、安全性和维修费用之间的关系并建立模型,将维修策略的制定转化成为一个多目标的优化问题,提出一种改进型的混沌自适应进化算法,优化计算该问题。改进后的算法与多目标粒子群算法(Multi-Objective ParticleSwarm Optimization,MOPSO)和多目标快速非支配排序(Non-Dominated SortingGenetic Algorithm,NSGA2)算法求得的解集相比,在Pareto前端分布上更为均匀,种群保持多样,全局搜索能力更强。文中以可靠性和维修费用为优化目标,以可用性和安全性为约束条件,对维修策略进行优化,得出维修计划最优解集,为制定合理的维修策略提供参考。
  (4)在对现有诊断系统中存在问题分析的基础上,设计和开发了广州地铁一号线地铁列车故障诊断系统和专家系统。设计的诊断系统随车记录故障信息和车辆状态;专家系统中建立了故障数据库、案例库、知识库和模型库,数据库规范了RAMS现场数据的记录方式,案例库辅助建立案例模型,为故障诊断积累经验。结合实际“紧急制动故障”案例,分析了待检案例检索和匹配的过程,系统实现指导定位现场故障原因,并给出检修建议,有效提高检修效率。文中设计的故障诊断系统和专家系统在成本、性能、可靠性等多项参数上具有优势,并通过相关国家和欧洲行业标准的型式试验,已投入使用,填补了国内相关设备研制的空白。

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