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原文传递面向成本的轨道交通维修过程建模研究

论文题名：	面向成本的轨道交通维修过程建模研究
关键词：	轨道交通;维修过程;成本分析;Petri网;蒙特卡罗仿真
摘要：	随着我国轨道交通的快速发展，其运营安全性、可靠性愈加受到重视。轨道交通随着其运营里程及运输量增加而持续劣化，因此需要采用有效的维修，使其处于良好的运营状态。维修的必要性及其庞大的成本，使得寻求提升维修效率和优化维修经济性的研究具有极其重要的现实意义。然而，当前轨道交通维修相关研究主要集中在技术提升、劣化模型优化等方面，而少有基于成本对维修过程开展系统的建模研究。本文的主要研究目的是：探索在保证轨道交通安全、可靠运行需求的同时使其维修经济性达到最优的建模方法，为完善轨道交通维修管理体系提供支持。　　从成本的视角，本文针对轨道交通维修中的不足，基于动态数据构建维修管理框架，进一步选取典型维修过程、检测周期及监测技术投资效益为研究对象，采用Petri网技术对轨道交通维修过程进行建模，提出维修策略的建议，进而实现整个轨道交通中安全水平的提高及成本把控。本文的主要研究内容包括：　　（1）轨道交通维修管理框架构建。在调研当前维修现状基础上，分析常用的维修方法和当前的维修流程，本文提出建立基于动态数据的维修管理框架。在该框架下，维修管理可以实现更加准确地分析系统运行状态，并结合历史数据和当前相关信息，预测缺陷、故障以及时安排维修行为和平衡维修成本预算，为进一步完善轨道交通维修管理体系提供思路，实现从事后维修及预防性维修到预测性维修的过渡。（2）单态部件维修过程的Petri网建模。车轮与轨道在运行中的持续摩擦不可避免地造成磨损，在很大程度上影响车辆的运行安全。本文选择车轮作为单态部件的典型代表，探讨了车轮磨损劣化过程及维修行为，通过收集车轮磨损数据并获得车轮磨损规律来拟合车轮磨损过程，以预测车轮故障，研究车轮维修过程。本文在建立磨损、镟修、更换及检测等模型基础上构建车轮维修过程模型，通过案例分析，应用蒙特卡罗方法对车轮在其生命周期内的维修过程进行仿真，为制定车轮维修策略提供支持。　　（3）多态部件维修过程的Petri网建模。钢轨是轨道交通重要组成部分，一旦发生故障不但会影响轨道正常运行，而且甚至有可能导致重大安全事故。本文选择钢轨作为多态部件的典型代表，探讨了几种比较常见故障模式的劣化过程及维修行为，应用威布尔函数描述钢轨故障，并采用非线性回归方法获得相关参数值来拟合钢轨故障过程，以预测钢轨故障，研究钢轨维修过程及维修成本。本文在建立检测、润滑、打磨、事前维修和事后维修等模型基础上构建钢轨维修过程模型，通过案例分析，应用蒙特卡罗方法对钢轨在其生命周期内的维修过程进行仿真，为制定钢轨维修策略提供支持。　　（4）多态部件检测周期的动态Petri网建模。检测是保障及时维修的基础。基于轨道交通可靠性要求，在建模过程中需同时考虑每个检测间隔的缺陷及故障状况的客观需求，本文延伸了 Petri网基础理论，提出动态 Petri网，以多态部件检测为研究对象进行建模，并通过算例仿真验证所建立模型的可行性，在满足可靠性前提下获得成本最优的动态检测周期方案。　　（5）多态部件监测效益的Petri网建模。轨道交通的生命周期很长，后期出现的新技术可能在很大程度上提升维修效率。鉴于实时监测技术在轨道交通中发挥越来越重要的作用，本文以轴承的实时监测技术投资为案例，建立应用实时监测技术的Petri网模型，通过比较投资前后的全生命周期成本，分析技术升级项目的成本效益。　　本文的创新点可归纳为以下几点：　　（1）建立了面向成本的维修过程Petri网模型。目前基于成本的轨道交通维修过程建模非常有限，本文采用Petri网及其延伸，收集、分析上海轨道交通维修中的相关数据，提出了基于成本的轨道交通维修过程 Petri网模型，并将蒙特卡罗仿真应用到模型中，分析维修成本中的不确定性，适合于对复杂的维修过程开展建模仿真。　　（2）提出了针对轨道交通维修特性的动态Petri网方法。在Petri网理论基础上，针对轨道交通需要满足可靠性运行的特征，对 Petri网进行延伸，推进 Petri网理论在轨道交通维修过程建模中的实际应用。　　（3）构建了基于动态数据的轨道交通维修管理框架。关于轨道交通维修管理中动态数据建模的研究应用尚不成熟，本文分析当前维修流程中的不足，提出了以动态数据库为关键的预测性维修过程，对动态数据在轨道交通维修管理中的应用具有一定的参考和借鉴意义。　　本文在理论层面，针对轨道交通特征，提出动态 Petri网，研究成果能够为 Petri网技术在轨道交通维修中的应用提供理论支撑，具有较强的学术价值；在应用方面，通过搭建基于动态数据的轨道交通管理框架，推动轨道交通从当前事后维修及预防性维修到预测性维修的过度，具有较强的实践指导意义。
作者：	张娣
专业：	土木工程(交通运输)
导师：	胡昊
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文