开题报告洛阳站客车给水系统可靠性分析.docx

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开题报告洛阳站客车给水系统可靠性分析

硕士学位论文开题报告

洛阳站客车给水系统可靠性分析

学号：

20080490102054

姓名：

王建

校内导师：

查伟雄教授

校外导师：

学院：

经济管理学院

学科领域：

交通运输工程

专业方向：

交通运输规划与管理

日期：

2010年10月

华东交通大学研究生处制

一、课题的来源、目的和意义1

二、课题相关领域的研究现状2

1、可靠性学科的发展历程2

2、给水系统可靠性的研究现状3

三、本课题研究的主要内容和重点6

四、技术方案7

五、实施方案所需的条件7

六、存在的主要问题和技术关键7

七、预期能达到的目标7

八、课题研究计划进度8

九、研究经费预算8

十、主要参考文献8

一、课题的来源、目的和意义

本课题是在导师指导下，根据自己的工作实际情况所选定的。

水是人类赖以生存的基础，随着社会的发展，已成为影响人们行为的重要因素。

给水系统是城市重要的基础设施，它也和热力、电力、排水系统、煤气、交通和通信等系统一样、也成为城市赖以生存的命脉[16]，它的主要功能是：

及时可靠地向用户提供符合卫生质量要求的水，为用户提供充足的水量和水压[30]。

也就是城市供水系统的可靠性要能满足人们的需要，否则，任何不可靠事件的发生，都将造成一定的经济损失和社会影响，有时甚至损失巨大，影响深远。

2004年8月24日至9月7日的台湾桃园市的持续停水和2007年1月25日成都市复兴街供水干管（400mm）爆管，都给居民生活和工业生产带来了严重的影响和巨大的经济损失。

由此可见，提高供水系统的可靠性显得越来越重要。

我国建设部也在文献[29]中明确提出了“提高供水安全可靠性”的行业奋斗目标，也由此推动了了我国给水系统可靠性的研究工作，在此基础上，中国工程建设标准化协会于1997年颁布了《工业给水系统可靠性设计规范》（CECS93：

97），更进一步促进了对给水系统可靠性的研究。

作为铁路给水系统，其任务是：

不断提高供水能力和供水水质，提高安全可靠性，降低能耗，降低漏耗，降低药耗，保证向铁路运输不间断的供应质量良好的水，满足生产、生活及消防等用水的需要[31]。

可见其主要功能与城市给水系统一致，但作为特殊行业的供水系统，其供水可靠性要求更高，要求“不间断”供水，作为其中的客车给水系统，为旅客列车供水，供水时间短，可靠性标准高，虽然供水量不大，但由于其服务对象的不同，有其不同于城市供水系统的自身固有的特点，就是对其可靠性的要求更高，因为每一次给水故障的发生，有时虽然经济损失不大，但引起旅客的怨言，甚至发生不和谐事件，社会影响面较大，严重损毁铁路形象。

随着国民经济的发展，铁路的发展虽然滞后，但经过六次大提速，基本实现牵引电气化、行车自动化，动车组开行和铁路客运专线的开通运行，实现了铁路的跨越式发展，铁路技术装备的科技含量更是得到大幅提高，其中铁路给水系统尤其是客车给水系统也得到一定发展，铁道部也多次开展旅客列车“水杯子工程”，就是为了解决客车给水系统不能满足旅客列车用水的需要。

由于行业的限制，客车给水系统只是随着铁路的发展被动的进行改造，没有对系统的可靠性进行系统的分析，目前还处于定性分析阶段，仅凭经验对不足部分进行改造，结果造成给水系统常常满足不了客车上水的要求，经过列车不能做到趟趟补足水，补满水。

因此，对客车给水系统进行可靠性分析，找出影响供水可靠性的关键因素，用于指导工作实践，具有重要的现实意义。

铁路客车给水系统同城市给水系统的布置一致，由水源、加压站、输水管道、车站内客车上水管网以及调节构筑物等组成的串联给水系统，对给水系统的可靠性研究，就是对这些系统组分的可靠性进行研究。

二、课题相关领域的研究现状

1、可靠性学科的发展历程

可靠性问题的研究是因处理电子产品不可靠问题于第二次世界大战期间发展起来的。

可靠性设计用在机械方面的研究始于20世纪60年代，首先应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。

40年代为可靠性的萌芽时期。

1944年纳粹德国用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭在起飞台上爆炸，还有一些掉进英吉利海峡。

由此德国提出并运用了串联模型得出火箭系统可靠度，成为第一个运用系统可靠性理论的飞行器。

当时美国诲军统计，运往远东的航空无线电设备有60℅不能工作。

电子设备在规定使用期内仅有30℅的时间能有效工作。

在此期间，因可靠性问题损失飞机2.1万架，是被击落飞机的1.5倍。

由此，引起人们对可靠性问题的认识，通过大量现场调查和故障分析，采取对策，诞生了可靠性这门学科。

50年代为可靠性兴起和形成时期，学科基础逐步形成。

1952年美国成立了电子设备可靠性咨询组〔AGREE〕并于1957年发表了《AGREE军用电子设备可靠性》的研究报告，该报告成为可靠性发展的基础性文件，在理论界引起极大地反响，是可靠性发展的重要里程碑[28]。

60年代为可靠性的全面发展时期，与工程技术相结合，用于指导工程实践。

逐步形成了一套较为完善的可靠性设计、试验和管理标准，如MIL-HDBK-217（《电子设备可靠性预计手册》）、MIL-STD-781（《可靠性设计鉴定试验及产品复收试验》）、MIL-STD-785（《系统、设备的研制与生产可靠性大纲》ReliabilityProgramforSystemsandEquipmentDevelopmentandProduction）。

并开展了FMEA（FailureModeandEffectsAnalysis，失效模式与影响分析，是一种用来确定潜在失效模式及其原因的分析方法，它实际上是FMA—故障模式分析和FEA—故障影响分析的组合。

它对各种可能的风险进行评价、分析，以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。

具体来说，通过实行FMEA，可在产品设计或生产工艺真正实现之前发现产品的弱点，可在原形样机阶段或在大批量生产之前确定产品缺陷。

分为DFMEA:

设计FMEA、PFMEA:

过程FMEA、EFMEA:

设备FMEA、SFMEA:

体系FMEA）与FTA（FaultTreeAnalysis，也叫故障逻辑查找法，它采用逻辑的方法，形象地进行可靠性的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析）分析工作。

在这十年中美、法、日、苏联等工业发达国家相继开展了可靠性工程技术研究工作。

70年代为可靠性的发展成熟时期，建立了可靠性管理机构，制定一整套管理方法及程序，成立全国性可靠性数据交换网，进行信息交流，采用严格降额设计、热设计等可靠性设计，强调环境应力筛选，开始了三E革命〔ESS：

EnvironmentStressScreen,环境应力筛选。

是一种工艺手段，是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，在生产早期阶段（该阶段的检测成本最低），将其内部的潜在缺陷加速变成故障，并通过检验发现和排除故障的过程。

ESS旨在激发并排除早期故障，使产品的可靠性接近设计的固有可靠性水平。

应力水平以能激发出缺陷但不损坏产品为原则,采用的应力环境不能超过产品电子和机械性能的极限，应力环境水平必需是适当的。

EMC：

ElectroMagneticCompatibility，电磁兼容性。

是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

因此，EMC包括两个方面的要求：

一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

ESD：

Electro-Staticdischarge，静电放电。

以研究静电的产生、危害及静电防护等为主要内容〕，开展可靠性增长试验及综合环境应力的可靠性试验。

80年代是可靠性向更深更广方向发展时期，可靠性工作地位提高，技术体系中增加了维修性工作内容，CAD技术在可靠性领域中广泛应用，开始了三C革命（CAD：

CAD-ComputerAidedDesign，计算机辅助设计,指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。

CAE：

ComputerAidedEngineering，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

CAM：

ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造，核心是计算机数值控制，简称数控，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统），开展软件可靠性、机械可靠性及光电器件和微电子器件可靠性等的研究。

最有代表性是美国空军于1985年推行了“可靠性与维修性2000年行动计划”〔R&M2000〕，目标是到2000年实现可靠性增倍、维修性减半。

在1991年海湾战争中“2000年行动计划”见到成效。

90年代可靠性步入理念更新时期，在20世纪90年代，出现了新的可靠性理念，改变了一些传统的可靠性工作方法，一些经典理论也在被修改，甚至失效率的“浴盆曲线”也被质凝，最为典型的是英国空军发表的一篇题为《无维修使用期》（MaintenanceFreeOperatingPeriod，MFOP，是产品能够完成所有规定任务的使用周期，在该周期内无需任何的维修活动，也没有因系统故障或性能降级导致对用户的使用限制,也即是产品在使用前经过计划性检修后，在随后的执行任务过程中不会出现非计划性维修的时间，其服从威布尔分布）的文章，在欧州乃至世界可靠性界引起轰动。

尽管本文是论述英国空军寻求提高飞机可靠性的新思路，但对我们的可靠性技术的发展有很大启示，为我们开展可靠性工作提供一个新思路。

2、给水系统可靠性的研究现状

国外关于城市给水系统可靠性的研究开始于二十世纪七十年代，已有三十余年的发展进程，而我国对城市给水系统可靠性的研究工作只有十几年的时间[29]，目前各项研究尚处于探索性阶段，在水源、泵站、输水管及其给水系统中相关附件的可靠性研究较少，欠缺系统性和完整性，能得到大家公认的成果不多。

主要有以下成果：

1993年，在由汪光焘主编、中国建筑工业出版社出版的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》[29]书中，介绍了关于城市给水管网的网络结构可靠性问题，如环状给水管网通常比所对应的支状给水管网的供水可靠性高;规定管网中任意管道发生故障所减少的供水量若大于总供水量的30%，那么该城市给水管网就不可靠等。

1997年，中国工程建设标准化协会工业给水排水委员会主编了《工业给水系统可靠性设计规范》（CECS93:

97）[9]，要求对给水系统有重要影响的配套辅助工程设施应进行可靠性设计，使其达到与给水系统的可靠性相适应的要求，最终达到使工业给水系统的可靠性满足工业企业安全生产的要求。

同年，合肥工业大学的徐得潜在《城市给水系统可靠性计算方法研究》[10]中，用Monte-Carlo方法，模拟城市实际需求量、给水水源、给本系统各组分的运行情况及其供水能力，对给水系统可靠性进行了定量计算与分析。

1998年，浙江大学的张土乔在论文《城市给水管网可靠性分析初探》[45]中通过解节点方程求节点可用流量，将给水管网中的取水节点划分为三种状态：

满足、断水和剖分满足，并在给水管网的可靠性分析中采用节点可靠度，体积可靠度，网络可靠度三个可靠性指标，对城市水管网和可靠性分析作了初步尝试。

1999年，中国矿业大学的黄炜在论文《工业给水系统可靠性分析与设计研究》[42]中通过对给水管网水力计算分析、管网优化设计和可靠性设计的研究与探讨，提出了给水系统可靠性设计的数学模型和解法。

2000年，天津大学的赵新华、陈春芳、天津市自来水集团公司郑毅在《给水管网可靠度的计算》[17]一文中介绍了给水管网可靠度计算的两种方法，重点介绍了最小割集法。

首次提出了给水管网计算中管件可用度和平均可用度的概念，并建立了相应的数学模型。

通过管网故障状态下水力模拟仿真模块，计算节点和系统的最小割集，利用可用度计算模块，计算出组件的可用度和不可用度，进而求得节点和系统的可靠度。

同为天津大学的郭章林、胡云昌和余建星在《输油管道系统泵站可靠性分析》[23]一文中，以输油管道系统的一个输油泵站系统为例，针对复杂可修工程系统，提出了网络分析的概念和可靠性单元法，可以简化网络分析，方便的估计可修复系统马尔科夫过程的可靠性指标，避免求解复杂的微分方程组，得出以可修系统的可用度作为其可靠性指标，以不可用度代替失效概率计算系统风险值的结论。

2002年，天津大学的赵新华、刘英梅、乔宇在论文《城市给水管网可靠度的计算》[12]中首先从可靠地与图论原理出发，阐述了算法设计的依据，然后从官网结构的角度，一最小路原理为依据，应用最小路不交化方法设计了给水管网可靠度的算法并进行了实验验证，证明了算法的有效性。

2005年，重庆大学的王圃、龙腾锐、李江涛和成都市规划设计研究院的王立在论文《城市给水管网可靠性分析与应用》[13]中，在对给水管网可靠度综合分析工程中，将给水管网发生的水利条件变化与机械故障结合，得到了适用于实践的给水管网系统可靠度模型。

2006，合肥工业大学硕士生章征宝在毕业论文《城市给水系统可靠性分析》[15]中应用Monte-Carlo方法、可靠度、程序设计等方法和理论，对水源的可靠性作了定量计算，建立了泵站系统可靠性分析模型，对给水管网的可靠性做了深入研究，得出了较为合理的给水管网的可靠性评价指标。

同年，徐州建筑职业技术学院的张子贤、刘家春在论文《输水管道系统的可靠性研究》[21]中采用网络分析法，研究了设置连通管的输水管道系统的可靠性计算模型，得出输水干管的管段和三通的可靠性变化是影响系统可靠性的敏感因素。

2007年，重庆大学硕士生刘丽霞在毕业论文《城市给水管网系统的可靠性分析与研究》[2]中对给水管网系统的可靠性进行了分析和研究，根据可修复系统的可靠性原理，得出了常用的可靠性单元分析模型，求出泵站的可靠性指标；考虑节点配水量随节点水压的动态变化，建立了给水管网水利分析模型。

合肥工业大学的硕士生李鹏峰在毕业论文《基于可靠性的给水管网系统水力分析与研究》[3]中从可靠性研究基础理论出发，建立了二级泵站、输水干管可靠性分析模型和可靠性评价指标；利用Monte-Carlo方法对给水给水管网运行状态进行了仿真模拟，建立了符合管网实际情况的可靠性分析指标，从定性和定量的角度对给水管网进行了可靠性评估，并通过最优决策法对给水管网系统的可靠性和经济学的结合作了初步尝试。

天津大学硕士生郝红海在毕业论文《城市供水管网可靠性研究》[4]中根据给水管网的特点，通过给水管网的网络可靠性和综合可靠性两个方面研究给水管网的可靠性，并引入管网的故障率和修复率两因素，建立管网结构可靠度模型和综合可靠度模型，最后将图论的相关理论引入给水管网的可靠度计算中，计算出给水管网的网络可靠度。

第二炮兵工程设计研究院的章征宝、余云进和合肥工业大学的徐得潜、祝健在论文《基于蒙特卡罗法的城市给水管网可靠性分析》[11]中，利用Monte-Carlo方法对给水管网的可靠性进行了分析，提出了新的可靠度计算方法，对管网和各节点分别建立指标，得出了定量的计算结果，并通过分析，有效的识别出给水管网的关键管段。

上海交通大学的朱晔、上海市嘉定自来水公司的寇新建在论文《给水管网可靠性分析中系统问题的研究》[18]中通过研究复杂系统可靠度与组件可靠度之间的关系，对给水管网冗余数分量矩阵进行计算，得出组件的重要性系数。

哈尔滨工业大学的伍悦滨、王芳、田海在论文《基于信息熵的给水管网系统可靠性分析》[20]中将信息熵应用于给水管网中度量系统的可靠性，分别建立实际路径熵、最大路径熵、和相对路径熵计算模型，并通过对实际管网进行分析，得出给水管网系统的相对路径熵值越接近于1，系统水利性能越好。

上海交通大学的硕士生朱晔在学位论文《嘉定新城主城区给水管网系统的可靠性分析》[37]中认为最小割集法是节点可靠度计算的最有效方法。

系统可靠度决定于各节点的可靠度。

通过对给水管网冗余数分量矩阵的计算确定节点的重要性系数，然后，将它与正常情况下节点处要求的供水量相结合取为权函数,进而求出系统可靠度。

2008年，中国石油工程设计有限公司西南分公司的苏欣、章磊、张琳、中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司的郑新、北京华油天然气公司技术服务中心的付建湘在论文《某省大型天然气管网可靠性分析》[34]中介绍了管网可靠性的相关概念，引出了计算管网可靠性的模型，分析了影响管网可靠性的主要因素，通过可靠性计算表明环状管网的可靠性明显高于枝状管网。

合肥工业大学的孙圣光、祝健在论文《应用可靠性理论确定小区给水系统备用泵组台数》[24]中，从水泵机组运行控制的角度出发，将备用泵数与可靠性联系在一起，依据非网状给水系统的可靠性计算理论，得出了泵站的可靠度与备用泵台数之间的关系式。

中南大学的董斌在毕业论文《福建沿海城镇室外消防给水系统的可靠性分析与优化研究》[36]中用可修复系统可靠性理论对城镇消防给水系统进行可靠性研究，建立起了消防给水系统的可靠性模型。

2009年，天津科技大学的韦波、张贺在论文《自来水管网的可靠性分析与优化设计》[32]中通过对自来水管网水力计算、管网优化设计和可靠性设计的研究，提出了输水管网可靠性优化设计的数学模型，结合实例，在兼顾经济效益，降低成本的基础上，提出了改造的优选方案，改善供水管网的可靠性。

2010年，马鞍山钢铁股份有限第二能源总厂的赵攀、孙永军、丁云宏在论文《马钢新区给水系统可靠性分析及对策》[40]中通过对马钢新区给水管网的可靠性计算，分析了新区供水管网的均匀性，对部分管线供水可靠度相差较大的用户提出了管网改进方案，为工程实际中进行管网可靠性定量分析提供了依据。

重庆大学的张晋、华佩、杨超、冉青松和中钢集团工程设计研究院唐山分院的柯华斌在论文《山地城市给水管网系统分析及可靠性研究》[41]中对山地城市中常见的给水管网系统的类型和特点进行分析，介绍了给水管网系统的可靠性指标、可靠性模型及可靠度的计算方法。

三、本课题研究的主要内容和重点

本课题在前人研究的基础上，结合洛阳站客车给水系统现状，构建泵站、输水管网、整站配水管网的可靠性模型，根据系统的历史数据进行可靠性计算，得出系统的可靠度，并在此基础上，对计算结果进行分析，找出影响系统可靠度的关键因素及部位，提出有效的解决方案，以求对今后该系统的改造有所帮助。

本课题研究的主要内容如下：

第一部分：

绪论。

包括问题的提出、研究目的和意义、国内外研究现状、本文研究内容和研究思路、研究方法。

第二部分：

给水系统水力计算和可靠性相关理论

介绍给水系统水力计算的3个基本方程、可靠性理论的基本概念及系统可靠性分析模型相关理论。

第三部分：

洛阳站客车给水系统的现状

对系统结构、设备及相关功能进行描述，对既有运行数据进行分析，与相关标准进行对比，找出不足之处，并对成因进行分析。

第四部分：

洛阳站客车给水系统的可靠性分析

利用给水系统水力计算及可靠性理论建立洛阳站客车给水系统泵站、输水管道、和车站内管网系统的可靠性模型，用系统实际运行数据进行模型验证，并对结果进行分析，找出影响系统可靠性的关键所在。

第五部分：

提高洛阳站客车给水系统可靠性的措施。

针对影响系统可靠性的关键所在，提出改造建议，提高系统可靠性，并对改造后的效果进行描述或分析。

本课题的重点是构建系统可靠性模型，难点在于对系统历史数据分析方法的选择和构建可靠性模型方法的选择。

四、技术方案

本论文在研究过程中注重多种研究方法的综合运用，主要体现在以下几个方面：

（1）系统分析方法。

所谓系统方法，就是用系统的观点来研究和处理有关对象的整体联系的科学方法。

本文无论是文章的框架还是理论模型的建立都离不开采用系统分析方法。

（2）定性与定量分析相结合。

定性研究包括文献资料的收集，对给水系统现状的定性描述和分析。

定量分析主要采用给水理论和可靠性理论，得出系统可靠性模型，对系统运行数据进行可靠性计算，通过定性与定量分析相结合对具体问题提出改进建议。

（3）理论研究与实证研究相结合。

理论研究主要集中于进行广泛深入的资料收集和文献阅读，进行学习、比较与分析，寻找最适用于本课题的理论工具。

实证研究主要是以洛阳站客车上水系统为案例，对系统进行简化、计算和分析，得出系统的可靠度，并以此为主要指标分析该系统存在的问题。

五、实施方案所需的条件

计算机及相关软件