候紅學(xué), 陳金強(qiáng), 李 英, 宋彥君

(1 中車唐山機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)研究中心， 河北唐山 063035；2 西南交通大學(xué)電氣學(xué)院， 成都 611756)

我國(guó)高速鐵路近年來發(fā)展迅速，動(dòng)車組可靠性的要求也越來越高。動(dòng)車組車頂主斷路器負(fù)責(zé)開關(guān)動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的牽引電流，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)快速切斷短路電流，其工作狀態(tài)對(duì)動(dòng)車組安全運(yùn)行來說至關(guān)重要。

鐵路維修機(jī)制依次經(jīng)歷了事后維修，和預(yù)防修體制，目前正逐步推進(jìn)到狀態(tài)維修體制[1]。進(jìn)行動(dòng)車主斷路器狀態(tài)維修工作基礎(chǔ)是先實(shí)現(xiàn)主斷路器的狀態(tài)評(píng)估[2-3]。

文中以動(dòng)車組車頂主斷路器為試驗(yàn)評(píng)估對(duì)象，研究以預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)為主的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系，以及基于理想解(TOPSIS)的綜合評(píng)估方法，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。

1 評(píng)估系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)是一種動(dòng)態(tài)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，運(yùn)行于檢修車間。系統(tǒng)根據(jù)不同設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行定時(shí)更新，結(jié)合歷史和出廠數(shù)據(jù)以及相關(guān)規(guī)程進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。系統(tǒng)功能由系統(tǒng)參數(shù)配置，試驗(yàn)測(cè)量控制，狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)等模塊組成，如圖1所示。

圖1 評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)評(píng)估方法

2.1 理想解評(píng)價(jià)原理

根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象集合D和指標(biāo)集合U來重新確定一個(gè)矩陣，記為A=(aij)m×n[5]。

最后采用理想解法來解決多屬性目標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)論，通過計(jì)算各數(shù)據(jù)與理想點(diǎn)之間的歐式距離，依據(jù)獲得的貼進(jìn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

2.2 評(píng)估指標(biāo)體系

采用了中車唐山公司《動(dòng)車組主斷路器采購(gòu)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)例行試驗(yàn)的要求項(xiàng)目，包括：電阻測(cè)量、機(jī)械操作、氣密性、介電強(qiáng)度。另外結(jié)合具體動(dòng)車組的真實(shí)運(yùn)行里程和運(yùn)行時(shí)間共同組成評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)體系中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)代表的狀態(tài)和可靠度各有差別，文中采用了熵權(quán)方法進(jìn)行權(quán)重確定。

2.3 動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)確定

根據(jù)相關(guān)狀態(tài)檢修標(biāo)準(zhǔn)將動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)等級(jí)評(píng)定結(jié)果分為：等級(jí)1為初值、等級(jí)2定義為注意、等級(jí)3定義為異常(或故障)。各單項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)的評(píng)價(jià)取值按照主斷路器的初值，注意值，異常值來進(jìn)行等級(jí)劃分。實(shí)際操作中取主斷路器出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為初值，采購(gòu)技術(shù)規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)值作為異常值，兩者之差的30%作為注意值。公里和時(shí)間等級(jí)以慣用的2萬km、10萬km、120萬km和7天、90天、3年為3個(gè)等級(jí)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 主斷路器狀態(tài)等級(jí)界限

以某動(dòng)車組主斷路器的具體評(píng)估過程為例來說明。該動(dòng)車組主斷路器型號(hào)為：BLZYZ-D-30/1250真空斷路器。根據(jù)其出廠報(bào)告數(shù)據(jù)，基于等級(jí)劃分方法得到標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分表1。

2.4 TOPSIS評(píng)價(jià)步驟

(1)形成無量綱決策矩陣

如果各指標(biāo)量綱不統(tǒng)一，則評(píng)價(jià)過程難以進(jìn)行，所以首先對(duì)待評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行無量綱化處理[6]。對(duì)新組成的增廣矩陣數(shù)據(jù)以特定的3個(gè)狀態(tài)等級(jí)界限值作為理想等級(jí)進(jìn)行處理。定義評(píng)價(jià)問題的多指標(biāo)矩陣是A=(aij)m×n，進(jìn)而設(shè)定無量綱處理后的評(píng)價(jià)矩陣是B=(bij)m×n，采用下式處理越大越優(yōu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：

(1)

(2)構(gòu)建加權(quán)評(píng)價(jià)矩陣C=(cij)m×n

無量綱待評(píng)矩陣和權(quán)重系數(shù)數(shù)據(jù)相乘得到加權(quán)矩陣

cij=wj·bij，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

(2)

(3)計(jì)算正負(fù)理想解；

(3)

(4)

(6)利用式(4)計(jì)算出當(dāng)前主斷路器狀態(tài)與相應(yīng)等級(jí)狀態(tài)的貼近度。根據(jù)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想解數(shù)據(jù)之間計(jì)算得到的貼近距離的排列情況，可以得到待評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量化綜合狀態(tài)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 評(píng)估流程設(shè)計(jì)

進(jìn)行動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)評(píng)估可以掌握主斷路器當(dāng)前綜合狀況以便及時(shí)采取措施消除隱患，幫助檢修決策者根據(jù)主斷路器狀態(tài)制定相應(yīng)的狀態(tài)檢修方案。動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)評(píng)估流程見圖2。

圖2 評(píng)估流程圖

3.2 評(píng)估算法實(shí)現(xiàn)

理想解評(píng)估算法具體的實(shí)現(xiàn)思路是，首先計(jì)算待評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)組與評(píng)估目標(biāo)等級(jí)正負(fù)理想解間的加權(quán)歐式距離，然后計(jì)算待評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集與正理想解的貼近程度數(shù)據(jù)，最后以貼進(jìn)度數(shù)值作為評(píng)價(jià)結(jié)果。

文中采用MATLAB來編程實(shí)現(xiàn)理想解的評(píng)估算法。具體流程如圖3。

圖3 評(píng)估計(jì)算流程圖

人機(jī)交互界面利用Delphi開發(fā)，適時(shí)地調(diào)用Matlab程序，可以減少算法編程時(shí)間，提高開發(fā)效率[7]。本系統(tǒng)將兩者結(jié)合運(yùn)用，利用Delphi開發(fā)的界面和數(shù)據(jù)庫(kù)，需要計(jì)算時(shí)調(diào)用Matlab的M文件程序，這樣實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

要實(shí)現(xiàn)Delphi與Matlab軟件自己的數(shù)據(jù)交互需要利用COM接口技術(shù)。Windows一種程序間交互數(shù)據(jù)的通信協(xié)議COM組件技術(shù)。本系統(tǒng)利用Matlab環(huán)境中的Com Builder工具進(jìn)行COM組件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)交互。

3.3 評(píng)估實(shí)例

以某動(dòng)車組主斷路器的具體評(píng)估過程為例來說明。該動(dòng)車組主斷路器型號(hào)為：BLZYZ-D-30/1250真空斷路器。根據(jù)其出廠報(bào)告數(shù)據(jù)和最近一次的例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到待評(píng)估數(shù)據(jù)表2。權(quán)重根據(jù)數(shù)據(jù)的熵權(quán)大小進(jìn)行計(jì)算得到。

表2 主斷路器狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)

從單項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看所有指標(biāo)都滿足技術(shù)規(guī)程要求，只有獲得可以量化的綜合狀態(tài)才對(duì)健康評(píng)價(jià)是有意義的。在選取的7個(gè)指標(biāo)中只有絕緣電阻越大越好，為方便計(jì)算，對(duì)絕緣電阻值做了預(yù)處理，利用當(dāng)前值與初值的差來代替當(dāng)前值，這樣整個(gè)評(píng)價(jià)矩陣就都是數(shù)據(jù)越小狀態(tài)越好的屬性，方便后續(xù)計(jì)算處理。

對(duì)表2的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，采用等級(jí)狀態(tài)值作為閾值，前3行數(shù)據(jù)是3種標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，最后1行數(shù)據(jù)為本次試驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，得到規(guī)范化評(píng)價(jià)矩陣G:

7列數(shù)據(jù)分別為7項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)：運(yùn)行里程、運(yùn)行時(shí)間、絕緣電阻、回路電阻、真空度、分閘時(shí)間、 及合閘時(shí)間。

根據(jù)熵權(quán)計(jì)算方法可以計(jì)算得的權(quán)重?cái)?shù)值，然后將矩陣 的每列與相應(yīng)的權(quán)重?cái)?shù)值相乘,得到最終的TOPSIS評(píng)價(jià)矩陣R：

最后利用TOPSIS算法進(jìn)行正負(fù)理想解計(jì)算，得到各組數(shù)據(jù)的狀態(tài)貼近距離為：

標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)狀態(tài)貼進(jìn)度如下：1級(jí)(初值)：0.000 0；2級(jí)(注意)：0.592 3；3級(jí)(故障)：1.000 0。本次試驗(yàn)的狀態(tài)貼進(jìn)距離為：0.518 9?？梢钥闯鲈撝鲾嗦菲骶C合狀態(tài)目前正常，與實(shí)際情況相符，只是由出廠時(shí)的初始狀態(tài)t1(0.000)已經(jīng)發(fā)展接近t2(0.592 3)的注意狀態(tài)。雖然該斷路器運(yùn)行記錄良好，尚未出現(xiàn)異常，但是根據(jù)評(píng)估數(shù)據(jù)，由于已經(jīng)接近注意狀態(tài)，需要安排更全面的維修計(jì)劃，并繼續(xù)跟蹤觀察其狀態(tài)貼近度的發(fā)展趨勢(shì)。

通過實(shí)例分析，說明本評(píng)估軟件可以利用出廠原始數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)程個(gè)性化地定制設(shè)備指標(biāo)權(quán)重，并定量地計(jì)算出動(dòng)車組主斷路器狀態(tài)等級(jí)的貼近度，直觀地掌握動(dòng)車組主斷路器設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展情況。

4 結(jié) 論

針對(duì)動(dòng)車組主斷路器檢修中試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)情況下，對(duì)其狀態(tài)評(píng)估難的問題，開發(fā)了一套基于理想解評(píng)估方法的動(dòng)車組主斷路器評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)直觀描繪了動(dòng)車組主斷路器的運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)，為維修計(jì)劃提供了參考。下一步將考慮融入更多的運(yùn)行信息，使其評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確，進(jìn)一步促進(jìn)動(dòng)車組狀態(tài)檢修技術(shù)的發(fā)展。