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)
我國高速鐵路近年來發(fā)展迅速,動車組可靠性的要求也越來越高。動車組車頂主斷路器負(fù)責(zé)開關(guān)動車組運(yùn)行時的牽引電流,當(dāng)故障發(fā)生時快速切斷短路電流,其工作狀態(tài)對動車組安全運(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)評估[2-3]。
文中以動車組車頂主斷路器為試驗(yàn)評估對象,研究以預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)為主的狀態(tài)評估指標(biāo)體系,以及基于理想解(TOPSIS)的綜合評估方法,在此基礎(chǔ)之上設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個動車組主斷路器狀態(tài)評估系統(tǒng)。
動車組主斷路器狀態(tài)評估系統(tǒng)是一種動態(tài)狀態(tài)評估系統(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)評估。系統(tǒng)功能由系統(tǒng)參數(shù)配置,試驗(yàn)測量控制,狀態(tài)數(shù)據(jù)分析,故障趨勢預(yù)測等模塊組成,如圖1所示。
圖1 評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)評價對象集合D和指標(biāo)集合U來重新確定一個矩陣,記為A=(aij)m×n[5]。
最后采用理想解法來解決多屬性目標(biāo)的評價結(jié)論,通過計算各數(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)行評價[4]。
采用了中車唐山公司《動車組主斷路器采購技術(shù)規(guī)范》中對例行試驗(yàn)的要求項(xiàng)目,包括:電阻測量、機(jī)械操作、氣密性、介電強(qiáng)度。另外結(jié)合具體動車組的真實(shí)運(yùn)行里程和運(yùn)行時間共同組成評價指標(biāo)。評價體系中各個評價指標(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。
根據(jù)相關(guān)狀態(tài)檢修標(biāo)準(zhǔn)將動車組主斷路器狀態(tài)等級評定結(jié)果分為:等級1為初值、等級2定義為注意、等級3定義為異常(或故障)。各單項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)的評價取值按照主斷路器的初值,注意值,異常值來進(jìn)行等級劃分。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。公里和時間等級以慣用的2萬km、10萬km、120萬km和7天、90天、3年為3個等級作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。
表1 主斷路器狀態(tài)等級界限
以某動車組主斷路器的具體評估過程為例來說明。該動車組主斷路器型號為:BLZYZ-D-30/1250真空斷路器。根據(jù)其出廠報告數(shù)據(jù),基于等級劃分方法得到標(biāo)準(zhǔn)等級劃分表1。
(1)形成無量綱決策矩陣
如果各指標(biāo)量綱不統(tǒng)一,則評價過程難以進(jìn)行,所以首先對待評價矩陣進(jìn)行無量綱化處理[6]。對新組成的增廣矩陣數(shù)據(jù)以特定的3個狀態(tài)等級界限值作為理想等級進(jìn)行處理。定義評價問題的多指標(biāo)矩陣是A=(aij)m×n,進(jìn)而設(shè)定無量綱處理后的評價矩陣是B=(bij)m×n,采用下式處理越大越優(yōu)的評價指標(biāo):
(1)
(2)構(gòu)建加權(quán)評價矩陣C=(cij)m×n
無量綱待評矩陣和權(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)計算正負(fù)理想解;
(3)
(4)
(6)利用式(4)計算出當(dāng)前主斷路器狀態(tài)與相應(yīng)等級狀態(tài)的貼近度。根據(jù)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想解數(shù)據(jù)之間計算得到的貼近距離的排列情況,可以得到待評價試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量化綜合狀態(tài)。
進(jìn)行動車組主斷路器狀態(tài)評估可以掌握主斷路器當(dāng)前綜合狀況以便及時采取措施消除隱患,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。動車組主斷路器狀態(tài)評估流程見圖2。
圖2 評估流程圖
理想解評估算法具體的實(shí)現(xiàn)思路是,首先計算待評價數(shù)據(jù)組與評估目標(biāo)等級正負(fù)理想解間的加權(quán)歐式距離,然后計算待評價數(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)值作為評價結(jié)果。
文中采用MATLAB來編程實(shí)現(xiàn)理想解的評估算法。具體流程如圖3。
圖3 評估計算流程圖
人機(jī)交互界面利用Delphi開發(fā),適時地調(diào)用Matlab程序,可以減少算法編程時間,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,需要計算時調(diào)用Matlab的M文件程序,這樣實(shí)現(xiàn)了兩個開發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)勢互補(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)了兩個軟件之間的數(shù)據(jù)交互。
以某動車組主斷路器的具體評估過程為例來說明。該動車組主斷路器型號為:BLZYZ-D-30/1250真空斷路器。根據(jù)其出廠報告數(shù)據(jù)和最近一次的例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到待評估數(shù)據(jù)表2。權(quán)重根據(jù)數(shù)據(jù)的熵權(quán)大小進(jìn)行計算得到。
表2 主斷路器狀態(tài)評估數(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)才對健康評價是有意義的。在選取的7個指標(biāo)中只有絕緣電阻越大越好,為方便計算,對絕緣電阻值做了預(yù)處理,利用當(dāng)前值與初值的差來代替當(dāng)前值,這樣整個評價矩陣就都是數(shù)據(jù)越小狀態(tài)越好的屬性,方便后續(xù)計算處理。
對表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)測量得到的數(shù)據(jù),得到規(guī)范化評價矩陣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)行時間、絕緣電阻、回路電阻、真空度、分閘時間、 及合閘時間。
根據(jù)熵權(quán)計算方法可以計算得的權(quán)重數(shù)值,然后將矩陣 的每列與相應(yīng)的權(quán)重數(shù)值相乘,得到最終的TOPSIS評價矩陣R:
最后利用TOPSIS算法進(jìn)行正負(fù)理想解計算,得到各組數(shù)據(jù)的狀態(tài)貼近距離為:
標(biāo)準(zhǔn)等級狀態(tài)貼進(jìn)度如下:1級(初值):0.000 0;2級(注意):0.592 3;3級(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劃,并繼續(xù)跟蹤觀察其狀態(tài)貼近度的發(fā)展趨勢。
通過實(shí)例分析,說明本評估軟件可以利用出廠原始數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)程個性化地定制設(shè)備指標(biāo)權(quán)重,并定量地計算出動車組主斷路器狀態(tài)等級的貼近度,直觀地掌握動車組主斷路器設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展情況。
針對動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,對其狀態(tài)評估難的問題,開發(fā)了一套基于理想解評估方法的動車組主斷路器評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)直觀描繪了動車組主斷路器的運(yùn)行狀態(tài)趨勢,為維修計劃提供了參考。下一步將考慮融入更多的運(yùn)行信息,使其評估結(jié)果更加準(zhǔn)確,進(jìn)一步促進(jìn)動車組狀態(tài)檢修技術(shù)的發(fā)展。