王婧

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

0 引言

高速鐵路供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）從2012年開始構(gòu)建，經(jīng)過(guò)6年多的應(yīng)用發(fā)展，6C系統(tǒng)已在各鐵路局集團(tuán)公司廣泛使用，信息化建設(shè)也逐步完善，設(shè)備履歷、檢測(cè)數(shù)據(jù)、故障維修等信息均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享[1]?，F(xiàn)代化的檢測(cè)監(jiān)測(cè)手段極大提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了養(yǎng)護(hù)維修成本。同時(shí)，如何利用已有數(shù)據(jù)，更好發(fā)揮海量檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的作用，成了新的研究熱點(diǎn)。

目前，接觸網(wǎng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要通過(guò)對(duì)各檢測(cè)參數(shù)的閾值判斷，發(fā)現(xiàn)設(shè)備零部件的局部缺陷，但檢測(cè)數(shù)據(jù)利用率較低，加之高速鐵路施工質(zhì)量逐步提高，眾多高速鐵路接觸網(wǎng)只能檢測(cè)出少量或幾乎無(wú)局部缺陷。因此，利用已經(jīng)積累的海量數(shù)據(jù)對(duì)服役接觸網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行整體評(píng)價(jià)是當(dāng)前的一個(gè)研究趨勢(shì)。

2016年9月，以高速弓網(wǎng)綜合檢測(cè)裝置（1C）的檢測(cè)數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)依據(jù)獲得的“接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)”在全路范圍內(nèi)推廣使用，與優(yōu)良率及動(dòng)態(tài)檢測(cè)一級(jí)缺陷反饋情況共同作為接觸網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量的評(píng)價(jià)依據(jù)[2]，服務(wù)于供電系統(tǒng)設(shè)備管理，使用至今。接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)充分利用1C檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量的量化描述，并對(duì)指導(dǎo)未檢測(cè)出缺陷區(qū)段的維修提供幫助。接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)的應(yīng)用使采用1C檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的區(qū)段質(zhì)量評(píng)價(jià)方法獲得廣泛認(rèn)可。但現(xiàn)行接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)也存在部分不足，急需完善，如部分弓網(wǎng)運(yùn)行關(guān)系不良區(qū)段與正常區(qū)段區(qū)分不明顯、評(píng)價(jià)指數(shù)受外部環(huán)境影響較大等。

以接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)影響該指數(shù)的各因素進(jìn)行賦權(quán)，使該評(píng)價(jià)指數(shù)區(qū)分度不高、各影響因素權(quán)重不合理的問(wèn)題得到了極大改善。

1 層次分析法的選用

根據(jù)計(jì)算權(quán)重時(shí)原始數(shù)據(jù)的來(lái)源不同，通常所采用的賦權(quán)方法可分為：主觀賦值法、客觀賦值法、組合賦值法3類[3-5]。主觀賦值法主要依據(jù)實(shí)際的決策問(wèn)題和專家自身的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)確定各影響因素的權(quán)重，如二項(xiàng)系數(shù)法、層次分析法、專家調(diào)查法等；客觀賦值法依據(jù)原始數(shù)據(jù)間的關(guān)系來(lái)確定權(quán)重，如熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)離差法、主成分分析法等；組合賦值法則同時(shí)考慮數(shù)據(jù)間的關(guān)系及專家經(jīng)驗(yàn)，一般采用乘法或線性綜合法將主、客觀賦值法相結(jié)合。

3種賦值方法各有優(yōu)缺。研究對(duì)象為接觸網(wǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的信息量巨大?？陀^賦值法主要依靠數(shù)據(jù)本身提供的信息進(jìn)行賦權(quán)。由于檢測(cè)數(shù)據(jù)海量，不同懸掛類型、檢測(cè)速度、線路條件的檢測(cè)數(shù)據(jù)差異性巨大，不同檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)所包含的信息量數(shù)量類似，相同檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差及其他數(shù)據(jù)特征在不同區(qū)段差異明顯，因此從數(shù)據(jù)本身獲取信息有較大的隨機(jī)性和不確定性。若考慮客觀賦值法，可能會(huì)出現(xiàn)權(quán)重與實(shí)際重要程度相悖的情況。同時(shí)，由于所獲得的質(zhì)量指數(shù)用于評(píng)價(jià)弓網(wǎng)關(guān)系，其主要目的是為基礎(chǔ)設(shè)施管理者制定維修策略、分配維修資源提供數(shù)據(jù)支持，專家意見至關(guān)重要。因此，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)特征及評(píng)價(jià)指數(shù)的應(yīng)用目的，選取主觀賦值法中較為系統(tǒng)的層次分析法對(duì)各影響因素賦權(quán)。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[6]是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。其特點(diǎn)是在對(duì)復(fù)雜決策問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無(wú)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題提供簡(jiǎn)便的決策方法。

層次分析法根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，將問(wèn)題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，從而最終使問(wèn)題歸結(jié)為最低層（供決策的方案、措施等）相對(duì)于最高層（總目標(biāo)）的相對(duì)重要權(quán)值的確定或相對(duì)優(yōu)劣次序的排定（見圖1）。圖1中，O為目標(biāo)層，Cm、Pn均為因素層。即所研究的評(píng)價(jià)指數(shù)為O層；Cm為檢測(cè)參數(shù)層，如接觸線高度、拉出值、弓網(wǎng)接觸力等；Pn為影響因素層，如接觸線高度的影響因素可分為施工質(zhì)量不佳、局部缺陷、軌道搗固作業(yè)等。

圖1 層次分析法層次結(jié)構(gòu)模型

2 接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量影響因素

綜上所述，要解決的問(wèn)題可描述為各項(xiàng)接觸網(wǎng)檢測(cè)參數(shù)（Cm層）對(duì)弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量（O層）的相對(duì)重要權(quán)值確定。

接觸網(wǎng)檢測(cè)參數(shù)包括：接觸線高度、拉出值、一跨內(nèi)接觸線高差、接觸線間水平距離、接觸線間垂直距離、硬點(diǎn)、弓網(wǎng)接觸力、燃弧、接觸網(wǎng)電壓、動(dòng)車組側(cè)電流、定位器坡度、定位點(diǎn)、跨距、里程等。其中，部分項(xiàng)目間存在導(dǎo)出量和計(jì)算量的關(guān)系，如接觸線間水平距離、垂直距離為接觸線高度和拉出值的計(jì)算量，一跨內(nèi)接觸線高差為接觸線高度與定位點(diǎn)信息的計(jì)算量；部分項(xiàng)目間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，如定位器坡度由拉出值與接觸線高度的平順性決定，硬點(diǎn)與弓網(wǎng)接觸力、燃弧間存在關(guān)聯(lián)；部分項(xiàng)目與接觸網(wǎng)自身特征無(wú)關(guān)，如接觸網(wǎng)電壓由牽引供電系統(tǒng)決定，動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)電流與動(dòng)車組車型及運(yùn)行操作狀態(tài)相關(guān)，定位點(diǎn)、跨距、速度、里程為輔助定位信息。在其余相對(duì)獨(dú)立項(xiàng)目中，拉出值、接觸線高度反映接觸線空間幾何位置，是設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)均需關(guān)注的重要參數(shù)；弓網(wǎng)接觸力、燃弧反映弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用關(guān)系，是衡量接觸網(wǎng)與受電弓匹配的指標(biāo)，是制約高速運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量影響參數(shù)決策圖見圖2。

根據(jù)各檢測(cè)項(xiàng)目對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的影響及檢測(cè)項(xiàng)目間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，選取拉出值、接觸線高度、弓網(wǎng)接觸力和燃弧4項(xiàng)參數(shù)作為評(píng)價(jià)弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的依據(jù)，與現(xiàn)行接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)保持一致。

圖2 弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量影響參數(shù)決策圖

3 接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量影響因素權(quán)重確定

按照層次分析法構(gòu)造系統(tǒng)模型，為4項(xiàng)影響因素賦權(quán)。首先構(gòu)造判斷矩陣A：

拉出值、接觸線高度、接觸力、燃弧分量依次用C1、C2、C3、C4表示，則判斷矩陣A中aij表征Ci相對(duì)于Cj的重要程度，采用9尺度法確定。

綜合專家意見，接觸線平順性不良將直接導(dǎo)致弓網(wǎng)受流性能不佳，弓網(wǎng)接觸力是反映弓網(wǎng)關(guān)系最直觀的參數(shù)之一，兩者同樣重要。拉出值影響行車安全，僅在大于限界值時(shí)對(duì)弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，但可通過(guò)局部大值評(píng)價(jià)查找安全隱患[7-8]，其重要程度小于接觸線高度及弓網(wǎng)接觸力。燃弧為結(jié)果量，雖能反映弓網(wǎng)受流質(zhì)量，但同時(shí)也受到受電弓狀態(tài)、外部環(huán)境等多種因素的影響[9-10]。為了客觀評(píng)價(jià)弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，燃弧的重要程度應(yīng)被設(shè)置為最低。因此，判斷矩陣取為：

使用一致性比率CR檢驗(yàn)所構(gòu)造的判斷矩陣A的不一致程度。

式中：CI=（λ-n）/（n-1），λ為矩陣A的最大特征根，n為A的對(duì)角線元素之和；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，當(dāng)n=4 時(shí)，RI=0.90[6]。

計(jì)算可得CR=0，小于0.1，表明A的不一致程度在容許范圍內(nèi)，矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。則矩陣A的歸一化特征向量可作為權(quán)向量。

計(jì)算A的歸一化特性向量ω，可得ω=[0.18 0.36 0.36 0.10] 。即拉出值（s）、接觸線高度（h）、接觸力（f）、燃?。╝）的權(quán)重分別為0.18、0.36、0.36、0.10。

現(xiàn)行接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)CQI[2]：

優(yōu)化為：

式中：S為拉出值動(dòng)態(tài)測(cè)量值；Hstd為一跨內(nèi)接觸線高度標(biāo)準(zhǔn)偏差；Fmax為一跨內(nèi)弓網(wǎng)接觸力最大值；Fmean為一跨內(nèi)弓網(wǎng)接觸力平均值；Fstd為一跨內(nèi)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差；Fv為弓網(wǎng)接觸力隨速度變化的理論值；NQ為燃弧率。

采用綜合檢測(cè)列車檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化前后的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。2處弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量較差區(qū)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形見圖3、圖4。圖3中接觸線高度平順性差，弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)明顯；圖4中錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換處出現(xiàn)弓網(wǎng)接觸力的劇烈波動(dòng)，同時(shí)檢出弓網(wǎng)接觸力一級(jí)缺陷[7]。該2個(gè)單元均應(yīng)引起關(guān)注，在各影響因素權(quán)重調(diào)整后，CQI均有較大降幅。

弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量較優(yōu)區(qū)段檢測(cè)數(shù)據(jù)波形見圖5，接觸線高度及弓網(wǎng)接觸力均無(wú)劇烈波動(dòng)，調(diào)整權(quán)重后的CQI幾乎無(wú)變化（見表1）。同時(shí)，在調(diào)整權(quán)重后，圖3區(qū)段線路平均CQI由90.9變?yōu)?6.9，圖4區(qū)段線路平均CQI由94.4變?yōu)?1.9，可見調(diào)整各影響因素權(quán)重后的CQI靈敏度更高，評(píng)價(jià)效果更好；圖5區(qū)段線路平均CQI由99.1變?yōu)?8.9，幾乎無(wú)變化。可見，調(diào)整各影響因素權(quán)重對(duì)有效區(qū)分弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量不良區(qū)段意義重大。

圖3 某200 km/h線路下行K216.000—K217.000檢測(cè)數(shù)據(jù)波形圖

圖4 某250 km/h線路下行K164.000—K165.000檢測(cè)數(shù)據(jù)波形圖

圖5 某300 km/h線路上行K418.000—K417.000檢測(cè)數(shù)據(jù)波形圖

表1 部分區(qū)段現(xiàn)行CQI與優(yōu)化權(quán)重后CQI數(shù)據(jù)對(duì)比

研究的接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量評(píng)價(jià)主要關(guān)注接觸網(wǎng)“線”的區(qū)段整體狀態(tài)，通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量的量化描述，指導(dǎo)接觸網(wǎng)設(shè)備的維修管理，其目的不是消除缺陷，而是為了提高接觸網(wǎng)性能、優(yōu)化弓網(wǎng)關(guān)系、延長(zhǎng)接觸網(wǎng)運(yùn)行壽命、指導(dǎo)維修決策。而接觸網(wǎng)局部評(píng)價(jià)方法主要關(guān)注接觸網(wǎng)“點(diǎn)”的缺陷，注重發(fā)現(xiàn)和消除接觸網(wǎng)的安全隱患。在確定接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量評(píng)價(jià)方法時(shí)，已假定其應(yīng)與局部評(píng)價(jià)相結(jié)合使用（通過(guò)局部大值評(píng)價(jià)可查找拉出值安全隱患，所以拉出值權(quán)重較低）。例如，圖4中檢出的弓網(wǎng)接觸力一級(jí)缺陷，應(yīng)納入一級(jí)修（臨時(shí)修）計(jì)劃；而圖3中未檢出一級(jí)缺陷，雖CQI低于圖4所示區(qū)段，該區(qū)段也無(wú)需納入一級(jí)修計(jì)劃，可在二級(jí)修（綜合修）時(shí)對(duì)該區(qū)段進(jìn)行綜合維修調(diào)整?？梢?，接觸網(wǎng)的局部評(píng)價(jià)和區(qū)段評(píng)價(jià)各有側(cè)重，又有所關(guān)聯(lián)，兩者相結(jié)合，可以對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行更為全面、多角度的反映，應(yīng)在接觸網(wǎng)質(zhì)量評(píng)價(jià)中綜合考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用層次分析法調(diào)整現(xiàn)行接觸網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)各影響因素的權(quán)重對(duì)更好地區(qū)分弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量不良區(qū)段具有重要意義。該賦權(quán)方法不僅可用于利用多項(xiàng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)參數(shù)評(píng)價(jià)弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，還可推廣應(yīng)用至接觸網(wǎng)區(qū)段質(zhì)量評(píng)價(jià)的其他研究中，如采用多項(xiàng)接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何參數(shù)對(duì)接觸線空間幾何位置進(jìn)行評(píng)價(jià)。