胡昌桂 楊安玉 虞 翊 楚彭子,3 董丹陽,4 林 輝

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢； 2.同濟大學磁浮交通工程技術研究中心， 201804， 上海；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室， 201804， 上海； 4.同濟大學電子與信息工程學院， 201804，上海∥第一作者， 正高級工程師)

磁浮線路是保證磁浮列車能夠離開地面一定高度、快速運行的支撐與導向系統(tǒng)[1]。與輪軌交通類似，磁浮線路分叉處需要設置道岔。作為磁浮交通的轉線設備，道岔設備的維保關系著列車運行與運營的可靠性與安全性。隨著使用時間與使用頻次的累積，道岔設備的老化程度會日益明顯，表現(xiàn)為故障次數(shù)增多、穩(wěn)定性變差。對道岔設備健康狀態(tài)以及使用壽命狀態(tài)的分析與維護有助于保持良好的工作狀態(tài)。

使用壽命是指設備從投入使用開始至設備退出使用為止的時間[2-4]，其狀態(tài)通常分為“優(yōu)”“良”“中”和“差”。健康狀態(tài)是指設備的可用情況，通常分為“故障”“亞健康”與“健康”[5]。兩者之間存在差異，體現(xiàn)在健康狀態(tài)著眼于分析對象的故障情況，使用壽命狀態(tài)則更傾向于研究對象的全壽命周期管理[4-5]。在以往使用壽命狀態(tài)的相關研究中，文獻[2-4]討論了信號系統(tǒng)的安全評估方法，提出了信號設備使用壽命的概念，研究了影響使用壽命狀態(tài)——物理壽命、經(jīng)濟壽命和技術壽命三方面的因素，并討論了信號設備使用壽命計算案例，闡述了信號設備使用壽命評估系統(tǒng)的概念。文獻[6]同樣分析了軌道交通信號設備壽命評價模型。

磁浮交通在國內(nèi)外的應用還較少，以往磁浮道岔設備的使用、養(yǎng)護以及報廢過程相關研究中的模型與方法均以輪軌交通為例，尚缺乏科學依據(jù)?？紤]到使用壽命狀態(tài)的內(nèi)涵在不同制式中應具有統(tǒng)一性，本研究以磁浮交通道岔設備為研究對象，進一步拓展其應用領域。同時，使用壽命狀態(tài)屬于一種定性概念，如何定量描述還有待研究。本研究引入了一種定性定量信息轉換的不確定性模型——云模型[7-8]作為狀態(tài)評估工具，來實現(xiàn)磁浮道岔使用壽命狀態(tài)的評估。

1 評估指標體系

1.1 磁浮道岔特性

不同于輪軌交通利用車輪與軌道的摩擦力產(chǎn)生前進動力，磁浮交通利用車輛與軌旁之間的磁力作用實現(xiàn)列車的懸浮、導向與驅動，且車輛驅動設備置于地面，線路結構相對復雜。磁浮交通的道岔屬于磁浮交通的轉線設備，是一根連續(xù)可彈性彎曲的鋼梁[1]。磁浮道岔結構與控制系統(tǒng)不同于輪軌交通，其跨度更大(可達幾十米)，造價更高。磁浮道岔轉轍時由液壓或電動機械驅動整個鋼梁協(xié)調移動，且移動時間較長，能耗相對更大。如上海磁浮示范線道岔移動一次的時間約為28 s[1]。輪軌交通道岔造價則相對更低，結構相對簡單。在轉轍時，僅需尖軌和心軌的移動，基本軌保持不動，且轉轍時間較短。

磁浮道岔設備需要承受各種車輛運行荷載的反復作用，其設計必須符合故障-安全原則，以保證車輛平穩(wěn)與安全的通行。道岔由信號系統(tǒng)控制，考慮到控制電路故障的可能性，應具備手動驅動的能力。由于其在線路中的重要性，需要在設計、施工與維護時考慮基礎的堅實性、接口的穩(wěn)定性，以及材料與涂料的防塵、防水、防紫外線危害和抗腐蝕的能力。

1.2 影響因素分析

磁浮道岔是磁浮線路的關鍵節(jié)點，也是必要的節(jié)點。其在車輛的運行與線路的運營中扮演著十分重要的角色。在以往輪軌交通道岔的使用壽命狀態(tài)分析中，李章楊等[2]從經(jīng)濟壽命、物理壽命和技術壽命三個角度建立了評價準則，涉及年消耗成本、維護成本、運行成本、技術更新、系統(tǒng)接口、運行工況、運營狀態(tài)與維護管理等多種因素。使用壽命影響因素在不同對象間具有一定的通用性。例如，金捷等[6]同樣從經(jīng)濟壽命、物理壽命和技術壽命三個角度建立了信號系統(tǒng)軌道電路設備的使用壽命評價模型，并精簡了相應的影響因素，突出了關鍵因素?；诖?，本文同樣從經(jīng)濟壽命、物理壽命和技術壽命出發(fā)，建立了如圖1所示的指標體系，涉及經(jīng)濟狀態(tài)、使用狀態(tài)、運行狀態(tài)和技術狀態(tài)4個維度指標。其中，使用狀態(tài)和運行狀態(tài)可以理解為物理壽命狀態(tài)。這些維度指標包括平均轉轍能耗、平均維護費用、已使用年限、每月轉轍次數(shù)、每月過車次數(shù)、平均無故障時間、平均故障恢復時間、系統(tǒng)制式相對情況和系統(tǒng)技術相對情況9個子維度指標。這些指標中涉及定量指標和定性指標。對于定性指標，可綜合專家與技術人員意見予以計分。對于定量指標，可在充足樣本數(shù)據(jù)的基礎上，劃定不同狀態(tài)的數(shù)值區(qū)間，進而可計算相應指標的狀態(tài)。實際中，如果難以確認相應的狀態(tài)區(qū)間，也可將其定性化描述，以反映其狀態(tài)水平。

圖1 磁浮道岔使用壽命評估指標體系

評估使用壽命狀態(tài)時，對于指標權重，應在平衡各因素的基礎上突出關鍵因素[6]。對此，可根據(jù)經(jīng)驗賦權，如采用層次分析法或主觀賦權，也可采用定量賦權方式，如主成分分析法或熵權法等。本文結合文獻[2,6]以及層次分析法得到的維度指標權重向量為(0.170,0.404,0.321,0.106)，子維度指標權重向量分別為(0.333,0.667)、(0.500,0.250,0.250)、(0.667,0.333)和(0.429,0.571)，所得層次總排序權重為(0.057,0.114,0.202,0.101,0.101,0.214,0.107,0.045,0.060)。

2 評估的云模型

2.1 云理論概述

云模型于1995年由李德毅院士提出，是一種經(jīng)典的定性定量轉化的、面向語言概念上的隨機性與模糊性的不確定性轉換模型。具體地，云由期望值Ex、熵En和超熵He這三個數(shù)字特征統(tǒng)計量構成?；谡龖B(tài)分布和模糊數(shù)學的正態(tài)云發(fā)生器是常用的云模型實現(xiàn)算法[7-10]。正態(tài)云發(fā)生器包括正向云發(fā)生器和逆向發(fā)生器，用于實現(xiàn)定性概念與定量概念之間的相互轉換，如圖2所示。

圖2 正態(tài)云發(fā)生器

此外，云的四則運算與常規(guī)的數(shù)學運算有所不同。若要根據(jù)子維度指標的數(shù)字特征來求取維度指標的數(shù)字特征，需要涉及綜合云的計算。綜合云的獲取涉及不同因素的云數(shù)字特征及其權重的組合。假設某維度指標由3個子維度指標構成，則可按照如下公式計算其數(shù)字特征：

(1)

2.2 基于云理論的評估模型

參考文獻[2,6]，將各個影響因素的相應狀態(tài)映射為“優(yōu)”“良”“中”和“差”。由于云模型需要已知定性概念論域的范圍，因此，需要設置狀態(tài)的定量區(qū)間。區(qū)間劃分的方法較多，本文統(tǒng)一將指標評語的模糊區(qū)間設置為“優(yōu)”[0,1]，“良”[1,2]，“中”[2,3]，“差”[3,4]。其中，“優(yōu)”代表設備或影響因素處于很好的狀態(tài)，僅需日常巡檢來開展維護；“良”代表設備或影響因素處于較好的狀態(tài)，有一定的隱藏風險，需要結合“預防修”來開展維護；“中”表示設備或影響因素處于差強人意的狀態(tài)，維護壓力較大；“差”則表示設備或影響因素處于難以接受的狀態(tài)，需要進行相應的更新?；诖?，可根據(jù)這些區(qū)間與如下公式求得基準云的數(shù)字特征(見表1)：

(2)

式中：

Cmax與Cmin——相應指標評語的雙邊約束，即定量區(qū)間的邊界；

λ——代表指標變量的模糊程度的某一小于1的常數(shù)，λ越大，云滴的離散程度越大，鑒于狀態(tài)本身具有的模糊性，本文暫取值0.1。

表1 基準云的數(shù)字特征

基于基準云的數(shù)字特征，結合正向云發(fā)生器(水滴數(shù)量n取1 000)，分別得到了不同水平的使用壽命狀態(tài)基準云圖。由圖3可知，各狀態(tài)等級的分布具有一定模糊性質，即云模型在隨機和離散的層面上量化了定性概念。

圖3 道岔使用壽命狀態(tài)基準云圖

依據(jù)所獲得的基準云數(shù)字特征，結合實際子維度指標的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可采用逆向云發(fā)生器得到其數(shù)字特征(即對照云)，進而可計算不同子維度指標與不同基準云的相似度向量。進一步，可結合式(1)來計算維度指標或整體情況的云數(shù)字特征，以及相應的相似度向量。

3 算例分析

以采用了10分制打分法的某磁浮道岔影響因素評估數(shù)據(jù)為例，來分析上述方法的可行性。首先，采用4(xi/10)的方式將所有數(shù)據(jù)歸一化至數(shù)域空間[1,4]，進而結合權重向量來開展評估計算。對于一個影響因素而言，分數(shù)越高，即代表著該因素對于磁浮道岔使用壽命的負面影響越大。借助逆向云發(fā)生器、評估數(shù)據(jù)及其均值和方差產(chǎn)生了不同因素的云數(shù)字特征，如表2所示。

同時，根據(jù)式(2)得到各維度以及整體的云數(shù)字特征，即經(jīng)濟狀態(tài)為(0.729 2,0.246 2,0.214 6)，使用狀態(tài)為(0.917 9,0.374 0,0.254 7)，運行狀態(tài)為(0.901 6,0.343 7,0.252 6)，技術狀態(tài)為(0.549 1,0.166 4,0.161 8)，整體為(0.867 4,0.320 9,0.243 6)，相應的云圖如圖4和圖5所示。

表2 磁浮道岔影響因素統(tǒng)計量及云數(shù)字特征

進一步地，根據(jù)2.1節(jié)中的相似度計算方法，分別計算了不同影響因素(子維度)、維度以及整體狀態(tài)的云數(shù)字特征與不同狀態(tài)基準云的相似度，如表3所示。根據(jù)表3可知，研究對象使用壽命狀態(tài)影響因素中，僅平均故障恢復時間處于良的狀態(tài)，其他影響因素均處于理想的狀態(tài)。同時，維度狀態(tài)與整體狀態(tài)均為優(yōu)。

基于上述結果可知，算例對象整體處于理想的使用壽命狀態(tài)，可進一步加強日常巡檢維護，來保持該狀態(tài)。同時，平均故障恢復時間的理想程度存在提升空間，可加大維護人才與備品備件的投入，推行在線診斷與健康狀態(tài)預測，提高故障維護的效率，進一步改善該道岔的運行狀態(tài)。

圖5 整體狀態(tài)云圖

表3 相似度計算結果

4 結語

磁浮道岔是磁浮線路中十分關鍵的環(huán)節(jié)，應具有良好的可靠性、可用性、可維護性和安全性。在該過程中，分析道岔系統(tǒng)或其子系統(tǒng)所處的全壽命周期狀態(tài)，可以提出相應的維護策略，也能為其小修、中修以及大修提供參考信息。通過指標體系與評估模型的建立，以及算例的分析，體現(xiàn)了云模型在定性語言描述和定量數(shù)值間不確定轉換的優(yōu)越性。