宋文彬， 傅雙波， 吳克明

（1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 車輛部，上海 200071；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 科技和信息化部，上海 200071；3.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海動(dòng)車段，上海 201812）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，高鐵在國(guó)民交通體系中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，而動(dòng)車組作為旅客運(yùn)輸?shù)妮d運(yùn)裝備，其健康狀態(tài)的良好是確保運(yùn)輸任務(wù)順利完成的重中之重。近年來(lái)，我國(guó)動(dòng)車組列車的設(shè)計(jì)制造能力越來(lái)越強(qiáng)，運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)越加豐富，掌握的檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體量巨大，各科研院所和運(yùn)維單位對(duì)動(dòng)車組全生命周期性能演化規(guī)律的研究也越發(fā)深入，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán)）也在進(jìn)一步積極推動(dòng)動(dòng)車組修程修制改革成果的廣泛應(yīng)用和故障預(yù)測(cè)及健康管理（PHM）等先進(jìn)技術(shù)的實(shí)施推廣［1-4］。然而，如何更全面、客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)動(dòng)車組健康狀態(tài)卻是運(yùn)維技術(shù)研究進(jìn)一步深入后的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。目前，我國(guó)在動(dòng)車組健康評(píng)估方面的研究主要集中在對(duì)個(gè)別關(guān)鍵系統(tǒng)或設(shè)備的健康狀態(tài)評(píng)估，通常為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的部分對(duì)象狀態(tài)評(píng)估分析，針對(duì)各類參數(shù)指標(biāo)擬合和權(quán)重計(jì)算的手段主要有層次分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［5］，絕大多數(shù)研究更側(cè)重于對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)用狀態(tài)的評(píng)估，研究中的數(shù)據(jù)和特征限值與實(shí)際存在偏差，成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的很少。也有部分人員從部件的機(jī)理模型出發(fā)，研究其全生命周期健康狀態(tài)的評(píng)估方法。

動(dòng)車組屬大型復(fù)雜集成裝備，在現(xiàn)階段缺乏部件全品類機(jī)理模型研究的有效成果時(shí)，可基于已積累的大量運(yùn)維檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能退化規(guī)律分析，以運(yùn)維生產(chǎn)中的規(guī)程和技術(shù)指南為依據(jù)，建立部分壽命階段狀態(tài)評(píng)估的方法體系。因此，以動(dòng)車組高級(jí)修狀態(tài)評(píng)估作為研究切入點(diǎn)，相比于運(yùn)用狀態(tài)，高級(jí)修中獲取的參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)更多、深度和廣度更好，更能準(zhǔn)確客觀地反映設(shè)備健康狀態(tài)。動(dòng)車組高級(jí)修階段的狀態(tài)評(píng)估對(duì)指導(dǎo)日常運(yùn)維生產(chǎn)、修程修制改革評(píng)估、全生命周期性能與成本分析及自主維修體系標(biāo)準(zhǔn)的建立等工作具有重要意義。

1 健康評(píng)估元素選取原則

將參與健康評(píng)估的設(shè)備對(duì)象統(tǒng)稱為元素，將表征元素性能狀態(tài)的特征參數(shù)或計(jì)算結(jié)果統(tǒng)稱為指標(biāo)。影響動(dòng)車組健康狀態(tài)的因素很多，設(shè)備自身性能退化、維修方式、運(yùn)用負(fù)荷、環(huán)境工況等，但無(wú)論何種因素，各類影響疊加并最終呈現(xiàn)在動(dòng)車組裝備上所表現(xiàn)出來(lái)的都是各類元素的可觀測(cè)特征指標(biāo)或以故障形式表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)指標(biāo)。在大型復(fù)雜裝備的狀態(tài)評(píng)估中，所選的評(píng)估元素和指標(biāo)并不是越多越好，關(guān)鍵是要考慮評(píng)估對(duì)象的代表性，盡可能全面、客觀、準(zhǔn)確地反映出高度系統(tǒng)化和集成化的動(dòng)車組健康狀態(tài)的優(yōu)劣［6］。所選評(píng)估元素能覆蓋主要層級(jí)的關(guān)鍵設(shè)備，確保指標(biāo)的完備性、獨(dú)立性、客觀性、靈敏性和一致性。在動(dòng)車組高級(jí)修狀態(tài)評(píng)估時(shí)，選擇評(píng)估對(duì)象基于以下4 個(gè)原則：

（1）合規(guī)適用。根據(jù)動(dòng)車組使用管理單位實(shí)施的檢修及運(yùn)用規(guī)程規(guī)章和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)制造單位提供的維護(hù)指南等資料，合理選擇高級(jí)修各修程下的評(píng)估對(duì)象，確保健康評(píng)估結(jié)果在運(yùn)維生產(chǎn)中的合規(guī)性和適用性。

（2）運(yùn)用層面。評(píng)估對(duì)象能夠反映動(dòng)車組日常運(yùn)行工況中的客觀規(guī)律，包括設(shè)備重要度、性能退化特征、故障關(guān)聯(lián)性、可用性等。

（3）維修層面。評(píng)估元素或指標(biāo)能夠在高級(jí)修修程中被定量或定性觀測(cè)、計(jì)算得到，在信息量上能足夠多地反映裝備自身性能狀態(tài)，包括現(xiàn)在及歷史的檢修記錄、測(cè)試記錄、故障記錄、同類設(shè)備質(zhì)量史等。

（4）數(shù)據(jù)層面。使用數(shù)據(jù)相關(guān)性分析工具，選取與元素性能衰退相關(guān)性最強(qiáng)的指標(biāo)來(lái)表征健康狀態(tài)，常用的有協(xié)方差及協(xié)方差矩陣、相關(guān)系數(shù)、信息熵等［7］。

2 健康評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)

2.1 健康評(píng)估準(zhǔn)則定義

為更好地量化評(píng)估，首先定義元素健康值H，H∈［0，1］，H值越接近1 表示評(píng)估對(duì)象越健康，越接近0則表示劣化程度越高。為得到多變量耦合作用下的動(dòng)車組系統(tǒng)健康評(píng)估準(zhǔn)則，借鑒其他健康評(píng)估技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合動(dòng)車組實(shí)際，將健康值分為4個(gè)等級(jí)［8］：

（1）健康：H∈（0.9，1］。說(shuō)明元素特征指標(biāo)總體遠(yuǎn)離規(guī)程中的門(mén)限值或劣化值，性能表現(xiàn)好，可靠性和可用性好，能很好地執(zhí)行任務(wù)要求。

（2）良好：H∈（0.8，0.9］。說(shuō)明元素部分特征指標(biāo)開(kāi)始遠(yuǎn)離健康值，性能開(kāi)始退化，總體性能表現(xiàn)達(dá)到一般或較好水平，能較好地執(zhí)行任務(wù)要求。

（3）堪用：H∈（0.6，0.8］。說(shuō)明元素特征指標(biāo)偏離較多，性能退化較明顯，故障率偏高，可執(zhí)行一般或強(qiáng)度較小任務(wù)，必須加強(qiáng)監(jiān)控，安排優(yōu)先或強(qiáng)化維修。

（4）故障：H∈［0，0.6］。說(shuō)明元素總體性能已達(dá)不到合規(guī)要求，安全性和可靠性無(wú)法保證，無(wú)法執(zhí)行運(yùn)用任務(wù)要求，必須立刻進(jìn)入維修。

各評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)段的劃分決定了設(shè)備或系統(tǒng)極限安全使用的評(píng)估準(zhǔn)則?？紤]到動(dòng)車組是一個(gè)大型復(fù)雜集成裝備，根據(jù)其使用工況特點(diǎn)，將故障和堪用等級(jí)的區(qū)間長(zhǎng)度設(shè)置為健康和良好區(qū)間長(zhǎng)度的4 倍，確保系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的可靠性裕量。以上評(píng)價(jià)等級(jí)及區(qū)間限值等為初步定性給出，待累計(jì)的動(dòng)車組評(píng)估數(shù)據(jù)足夠多時(shí)，可根據(jù)不同技術(shù)平臺(tái)、不同車型、不同壽命階段動(dòng)車組的特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整評(píng)價(jià)等級(jí)細(xì)則。

2.2 功能邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系構(gòu)建

為客觀表述動(dòng)車組各層級(jí)元素互相影響依賴的主要拓?fù)潢P(guān)系，便于后續(xù)評(píng)估模型化構(gòu)建和計(jì)算，以國(guó)鐵集團(tuán)發(fā)布的《動(dòng)車組系統(tǒng)功能分類》為基礎(chǔ)，兼顧健康評(píng)估的實(shí)用性需要，采用功能邏輯結(jié)構(gòu)框圖的形式將各評(píng)估元素以一定層次關(guān)系組織成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)?？傮w分為7 個(gè)層級(jí)：參數(shù)級(jí)、組件級(jí)、設(shè)備級(jí)、功能組級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、整車級(jí)。根節(jié)點(diǎn)表示整車系統(tǒng)，葉節(jié)點(diǎn)表示評(píng)估對(duì)象無(wú)需再分支的元素，非葉節(jié)點(diǎn)是由其他子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的元素。葉節(jié)點(diǎn)是某系統(tǒng)中的最小評(píng)估層級(jí)，葉節(jié)點(diǎn)的上一級(jí)定義為最小維修層，即實(shí)施維修作業(yè)的最底層，可根據(jù)評(píng)估對(duì)象特點(diǎn)選擇任一層級(jí)作為最小維修層［9］。動(dòng)車組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)采用串行、并行、串并混合3種典型模型：

（1）串行。若某一層級(jí)元素的下級(jí)構(gòu)成元素間功能互相依賴耦合，當(dāng)1 個(gè)組成元素性能退化或功能缺失，則上級(jí)節(jié)點(diǎn)元素就無(wú)法正常工作。

（2）并行。若某一層級(jí)元素的下級(jí)構(gòu)成元素中有1 個(gè)或部分失效，則上級(jí)節(jié)點(diǎn)元素功能不受影響或部分喪失。

（3）串并行混合。若某一層級(jí)元素的下級(jí)構(gòu)成元素中，既有串行元素又有并行元素，則整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為串并混合結(jié)構(gòu)。

2.3 葉節(jié)點(diǎn)元素健康評(píng)估

葉節(jié)點(diǎn)即最低評(píng)估層元素的健康值是各級(jí)元素健康評(píng)估的基礎(chǔ)，為選擇合適的方法計(jì)算葉節(jié)點(diǎn)健康值，可根據(jù)該元素是否換件更新、定量數(shù)據(jù)是否足量，將葉節(jié)點(diǎn)元素健康評(píng)估分為3種，即更新元素評(píng)估、參數(shù)指標(biāo)評(píng)估、設(shè)備元素評(píng)估。

2.3.1 更新元素評(píng)估

針對(duì)本輪高級(jí)修中要統(tǒng)一換件更新的元素，其健康狀態(tài)全部為初始狀態(tài)，可按部件的歷史故障率、重要程度及安全裕度進(jìn)行簡(jiǎn)單等級(jí)劃分組合后，定性給其健康值賦予0.95～0.98范圍的值。

2.3.2 基于測(cè)試數(shù)據(jù)的參數(shù)指標(biāo)評(píng)估

對(duì)于有足夠測(cè)量數(shù)據(jù)的評(píng)估對(duì)象，若設(shè)備性能退化或發(fā)生異常，必然有某項(xiàng)或多項(xiàng)表征指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值偏離正常值或區(qū)間。因此，將設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中選取的特征參數(shù)測(cè)量值與期望的正常值或最佳值相比較的偏差程度定義為參數(shù)級(jí)指標(biāo)的健康值，其取值范圍為［0，1］，參數(shù)測(cè)量值越接近期望的最佳值或區(qū)間，健康值越接近1，反之則越劣化。依據(jù)不同參數(shù)期望的最佳值不同，參數(shù)級(jí)指標(biāo)健康值計(jì)算分為4類。高級(jí)修修竣動(dòng)車組所有檢測(cè)指標(biāo)一定是在規(guī)程范圍內(nèi)，因此不考慮測(cè)量值超出合規(guī)范圍的情況。

（1）測(cè)量值越大越好的指標(biāo)，其健康值為：

式中：xi為參數(shù)測(cè)量值；xmax為參數(shù)在合規(guī)范圍內(nèi)最大值；xmin為參數(shù)在合規(guī)范圍內(nèi)的最小值。

（2）測(cè)量值越小越好的指標(biāo)，其健康值為：

（3）測(cè)量值為某一中間值最佳時(shí)，其健康值為：

式中：xs為參數(shù)在合規(guī)范圍內(nèi)的最佳中間值。

（4）測(cè)量值在某一區(qū)間內(nèi)（xi∈［x1，x2］）最佳時(shí)，其健康值為：

式中：x1、x2分別為最佳取值區(qū)間的上下限值。

此外，考慮到高級(jí)修規(guī)程中定義的各檢修部件測(cè)量值的門(mén)限值區(qū)別于性能劣化至故障時(shí)的閾值，動(dòng)車組在高級(jí)修階段內(nèi)做的所有功能測(cè)試和檢修測(cè)量值都必須達(dá)到規(guī)程要求的限度范圍內(nèi)，所有參數(shù)型特征指標(biāo)只要測(cè)量值滿足規(guī)程要求即合格。因此，高級(jí)修修竣后的動(dòng)車組各類參數(shù)指標(biāo)健康值至少達(dá)到堪用等級(jí)。此特征是區(qū)別于設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行工況下健康狀態(tài)評(píng)估的重要一點(diǎn)。

因此，可根據(jù)不同車型、壽命階段的動(dòng)車組在高級(jí)修修竣后質(zhì)保期內(nèi)的健康狀態(tài)情況，在堪用等級(jí)區(qū)間內(nèi)選取Hb∈［0.6，0.8］作為基值，用于參數(shù)指標(biāo)健康值計(jì)算修正，使得參數(shù)指標(biāo)的健康值范圍映射在［Hb，1］的區(qū)間。以CRH380B 型動(dòng)車組為例，取基值為0.65，換算公式為：

2.3.3 基于故障數(shù)據(jù)的設(shè)備元素評(píng)估

對(duì)于缺乏測(cè)量數(shù)據(jù)、本輪修程中不檢修或僅做簡(jiǎn)單狀態(tài)檢查但同時(shí)又是動(dòng)車組狀態(tài)評(píng)估中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備元素，可采取基于故障數(shù)據(jù)的評(píng)估方法。

（1）健康值退化模型。通常大型復(fù)雜裝備的失效分布符合指數(shù)分布規(guī)律，因此假設(shè)動(dòng)車組集成度高的設(shè)備的健康值退化符合指數(shù)分布變化規(guī)律。引入目前廣泛應(yīng)用于歐美地區(qū)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的老化健康值經(jīng)驗(yàn)公式［10］。該公式由英國(guó)EA 公式根據(jù)設(shè)備老化遠(yuǎn)離描述出設(shè)備健康值隨運(yùn)行時(shí)間呈指數(shù)退化的規(guī)律，在變壓器、變流器等電力設(shè)備中應(yīng)用很多。改進(jìn)的健康值老化公式為：

式中：HVt為設(shè)備在t時(shí)刻的健康值；t為設(shè)備評(píng)估時(shí)的對(duì)應(yīng)時(shí)間；HV0為設(shè)備在t0時(shí)刻的健康值；t0為設(shè)備初始投入運(yùn)行時(shí)間；B為老化系數(shù)；HVs為設(shè)備退役時(shí)健康值，可取多列動(dòng)車組同類設(shè)備退役時(shí)健康均值或根據(jù)健康等級(jí)合理取值；Td為預(yù)期壽命；TD為設(shè)備設(shè)計(jì)壽命；f1為安全系數(shù)（f1＞1），取值為1.1～1.3，依據(jù)設(shè)備重要度和同類設(shè)備歷史狀態(tài)統(tǒng)計(jì)得出；f2為負(fù)荷系數(shù)（f2＞1），取值為1.05～1.50，根據(jù)設(shè)備日常使用強(qiáng)度及環(huán)境工況綜合給出，如根據(jù)動(dòng)車組日均走行公里與同車型平均值、規(guī)程允許最大值等數(shù)據(jù)綜合計(jì)算得出。

（2）計(jì)算元素故障概率。計(jì)算元素故障概率時(shí)，參與計(jì)算的動(dòng)車組為某單位實(shí)際運(yùn)用的該型全部動(dòng)車組。考慮不同故障模式在健康評(píng)估值中均有體現(xiàn)，因此計(jì)算元素故障率時(shí)肯定要考慮不同故障模式的嚴(yán)酷度影響，可依據(jù)嚴(yán)酷度等級(jí)進(jìn)行量化修正換算后再參與計(jì)算。某元素i在最近2 次高級(jí)修間隔內(nèi)的故障發(fā)生概率Pi計(jì)算如下：

式中：λi為元素i的百萬(wàn)公里故障率；Li為元素i所在動(dòng)車組的最近2 次高級(jí)修間隔走行里程；mj為元素i的故障模式j(luò)發(fā)生數(shù)量；Ej為元素i的故障模式j(luò)的換算系數(shù)，依據(jù)嚴(yán)酷度等級(jí)計(jì)算而得；Mi為標(biāo)準(zhǔn)組中元素i的總數(shù)量；∑L為該型動(dòng)車組參與統(tǒng)計(jì)的所有動(dòng)車組累計(jì)走行里程。

（3）基于健康值的故障概率函數(shù)。元素故障概率越高，其健康值理應(yīng)越低，反之則越高。為合理刻畫(huà)這種內(nèi)在聯(lián)系，假定設(shè)備故障概率與健康值之間符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律［11］，描述如下：

式中：Pi為元素i的故障概率；K為比例系數(shù)；C為曲率系數(shù)；H為元素健康值。

故障發(fā)生概率與健康值關(guān)系函數(shù)示意見(jiàn)圖1。為利用式（11）計(jì)算評(píng)估元素的健康值，需確定函數(shù)中K和C值。通過(guò)計(jì)算抽樣樣本（某單位配屬動(dòng)車組）中某評(píng)估元素一段時(shí)期內(nèi)的故障發(fā)生概率Pit和依據(jù)老化公式計(jì)算所得的健康值均值HVit，以及樣本動(dòng)車組中該元素初始投入運(yùn)用前3 個(gè)月的故障發(fā)生概率Pi3和老化公式計(jì)算所得的健康值HV3，即可計(jì)算得出該元素健康值函數(shù)中的K和C值。最后，將評(píng)估時(shí)刻該動(dòng)車組某元素的最近2 次高級(jí)修間隔內(nèi)的故障概率值Pi代入式（11）即可計(jì)算得到相應(yīng)的健康值。

圖1 故障發(fā)生概率與健康值關(guān)系函數(shù)示意圖

2.4 元素權(quán)重計(jì)算

在動(dòng)車組健康評(píng)估中，各層級(jí)元素的權(quán)重計(jì)算十分重要。權(quán)重計(jì)算的方法較多，根據(jù)動(dòng)車組高級(jí)修修竣狀態(tài)評(píng)估的特征指標(biāo)健康值總體偏好、元素?cái)?shù)量多、指標(biāo)樣本量大等特點(diǎn)，采用主客觀相結(jié)合的靜態(tài)權(quán)重計(jì)算方法，即熵權(quán)法（EWM） 和模糊層次分析法（FAHP）。該2種權(quán)重計(jì)算方法是廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)工具，簡(jiǎn)述其在動(dòng)車組狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用。

對(duì)于測(cè)量參數(shù)指標(biāo)多或元素?cái)?shù)量多的對(duì)象，計(jì)算其權(quán)重時(shí)可優(yōu)先使用EWM，若技術(shù)人員對(duì)評(píng)估對(duì)象同層級(jí)元素的功能和作用有深刻了解和認(rèn)知，可運(yùn)用FAHP 計(jì)算得到第二組權(quán)重，最后運(yùn)用矩估計(jì)理論進(jìn)行權(quán)重組合［12］，計(jì)算如下：

式中：ωp、ωq分別為2 種權(quán)重法計(jì)算所得權(quán)重系數(shù)；aj、bj分別為指標(biāo)權(quán)重ωp、ωq的相對(duì)重要程度，aj=ωpj/(ωpj+ωqj)、bj=ωqj/(ωpj+ωqj)。

2.5 評(píng)估模型和算法

計(jì)算各元素健康值時(shí)，首先計(jì)算葉節(jié)點(diǎn)元素健康值，再依據(jù)3種邏輯結(jié)構(gòu)模型擬合逐層逐級(jí)計(jì)算上級(jí)元素健康值，依次類推得出動(dòng)車組整車健康值。

（1）并行結(jié)構(gòu)健康值計(jì)算。假設(shè)3個(gè)元素（A、B、C）構(gòu)成并行功能邏輯結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），則采用加權(quán)求和的方式計(jì)算其上級(jí)元素健康值：

圖2 3個(gè)元素并行功能邏輯結(jié)構(gòu)示例

式中：HA、HB、HC分別為3個(gè)元素對(duì)象的健康值；ωA、ωB、ωC分別為3個(gè)元素的權(quán)重系數(shù)。

（2）串行結(jié)構(gòu)健康值計(jì)算。假設(shè)3個(gè)元素（A、B、C）構(gòu)成串行功能邏輯結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），在計(jì)算串行結(jié)構(gòu)模型的健康指數(shù)時(shí)，借鑒可靠性計(jì)算的指數(shù)加權(quán)乘積形式，其上級(jí)元素健康值計(jì)算方式如下：

圖3 3個(gè)元素串行功能邏輯結(jié)構(gòu)示例

（3）串并行混合結(jié)構(gòu)健康值計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備或系統(tǒng)的功能邏輯層次結(jié)構(gòu)并不總是單純的并行或串行結(jié)構(gòu)，往往是某些層級(jí)元素間既有串行又有并行關(guān)系，甚至還有串并行混合結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)［13］所提方法計(jì)算串并行混合結(jié)構(gòu)健康值。

以CRH380B 型動(dòng)車組1 車牽引子系統(tǒng)為例，其下屬元素為牽引變流器及其冷卻功能組和牽引電機(jī)及其冷卻功能組，從功能邏輯上分析，牽引變流器及其冷卻功能組（MMU A）屬串行元素，牽引電機(jī)及其冷卻功能組（MMU B）屬并行元素。為進(jìn)一步推導(dǎo)上級(jí)元素健康值，需引入一個(gè)帶權(quán)重的無(wú)故障支路（MMU X），即可合理實(shí)現(xiàn)對(duì)串并行混合結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)，1 串行1 并行的混合結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 1串行1并行混合結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)并行、串行結(jié)構(gòu)健康值的計(jì)算方法，考慮1 串行1并行混合結(jié)構(gòu)在總體上仍屬于串行結(jié)構(gòu)，由此可推導(dǎo)出混合結(jié)構(gòu)的健康值計(jì)算方式如下：

為進(jìn)一步得到通用計(jì)算方法，設(shè)某元素下屬層級(jí)中包含m+n個(gè)元素，其中前m個(gè)元素符合并行結(jié)構(gòu)，后n個(gè)元素符合串行結(jié)構(gòu)，則可推導(dǎo)得到串并混合結(jié)構(gòu)健康值計(jì)算的通用公式如下：

3 健康狀態(tài)評(píng)估實(shí)例

3.1 評(píng)估元素選取

基于以上動(dòng)車組高級(jí)修健康狀態(tài)評(píng)估方法，以CRH380B 型動(dòng)車組為例進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，運(yùn)用所提評(píng)估對(duì)象選取方法，共選取10 個(gè)系統(tǒng)、45 個(gè)子系統(tǒng)/功能組、180 多個(gè)設(shè)備、300 余項(xiàng)參數(shù)級(jí)特征指標(biāo)作為狀態(tài)評(píng)估的組成元素。

限于篇幅，僅以CRH380B 型動(dòng)車組的牽引電機(jī)及其冷卻功能組三級(jí)修修竣狀態(tài)評(píng)估為例，簡(jiǎn)述主要步驟和結(jié)果。該功能組下屬2類設(shè)備：冷卻風(fēng)機(jī)和牽引電機(jī)組成。冷卻風(fēng)機(jī)由于缺乏足量測(cè)量數(shù)據(jù)，其最低評(píng)估層即為其自身。牽引電機(jī)組成按實(shí)際最小維修單元分解為電機(jī)定子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、電力電纜、軸承和溫度檢測(cè)5 個(gè)組件。軸承為更新件，無(wú)參數(shù)級(jí)指標(biāo)；其他4 類組件的參數(shù)級(jí)指標(biāo)共12 個(gè)，為線纜單相屏蔽最大值、線纜相間屏蔽最大值、定子清洗后介質(zhì)損耗、UV間繞組阻值、VW 間繞組阻值、WU 間繞組阻值、繞組阻值不平衡度最大值、傳動(dòng)端不平衡量、非傳動(dòng)端不平衡量、傳動(dòng)端軸溫度傳感器阻值、非傳動(dòng)端軸溫度傳感器阻值、定子溫度傳感器阻值。

3.2 功能邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系構(gòu)建

對(duì)動(dòng)車組評(píng)估元素各層級(jí)間的功能邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，按照3種功能邏輯結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)建（見(jiàn)圖5）。

圖5 CRH380型動(dòng)車組牽引電機(jī)及其冷卻功能組功能邏輯結(jié)構(gòu)

3.3 葉節(jié)點(diǎn)元素健康值計(jì)算

3.3.1 參數(shù)指標(biāo)健康值

CRH380B 型動(dòng)車組共有16 個(gè)電機(jī)，全車共192 個(gè)參數(shù)指標(biāo)，數(shù)據(jù)量過(guò)大，僅以1 車4 個(gè)電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)健康值為例（見(jiàn)表1）。

表1 所選CRH380B型動(dòng)車組1車牽引電機(jī)參數(shù)指標(biāo)健康值

3.3.2 組件級(jí)葉節(jié)點(diǎn)健康值

由于電機(jī)軸承為換件更換元素，根據(jù)其在CRH380B 型動(dòng)車組上的歷史使用情況，給其新件健康狀態(tài)初始值定為0.970。

3.3.3 設(shè)備級(jí)葉節(jié)點(diǎn)健康值

由于牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)在三級(jí)修中僅為一般性狀態(tài)檢查，無(wú)其他深入檢修和足量測(cè)量參數(shù)。因此該設(shè)備在三級(jí)修狀態(tài)評(píng)估中采用基于故障數(shù)據(jù)的健康評(píng)估方法，運(yùn)用老化健康值模型和健康值函數(shù)計(jì)算得出該車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)健康值為0.913。

3.4 元素權(quán)重計(jì)算

3.4.1 參數(shù)級(jí)元素權(quán)重

牽引電機(jī)參數(shù)指標(biāo)和部件量都足夠多，計(jì)算元素權(quán)重時(shí)可用EWM方法［12］，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 電機(jī)各參數(shù)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

3.4.2 組件級(jí)元素權(quán)重

采用FAHP方法計(jì)算組件級(jí)各元素的權(quán)重［13］。

（1）建立重要程度對(duì)比關(guān)系的模糊互補(bǔ)矩陣。對(duì)同一電機(jī)組件級(jí)的各元素進(jìn)行兩兩重要程度比較，建立模糊互補(bǔ)矩陣R1：

（2）轉(zhuǎn)換并驗(yàn)證模糊互補(bǔ)矩陣的一致性，方法如下：

式中：rij為元素i相對(duì)于元素j的重要度量化值，取值范圍0.1～0.9。

（3）根據(jù)模糊互補(bǔ)矩陣求取權(quán)重向量，方法如下：

式中：α為權(quán)重轉(zhuǎn)換系數(shù)，α≥(n- 1)/2；n為元素?cái)?shù)量。本次計(jì)算取α最小值，計(jì)算得到權(quán)重向量Ω1=[0.25，0.25，0.2，0.2，0.1]。

3.4.3 設(shè)備級(jí)元素權(quán)重

牽引電機(jī)及其冷卻功能組層級(jí)中每個(gè)元素由6個(gè)下屬元素構(gòu)成，按照FAHP方法對(duì)元素進(jìn)行兩兩比較，得到模糊一致矩陣R2：

同理，進(jìn)一步計(jì)算得到6 個(gè)元素的權(quán)重向量為：Ω2=[0.193，0.193，0.113，0.193，0.193，0.113]。

3.5 非葉節(jié)點(diǎn)元素健康值計(jì)算

3.5.1 組件級(jí)元素健康值

按照健康值計(jì)算方法和功能邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系（見(jiàn)圖5），可逐級(jí)自下而上計(jì)算各元素健康值，4個(gè)非葉節(jié)點(diǎn)組件健康值見(jiàn)表4。

表4 組件級(jí)元素健康值

3.5.2 設(shè)備級(jí)元素健康值

同理，可計(jì)算出全列16 個(gè)電機(jī)健康值，特別注意的是計(jì)算時(shí)要將葉節(jié)點(diǎn)的軸承健康值納入，以1 車1 軸電機(jī)為例，計(jì)算公式為：

計(jì)算可得全列牽引電機(jī)健康值見(jiàn)表5。

表5 全列牽引電機(jī)健康值

3.5.3 功能組級(jí)元素健康值

每個(gè)功能組級(jí)的6個(gè)元素為串行結(jié)構(gòu)，將冷卻風(fēng)機(jī)健康值納入，計(jì)算得到4個(gè)車的牽引電機(jī)及其冷卻功能組健康值為：1 車0.867 5、3 車0.908 3、6 車0.912 1、8 車0.899 0。

同理，由功能組級(jí)逐級(jí)向上，可得到子系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)元素健康值。

3.6 健康評(píng)估結(jié)論

實(shí)例計(jì)算的該動(dòng)車組牽引電機(jī)及其冷卻功能組設(shè)備已累計(jì)使用里程達(dá)320多萬(wàn)km，4個(gè)動(dòng)車的牽引電機(jī)及其冷卻功能組健康等級(jí)中，有2個(gè)處于健康級(jí)下限，2個(gè)處于良好級(jí)上限，結(jié)合本輪高級(jí)修前使用情況說(shuō)明該車裝配的牽引電機(jī)及其冷卻功能組的整體健康狀態(tài)正處于降級(jí)發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)各元素健康值進(jìn)行相關(guān)性分析等統(tǒng)計(jì)，得出其他低層級(jí)元素健康值有以下4點(diǎn)規(guī)律：

（1）頭尾車的牽引電機(jī)健康狀態(tài)普遍較中間車偏低，經(jīng)分析主要由頭尾車電機(jī)定子、電機(jī)轉(zhuǎn)子和溫度檢測(cè)組件的健康值相對(duì)偏低導(dǎo)致，反映在參數(shù)層則是由電機(jī)定子3個(gè)相間繞組阻值的健康值偏低引起。該點(diǎn)結(jié)論與歷史故障分布規(guī)律具有高度一致性。

（2）進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，狀態(tài)突出的幾個(gè)電機(jī)的定子相間繞組阻值偏差較大，但阻值不平衡度的健康值很好，需結(jié)合電機(jī)機(jī)理特性對(duì)其進(jìn)行深入研究。在日常運(yùn)用中，需加強(qiáng)對(duì)頭尾車牽引電機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)。

（3）電機(jī)溫度檢測(cè)組件的健康值普遍較低，反映其總體性能退化較多，回溯該動(dòng)車組距上次高級(jí)修以來(lái)的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)溫度傳感器類部件故障率總體偏高，與評(píng)估結(jié)論高度一致。

（4）頭尾車電機(jī)轉(zhuǎn)子健康值較其他車偏低，特別是4軸電機(jī)，分析發(fā)現(xiàn)是該位置轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端不平衡量健康值較其他偏低。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的工作機(jī)理，不平衡量偏大時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承激振力和離心慣性力偏大，進(jìn)而加速軸承性能劣化和磨損。從數(shù)據(jù)層面看，此點(diǎn)結(jié)論與日常監(jiān)控到的電機(jī)軸承溫度發(fā)展趨勢(shì)和故障規(guī)律具有一致相關(guān)性，可由此針對(duì)該處部件性能退化機(jī)理原因展開(kāi)進(jìn)一步研究。

通過(guò)以上健康評(píng)估分析，應(yīng)從高級(jí)修生產(chǎn)工藝和運(yùn)維的問(wèn)題和需求出發(fā)，對(duì)健康狀態(tài)退化較多和集中的部件與動(dòng)車組，高級(jí)修作業(yè)時(shí)需強(qiáng)化部分檢修項(xiàng)點(diǎn)、優(yōu)化周轉(zhuǎn)件裝配關(guān)系，以提升整體指標(biāo)健康度，確保設(shè)備整體性能均衡和配合最優(yōu)化，日常運(yùn)用中還應(yīng)對(duì)劣化明顯部件加強(qiáng)監(jiān)控并優(yōu)先安排檢修。

4 結(jié)束語(yǔ)

以現(xiàn)場(chǎng)適用性和合規(guī)性為導(dǎo)向，建立動(dòng)車組高級(jí)修修竣后健康狀態(tài)評(píng)估的方法體系。給出一種動(dòng)車組健康狀態(tài)評(píng)估的功能邏輯結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)動(dòng)車組高級(jí)修時(shí)不同部件檢修范圍和深度的差異性，提出不同種類部件健康評(píng)估的方法，特別是針對(duì)缺乏足量測(cè)量數(shù)據(jù)或不檢修部件的評(píng)估方法具備很好的適應(yīng)性。最后通過(guò)實(shí)例對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法的評(píng)估結(jié)果更符合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估結(jié)果與歷史狀態(tài)、運(yùn)用工況和主觀認(rèn)知具有高度一致性，具有一定的優(yōu)勢(shì)和有效性，對(duì)開(kāi)展高級(jí)修動(dòng)車組健康狀態(tài)評(píng)估及全生命周期健康評(píng)估工作具有一定參考意義。