王洪德 ，于子杰

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028；2.遼寧省隧道工程與災(zāi)害防控專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116028)

高鐵接觸網(wǎng)是沿高鐵線路上空架設(shè)的，能夠通過(guò)機(jī)車頂部受流裝置(受電弓)向機(jī)車供電的特殊輸電線路，是銜接牽引變電所與電力機(jī)車的核心電力輸送紐帶；高鐵接觸網(wǎng)裝置系統(tǒng)則是構(gòu)成高鐵接觸網(wǎng)，并保障接觸網(wǎng)整體供饋電穩(wěn)暢的設(shè)施、裝置集合.當(dāng)接觸網(wǎng)裝置系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)與受電弓結(jié)合部位的動(dòng)靜態(tài)參數(shù)異常并產(chǎn)生行車安全隱患.因此，為保障高鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體安全性和鐵路運(yùn)輸計(jì)劃的平穩(wěn)推進(jìn)，對(duì)接觸網(wǎng)裝置系統(tǒng)的可靠性分析顯得尤為必要.

針對(duì)接觸網(wǎng)裝置系統(tǒng)這種相關(guān)性和環(huán)境適應(yīng)性要求高的結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)，采用故障樹分析(FTA)，以邏輯框圖來(lái)描述系統(tǒng)各部件間的相互作用關(guān)系，基于定性和定量分析，預(yù)先發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障癥狀，是實(shí)用且有效的可靠性分析手段.傳統(tǒng)的FTA應(yīng)用需滿足如下條件：①系統(tǒng)整體歷史故障數(shù)據(jù)必須精確統(tǒng)計(jì)，以期得到各級(jí)事件的準(zhǔn)確故障概率；②頂上事件的誘發(fā)故障機(jī)理及系統(tǒng)內(nèi)各級(jí)事件間的邏輯關(guān)系必須明確，方便構(gòu)造各事件間的具體邏輯門；③構(gòu)成基本事件的故障程度須可描述.這些限制條件使得傳統(tǒng)的FTA應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)存在著客觀局限.

Lavasani等[1]、Senol等[2]針對(duì)石化流程工業(yè)，應(yīng)用模糊故障樹(FFT)，給出了化學(xué)品生產(chǎn)裝置故障和運(yùn)輸貨物污染發(fā)生概率，避免了因元件概率值不足導(dǎo)致的FTA分析局限；Bi等[3]針對(duì)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、映射多、不確定性大等局限的泵站系統(tǒng)，運(yùn)用T-S模糊故障樹(T-S Fuzzy Fault Tree，T-S FFT)取代了傳統(tǒng)FTA需明確系統(tǒng)故障機(jī)理、事件間邏輯關(guān)系和只能描述二態(tài)系統(tǒng)的不足；李興運(yùn)等[4]運(yùn)用T-S FFT結(jié)合受電弓故障實(shí)例，通過(guò)元件故障概率和關(guān)鍵重要程度分析，找出影響系統(tǒng)整體可靠性的薄弱環(huán)節(jié)；王浩鳴等[5-13]運(yùn)用T-S FFT對(duì)各種復(fù)雜生產(chǎn)加工裝置系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析,以期提高故障樹處理模糊信息的能力.

T-S FFT模型分析，基于IF-THEN模糊規(guī)則生成T-S模糊門，用T-S模糊模型描述事件間的聯(lián)系，解決了復(fù)雜系統(tǒng)中事件間聯(lián)系的不確定性問(wèn)題；利用模糊數(shù)描述事件故障程度與模糊可能性，解決了須要明確描述事件程度與精確統(tǒng)計(jì)故障數(shù)據(jù)的局限.本文擬運(yùn)用T-S FFT對(duì)接觸網(wǎng)裝置系統(tǒng)中的定位、支持裝置進(jìn)行可靠性分析，建立關(guān)于定位、支持裝置的T-S FFT模型，計(jì)算裝置內(nèi)各元件的T-S關(guān)鍵重要程度，并結(jié)合實(shí)際工況驗(yàn)證T-S FFT的有效性.

1 定位、支持裝置T-S FFT構(gòu)建

1.1 接觸網(wǎng)定位、支持裝置界定

依據(jù)《高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》[14]，接觸網(wǎng)裝置系統(tǒng)涵蓋了以接觸網(wǎng)懸掛、定位裝置、支持裝置和支柱基礎(chǔ)為主體的軌道線內(nèi)工作部分及軌道線外電氣輔助設(shè)施.

定位裝置主要由定位器、定位管、定位支撐等元件組成，用于穩(wěn)固接觸線的空間定位，并保障受電弓緊貼接觸線滑行時(shí)的受電狀態(tài)穩(wěn)定；支持裝置主要由平腕臂、斜腕臂、腕臂支撐等元件組成，用于承擔(dān)接觸網(wǎng)懸掛重量與平衡弓網(wǎng)摩擦產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)擠壓力.接觸網(wǎng)內(nèi)主體工作裝置和定位、支持裝置結(jié)構(gòu)，見圖1和圖2.

圖1 接觸網(wǎng)內(nèi)主體工作裝置示意圖

圖2 定位、支持裝置結(jié)構(gòu)圖(正定位)

1.2 定位、支持裝置故障關(guān)聯(lián)分析

本文依托獲取的西安局管內(nèi)西成高鐵2021年度接觸網(wǎng)1C、4C缺陷故障數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出該線路中“弓網(wǎng)接觸壓力異常”為高頻缺陷故障事件.其中，壓力異常主要是由定位裝置與支持裝置二者受力狀況不穩(wěn)定所引起.

因此，將“弓網(wǎng)接觸壓力異?！弊鳛轫斏鲜录；將定位、支持裝置受力狀況的“可能故障表現(xiàn)組合Yj”和所包含的“裝置元件Xi”定義為過(guò)渡分析層；將各元件所包含的“缺陷故障表現(xiàn)yik”和“結(jié)構(gòu)零件xij”定義為底部成因?qū)?構(gòu)造出定位、支持裝置T-S FFT關(guān)聯(lián)模型，見圖3.

圖3 定位、支持裝置T-S FFT關(guān)聯(lián)模型

其中:

(1)Yj的事件含義為：Y1為接觸線受力異常；Y2為承力索受力異常；Y3為定位管、定位撐受力異常；Y4為斜腕臂、腕臂支撐受力異常;

(2)yik的事件含義：裝置元件i的第k類缺陷故障表現(xiàn);

(3)xij的事件含義：裝置元件i的第k類缺陷故障表現(xiàn)，其所對(duì)應(yīng)的第j種零件.

為滿足論證T-S FFT模型用于分析頂上事件T的可適用性.基于T-S FFT關(guān)聯(lián)模型，將零件與元件的故障關(guān)聯(lián)統(tǒng)一，構(gòu)造出能夠反映各事件之間不確定性邏輯關(guān)系的定位、支持裝置T-S FFT過(guò)渡分析模型，見圖4.圖中：T為弓網(wǎng)接觸壓力異常；Y1為接觸線受力異常；Y2為承力索受力異常；Y3為定位管、定位支撐受力異常；Y4為斜腕臂、腕臂支撐受力異常；X1為定位器故障；X2為定位管故障；X3為斜腕臂故障；X4為水平腕臂故障；X5為定位支撐故障；X6為腕臂支撐故障.

圖4 定位、支持裝置T-S FFT過(guò)渡分析模型

2 定位、支持裝置T-S FFT分析方法

2.1 模糊數(shù)描述與隸屬度函數(shù)

(1)事件故障程度的模糊數(shù)描述

由于定位、支持裝置在工作周期內(nèi)處于半封閉環(huán)境，其故障程度無(wú)法準(zhǔn)確判斷且具有相對(duì)不確定性.因此，將T-S FFT模型中事件的故障程度定義在模糊數(shù)集合[0,1]上，用于描述任意故障程度以及相對(duì)應(yīng)的不同故障狀態(tài).為不失一般性，選用三態(tài)模糊數(shù)0、0.5、1分別定義元件的無(wú)故障、可能故障和故障三種故障程度.

(2)隸屬度函數(shù)

為方便反映元件的合格公差帶，引入梯形分布隸屬函數(shù)(圖5)，并用模糊數(shù)描述.其中，μ0作為隸屬函數(shù)的支撐中心，當(dāng)支撐半徑Sl=Sr=0時(shí)，梯形分布隸屬函數(shù)變?yōu)槿呛瘮?shù)；當(dāng)模糊域ml=mr=0時(shí)，模糊數(shù)μ(x)為定值.

圖5 隸屬函數(shù)

2.2 T-S FFT模型的模糊門規(guī)則

(1)故障程度描述

(2)IF-THEN模糊規(guī)則下的事件輸出

假設(shè)，規(guī)則l(l=1,2,…,Q).給定，X=(X1，…，Xi，…，Xn)在規(guī)則l下的模糊集為Ali(i=1,2,…,n)(μAli：X→[0,1])；Y=(Y1，…，Yj，…，Ym)在規(guī)則l下的模糊集為Bl.Ali在規(guī)則l下執(zhí)行的隸屬度函數(shù)為μAli(xi).則有，T-S FFT在IF-THEN模糊規(guī)則下的輸出描述，定義為[4]：

(1)

(3)T-S模糊門規(guī)則下的事件輸出

圖6 任意故障程度下的事件輸出

Q=Zn

(2)

(4)T-S模糊門規(guī)則下的模糊可能性

(3)

(4)

2.3 T-S重要程度分析

(1)T-S概率重要程度

(5)

(2)T-S關(guān)鍵重要程度

由于元件的故障概率不同，單位變動(dòng)存在差異.引入關(guān)鍵重要程度來(lái)反映Xi故障概率的變化率，導(dǎo)致頂上事件T發(fā)生.定義為[6,8]：

(6)

(7)

3 定位支持裝置的可靠性分析

3.1 利用模糊數(shù)評(píng)價(jià)的模糊門規(guī)則l

依據(jù)高鐵接觸網(wǎng)檢修專家經(jīng)驗(yàn)與接觸網(wǎng)實(shí)際工況，針對(duì)T-S FFT模型的三態(tài)模糊數(shù)0、0.5、1給出如下定義，詳見表1、表2.

表1 Xi三態(tài)模糊數(shù)工況含義

表2 Yj三態(tài)模糊數(shù)工況含義

當(dāng)存在故障程度為其他模糊數(shù)時(shí)，依據(jù)隸屬函數(shù)分布，選取隸屬函數(shù)參數(shù)為支撐半徑，sl=sr=0.2；模糊域ml=mr=0.3，結(jié)合4C檢測(cè)數(shù)據(jù)確定定位支持裝置中各元件的故障程度.以T的T-S模糊門規(guī)則為例，見表3.

表 3 T-S模糊門1

3.2 模糊可能性

利用該線路年度4C缺陷故障數(shù)據(jù)計(jì)算得到定位支持裝置各元件故障率，見表4.

表4 定位支持裝置元件Xi故障率

表5 上級(jí)事件Yj和頂上事件T的模糊可能性

結(jié)果分析可知:①定位、支持裝置中，T發(fā)生的模糊可能性與裝置各元件的模糊可能性為同一量級(jí)；②當(dāng)T處于1時(shí)，模糊可能性高于任意元件處于該故障程度的模糊可能性.因此，T-S FFT替代傳統(tǒng)FTA方法能顯著提高了高速鐵接觸網(wǎng)定位支持裝置的可靠性分析精度.

3.3 T-S模糊故障樹重要程度計(jì)算

(1)根據(jù)式(5)可求出T-S FFT過(guò)渡分析模型中，Xi概率重要程度，見表6.

結(jié)果分析可知：當(dāng)Xi處于0.5時(shí)，X3和X4對(duì)T處于0.5時(shí)的臨界程度概率影響較高；X1和X3對(duì)T處于1時(shí)的臨界程度概率影響高于其他元件.

表6 不同故障程度下Xi的T-S概率重要程度

表7 不同故障程度下Xi的高T-S關(guān)鍵重要程度

結(jié)果分析可知:當(dāng)Xi處于0.5時(shí)，X3和X4對(duì)影響T處于1時(shí)的可能性較大；當(dāng)Xi處于1時(shí)，X2和X4對(duì)影響T處于1時(shí)的可能性較大.

(3)根據(jù)式(7)可求得Xi的關(guān)鍵重要程度，見表8.

結(jié)果分析可知，X2、X3和X4是高T-S模糊關(guān)鍵重要程度元件，對(duì)T發(fā)生的影響遠(yuǎn)高于其他元件.

表8 Xi的T-S模糊關(guān)鍵重要程度

綜合以上重要程度分析:① 在T-S FFT過(guò)渡分析模型中當(dāng)Xi處于0.5時(shí)，X3和X4的T-S重要程度均為高值；② 當(dāng)T處于1時(shí)，X2和X4的T-S關(guān)鍵重要程度數(shù)值較高，說(shuō)明定位管、平腕臂故障對(duì)T發(fā)生的可能性影響較高.

4 結(jié)論

(1)本文結(jié)合高鐵接觸網(wǎng)問(wèn)題庫(kù)檢測(cè)數(shù)據(jù)與專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)裝置整體歷史故障數(shù)據(jù)無(wú)法精確統(tǒng)計(jì)的情況下，通過(guò)模糊數(shù)定義各級(jí)事件不同故障程度，結(jié)合T-S模糊門規(guī)則進(jìn)行可靠性分析，克服了傳統(tǒng)故障樹模型分析需要詳翔實(shí)歷史數(shù)據(jù)的需要，解決了實(shí)際工況下裝置內(nèi)零部件故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不詳?shù)木窒?

(2)利用T-S FFT進(jìn)行重要程度分析，可對(duì)定位支持裝置內(nèi)各部件可靠性的關(guān)鍵程度進(jìn)行量化，方便高鐵接觸網(wǎng)運(yùn)維人員直觀掌握裝置內(nèi)的低可靠度薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備定向監(jiān)測(cè)、定點(diǎn)維修提供數(shù)據(jù)支持.