動車組主斷路器狀態評估系統設計與實現*

候紅學, 陳金強, 李 英, 宋彥君

(1 中車唐山機車車輛有限公司 技術研究中心， 河北唐山 063035；2 西南交通大學電氣學院， 成都 611756)

我國高速鐵路近年來發展迅速，動車組可靠性的要求也越來越高。動車組車頂主斷路器負責開關動車組運行時的牽引電流，當故障發生時快速切斷短路電流，其工作狀態對動車組安全運行來說至關重要。

鐵路維修機制依次經歷了事后維修，和預防修體制，目前正逐步推進到狀態維修體制[1]。進行動車主斷路器狀態維修工作基礎是先實現主斷路器的狀態評估[2-3]。

文中以動車組車頂主斷路器為試驗評估對象，研究以預防性試驗數據為主的狀態評估指標體系，以及基于理想解(TOPSIS)的綜合評估方法，在此基礎之上設計并實現了一個動車組主斷路器狀態評估系統。

1 評估系統總體設計

動車組主斷路器狀態評估系統是一種動態狀態評估系統，運行于檢修車間。系統根據不同設備試驗數據信息進行定時更新，結合歷史和出廠數據以及相關規程進行狀態評估。系統功能由系統參數配置，試驗測量控制，狀態數據分析，故障趨勢預測等模塊組成，如圖1所示。

圖1 評估系統結構

2 動車組主斷路器狀態評估方法

2.1 理想解評價原理

根據評價對象集合D和指標集合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的評價結論，通過計算各數據與理想點之間的歐式距離，依據獲得的貼進度進行評價[4]。

2.2 評估指標體系

采用了中車唐山公司《動車組主斷路器采購技術規范》中對例行試驗的要求項目，包括：電阻測量、機械操作、氣密性、介電強度。另外結合具體動車組的真實運行里程和運行時間共同組成評價指標。評價體系中各個評價指標代表的狀態和可靠度各有差別，文中采用了熵權方法進行權重確定。

2.3 動車組主斷路器狀態評價等級確定

根據相關狀態檢修標準將動車組主斷路器狀態等級評定結果分為：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)。各單項試驗參數的評價取值按照主斷路器的初值，注意值，異常值來進行等級劃分。實際操作中取主斷路器出廠試驗數據作為初值，采購技術規范要求的標準值作為異常值，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個等級作為劃分標準。

表1 主斷路器狀態等級界限

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。根據其出廠報告數據，基于等級劃分方法得到標準等級劃分表1。

2.4 TOPSIS評價步驟

(1)形成無量綱決策矩陣

如果各指標量綱不統一，則評價過程難以進行，所以首先對待評價矩陣進行無量綱化處理[6]。對新組成的增廣矩陣數據以特定的3個狀態等級界限值作為理想等級進行處理。定義評價問題的多指標矩陣是A=(aij)m×n，進而設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的評價指標：

(1)

(2)構建加權評價矩陣C=(cij)m×n

無量綱待評矩陣和權重系數數據相乘得到加權矩陣

cij=wj·bij，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

(2)

(3)計算正負理想解；

(3)

(4)

(6)利用式(4)計算出當前主斷路器狀態與相應等級狀態的貼近度。根據各試驗數據與理想解數據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數據的量化綜合狀態。

3 系統實現方案

3.1 評估流程設計

進行動車組主斷路器狀態評估可以掌握主斷路器當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主斷路器狀態制定相應的狀態檢修方案。動車組主斷路器狀態評估流程見圖2。

圖2 評估流程圖

3.2 評估算法實現

理想解評估算法具體的實現思路是，首先計算待評價數據組與評估目標等級正負理想解間的加權歐式距離，然后計算待評價數據集與正理想解的貼近程度數據，最后以貼進度數值作為評價結果。

文中采用MATLAB來編程實現理想解的評估算法。具體流程如圖3。

圖3 評估計算流程圖

人機交互界面利用Delphi開發，適時地調用Matlab程序，可以減少算法編程時間，提高開發效率[7]。本系統將兩者結合運用，利用Delphi開發的界面和數據庫，需要計算時調用Matlab的M文件程序，這樣實現了兩個開發系統的優勢互補。

要實現Delphi與Matlab軟件自己的數據交互需要利用COM接口技術。Windows一種程序間交互數據的通信協議COM組件技術。本系統利用Matlab環境中的Com Builder工具進行COM組件開發，實現了兩個軟件之間的數據交互。

3.3 評估實例

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。根據其出廠報告數據和最近一次的例行試驗數據得到待評估數據表2。權重根據數據的熵權大小進行計算得到。

表2 主斷路器狀態評估數據

從單項試驗數據來看所有指標都滿足技術規程要求，只有獲得可以量化的綜合狀態才對健康評價是有意義的。在選取的7個指標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處理，利用當前值與初值的差來代替當前值，這樣整個評價矩陣就都是數據越小狀態越好的屬性，方便后續計算處理。

對表2的標準數據和試驗數據進行無量綱化處理，采用等級狀態值作為閾值，前3行數據是3種標準狀態，最后1行數據為本次試驗測量得到的數據，得到規范化評價矩陣G:

7列數據分別為7項試驗指標：運行里程、運行時間、絕緣電阻、回路電阻、真空度、分閘時間、 及合閘時間。

根據熵權計算方法可以計算得的權重數值，然后將矩陣 的每列與相應的權重數值相乘,得到最終的TOPSIS評價矩陣R：

最后利用TOPSIS算法進行正負理想解計算，得到各組數據的狀態貼近距離為：

標準等級狀態貼進度如下：1級(初值)：0.000 0；2級(注意)：0.592 3；3級(故障)：1.000 0。本次試驗的狀態貼進距離為：0.518 9。可以看出該主斷路器綜合狀態目前正常，與實際情況相符，只是由出廠時的初始狀態t1(0.000)已經發展接近t2(0.592 3)的注意狀態。雖然該斷路器運行記錄良好，尚未出現異常，但是根據評估數據，由于已經接近注意狀態，需要安排更全面的維修計劃，并繼續跟蹤觀察其狀態貼近度的發展趨勢。

通過實例分析，說明本評估軟件可以利用出廠原始數據和相關規程個性化地定制設備指標權重，并定量地計算出動車組主斷路器狀態等級的貼近度，直觀地掌握動車組主斷路器設備狀態的發展情況。

4 結 論

針對動車組主斷路器檢修中試驗數據滿足標準情況下，對其狀態評估難的問題，開發了一套基于理想解評估方法的動車組主斷路器評估系統。該系統直觀描繪了動車組主斷路器的運行狀態趨勢，為維修計劃提供了參考。下一步將考慮融入更多的運行信息，使其評估結果更加準確，進一步促進動車組狀態檢修技術的發展。