高鐵接觸網定位、支持裝置的T-S模糊故障樹分析

王洪德 ，于子杰

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028；2.遼寧省隧道工程與災害防控專業技術創新中心，遼寧 大連 116028)

高鐵接觸網是沿高鐵線路上空架設的，能夠通過機車頂部受流裝置(受電弓)向機車供電的特殊輸電線路，是銜接牽引變電所與電力機車的核心電力輸送紐帶；高鐵接觸網裝置系統則是構成高鐵接觸網，并保障接觸網整體供饋電穩暢的設施、裝置集合.當接觸網裝置系統發生故障時，將會導致接觸網與受電弓結合部位的動靜態參數異常并產生行車安全隱患.因此，為保障高鐵運輸網絡系統的整體安全性和鐵路運輸計劃的平穩推進，對接觸網裝置系統的可靠性分析顯得尤為必要.

針對接觸網裝置系統這種相關性和環境適應性要求高的結構化系統，采用故障樹分析(FTA)，以邏輯框圖來描述系統各部件間的相互作用關系，基于定性和定量分析，預先發現系統的故障癥狀，是實用且有效的可靠性分析手段.傳統的FTA應用需滿足如下條件：①系統整體歷史故障數據必須精確統計，以期得到各級事件的準確故障概率；②頂上事件的誘發故障機理及系統內各級事件間的邏輯關系必須明確，方便構造各事件間的具體邏輯門；③構成基本事件的故障程度須可描述.這些限制條件使得傳統的FTA應用于復雜系統時存在著客觀局限.

Lavasani等[1]、Senol等[2]針對石化流程工業，應用模糊故障樹(FFT)，給出了化學品生產裝置故障和運輸貨物污染發生概率，避免了因元件概率值不足導致的FTA分析局限；Bi等[3]針對存在結構復雜、映射多、不確定性大等局限的泵站系統，運用T-S模糊故障樹(T-S Fuzzy Fault Tree，T-S FFT)取代了傳統FTA需明確系統故障機理、事件間邏輯關系和只能描述二態系統的不足；李興運等[4]運用T-S FFT結合受電弓故障實例，通過元件故障概率和關鍵重要程度分析，找出影響系統整體可靠性的薄弱環節；王浩鳴等[5-13]運用T-S FFT對各種復雜生產加工裝置系統進行可靠性分析,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模糊規則生成T-S模糊門，用T-S模糊模型描述事件間的聯系，解決了復雜系統中事件間聯系的不確定性問題；利用模糊數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計故障數據的局限.本文擬運用T-S FFT對接觸網裝置系統中的定位、支持裝置進行可靠性分析，建立關于定位、支持裝置的T-S FFT模型，計算裝置內各元件的T-S關鍵重要程度，并結合實際工況驗證T-S FFT的有效性.

1 定位、支持裝置T-S FFT構建

1.1 接觸網定位、支持裝置界定

依據《高速鐵路接觸網運行維修規則》[14]，接觸網裝置系統涵蓋了以接觸網懸掛、定位裝置、支持裝置和支柱基礎為主體的軌道線內工作部分及軌道線外電氣輔助設施.

定位裝置主要由定位器、定位管、定位支撐等元件組成，用于穩固接觸線的空間定位，并保障受電弓緊貼接觸線滑行時的受電狀態穩定；支持裝置主要由平腕臂、斜腕臂、腕臂支撐等元件組成，用于承擔接觸網懸掛重量與平衡弓網摩擦產生的動態擠壓力.接觸網內主體工作裝置和定位、支持裝置結構，見圖1和圖2.

圖1 接觸網內主體工作裝置示意圖

圖2 定位、支持裝置結構圖(正定位)

1.2 定位、支持裝置故障關聯分析

本文依托獲取的西安局管內西成高鐵2021年度接觸網1C、4C缺陷故障數據，通過數據統計分析得出該線路中“弓網接觸壓力異常”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定所引起.

因此，將“弓網接觸壓力異常”作為頂上事件T；將定位、支持裝置受力狀況的“可能故障表現組合Yj”和所包含的“裝置元件Xi”定義為過渡分析層；將各元件所包含的“缺陷故障表現yik”和“結構零件xij”定義為底部成因層.構造出定位、支持裝置T-S FFT關聯模型，見圖3.

圖3 定位、支持裝置T-S FFT關聯模型

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;

(3)xij的事件含義：裝置元件i的第k類缺陷故障表現，其所對應的第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關聯模型，將零件與元件的故障關聯統一，構造出能夠反映各事件之間不確定性邏輯關系的定位、支持裝置T-S FFT過渡分析模型，見圖4.圖中：T為弓網接觸壓力異常；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過渡分析模型

2 定位、支持裝置T-S FFT分析方法

2.1 模糊數描述與隸屬度函數

(1)事件故障程度的模糊數描述

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

(2)隸屬度函數

為方便反映元件的合格公差帶，引入梯形分布隸屬函數(圖5)，并用模糊數描述.其中，μ0作為隸屬函數的支撐中心，當支撐半徑Sl=Sr=0時，梯形分布隸屬函數變為三角函數；當模糊域ml=mr=0時，模糊數μ(x)為定值.

圖5 隸屬函數

2.2 T-S FFT模型的模糊門規則

(1)故障程度描述

(2)IF-THEN模糊規則下的事件輸出

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

(1)

(3)T-S模糊門規則下的事件輸出

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關鍵重要程度

由于元件的故障概率不同，單位變動存在差異.引入關鍵重要程度來反映Xi故障概率的變化率，導致頂上事件T發生.定義為[6,8]：

(6)

(7)

3 定位支持裝置的可靠性分析

3.1 利用模糊數評價的模糊門規則l

依據高鐵接觸網檢修專家經驗與接觸網實際工況，針對T-S FFT模型的三態模糊數0、0.5、1給出如下定義，詳見表1、表2.

表1 Xi三態模糊數工況含義

表2 Yj三態模糊數工況含義

當存在故障程度為其他模糊數時，依據隸屬函數分布，選取隸屬函數參數為支撐半徑，sl=sr=0.2；模糊域ml=mr=0.3，結合4C檢測數據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缺陷故障數據計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 上級事件Yj和頂上事件T的模糊可能性

結果分析可知:①定位、支持裝置中，T發生的模糊可能性與裝置各元件的模糊可能性為同一量級；②當T處于1時，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FTA方法能顯著提高了高速鐵接觸網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算

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

結果分析可知：當Xi處于0.5時，X3和X4對T處于0.5時的臨界程度概率影響較高；X1和X3對T處于1時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關鍵重要程度

結果分析可知:當Xi處于0.5時，X3和X4對影響T處于1時的可能性較大；當Xi處于1時，X2和X4對影響T處于1時的可能性較大.

(3)根據式(7)可求得Xi的關鍵重要程度，見表8.

結果分析可知，X2、X3和X4是高T-S模糊關鍵重要程度元件，對T發生的影響遠高于其他元件.

表8 Xi的T-S模糊關鍵重要程度

綜合以上重要程度分析:① 在T-S FFT過渡分析模型中當Xi處于0.5時，X3和X4的T-S重要程度均為高值；② 當T處于1時，X2和X4的T-S關鍵重要程度數值較高，說明定位管、平腕臂故障對T發生的可能性影響較高.

4 結論

(1)本文結合高鐵接觸網問題庫檢測數據與專家經驗，對裝置整體歷史故障數據無法精確統計的情況下，通過模糊數定義各級事件不同故障程度，結合T-S模糊門規則進行可靠性分析，克服了傳統故障樹模型分析需要詳翔實歷史數據的需要，解決了實際工況下裝置內零部件故障數據統計不詳的局限.

(2)利用T-S FFT進行重要程度分析，可對定位支持裝置內各部件可靠性的關鍵程度進行量化，方便高鐵接觸網運維人員直觀掌握裝置內的低可靠度薄弱環節，對高鐵接觸網設備定向監測、定點維修提供數據支持.