基于網(wǎng)絡(luò)分析法的高鐵牽引供電系統(tǒng)維修方式?jīng)Q策

王 玘， 林 圣， 楊健維， 馮 玎， 何正友

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

目前有關(guān)這套高鐵牽引供電系統(tǒng)維修維護(hù)解決方案的研究相對(duì)較少，可以借鑒電力系統(tǒng)等其他領(lǐng)域的相關(guān)思想。Grall等[1]對(duì)處于惡化進(jìn)程的系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)防性維修計(jì)劃的制定與周期的選擇。Conejo[2]和Zhang等[3]針對(duì)發(fā)電設(shè)備的維修周期及設(shè)備配給等問(wèn)題進(jìn)行了研究。Lu[4]和Feng等[5]結(jié)合電力市場(chǎng)環(huán)境研究了電力設(shè)備的維修計(jì)劃制定與維修工種選擇等問(wèn)題。李雪等[6]采用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的維修策略進(jìn)行了優(yōu)化。陳紹寬等[7-8]采用以可靠性為約束條件的維修費(fèi)用最小模型分別對(duì)牽引變電所和接觸網(wǎng)的維修策略優(yōu)化進(jìn)行了研究。陳民武等[9]應(yīng)用GO法對(duì)牽引供電系統(tǒng)的維修策略進(jìn)行了優(yōu)化與仿真。以上研究從理論上開展了細(xì)致而深入的工作，對(duì)推動(dòng)高鐵牽引供電系統(tǒng)維修維護(hù)解決方案的成套化意義重大,但作為該解決方案首要環(huán)節(jié)的維修方式?jīng)Q策問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外研究中尚屬空白。

高鐵牽引供電系統(tǒng)維修方式?jīng)Q策是一項(xiàng)需要綜合考慮系統(tǒng)健康可靠、效能利益、成本開銷以及風(fēng)險(xiǎn)損失的系統(tǒng)性工程[10]，需要科學(xué)地利用多屬性決策方法解決。而各種多屬性決策方法在實(shí)踐過(guò)程中都有不同程度的應(yīng)用，匹茲堡大學(xué)教授T. L. Saaty提出的層次分析法(Analytic Hierarchy Process ，AHP)[11]作為一種有用的決策工具，具有應(yīng)用簡(jiǎn)單、易于理解、實(shí)用性高等特點(diǎn)。但在牽引供電系統(tǒng)中，影響牽引供電系統(tǒng)維修方式?jīng)Q策的因素眾多，各層次內(nèi)部元素相互交錯(cuò)、相互依存，低層元素對(duì)高層元素亦有支配、反饋?zhàn)饔茫藭r(shí)系統(tǒng)間元素的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更類似于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),AHP的遞階層次結(jié)構(gòu)對(duì)于這種復(fù)雜決策問(wèn)題不再適用[12]。因此，網(wǎng)絡(luò)分析法(Analytic Network Process，ANP)[13]應(yīng)運(yùn)而生，它能充分考慮各元素之間的依存關(guān)系與相鄰層次的相互影響，而將復(fù)雜系統(tǒng)的決策問(wèn)題描述得更加準(zhǔn)確與深刻，同時(shí)ANP也是一種將主觀權(quán)重逐步轉(zhuǎn)化為客觀權(quán)重的方法，能把主觀性和客觀性的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)給出更為科學(xué)合理的決策結(jié)果。

本文對(duì)現(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)的維修方式及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分類與總結(jié)，通過(guò)梳理因素之間錯(cuò)綜復(fù)雜的依存與反饋關(guān)系建立維修方式?jīng)Q策的影響因素集，提出應(yīng)用ANP方法進(jìn)行維修方式的決策，在建立維修方式的ANP決策模型的基礎(chǔ)上，對(duì)各維修方式進(jìn)行綜合權(quán)重的求取與排序，以對(duì)運(yùn)行要求各異的牽引供電系統(tǒng)定量給出其維修方式的優(yōu)先順序。

1 牽引供電系統(tǒng)維修方式

維修方式是指為了保證維修對(duì)象在使用中的性能達(dá)到一定水平，而對(duì)維修工作的時(shí)機(jī)和類型加以控制的不同形式和方法的統(tǒng)稱?，F(xiàn)有適用于牽引供電系統(tǒng)的維修方式總體上可分為事后維修、定期維修、隱患檢測(cè)和狀態(tài)維修4 種類型[14]。

事后維修是在牽引供電設(shè)備發(fā)生功能性故障甚至造成比較嚴(yán)重的故障后果后對(duì)其進(jìn)行維修，使其恢復(fù)到初始或規(guī)定狀態(tài)的一種維修方式[15]。事后維修簡(jiǎn)單地以設(shè)備出現(xiàn)功能性故障為維修判據(jù)，一般當(dāng)故障后果較小，維修過(guò)程簡(jiǎn)單，不輕易更新或報(bào)廢設(shè)備，而經(jīng)濟(jì)分析上又比較劃算時(shí)，可采用事后維修方式。

定期維修又稱為計(jì)劃維修，是在牽引供電設(shè)備使用達(dá)到一定年限時(shí)按規(guī)定的維修周期對(duì)設(shè)備進(jìn)行不同程度的維修，使其恢復(fù)到規(guī)定工作狀態(tài)的維修方式。定期維修以時(shí)間為判據(jù)，基于設(shè)備故障率與運(yùn)行時(shí)間成正比的原則安排維修周期，可以克服事后維修帶來(lái)的危害，周期性地恢復(fù)牽引供電設(shè)備的狀態(tài)，減少設(shè)備發(fā)生功能性故障的次數(shù)[16]。按維修周期和維修程度的不同，定期維修又可分為短周期、中周期、長(zhǎng)周期3 種方式。隨著維修周期的遞增，可能出現(xiàn)服役狀態(tài)較差的設(shè)備維修不足；隨著維修周期的遞減，可能出現(xiàn)服役狀態(tài)較好的設(shè)備維修過(guò)剩。

隱患檢測(cè)是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)或在設(shè)備連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)中，通過(guò)多種手段對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查、測(cè)試、監(jiān)測(cè)，充分地掌握設(shè)備的服役狀態(tài)，對(duì)不符合規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警、調(diào)整或修正，并決定更進(jìn)一步維修計(jì)劃的一種維修方式[17]。隱患檢測(cè)適用于牽引供電設(shè)備的故障還處于早期或隱患期，而未表現(xiàn)出明顯的功能性故障時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步的檢測(cè)精確判斷設(shè)備的服役狀態(tài)，防止故障狀態(tài)的惡化和故障影響的擴(kuò)大。隱患檢測(cè)按檢測(cè)手段和時(shí)間間隔的不同分為預(yù)防性試驗(yàn)和在線監(jiān)測(cè)2 種，前者按計(jì)劃的時(shí)間間隔對(duì)設(shè)備進(jìn)行離線試驗(yàn)與檢查，后者通過(guò)對(duì)設(shè)備安裝在線監(jiān)測(cè)裝置在不影響設(shè)備正常工作的前提下進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)視與數(shù)據(jù)采集。

狀態(tài)維修是一種通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和診斷手段，對(duì)牽引供電設(shè)備整個(gè)服役周期的狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備中存在的隱藏故障與潛在故障，實(shí)時(shí)評(píng)估設(shè)備的健康狀態(tài)與可靠性，并根據(jù)設(shè)備的服役性能和健康程度有計(jì)劃地主動(dòng)實(shí)施維修的方式[18]。狀態(tài)維修以設(shè)備服役狀態(tài)的實(shí)際情況為判據(jù)，故也稱為視情維修，它可以做到按需維修，充分發(fā)揮單臺(tái)設(shè)備的潛能，并有效降低設(shè)備性能下降對(duì)系統(tǒng)造成的風(fēng)險(xiǎn)[19]。此外，狀態(tài)維修無(wú)需設(shè)備退出運(yùn)行，可以在系統(tǒng)不停電的情況下進(jìn)行。目前牽引供電設(shè)備狀態(tài)維修的方式主要有3 種[20]：基于設(shè)備全壽命周期成本(LCC)的狀態(tài)維修；以可靠性為中心的狀態(tài)維修(RCM)和基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的狀態(tài)維修(RBM)。其中，LCC主要注重于設(shè)備維修過(guò)程中成本和總費(fèi)用的最小化；RCM主要偏重提高設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；RBM致力于最大程度地降低設(shè)備故障以及維修活動(dòng)給系統(tǒng)造成的風(fēng)險(xiǎn)和損失。

幾種維修方式的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 幾種維修方式的優(yōu)缺點(diǎn)

2 牽引供電系統(tǒng)維修方式?jīng)Q策影響因素集

維修方式?jīng)Q策影響因素集的確定是維修方式?jīng)Q策的基礎(chǔ)，它反映了所選維修方式自身性能上優(yōu)劣性以及對(duì)系統(tǒng)各種屬性影響的重要性。參考電力系統(tǒng)中多屬性決策、評(píng)估和預(yù)警等體系的建立原則[21-24]，按照科學(xué)性、動(dòng)態(tài)性、先進(jìn)性、完備性和可行性5大原則選取維修方式?jīng)Q策影響因素并建立影響因素集，使各個(gè)因素具有涵義明確、計(jì)算簡(jiǎn)單和易于比較等特點(diǎn)，保證因素集的完整性和因素間的相互關(guān)聯(lián)性。

根據(jù)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行特性、故障機(jī)理以及維修活動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)研相關(guān)鐵路設(shè)計(jì)單位與運(yùn)營(yíng)單位，聽取了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的反饋與多方的需求和建議，將維修決策影響因素集劃分為健康性、可靠性、安全(風(fēng)險(xiǎn))性、維修性、經(jīng)濟(jì)性5種屬性，在每種屬性中確定若干影響因素，對(duì)影響因素進(jìn)行篩選、比對(duì)、歸類和排序，以確保影響因素集的全面性。

2.1 健康性

健康性主要是指高速鐵路牽引供電設(shè)備及系統(tǒng)在服役過(guò)程中處于最佳工作狀態(tài)的水平。這種最佳的工作狀態(tài)可定義為“健康”狀態(tài)；若存在潛在故障或隱藏故障，將導(dǎo)致性能的下降，進(jìn)而變?yōu)椤皝喗】怠睜顟B(tài)；隨著服役性能的退化，故障逐漸發(fā)展為功能性故障，在此過(guò)程中將經(jīng)歷多個(gè)健康等級(jí)，最終惡化為“嚴(yán)重病態(tài)”狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)不得不退出運(yùn)行，甚至造成惡劣的安全事故[25]。牽引供電系統(tǒng)作為高速鐵路的能量來(lái)源，提供穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量的電能是其最佳工作狀態(tài)的表現(xiàn)，因此其健康性的影響因素除了描述設(shè)備健康狀態(tài)的健康值、役齡等因素外，還包括描述系統(tǒng)電能質(zhì)量的電壓合格率、頻率合格率、諧波含量、三相不平衡度等因素，以及描述系統(tǒng)電能傳輸與分配質(zhì)量的平均運(yùn)行負(fù)荷率和潮流分布指標(biāo)等因素[26-27]。

2.2 可靠性

可靠性主要反映了牽引供電設(shè)備及系統(tǒng)在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度下無(wú)故障地完成規(guī)定供電功能的水平。可靠性表征的是設(shè)備或系統(tǒng)在服役壽命周期內(nèi)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這種統(tǒng)計(jì)規(guī)律既要有可靠度、故障率等描述概率層面的因素，也要有可用度、重要度等描述程度層面的因素，還要有平均故障時(shí)間、平均故障間隔時(shí)間、剩余使用壽命等描述時(shí)間層面的因素[28-29]。其中可用度又分為固有可用度、可達(dá)可用度和使用可用度，固有可用度是指僅與工作時(shí)間和因設(shè)備而進(jìn)行的維修時(shí)間有關(guān)的一種可用度，反映了設(shè)備可靠性的固有屬性；可達(dá)可用度是與工作時(shí)間、維修時(shí)間以及系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)的一種可用度，它在固有可用度的基礎(chǔ)上考慮了風(fēng)險(xiǎn)因素以及規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的手段(如預(yù)防性試驗(yàn))的影響，因此其取值小于固有可用度；使用可用度是反映設(shè)備真實(shí)使用情況的一種可用度，它在可達(dá)可用度的基礎(chǔ)上考慮了諸如維修人員技術(shù)水平、維修工具準(zhǔn)備時(shí)間等現(xiàn)實(shí)因素，使得其取值進(jìn)一步減小[30]。

2.3 安全(風(fēng)險(xiǎn))性

安全(風(fēng)險(xiǎn))性主要刻畫了大風(fēng)、冰雪、雷電等惡劣天氣下可能造成的牽引供電系統(tǒng)設(shè)備損壞、線路跳閘、最終失去供電能力等故障或事故的危害性水平。它描述了影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的失效事件發(fā)生的可能性和概率以及這些事件后果的嚴(yán)重程度。如果說(shuō)健康性和可靠性考慮的是牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部因素的影響，那么安全(風(fēng)險(xiǎn))性考慮的是外部環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的影響。惡劣天氣等外部環(huán)境因素對(duì)牽引供電系統(tǒng)外部電源和接觸網(wǎng)的供電影響都非常大，因此安全(風(fēng)險(xiǎn))性一方面涵蓋了外部電源供電風(fēng)險(xiǎn)的影響因素，如牽引負(fù)荷削減概率風(fēng)險(xiǎn)、牽引負(fù)荷削減頻率風(fēng)險(xiǎn)、牽引負(fù)荷電力不足風(fēng)險(xiǎn)、牽引負(fù)荷電量不足風(fēng)險(xiǎn)以及鐵路失通過(guò)能力概率風(fēng)險(xiǎn)等，另一方面也包含了暴露在大風(fēng)、冰雪、雷電等惡劣環(huán)境下接觸網(wǎng)的供電風(fēng)險(xiǎn)影響因素，如接觸網(wǎng)風(fēng)偏風(fēng)險(xiǎn)、接觸網(wǎng)覆冰風(fēng)險(xiǎn)及接觸網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)等[31]。

2.4 維修性

維修性主要是指維修活動(dòng)本身在時(shí)間、空間、技術(shù)上的性質(zhì)與質(zhì)量，以及維修活動(dòng)對(duì)牽引供電設(shè)備及系統(tǒng)性能的改善水平。維修活動(dòng)本身的性質(zhì)與質(zhì)量在時(shí)間上的影響因素包括維修耗時(shí)、歷史維修次數(shù)和巡檢頻率等；在空間上的影響因素包括備件供應(yīng)程度和在線監(jiān)測(cè)裝置比例等；在技術(shù)上的影響因素包括維修難易程度、維修技術(shù)適用性和維修人員技術(shù)水平等。維修活動(dòng)對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)性能改善的影響因素包括維修度和修復(fù)率等[32-34]。維修活動(dòng)本身性質(zhì)與質(zhì)量的影響因素與經(jīng)濟(jì)性有直接的依存關(guān)系，維修活動(dòng)對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)性能改善的影響因素與健康性、可靠性和風(fēng)險(xiǎn)性有直接的依存關(guān)系。此外，維修性對(duì)維修活動(dòng)中維修方式的選擇也具有直接而顯著的影響。

2.5 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性從總體上反映了牽引供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程以及維修活動(dòng)中所產(chǎn)生的各種效能、成本、損失和收益的總和。它以總體效能和收益最大化而成本和損失最小化為原則，涵蓋了表征牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)能效益的影響因素，如設(shè)備原值、網(wǎng)損、設(shè)備容量利用率和無(wú)功缺額等，同時(shí)也涵蓋了維修活動(dòng)產(chǎn)生消耗的影響因素，如維修費(fèi)用、維修停機(jī)損失、人力資源調(diào)配成本、備品備件倉(cāng)儲(chǔ)成本、增設(shè)裝置成本和維修計(jì)劃費(fèi)用等[35-36]。經(jīng)濟(jì)性也與前4個(gè)因素集有直接且較強(qiáng)的依存關(guān)系，但這種依存關(guān)系表現(xiàn)為某些因素的正依存而另一些因素的反依存，如健康性、可靠性、安全(風(fēng)險(xiǎn))性和維修性中影響因素的優(yōu)化，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性中表征正常運(yùn)行效益的因素(如設(shè)備容量利用率)的優(yōu)化，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性中表征維修活動(dòng)產(chǎn)生消耗因素(如維修費(fèi)用)的劣化。經(jīng)濟(jì)性對(duì)維修活動(dòng)中維修方式的選擇也具有較為顯著的影響。

3 ANP維修方式?jīng)Q策方法

3.1 ANP決策模型

在確定了牽引供電系統(tǒng)維修方式及維修方式?jīng)Q策影響因素集的基礎(chǔ)上，需要建立科學(xué)的決策模型。影響牽引供電系統(tǒng)維修方式?jīng)Q策的因素眾多，且各因素間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，決策時(shí)需要理清各影響因素間的相互作用與依存關(guān)系，并合理分配權(quán)重，因此通過(guò)建立ANP決策模型，采用ANP方法進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)的維修決策。ANP決策模型將系統(tǒng)中的所有元素劃分為2個(gè)層級(jí)：第1層級(jí)為控制層，包括問(wèn)題的總目標(biāo)以及各個(gè)決策準(zhǔn)則，所有決策準(zhǔn)則均被認(rèn)為是彼此獨(dú)立的，且只受總目標(biāo)的支配；第2層級(jí)為網(wǎng)絡(luò)層，由所有受控制層支配的元素組組成，元素組之間相互影響，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。典型的ANP決策模型見(jiàn)圖1。

在ANP決策模型的網(wǎng)絡(luò)層中存在3 種元素組間的連接關(guān)系：外部依存、內(nèi)部依存和反饋。外部依存關(guān)系反映了1個(gè)元素組對(duì)另1個(gè)元素組中元素的影響，如圖1中元素組C1中的元素對(duì)元素組C3中的元素有影響，C1和C3之間形成了外部依存關(guān)系；內(nèi)部依存關(guān)系反映了一個(gè)元素組內(nèi)部元素之間的互相影響，如圖1中元素組C2內(nèi)部元素間相互影響從而形成了內(nèi)部依存關(guān)系；反饋關(guān)系反映了2個(gè)元素組之間元素的相互影響，如圖1中元素組C1中元素影響著元素組C2中元素，反過(guò)來(lái)C2中元素也影響著C1中元素，故C1和C2形成反饋關(guān)系。

3.2 ANP的優(yōu)勢(shì)度

在確定了控制層的各個(gè)準(zhǔn)則和網(wǎng)絡(luò)層每個(gè)元素組中的所有元素后，需要在某個(gè)準(zhǔn)則下對(duì)其支配的元素進(jìn)行兩兩比較，確定這些元素在重要性、優(yōu)越性、被選擇的偏好性以及相互影響程度等方面的優(yōu)先順序，這種優(yōu)先順序的量化指標(biāo)稱為元素的優(yōu)勢(shì)度。在ANP中被比較元素幾乎不是獨(dú)立的，而是相互之前存在復(fù)雜的依存關(guān)系，因此定義2種優(yōu)勢(shì)度對(duì)元素進(jìn)行比較

(1) 直接優(yōu)勢(shì)度：給定一個(gè)準(zhǔn)則，2 個(gè)元素對(duì)于該準(zhǔn)則的重要程度進(jìn)行比較；

(2) 間接優(yōu)勢(shì)度：給定一個(gè)準(zhǔn)則，2個(gè)元素在該準(zhǔn)則下對(duì)第3 個(gè)元素(稱為次準(zhǔn)則)的影響程度進(jìn)行比較。

對(duì)元素進(jìn)行兩兩比較是求取優(yōu)勢(shì)度的重要基礎(chǔ)，采用Saaty提出的1-9標(biāo)度法[11]來(lái)定量地給出兩兩比較的結(jié)果，見(jiàn)表2。兩兩比較的結(jié)果反映了2 個(gè)元素優(yōu)勢(shì)度相差的倍數(shù)。

表2 Saaty 1-9標(biāo)度法取值及其意義

3.3 ANP的維修方式?jīng)Q策流程

將牽引供電系統(tǒng)的可選維修方式作為ANP控制層中的準(zhǔn)則p1,p2,…,pm，將維修方式?jīng)Q策影響因素集的屬性作為網(wǎng)絡(luò)層中的元素組C1,C2,…,CN，其中元素組Ci中有元素ei1,ei2,…,eini(i=1,2,…,N)，每個(gè)元素代表一個(gè)影響因素。首先在每一控制層準(zhǔn)則ps(s=1,2,…,m)下構(gòu)建無(wú)權(quán)重超矩陣Ws，構(gòu)建過(guò)程為：

(2) 按(1)的方法依次以Cj中各元素ej1,ej2,…,ejnj為次準(zhǔn)則，將Ci中元素ei1,ei2,…,eini對(duì)次準(zhǔn)則進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較，形成各自的判斷矩陣并分別求排序后的歸一化特征向量，然后將這些特征向量按列匯總到矩陣Wij中

( 1 )

則矩陣Wij表示元素組Ci對(duì)元素組Cj的影響關(guān)系。其中，若Cj中元素不受Ci中元素影響，則Wij=0。

(3) 按(1)、(2)的方法可構(gòu)建準(zhǔn)則ps下的無(wú)權(quán)超矩陣

( 2 )

其中，該超矩陣中的每個(gè)元素都是式( 2 )中求得的矩陣Wij(i,j=1,2,…,N)。超矩陣存放著元素的間接優(yōu)勢(shì)度比較結(jié)果，反映了維修方式?jīng)Q策影響因素間的相對(duì)偏好性和重要性。

同理，分別以準(zhǔn)則p1,p2,…,pm為準(zhǔn)則，可以構(gòu)建的無(wú)權(quán)超矩陣m個(gè)，它們都是非負(fù)矩陣。超矩陣不是列歸一化的，只是各個(gè)子塊Wij是列歸一化的，因此超矩陣不能反映各個(gè)元素的相對(duì)優(yōu)先權(quán)，為此還需要對(duì)元素組進(jìn)行優(yōu)勢(shì)度比較，將無(wú)權(quán)超矩陣轉(zhuǎn)化為權(quán)重超矩陣。

( 3 )

該加權(quán)矩陣As存放在準(zhǔn)則ps下各個(gè)元素組之間的間接優(yōu)勢(shì)度比較結(jié)果。其中，與次準(zhǔn)則Cj無(wú)關(guān)的元素組對(duì)應(yīng)的排序向量分量為0。在m個(gè)準(zhǔn)則下這樣的加權(quán)矩陣同樣有m個(gè)。

( 4 )

( 5 )

在每一個(gè)控制層準(zhǔn)則下按上述步驟求取網(wǎng)絡(luò)層元素之間的極限相對(duì)優(yōu)先權(quán)，并按照各準(zhǔn)則權(quán)重進(jìn)行ANP綜合加權(quán)，求得各個(gè)可選維修方式的綜合權(quán)重，根據(jù)綜合權(quán)重給出維修方式的優(yōu)先順序。

最后需要對(duì)決策結(jié)果進(jìn)行靈敏度分析，以考察隨各個(gè)影響因素極限相對(duì)權(quán)重的變化，每種維修方式綜合權(quán)重的變化情況。靈敏度分析在選取某個(gè)影響因素并逐漸調(diào)整其權(quán)重時(shí)，將按比例重新分配其余影響因素的權(quán)重，使得各準(zhǔn)則綜合權(quán)重發(fā)生變化，最終影響維修方式的優(yōu)先順序。在實(shí)際中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求的改變調(diào)整各影響因素的權(quán)重，即運(yùn)用靈敏度分析來(lái)驗(yàn)證、微調(diào)并優(yōu)化維修方式?jīng)Q策結(jié)果。

綜上所述，基于ANP的高鐵牽引供電系統(tǒng)維修方式?jīng)Q策的流程與權(quán)重處理見(jiàn)圖2?？梢钥闯鲈跈?quán)重的處理上，ANP方法是一種可以消除主觀差異性對(duì)決策結(jié)果影響的方法，雖然兩兩比較的結(jié)果略帶主觀性，但經(jīng)過(guò)ANP設(shè)置的優(yōu)勢(shì)度、優(yōu)先權(quán)以及綜合權(quán)重等概念將主觀性一步步削弱，最終得出更為客觀的綜合權(quán)重，使得基于ANP的維修方式?jīng)Q策方法可以將主觀性優(yōu)勢(shì)(如直觀、簡(jiǎn)便)和客觀性優(yōu)勢(shì)(如更切合實(shí)際)相結(jié)合給出更為科學(xué)合理的決策結(jié)果。

4 案例分析

4.1 建立牽引供電系統(tǒng)維修方式的ANP決策模型

以京滬高鐵牽引供電系統(tǒng)某段供電分區(qū)為例，應(yīng)用ANP對(duì)其維修方式進(jìn)行綜合決策。首先根據(jù)可行的9種維修方式確定控制層準(zhǔn)則，并根據(jù)維修方式?jīng)Q策的影響因素集(共45個(gè)影響因素)確定網(wǎng)絡(luò)層元素及元素組，建立牽引供電系統(tǒng)維修方式的ANP決策模型見(jiàn)圖3，并由元素組內(nèi)各元素間的影響關(guān)系建立元素組的外部依存、內(nèi)部依存及反饋關(guān)系。

4.2 求取極限相對(duì)優(yōu)先權(quán)

分別選取9種維修方式為準(zhǔn)則，5種因素屬性或45種影響因素為次準(zhǔn)則，進(jìn)行圖2中的3種兩兩比較，此過(guò)程雖然以主觀比較為基礎(chǔ)，但在此過(guò)程中通過(guò)調(diào)研大量相關(guān)文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程，并請(qǐng)教許多設(shè)計(jì)人員、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員與運(yùn)行管理人員，確保了兩兩比較的結(jié)果盡可能科學(xué)合理且盡量貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。經(jīng)過(guò)ANP方法的計(jì)算優(yōu)勢(shì)度、建立權(quán)重超矩陣和計(jì)算極限超矩陣等步驟后得到各影響因素的優(yōu)勢(shì)度(按元素組歸一化)與極限相對(duì)優(yōu)先權(quán)，見(jiàn)表3。

表3 各影響因素的優(yōu)勢(shì)度與極限相對(duì)優(yōu)先權(quán)

4.3 計(jì)算維修方式的綜合權(quán)重

采用ANP綜合加權(quán)方法，對(duì)各個(gè)維修方式進(jìn)行模型的綜合加權(quán)，得到9 種維修方式的綜合權(quán)重并按其大小進(jìn)行排序，見(jiàn)表4?？梢钥闯?，對(duì)該牽引供電系統(tǒng)3種狀態(tài)維修和隱患檢測(cè)(在線監(jiān)測(cè))的綜合權(quán)重(相對(duì)權(quán)重)均在0.5以上，因此可優(yōu)先考慮采用，而隱患檢測(cè)(預(yù)防性試驗(yàn))、3種定期維修和事后維修并不能很好地適用。

表4 9種維修方式的綜合權(quán)重

4.4 靈敏度分析

為考察每種維修方式綜合權(quán)重隨影響因素極限相對(duì)權(quán)重變化的情況，需要采用靈敏度分析來(lái)調(diào)整權(quán)重以調(diào)整和優(yōu)化維修方式的優(yōu)先順序。分別以影響因素中的健康值(e11)、接觸網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)(e38)、和維修費(fèi)用(e55)為例對(duì)維修方式?jīng)Q策結(jié)果進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。圖中虛線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)為影響因素的當(dāng)前極限相對(duì)權(quán)重取值。

由圖4(a)可以看出，當(dāng)健康值(e11)的極限相對(duì)權(quán)重增加時(shí)，狀態(tài)維修(RCM)的綜合權(quán)重顯著遞增而狀態(tài)維修(RBM)的綜合權(quán)重基本保持不變，當(dāng)健康值的極限相對(duì)權(quán)重超過(guò)0.200 1時(shí)狀態(tài)維修(RCM)的優(yōu)先順序?qū)⒊^(guò)狀態(tài)維修(RBM)。

由圖4(b)可以看出，隨著接觸網(wǎng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)(e38)極限相對(duì)權(quán)重的增加，狀態(tài)維修(RBM)的綜合權(quán)重將一直保持最高，當(dāng)e38的極限相對(duì)權(quán)重增加到0.530 0時(shí)，隱患檢測(cè)(在線監(jiān)測(cè))將優(yōu)先于狀態(tài)維修(RCM)，當(dāng)e38的極限相對(duì)權(quán)重繼續(xù)增加到0.845 0時(shí)，隱患檢測(cè)(預(yù)防性試驗(yàn))也將優(yōu)先于狀態(tài)維修(RCM)。

由圖4(c)可以看出，當(dāng)維修費(fèi)用(e55)的極限相對(duì)權(quán)重增加時(shí)，隱患檢測(cè)(在線監(jiān)測(cè))和定期維修(長(zhǎng)周期)的綜合權(quán)重將顯著增加，在e55的極限相對(duì)權(quán)重達(dá)到0.132 3時(shí)，隱患檢測(cè)(在線監(jiān)測(cè))將優(yōu)先于狀態(tài)維修(RBM)，在e55的極限相對(duì)權(quán)重達(dá)到0.337 9時(shí)，定期維修(長(zhǎng)周期)將優(yōu)先于3種狀態(tài)維修，在e55的極限相對(duì)權(quán)重達(dá)到0.656 0時(shí)，隱患檢測(cè)(預(yù)防性試驗(yàn))也將優(yōu)先于3種狀態(tài)維修方式。

通過(guò)維修方式?jīng)Q策，在維修活動(dòng)開展之前，從總體上確定了該段牽引供電系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用的維修方式。在實(shí)際維修活動(dòng)的進(jìn)行過(guò)程中，還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各種在線監(jiān)測(cè)和離線檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行與維修任務(wù)緊迫性相關(guān)的維修時(shí)間決策(免維修、延期維修、優(yōu)先維修、盡快維修、立即維修等)，以制定出具體、合理的維修策略。

5 結(jié)論

影響高鐵牽引供電系統(tǒng)維修方式?jīng)Q策的因素眾多，如何有效處理這些因素間的相互影響、交錯(cuò)與依存關(guān)系，以及如何保證權(quán)重分配的客觀合理性是維修方式?jīng)Q策所要考慮的首要問(wèn)題。本文總結(jié)了現(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)的維修方式及其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，整理了維修方式?jīng)Q策的影響因素，并將其按5種屬性分類，理清了因素之間的依存與反饋關(guān)系，形成維修方式?jīng)Q策的影響因素集，建立了維修方式的ANP決策模型，采用ANP方法將主觀的兩兩比較結(jié)果逐步轉(zhuǎn)化為客觀的綜合權(quán)重，并對(duì)維修方式按綜合權(quán)重進(jìn)行優(yōu)先順序排序。案例分析結(jié)果表明，該方法能根據(jù)每段牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和對(duì)影響因素的實(shí)際需求程度合理地分配權(quán)重，最終給出維修方式的優(yōu)先順序。維修方式?jīng)Q策與后續(xù)維修時(shí)間決策、維修周期確定、工種選擇、設(shè)備配給、群組搭配與維修策略優(yōu)化等研究相結(jié)合，以更好地為高鐵牽引供電系統(tǒng)維修維護(hù)的成套化解決方案的制定奠定理論基礎(chǔ)并提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] GRALL A, DIEULLE L, BERENGUER C, et al. Continuous-time Predictive-maintenance Scheduling for a Deteriorating System[J]. Reliability, IEEE Transactions on, 2002, 51(2):141-150.

[2] CONEJO A J, GARCIA-BERTRAND R, DIAZ-SALAZAR M. Generation Maintenance Scheduling in Restructured Power Systems[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2005, 20(2): 984-992.

[3] ZHANG Dabo, LI Wenyuan, XIONG Xiaofu. Bidding Based Generator Maintenance Scheduling with Triple-objective Optimization[J]. Electric Power Systems Research,2012,93(1):127-134.

[4] LU G, CHUNG C Y, WONG K P, WEN F. Unit Maintenance Scheduling Coordination Mechanism in Electricity Market Enviroment[J]. IET Generation, Transmission & Distribution, 2008, 2(5): 646-654.

[5] FENG Changyou, WANG Xifan. A Competitive Mechanism of Unit Maintenance Scheduling in a Deregulated Environment[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2010, 25(1):351-359.

[6] 李雪，吳俊勇，楊媛，等. 高速鐵路接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)維修計(jì)劃的優(yōu)化研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2010，32(2)：24-30.

LI Xue, WU Junyong, YANG Yuan,et al. Research on Optimization of Catenary System Maintenance Schedule for High-speed Railways[J]. Journal of the China Railway Society, 2010, 32(2): 24-30.

[7] 陳紹寬，彭宏勤，毛保華，等. 基于費(fèi)用最小的鐵路牽引變電所維修計(jì)劃優(yōu)化模型[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2011，33(8)：39-44.

CHEN Shaokuan, PENG Hongqin, MAO Baohua, et al. Optimization Model of Least-cost-based Maintenance Schedules for Railway Traction Substations[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(8): 39-44.

[8] 陳紹寬，王秀丹，柏赟，等. 基于費(fèi)用最小的鐵路牽引接觸網(wǎng)維修計(jì)劃優(yōu)化模型[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2013，35(12)：37-42.

CHEN Shaokuan, WANG Xiudan, BAI Yun, et al. Lowest Costs-based Optimum Maintenance Scheduling Model for Catenaries of Railways[J]. Journal of the China Railway Society, 2013, 35(12): 37-42.

[9] 陳民武，李群湛，解紹鋒. 牽引供電系統(tǒng)維修計(jì)劃的優(yōu)化與仿真[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，37(11)：100-106.

CHEN Minwu, LI Qunzhan, XIE Shaofeng. Optimization and Simulation of Maintenance Plan of Traction Power Supply Systems[J]. Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition,2009,37(11):100-106.

[10] 何正友，程宏波. 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)健康管理及故障預(yù)警體系研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(10)：259-264.

HE Zhengyou, CHENG Hongbo. Research on Health Management and Early Warning System for Traction Power Supply System of High-speed Railway[J]. Power System Technology, 2012, 36(10): 259-264.

[11] SAATY T. The Analytic Hierarchy Process[M]. NewYork ：McGraw-HillInc,1980.

[12] 王蓮芬. 網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)的理論與算法[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001，21(3)：44-50.

WANG Lianfen. The Theory and Algorithm of Analytic Network Process[J].Systems Engineering-theory & Practice, 2001, 21(3): 44-50.

[13] SAATY T. The Analytic Network Process: Decision Making with Dependence and Feedback[M]. New York： Rws Pubns,2001.

[14] 束洪春. 電力系統(tǒng)以可靠性為中心的維修[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[15] 許婧，王晶，高峰，等. 電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(8)：48-52.

XU Jing, WANG Jing, GAO Feng, et al. A Survey of Condition Based Maintenance Technology for Electric Power Equipment[J]. Power System Technology, 2000, 24(8): 48-52.

[16] DUAN Dongli, WU Xiaoyue, DENG Hongzhong. Reliability Evaluation in Substations Considering Operating Conditions and Failure Modes[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2012, 27(1): 309-316.

[17] ENDRENYI J, ANDERS G J. Aging, Maintenance, and Reliability-approaches to Preserving Equipment Health and Extending Equipment Life[J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2006, 4(3): 59-67.

[18] BERDINYAZOW A, CAMCI F, SEVKLI M, et al. Economic Analysis of Maintenance Policies for a System[C]//IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drivers.Cargese：IEEE,2009:1-5.

[19] 李明，韓學(xué)山，王勇，等. 變電站狀態(tài)檢修決策模型與求解[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(25)：196-202.

LI Ming, HAN Xueshan, WANG Yong, et al. Decision-making Model and Solution of Condition-based Maintenance for Substation[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2012, 32(25): 196-202.

[20] 潘樂(lè)真，魯國(guó)起，張焰，等. 基于風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)判的設(shè)備狀態(tài)檢修決策優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(11)：28-32.

PAN Lezhen, LU Guoqi, ZHANG Yan,et al. Decision-making Optimization of Equipment Condition-based Maintenance According to Risk Comprehensive Evaluation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(11): 28-32.

[21] 張心潔，葛少云，劉洪，等. 智能配電網(wǎng)綜合評(píng)估體系與方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(1)：3642-3648.

ZHANG Xinjie, GE Shaoyun, LIU Hong, et al. Comprehensive Assessment System and Method of Smart Distribution Grid[J]. Power System Technology, 2014, 38(1): 3642-3648.

[22] 譚熙靜. 復(fù)雜配電網(wǎng)健康診斷及隱藏故障識(shí)別[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2012.

[23] 王彬，何光宇，梅生偉，等. 智能電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(23)：1-5.

WANG Bin, HE Guangyu, MEI Shengwei, et al. Construction Method of Smart Grid’s Assessment Index System[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(23): 1-5.

[24] 栗秋華，周林，張鳳，等. 基于模糊理論和層次分析法的電力系統(tǒng)電壓態(tài)勢(shì)預(yù)警等級(jí)綜合評(píng)估[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(4)：40-45.

LI Qiuhua, ZHOU Lin, ZHANG Feng, et al.Comprehensive Evaluation of Forewarning Grade of Voltage State and Tendency in Power Systems Based on Fuzzy Theory and Analytic Hierarchy Process[J]. Power System Technology, 2008,32(4): 40-45.

[25] 程宏波，何正友，母秀清. 基于多層免疫模型的高鐵牽引供電系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)估[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(9)：95-101.

CHENG Hongbo, HE Zhengyou, MU Xiuqing. Health Monitoring and Evaluation of Traction Power Supply System for High-speed Railway Based on Multi-layer Immune Model[J]. Power System Technology, 2012, 36(9): 95-101.

[26] 何正友，胡海濤，方雷，等. 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)諧波及其傳輸特性研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(16)：55-62.

HE Zhengyou, HU Haitao, FANG Lei,et al. Research on the Harmonic in High-speed Railway Traction Power Supply System and Its Transmission Characteristic[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(16): 55-62.

[27] 胡海濤，何正友，王江峰，等. 基于車網(wǎng)耦合的高速鐵路牽引網(wǎng)潮流計(jì)算[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(19)：101-108.

HU Haitao, HE Zhengyou, WANG Jiangfeng,et al. Power Flow Calculation of High-speed Railway Traction Network Based on Train-network Coupling Systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(19): 101-108.

[28] 楊媛，吳俊勇，吳燕, 等. 基于可信性理論的電氣化鐵路接觸網(wǎng)可靠性的模糊評(píng)估[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2008，30(6)：115-119.

YANG Yuan, WU Junyong, WU Yan, et al. Fuzzy Reliability Evaluation of Electrified Railway Catenary System Based on Credibility Theory[J]. Journal of the China Railway Society, 2008, 30(6): 115-119.

[29] 謝將劍，吳俊勇，吳燕. 基于遺傳算法的牽引供電系統(tǒng)可靠性建模[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2009，31(4)：47-51.

XIE Jiangjian, WU Junyong, WU Yan. Modeling of Reliability of Traction Power Supply System Based on Genetic Algorithm[J]. Journal of the China Railway Society, 2009, 31(4): 47-51.

[30] TSAI Y T, WANG K S, TSAI L C. A Study of Availability-centered Preventive Maintenance for Multi-component Systems[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2004, 84(3): 261-270.

[31] 吳俊勇. 高速鐵路供電系統(tǒng)RAMS評(píng)估理論及其應(yīng)用[M]. 北京：北京交通大學(xué)出版社，2013.

[32] 王小峰. 基于RCM的鐵路牽引供電設(shè)備維修模式的研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2008.

[33] BERTLING L, ALLAN R, ERIKSSON R. A Reliability-centered Asset Maintenance Method for Assessing the Impact of Maintenance in Power Distribution Systems[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2005, 20(1): 75-82.

[34] International Electrotechnical Commission. IEC 62278-2002 Railway Applications-specification of Railway Reliability, Availability, Maintenance and Safety (RAMS)[S].Geneva: International Electrotechnical Commission (IEC), 2002.

[35] 陳紹寬. 鐵路牽引供電系統(tǒng)維修計(jì)劃優(yōu)化模型與算法[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2007.

[36] International Electrotechnical Commission. IEC 60300-3-3 2004 Dependability Management-Part3-3:Application Guide-Life Cycle Costing[S]. Geneva:International Electrotechnical Commission (IEC), 2004.