動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

候紅學(xué) 宋彥君 李英

摘 要： 動(dòng)車組車頂避雷器是抑制動(dòng)車組車頂過電壓的重要設(shè)備。為了掌握動(dòng)車組頂避雷器的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一套基于動(dòng)車組運(yùn)行數(shù)據(jù)和理想解算法的狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。利用Delphi開發(fā)界面和數(shù)據(jù)庫，調(diào)用Matlab理想解評(píng)估算法程序進(jìn)行計(jì)算，最后將評(píng)估結(jié)果記錄于數(shù)據(jù)庫，并給出時(shí)間狀態(tài)曲線趨勢(shì)。該系統(tǒng)呈現(xiàn)了動(dòng)車組頂避雷器的綜合狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，為狀態(tài)維修的實(shí)施提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 避雷器； 狀態(tài)評(píng)估； 軟件設(shè)計(jì)； 理想解

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）06-57-04

Design and realization of condition assessment system for EMU's lightning arrester

Hou Hongxue， Song Yanjun， Li Ying

（Technology Research Center， CRRC TANGSHAN Co.， LTD， Tangshan， Hebei 063035， China）

Abstract： The EMU lightning arrester is an important device for suppressing the roof overvoltage. In order to ensure the operation safety of the EMU and grasp the running state of the lightning arrester in time， a condition assessment software based on the operation data and ideal solution algorithm of the EMU'S is designed. The software uses Delphi to develop the interface and database， calls the Matlab program to calculate the ideal solution assessment data. The evaluation result is recorded in the database， and the trend of time state curve is given. The software depicts the operating state of the lightning arrester of the EMU'S， and provides a reference for the maintenance plan.

Key words： lightning arrester； condition assessment； software design； ideal solution

0 引言

我國(guó)高速鐵路近年來發(fā)展迅速，動(dòng)車組可靠性的要求也越來越高。動(dòng)車組在通過電分相等情況下會(huì)產(chǎn)生有害的過電壓。動(dòng)車組車頂避雷器對(duì)抑制動(dòng)車組車頂過電壓起到了重要作用，其工作狀態(tài)的可靠性尤為重要。

鐵路維修機(jī)制依次經(jīng)歷了事后維修，和預(yù)防修體制，目前正逐步推進(jìn)到狀態(tài)維修體制[1-3]。本文以動(dòng)車組車頂避雷器為試驗(yàn)評(píng)估對(duì)象，研究以預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)為主的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系，以及基于理想解（TOPSIS）的綜合評(píng)估方法，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)評(píng)估軟件。

1 評(píng)估系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)評(píng)估軟件運(yùn)行于檢修車間，根據(jù)不同設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行定時(shí)更新，結(jié)合歷史和出廠數(shù)據(jù)以及相關(guān)規(guī)程進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。系統(tǒng)功能由系統(tǒng)參數(shù)配置，試驗(yàn)測(cè)量控制，狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)等模塊組成，如圖1所示。

[動(dòng)車組車頂避雷器評(píng)估系統(tǒng)][系統(tǒng)參數(shù)配置][試驗(yàn)測(cè)量控制][數(shù)據(jù)綜合分析][輔助功能模塊][試驗(yàn)規(guī)程][設(shè)備信息][儀器測(cè)量][數(shù)據(jù)判斷][狀態(tài)評(píng)估][趨勢(shì)預(yù)測(cè)][接線指示][報(bào)告管理]

2 動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)評(píng)估方法

2.1 理想解評(píng)估原理

首先定義評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集為，評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)集合是，評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的加權(quán)向量集合是，它們滿足。

根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象集合D和指標(biāo)集合U來重新確定一個(gè)矩陣，記為[5]。

最后采用理想解法來解決多屬性目標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)論，通過計(jì)算各數(shù)據(jù)與理想點(diǎn)之間的歐式距離，依據(jù)獲得的貼進(jìn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

2.2 評(píng)估指標(biāo)體系

本文采用了中車唐山公司《動(dòng)車組避雷器采購技術(shù)規(guī)范》中對(duì)例行試驗(yàn)的要求項(xiàng)目，包括：工頻參考電壓、直流泄漏參考電壓U1mA、0.75U1mA泄漏電流、持續(xù)運(yùn)行電壓下的全電流，持續(xù)運(yùn)行電壓下的阻性電流。另外結(jié)合動(dòng)車組運(yùn)行的里程和時(shí)間狀態(tài)共同組成了評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3 動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)等級(jí)確定

本文根據(jù)相關(guān)狀態(tài)檢修標(biāo)準(zhǔn)將動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)等級(jí)評(píng)定結(jié)果分為：初值、注意、異常（或故障）三個(gè)等級(jí)劃分。各單項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)的評(píng)價(jià)取值按照車頂避雷器的初值，注意值，異常值來進(jìn)行等級(jí)劃分。實(shí)際操作中，取車頂避雷器廠家出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為初值，采購技術(shù)規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)值作為異常值，兩者之差的30%作為注意值。公里和時(shí)間等級(jí)以慣用的2萬公里、10萬公里、120萬公里和7天、90天、3年為三個(gè)等級(jí)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。

以某動(dòng)車組車頂避雷器的具體評(píng)估過程為例來說明。該避雷器型號(hào)為：YH10WT-37/105。根據(jù)其出廠報(bào)告數(shù)據(jù)和中車唐山廠動(dòng)車組避雷器采購技術(shù)規(guī)范得到標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分表1。

2.4 TOPSIS評(píng)價(jià)步驟

⑴ 形成無量綱決策矩陣

如果各指標(biāo)量綱不統(tǒng)一，則評(píng)價(jià)過程難以進(jìn)行，所以首先對(duì)待評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行無量綱化處理[6]。對(duì)新組成的增廣矩陣數(shù)據(jù)以特定的三個(gè)狀態(tài)等級(jí)界限值作為理想等級(jí)進(jìn)行處理。定義評(píng)價(jià)問題的多指標(biāo)矩陣是，進(jìn)而設(shè)定無量綱處理后的評(píng)價(jià)矩陣是，采用下式處理越大越優(yōu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：

⑴

其中，代表指標(biāo)對(duì)應(yīng)的界限值。

⑵ 構(gòu)建加權(quán)評(píng)價(jià)矩陣

無量綱待評(píng)矩陣和權(quán)重系數(shù)數(shù)據(jù)相乘得到加權(quán)矩陣：

⑵

⑶ 計(jì)算正負(fù)理想解。

⑷ 計(jì)算帶評(píng)價(jià)的各組數(shù)據(jù)與正負(fù)理想解的貼近距離。待評(píng)數(shù)據(jù)到正理想解的距離為：

⑶

⑸ 計(jì)算各待評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想解間的貼近度

⑷

⑹ 利用式⑷計(jì)算出當(dāng)前避雷器狀態(tài)與相應(yīng)等級(jí)狀態(tài)的貼近度，可以得到待評(píng)價(jià)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量化綜合狀態(tài)。

3 評(píng)估實(shí)例

取某動(dòng)車組車頂避雷器最近一次的例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，7項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)：運(yùn)行公里、運(yùn)行時(shí)間、工頻參考電壓、直流泄漏參考電壓U1mA、0.75U1mA泄漏電流、持續(xù)運(yùn)行電壓下的全電流，持續(xù)運(yùn)行電壓下的阻性電流的數(shù)據(jù)為{21100，202，40.1，61.2，9.2，880.5，129.3}。

從單項(xiàng)數(shù)據(jù)上看所有指標(biāo)都滿足規(guī)程要求，對(duì)其評(píng)估的目的是獲得可以量化的綜合狀態(tài)。采用本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組合成增廣矩陣，然后無量綱化處理，以異常等級(jí)的界限值為參考值，最后1行為本次測(cè)量數(shù)據(jù)，得到規(guī)范化評(píng)價(jià)屬性矩陣G。7列數(shù)據(jù)分別為7項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)：運(yùn)行公里、運(yùn)行時(shí)間、工頻參考電壓、直流泄漏參考電壓U1mA、0.75U1mA泄漏電流、持續(xù)運(yùn)行電壓下的全電流，持續(xù)運(yùn)行電壓下的阻性電流。

G=[0.0167 0.0064 0 0 0.1400 0.8300 0.4000 0.0833 0.0822 0.7 0.7 0.7420 0.9490 0.8200 1 1 1 1 1 1 1 0.1758 0.1845 0.4655 0.1130 0.7600 0.9800 0.8867 ]

利用熵權(quán)計(jì)算法根據(jù)理想解增廣矩陣計(jì)算得出權(quán)重ω=（0.0972，0.0974，0.1340，0.1306，0.1592， 0.2026，0.1789）。將矩陣G與權(quán)重系數(shù)相乘，得到最后的的評(píng)價(jià)矩陣。最后利用理想解算法對(duì)矩陣G結(jié)合權(quán)重進(jìn)行正負(fù)理想解計(jì)算，得到各組數(shù)據(jù)的狀態(tài)貼近距離為：

最后得到各組數(shù)據(jù)的狀態(tài)貼進(jìn)距離：1級(jí)（正常）：0.0000；2級(jí)（注意）：0.6032；3級(jí)（故障）：1.0000。本次試驗(yàn)的狀態(tài)貼進(jìn)距離為：0.5863。即當(dāng)前車頂避雷器狀態(tài)評(píng)估值為0.5863，屬于可以正常運(yùn)行狀態(tài)，可以只安排常規(guī)試驗(yàn)維修項(xiàng)目。

4 評(píng)估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 評(píng)估流程設(shè)計(jì)

進(jìn)行動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)評(píng)估可以幫助檢修決策者根據(jù)車頂避雷器狀態(tài)制定相應(yīng)的狀態(tài)檢修方案。動(dòng)車組車頂避雷器狀態(tài)評(píng)估流程見圖2。

[開 始] [參數(shù)設(shè)置][試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集][狀態(tài)評(píng)估模型][狀態(tài)趨勢(shì)曲線][報(bào)告打印][結(jié) 束][故障報(bào)警][Matlab子程序] [產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫] [規(guī)程數(shù)據(jù)庫] 4.2 軟件界面設(shè)計(jì)

Delphi IDE開發(fā)工具系統(tǒng)內(nèi)置的Visual Component Library（可視組件庫VCL）非常適合進(jìn)行windows風(fēng)格界面編程。

本評(píng)估系統(tǒng)的具體開發(fā)上，利用了開發(fā)工具自身帶的VCLSkin組件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，VCLSkin是系統(tǒng)已經(jīng)封裝好的組件包。本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)時(shí)，引入了第三方開發(fā)軟件皮膚風(fēng)格組件SkinData，在設(shè)計(jì)FORM窗體時(shí)，需要拖拉SkinData進(jìn)入窗體中，然后對(duì)設(shè)置好相關(guān)屬性。選擇設(shè)定界面風(fēng)格以后，在具體運(yùn)行時(shí)，所有的窗體和子窗體將呈現(xiàn)預(yù)設(shè)定的風(fēng)格界面。不同風(fēng)格的皮膚參數(shù)都存在相應(yīng)的參數(shù)文件里，SkinData可以隨時(shí)調(diào)用，運(yùn)行時(shí)調(diào)用界面風(fēng)格文件參數(shù)的代碼如下：

procedure TFormmain.FormCreate（Sender： TObject）；

var dbpath，a：string； bd：integer；

begin

skindata1.SkinFile：=ExtractFilePath（Application

.ExeName）+'＼rec＼skin05.skn'；

skindata1.Active：=true；

end；

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄保存在ACCESS數(shù)據(jù)庫中，采用圖表控件進(jìn)行圖形繪制，采用OLE控件產(chǎn)生word試驗(yàn)報(bào)告。

4.3 評(píng)估算法實(shí)現(xiàn)

理想解評(píng)估算法具體的實(shí)現(xiàn)思路是，首先計(jì)算待評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)組與評(píng)估目標(biāo)等級(jí)正負(fù)理想解間的加權(quán)歐式距離，然后計(jì)算待評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集與正理想解的貼近程度數(shù)據(jù)，最后以貼進(jìn)度數(shù)值作為評(píng)價(jià)結(jié)果。本文采用MATLAB來編程實(shí)現(xiàn)理想解的評(píng)估算法。計(jì)算方法參考2.4內(nèi)容。

MATLAB 中計(jì)算貼近度部分代碼如下：

SdP=zeros（1，m）；

for i=1：m

s=0；

for j =1：n

s=s+（SP（j）-R（i， j））^2 ；

end

SdP（i）=sqrt（s）；

end

mytj=zeros（1，m）；

for i=1：m

mytj（i）=SdM（i）/（SdP（i）+SdM（i））；

end

5 結(jié)束語

針對(duì)動(dòng)車組車頂避雷器檢修中試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)情況下，對(duì)其狀態(tài)評(píng)估難的問題，開發(fā)了一套基于理想解評(píng)估方法的動(dòng)車組車頂避雷器評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)直觀描繪了動(dòng)車組車頂避雷器的運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)，為維修計(jì)劃提供了參考。下一步將考慮融入更多的運(yùn)行信息，使其評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確，進(jìn)一步促進(jìn)動(dòng)車組狀態(tài)檢修技術(shù)的發(fā)展。

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