鐵路客運(yùn)站設(shè)備故障診斷評價體系及多屬性分析模型研究

沈海燕，楊玲玲，程清波

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著中國高速鐵路及客運(yùn)專線的成網(wǎng)運(yùn)營，高速鐵路客運(yùn)車站（簡稱“客運(yùn)站”）大規(guī)模投入使用，客運(yùn)站自動化程度在不斷提高，車站對設(shè)備的依賴性越來越高，客運(yùn)站的設(shè)備數(shù)量和種類在不斷的增長，旅客對客運(yùn)站設(shè)備的安全性、可靠性、便捷性、舒適性、智能性等要求越來越高。為推進(jìn)高速鐵路智能化建設(shè)，滿足智能車站建設(shè)需求，實(shí)現(xiàn)高速鐵路車站基礎(chǔ)設(shè)施方面的智能化管理，對客運(yùn)站設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)和實(shí)時監(jiān)控提出了更高的要求。

目前，鐵路客運(yùn)站設(shè)備主要包括自動檢票機(jī)、實(shí)名制驗(yàn)證閘機(jī)、自動取票機(jī)、自動售票機(jī)、ATM-鐵路自動售票機(jī)、移動補(bǔ)票機(jī)等客票自助設(shè)備，導(dǎo)向屏、廣播、視頻監(jiān)控、查詢機(jī)等旅客服務(wù)設(shè)備，照明、電梯和自動扶梯、空調(diào)、安全門、廁所設(shè)備、上水設(shè)備等機(jī)電類設(shè)備設(shè)施，以上客運(yùn)設(shè)備具有種類多、分布廣、數(shù)量大、價值高等特點(diǎn)，因此，通過構(gòu)建基于故障預(yù)測診斷的多維度設(shè)備狀態(tài)評價體系，將運(yùn)行和維護(hù)建議反饋到控制系統(tǒng)，為設(shè)備最優(yōu)使用和及時維護(hù)提供自主認(rèn)知、學(xué)習(xí)、重構(gòu)的能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能維修和健康管理，是確?？瓦\(yùn)生產(chǎn)組織運(yùn)營安全、提高客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量、營造車站環(huán)境舒適度以及影響旅客出行體驗(yàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要手段。

科學(xué)、合理、有效的設(shè)備評價體系的構(gòu)建和實(shí)施，對提高設(shè)備綜合效率和最大限度發(fā)揮設(shè)備效能有重要意義。設(shè)備狀態(tài)評價是進(jìn)行設(shè)備故障診斷和實(shí)施設(shè)備狀態(tài)檢修的核心，利用評價體系對鐵路客運(yùn)站設(shè)備的健康管理、資源配置等方面進(jìn)行評價，已經(jīng)成為現(xiàn)代鐵路客運(yùn)站設(shè)備管理的重要技術(shù)方法和手段。評價體系的好壞直接影響設(shè)備狀態(tài)管理最終評價的準(zhǔn)確性。在設(shè)備評價指標(biāo)體系研究方面，張登峰通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各功能結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析及功能劃分，選取6個方面作為狀態(tài)評價指標(biāo)構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備狀態(tài)評價體系，并將AHP-模糊綜合評價方法運(yùn)用在設(shè)備狀態(tài)評價中。劉錫正通過對電動汽車充電設(shè)備進(jìn)行分類，對不同的充電模式進(jìn)行分析，確定了充電設(shè)備綜合評價指標(biāo)，建立了相應(yīng)的綜合評價模型。李金等通過將設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)分類為不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)集，并提取每個數(shù)據(jù)集的主要特征向量作為設(shè)備狀態(tài)的評價分類依據(jù)，將數(shù)據(jù)挖掘方法引入電力設(shè)備狀態(tài)評價中。然而，目前關(guān)于鐵路客運(yùn)站設(shè)備的評價研究卻很少，特別是在基于設(shè)備故障診斷的評價體系研究方面，更是空白。

1 鐵路客運(yùn)設(shè)備評價指標(biāo)體系構(gòu)建

鐵路設(shè)備故障評價指標(biāo)對設(shè)備故障處理優(yōu)先級具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義?？瓦\(yùn)站設(shè)備故障診斷評價指標(biāo)體系的構(gòu)建，應(yīng)從不同的維度綜合考慮設(shè)備狀態(tài)的評價。通過搜集和閱讀大量文獻(xiàn)資料，參考了其他類型的設(shè)備相關(guān)評價的研究，結(jié)合客運(yùn)站設(shè)備種類多的特點(diǎn)，只構(gòu)建單一設(shè)備的評價指標(biāo)體系很難反映其他設(shè)備的評價情況，所以，根據(jù)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)原則，通過歸納整理構(gòu)建了客運(yùn)站所有設(shè)備通用的綜合評價指標(biāo)體系，對客運(yùn)站設(shè)備的評價具有指導(dǎo)意義。

對客運(yùn)站設(shè)備故障診斷評價指標(biāo)體系主要從設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)、設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)、設(shè)備健康指標(biāo)3 個維度進(jìn)行評價。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能夠直接反映出設(shè)備的健康狀況，設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)從設(shè)備的可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性3 個方面12 個指標(biāo)綜合考慮設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)通過監(jiān)控手段從安全保障和節(jié)能環(huán)保2 個方面8 個指標(biāo)進(jìn)行評價，其中，安全保障以事故發(fā)生率為例，包括電梯和自動扶梯等關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障，有可能對人的生命構(gòu)成威脅，以及自動售票機(jī)可能存在的信息安全等，節(jié)能環(huán)保主要是通過對客運(yùn)站空調(diào)能耗、照明能耗、電梯能耗進(jìn)行分析，考慮節(jié)能對策，如通過對空氣的溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)和新風(fēng)機(jī)設(shè)備的調(diào)節(jié)控制，通過對光線強(qiáng)度等進(jìn)行監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對照明的智能控制，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能，提高設(shè)備的利用率，延長設(shè)備使用壽命；設(shè)備健康指標(biāo)代表著設(shè)備的工作狀態(tài)能力，從設(shè)備出廠數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)用數(shù)據(jù)、設(shè)備維修數(shù)據(jù)3 個方面8 個指標(biāo)進(jìn)行評價，通過對設(shè)備出廠基本參考和制造廠商的評價數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行過程中動態(tài)監(jiān)測和檢測記錄以及設(shè)備維修數(shù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷、性能預(yù)測從而對設(shè)備進(jìn)行健康管理。通過上述分析，本文建立了多層次、多維度的客運(yùn)站設(shè)備故障診斷評價體系，見表1。

表1 鐵路客運(yùn)站設(shè)備故障診斷評價指標(biāo)體系

2 鐵路客運(yùn)設(shè)備評價方法及模型的構(gòu)建

2.1 評價方法的選擇

目前，國內(nèi)外關(guān)于綜合評價的方法有幾十種，包括層次分析法、因子分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、模糊綜合評價法等。其中，層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）將定性問題與定量問題分析相結(jié)合的一種多準(zhǔn)則的決策方法。該方法把復(fù)雜的問題按目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層進(jìn)行分解。同一層次的元素作為準(zhǔn)則即受上一層元素支配，又對下一層元素進(jìn)行支配。層次法特別適用于難以完全定量分析的問題?；谀：龜?shù)學(xué)的模糊綜合評價法通過隸屬度理論實(shí)現(xiàn)把定性的問題定量化，對受到多種因素影響的事物（對象）進(jìn)行總體評價，該方法可以有效地消除主觀差異性的影響，又具有可操作性?？瓦\(yùn)站設(shè)備故障診斷評價的各種指標(biāo)中既有定量指標(biāo)又有定性指標(biāo)，僅使用一種評價方法很難做到評價結(jié)果的正確性和可靠性，因此，本文選用層次法和模糊綜合評價法相結(jié)合對客運(yùn)站設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評價，按照先分層、再融合的方式構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)備狀態(tài)評價體系模型。

2.2 多屬性分析模型的構(gòu)建

2.2.1 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

（1）確立指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)。在基于故障診斷模式及分析其對設(shè)備的影響基礎(chǔ)上，從不同角度進(jìn)行分析設(shè)備狀態(tài)的有關(guān)因素，確定客運(yùn)站設(shè)備評價指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層4 個層次組成，具體層次結(jié)構(gòu)劃分見表1。

（2）構(gòu)建判斷矩陣。通過構(gòu)建判斷矩陣，將定性的問題定量化。將層次結(jié)構(gòu)中的各層元素與相對應(yīng)的上一層元素有關(guān)的各個元素進(jìn)行兩兩相對重要性比較，并按重要程度賦予權(quán)重。這里采用1-9 標(biāo)度方法來闡明指標(biāo)的權(quán)重。不同標(biāo)度及含義見表2。

根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)及理論分析，采用1-9 標(biāo)度法對評價的因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)某一層有n 個元素，判斷矩陣 A = ( aij)n×n，其中， aij的值代表因素 iB 和 Bj相比對A 的影響程度。采用和積法對構(gòu)造出的判斷矩陣進(jìn)行求解，得出目標(biāo)層A 下準(zhǔn)則層元素的權(quán)重。通過將構(gòu)造的判斷矩陣分別按行相加計(jì)算，求得列向量，然后，將列向量做歸一化處理，求得各因素相互比較的相對權(quán)重。

（3）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。由于判斷的復(fù)雜性以及主觀認(rèn)識的片面性和不穩(wěn)定性，會造成判斷結(jié)果不一致的情況，如評價結(jié)果偏離很大或判斷結(jié)果存在邏輯上的錯誤，所以，需要進(jìn)一步對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI 計(jì)算公式如下：

其中， λmax是判斷矩陣的最大特征值。

為了消除矩陣階數(shù)對判斷矩陣一致性的影響，需要引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，其取值見表3。

表2 1-9 比例標(biāo)度及含義

表3 判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 取值

判斷矩陣一致性指標(biāo)CR 計(jì)算公式如下：

對于1、2 階判斷矩陣具有完全一致性，當(dāng) n ＞2 時，CR ≤ 0.1時，認(rèn)為判斷矩陣符合一致性條件，否則，需要調(diào)整重新賦值，直到滿意為止。

2.2.2 模糊綜合評價法進(jìn)行評價

采用模糊綜合分析方法可以有效地消除主觀差異性的影響，又具有可操作性。具做的計(jì)算步驟如下：

（2）確定評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。通過層次分析法構(gòu)造判斷矩陣，先經(jīng)過歸一化處理，再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)確定每一層指標(biāo)的權(quán)重。設(shè)第二層指標(biāo)權(quán)重向量為WA，其 中第三層指標(biāo)權(quán)重向 量 為i=1 ,2 ,3, … ,8；k=1 ,2 ,3, …, 28， 其 中

（3）一級模糊綜合評價。根據(jù)單層次評價方法中的隸屬度的確定方法得到評價指標(biāo)隸屬度矩陣為：

其中， i = 1 ,2 k ,3, …, k；m 為評價等級個數(shù)。

同理求出 RB2-C， RB3-C。

（4）二級模糊綜合評價。

二級模糊綜合評判的模糊關(guān)系矩陣 RA-B 為：

按照多級模糊綜合評價方法，向上復(fù)合，最終的評價結(jié)果為：

3 實(shí)例分析

以某客運(yùn)站的機(jī)電設(shè)備自動扶梯為例進(jìn)行實(shí)例分析，設(shè)備故障診斷評價有五級，以“安全告警”指標(biāo)為例，等級評價準(zhǔn)則見表4，安全告警的等級隸屬度函數(shù)圖如圖1 所示。

表4 安全告警等級評價準(zhǔn)則

圖1 安全告警的等級隸屬度函數(shù)圖

對安全告警評價得分進(jìn)行模糊化計(jì)算，例如，如果扶梯的安全告警評分為96 分，則模糊向量為(1,0,0,0,0)，如果評分為86.5 分，按照錄屬函數(shù)進(jìn)行模糊計(jì)算，則屬于 1v 的隸屬度，屬于 v2的隸屬度模糊向量為(0.42,0.58,0,0,0)，其他指標(biāo)評價模糊化處理過程相同。以設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)的安全保障和節(jié)能環(huán)保為例，進(jìn)行模糊綜合評價，見表5。設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)的可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備健康指標(biāo)的出廠數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)的模糊綜合評價計(jì)算相同，不一一列出，某客運(yùn)站扶梯設(shè)備狀態(tài)模糊綜合評價見表6。

表5 安全保障和節(jié)能環(huán)保模糊綜合評價

表6 某客運(yùn)站扶梯設(shè)備故障診斷模糊綜合評價

最后得到目標(biāo)層模糊評價結(jié)果 A=(0.66549,0.30968,0.02483,0,0)根據(jù)最大隸屬度原則，對扶梯的狀態(tài)綜合評價為正常，具有很好的運(yùn)行狀態(tài)，滿足設(shè)備監(jiān)控性能設(shè)備健康良好。

4 結(jié)語

針對鐵路客運(yùn)站設(shè)備的多樣性特點(diǎn)，從設(shè)備運(yùn)行、設(shè)備監(jiān)控以及設(shè)備健康三個維度，按照層次劃分法得到基于設(shè)備故障診斷的鐵路客運(yùn)站設(shè)備的評價指標(biāo)體系。采用層次分析法確定各層權(quán)重，再結(jié)合模糊綜合評價法相結(jié)合的方式建立評價模型，從下而上逐級進(jìn)行評價，得到子目標(biāo)層的評價值，進(jìn)而完成目標(biāo)層的綜合評價。鐵路客運(yùn)站設(shè)備故障診斷評價指標(biāo)體系的建立及在客運(yùn)站的應(yīng)用，為設(shè)備管理人員掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備性能改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)，對設(shè)備的故障診斷、性能判斷以及健康管理有著重要的指導(dǎo)意義，有效提高了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的管理水平。