基于云模型的磁浮道岔使用壽命狀態(tài)評(píng)估*

胡昌桂 楊安玉 虞 翊 楚彭子,3 董丹陽(yáng),4 林 輝

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢； 2.同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心， 201804， 上海；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海； 4.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 201804，上?！蔚谝蛔髡?， 正高級(jí)工程師)

磁浮線路是保證磁浮列車(chē)能夠離開(kāi)地面一定高度、快速運(yùn)行的支撐與導(dǎo)向系統(tǒng)[1]。與輪軌交通類(lèi)似，磁浮線路分叉處需要設(shè)置道岔。作為磁浮交通的轉(zhuǎn)線設(shè)備，道岔設(shè)備的維保關(guān)系著列車(chē)運(yùn)行與運(yùn)營(yíng)的可靠性與安全性。隨著使用時(shí)間與使用頻次的累積，道岔設(shè)備的老化程度會(huì)日益明顯，表現(xiàn)為故障次數(shù)增多、穩(wěn)定性變差。對(duì)道岔設(shè)備健康狀態(tài)以及使用壽命狀態(tài)的分析與維護(hù)有助于保持良好的工作狀態(tài)。

使用壽命是指設(shè)備從投入使用開(kāi)始至設(shè)備退出使用為止的時(shí)間[2-4]，其狀態(tài)通常分為“優(yōu)”“良”“中”和“差”。健康狀態(tài)是指設(shè)備的可用情況，通常分為“故障”“亞健康”與“健康”[5]。兩者之間存在差異，體現(xiàn)在健康狀態(tài)著眼于分析對(duì)象的故障情況，使用壽命狀態(tài)則更傾向于研究對(duì)象的全壽命周期管理[4-5]。在以往使用壽命狀態(tài)的相關(guān)研究中，文獻(xiàn)[2-4]討論了信號(hào)系統(tǒng)的安全評(píng)估方法，提出了信號(hào)設(shè)備使用壽命的概念，研究了影響使用壽命狀態(tài)——物理壽命、經(jīng)濟(jì)壽命和技術(shù)壽命三方面的因素，并討論了信號(hào)設(shè)備使用壽命計(jì)算案例，闡述了信號(hào)設(shè)備使用壽命評(píng)估系統(tǒng)的概念。文獻(xiàn)[6]同樣分析了軌道交通信號(hào)設(shè)備壽命評(píng)價(jià)模型。

磁浮交通在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用還較少，以往磁浮道岔設(shè)備的使用、養(yǎng)護(hù)以及報(bào)廢過(guò)程相關(guān)研究中的模型與方法均以輪軌交通為例，尚缺乏科學(xué)依據(jù)。考慮到使用壽命狀態(tài)的內(nèi)涵在不同制式中應(yīng)具有統(tǒng)一性，本研究以磁浮交通道岔設(shè)備為研究對(duì)象，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，使用壽命狀態(tài)屬于一種定性概念，如何定量描述還有待研究。本研究引入了一種定性定量信息轉(zhuǎn)換的不確定性模型——云模型[7-8]作為狀態(tài)評(píng)估工具，來(lái)實(shí)現(xiàn)磁浮道岔使用壽命狀態(tài)的評(píng)估。

1 評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 磁浮道岔特性

不同于輪軌交通利用車(chē)輪與軌道的摩擦力產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力，磁浮交通利用車(chē)輛與軌旁之間的磁力作用實(shí)現(xiàn)列車(chē)的懸浮、導(dǎo)向與驅(qū)動(dòng)，且車(chē)輛驅(qū)動(dòng)設(shè)備置于地面，線路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。磁浮交通的道岔屬于磁浮交通的轉(zhuǎn)線設(shè)備，是一根連續(xù)可彈性彎曲的鋼梁[1]。磁浮道岔結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)不同于輪軌交通，其跨度更大(可達(dá)幾十米)，造價(jià)更高。磁浮道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)由液壓或電動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)整個(gè)鋼梁協(xié)調(diào)移動(dòng)，且移動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，能耗相對(duì)更大。如上海磁浮示范線道岔移動(dòng)一次的時(shí)間約為28 s[1]。輪軌交通道岔造價(jià)則相對(duì)更低，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。在轉(zhuǎn)轍時(shí)，僅需尖軌和心軌的移動(dòng)，基本軌保持不動(dòng)，且轉(zhuǎn)轍時(shí)間較短。

磁浮道岔設(shè)備需要承受各種車(chē)輛運(yùn)行荷載的反復(fù)作用，其設(shè)計(jì)必須符合故障-安全原則，以保證車(chē)輛平穩(wěn)與安全的通行。道岔由信號(hào)系統(tǒng)控制，考慮到控制電路故障的可能性，應(yīng)具備手動(dòng)驅(qū)動(dòng)的能力。由于其在線路中的重要性，需要在設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)時(shí)考慮基礎(chǔ)的堅(jiān)實(shí)性、接口的穩(wěn)定性，以及材料與涂料的防塵、防水、防紫外線危害和抗腐蝕的能力。

1.2 影響因素分析

磁浮道岔是磁浮線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也是必要的節(jié)點(diǎn)。其在車(chē)輛的運(yùn)行與線路的運(yùn)營(yíng)中扮演著十分重要的角色。在以往輪軌交通道岔的使用壽命狀態(tài)分析中，李章楊等[2]從經(jīng)濟(jì)壽命、物理壽命和技術(shù)壽命三個(gè)角度建立了評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，涉及年消耗成本、維護(hù)成本、運(yùn)行成本、技術(shù)更新、系統(tǒng)接口、運(yùn)行工況、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)與維護(hù)管理等多種因素。使用壽命影響因素在不同對(duì)象間具有一定的通用性。例如，金捷等[6]同樣從經(jīng)濟(jì)壽命、物理壽命和技術(shù)壽命三個(gè)角度建立了信號(hào)系統(tǒng)軌道電路設(shè)備的使用壽命評(píng)價(jià)模型，并精簡(jiǎn)了相應(yīng)的影響因素，突出了關(guān)鍵因素?；诖?，本文同樣從經(jīng)濟(jì)壽命、物理壽命和技術(shù)壽命出發(fā)，建立了如圖1所示的指標(biāo)體系，涉及經(jīng)濟(jì)狀態(tài)、使用狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)4個(gè)維度指標(biāo)。其中，使用狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)可以理解為物理壽命狀態(tài)。這些維度指標(biāo)包括平均轉(zhuǎn)轍能耗、平均維護(hù)費(fèi)用、已使用年限、每月轉(zhuǎn)轍次數(shù)、每月過(guò)車(chē)次數(shù)、平均無(wú)故障時(shí)間、平均故障恢復(fù)時(shí)間、系統(tǒng)制式相對(duì)情況和系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)情況9個(gè)子維度指標(biāo)。這些指標(biāo)中涉及定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。對(duì)于定性指標(biāo)，可綜合專(zhuān)家與技術(shù)人員意見(jiàn)予以計(jì)分。對(duì)于定量指標(biāo)，可在充足樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，劃定不同狀態(tài)的數(shù)值區(qū)間，進(jìn)而可計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的狀態(tài)。實(shí)際中，如果難以確認(rèn)相應(yīng)的狀態(tài)區(qū)間，也可將其定性化描述，以反映其狀態(tài)水平。

圖1 磁浮道岔使用壽命評(píng)估指標(biāo)體系

評(píng)估使用壽命狀態(tài)時(shí)，對(duì)于指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)在平衡各因素的基礎(chǔ)上突出關(guān)鍵因素[6]。對(duì)此，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)賦權(quán)，如采用層次分析法或主觀賦權(quán)，也可采用定量賦權(quán)方式，如主成分分析法或熵權(quán)法等。本文結(jié)合文獻(xiàn)[2,6]以及層次分析法得到的維度指標(biāo)權(quán)重向量為(0.170,0.404,0.321,0.106)，子維度指標(biāo)權(quán)重向量分別為(0.333,0.667)、(0.500,0.250,0.250)、(0.667,0.333)和(0.429,0.571)，所得層次總排序權(quán)重為(0.057,0.114,0.202,0.101,0.101,0.214,0.107,0.045,0.060)。

2 評(píng)估的云模型

2.1 云理論概述

云模型于1995年由李德毅院士提出，是一種經(jīng)典的定性定量轉(zhuǎn)化的、面向語(yǔ)言概念上的隨機(jī)性與模糊性的不確定性轉(zhuǎn)換模型。具體地，云由期望值Ex、熵En和超熵He這三個(gè)數(shù)字特征統(tǒng)計(jì)量構(gòu)成?；谡龖B(tài)分布和模糊數(shù)學(xué)的正態(tài)云發(fā)生器是常用的云模型實(shí)現(xiàn)算法[7-10]。正態(tài)云發(fā)生器包括正向云發(fā)生器和逆向發(fā)生器，用于實(shí)現(xiàn)定性概念與定量概念之間的相互轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

圖2 正態(tài)云發(fā)生器

此外，云的四則運(yùn)算與常規(guī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算有所不同。若要根據(jù)子維度指標(biāo)的數(shù)字特征來(lái)求取維度指標(biāo)的數(shù)字特征，需要涉及綜合云的計(jì)算。綜合云的獲取涉及不同因素的云數(shù)字特征及其權(quán)重的組合。假設(shè)某維度指標(biāo)由3個(gè)子維度指標(biāo)構(gòu)成，則可按照如下公式計(jì)算其數(shù)字特征：

(1)

2.2 基于云理論的評(píng)估模型

參考文獻(xiàn)[2,6]，將各個(gè)影響因素的相應(yīng)狀態(tài)映射為“優(yōu)”“良”“中”和“差”。由于云模型需要已知定性概念論域的范圍，因此，需要設(shè)置狀態(tài)的定量區(qū)間。區(qū)間劃分的方法較多，本文統(tǒng)一將指標(biāo)評(píng)語(yǔ)的模糊區(qū)間設(shè)置為“優(yōu)”[0,1]，“良”[1,2]，“中”[2,3]，“差”[3,4]。其中，“優(yōu)”代表設(shè)備或影響因素處于很好的狀態(tài)，僅需日常巡檢來(lái)開(kāi)展維護(hù)；“良”代表設(shè)備或影響因素處于較好的狀態(tài)，有一定的隱藏風(fēng)險(xiǎn)，需要結(jié)合“預(yù)防修”來(lái)開(kāi)展維護(hù)；“中”表示設(shè)備或影響因素處于差強(qiáng)人意的狀態(tài)，維護(hù)壓力較大；“差”則表示設(shè)備或影響因素處于難以接受的狀態(tài)，需要進(jìn)行相應(yīng)的更新?；诖?，可根據(jù)這些區(qū)間與如下公式求得基準(zhǔn)云的數(shù)字特征(見(jiàn)表1)：

(2)

式中：

Cmax與Cmin——相應(yīng)指標(biāo)評(píng)語(yǔ)的雙邊約束，即定量區(qū)間的邊界；

λ——代表指標(biāo)變量的模糊程度的某一小于1的常數(shù)，λ越大，云滴的離散程度越大，鑒于狀態(tài)本身具有的模糊性，本文暫取值0.1。

表1 基準(zhǔn)云的數(shù)字特征

基于基準(zhǔn)云的數(shù)字特征，結(jié)合正向云發(fā)生器(水滴數(shù)量n取1 000)，分別得到了不同水平的使用壽命狀態(tài)基準(zhǔn)云圖。由圖3可知，各狀態(tài)等級(jí)的分布具有一定模糊性質(zhì)，即云模型在隨機(jī)和離散的層面上量化了定性概念。

圖3 道岔使用壽命狀態(tài)基準(zhǔn)云圖

依據(jù)所獲得的基準(zhǔn)云數(shù)字特征，結(jié)合實(shí)際子維度指標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可采用逆向云發(fā)生器得到其數(shù)字特征(即對(duì)照云)，進(jìn)而可計(jì)算不同子維度指標(biāo)與不同基準(zhǔn)云的相似度向量。進(jìn)一步，可結(jié)合式(1)來(lái)計(jì)算維度指標(biāo)或整體情況的云數(shù)字特征，以及相應(yīng)的相似度向量。

3 算例分析

以采用了10分制打分法的某磁浮道岔影響因素評(píng)估數(shù)據(jù)為例，來(lái)分析上述方法的可行性。首先，采用4(xi/10)的方式將所有數(shù)據(jù)歸一化至數(shù)域空間[1,4]，進(jìn)而結(jié)合權(quán)重向量來(lái)開(kāi)展評(píng)估計(jì)算。對(duì)于一個(gè)影響因素而言，分?jǐn)?shù)越高，即代表著該因素對(duì)于磁浮道岔使用壽命的負(fù)面影響越大。借助逆向云發(fā)生器、評(píng)估數(shù)據(jù)及其均值和方差產(chǎn)生了不同因素的云數(shù)字特征，如表2所示。

同時(shí)，根據(jù)式(2)得到各維度以及整體的云數(shù)字特征，即經(jīng)濟(jì)狀態(tài)為(0.729 2,0.246 2,0.214 6)，使用狀態(tài)為(0.917 9,0.374 0,0.254 7)，運(yùn)行狀態(tài)為(0.901 6,0.343 7,0.252 6)，技術(shù)狀態(tài)為(0.549 1,0.166 4,0.161 8)，整體為(0.867 4,0.320 9,0.243 6)，相應(yīng)的云圖如圖4和圖5所示。

表2 磁浮道岔影響因素統(tǒng)計(jì)量及云數(shù)字特征

進(jìn)一步地，根據(jù)2.1節(jié)中的相似度計(jì)算方法，分別計(jì)算了不同影響因素(子維度)、維度以及整體狀態(tài)的云數(shù)字特征與不同狀態(tài)基準(zhǔn)云的相似度，如表3所示。根據(jù)表3可知，研究對(duì)象使用壽命狀態(tài)影響因素中，僅平均故障恢復(fù)時(shí)間處于良的狀態(tài)，其他影響因素均處于理想的狀態(tài)。同時(shí)，維度狀態(tài)與整體狀態(tài)均為優(yōu)。

基于上述結(jié)果可知，算例對(duì)象整體處于理想的使用壽命狀態(tài)，可進(jìn)一步加強(qiáng)日常巡檢維護(hù)，來(lái)保持該狀態(tài)。同時(shí)，平均故障恢復(fù)時(shí)間的理想程度存在提升空間，可加大維護(hù)人才與備品備件的投入，推行在線診斷與健康狀態(tài)預(yù)測(cè)，提高故障維護(hù)的效率，進(jìn)一步改善該道岔的運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 整體狀態(tài)云圖

表3 相似度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

磁浮道岔是磁浮線路中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，應(yīng)具有良好的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性。在該過(guò)程中，分析道岔系統(tǒng)或其子系統(tǒng)所處的全壽命周期狀態(tài)，可以提出相應(yīng)的維護(hù)策略，也能為其小修、中修以及大修提供參考信息。通過(guò)指標(biāo)體系與評(píng)估模型的建立，以及算例的分析，體現(xiàn)了云模型在定性語(yǔ)言描述和定量數(shù)值間不確定轉(zhuǎn)換的優(yōu)越性。