动车组主断路器状态评估系统设计与实现*

候红学, 陈金强, 李 英, 宋彦君

(1 中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心， 河北唐山 063035；2 西南交通大学电气学院， 成都 611756)

我国高速铁路近年来发展迅速，动车组可靠性的要求也越来越高。动车组车顶主断路器负责开关动车组运行时的牵引电流，当故障发生时快速切断短路电流，其工作状态对动车组安全运行来说至关重要。

铁路维修机制依次经历了事后维修，和预防修体制，目前正逐步推进到状态维修体制[1]。进行动车主断路器状态维修工作基础是先实现主断路器的状态评估[2-3]。

文中以动车组车顶主断路器为试验评估对象，研究以预防性试验数据为主的状态评估指标体系，以及基于理想解(TOPSIS)的综合评估方法，在此基础之上设计并实现了一个动车组主断路器状态评估系统。

1 评估系统总体设计

动车组主断路器状态评估系统是一种动态状态评估系统，运行于检修车间。系统根据不同设备试验数据信息进行定时更新，结合历史和出厂数据以及相关规程进行状态评估。系统功能由系统参数配置，试验测量控制，状态数据分析，故障趋势预测等模块组成，如图1所示。

图1 评估系统结构

2 动车组主断路器状态评估方法

2.1 理想解评价原理

根据评价对象集合D和指标集合U来重新确定一个矩阵，记为A=(aij)m×n[5]。

最后采用理想解法来解决多属性目标的评价结论，通过计算各数据与理想点之间的欧式距离，依据获得的贴进度进行评价[4]。

2.2 评估指标体系

采用了中车唐山公司《动车组主断路器采购技术规范》中对例行试验的要求项目，包括：电阻测量、机械操作、气密性、介电强度。另外结合具体动车组的真实运行里程和运行时间共同组成评价指标。评价体系中各个评价指标代表的状态和可靠度各有差别，文中采用了熵权方法进行权重确定。

2.3 动车组主断路器状态评价等级确定

根据相关状态检修标准将动车组主断路器状态等级评定结果分为：等级1为初值、等级2定义为注意、等级3定义为异常(或故障)。各单项试验参数的评价取值按照主断路器的初值，注意值，异常值来进行等级划分。实际操作中取主断路器出厂试验数据作为初值，采购技术规范要求的标准值作为异常值，两者之差的30%作为注意值。公里和时间等级以惯用的2万km、10万km、120万km和7天、90天、3年为3个等级作为划分标准。

表1 主断路器状态等级界限

以某动车组主断路器的具体评估过程为例来说明。该动车组主断路器型号为：BLZYZ-D-30/1250真空断路器。根据其出厂报告数据，基于等级划分方法得到标准等级划分表1。

2.4 TOPSIS评价步骤

(1)形成无量纲决策矩阵

如果各指标量纲不统一，则评价过程难以进行，所以首先对待评价矩阵进行无量纲化处理[6]。对新组成的增广矩阵数据以特定的3个状态等级界限值作为理想等级进行处理。定义评价问题的多指标矩阵是A=(aij)m×n，进而设定无量纲处理后的评价矩阵是B=(bij)m×n，采用下式处理越大越优的评价指标：

(1)

(2)构建加权评价矩阵C=(cij)m×n

无量纲待评矩阵和权重系数数据相乘得到加权矩阵

cij=wj·bij，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

(2)

(3)计算正负理想解；

(3)

(4)

(6)利用式(4)计算出当前主断路器状态与相应等级状态的贴近度。根据各试验数据与理想解数据之间计算得到的贴近距离的排列情况，可以得到待评价试验数据的量化综合状态。

3 系统实现方案

3.1 评估流程设计

进行动车组主断路器状态评估可以掌握主断路器当前综合状况以便及时采取措施消除隐患，帮助检修决策者根据主断路器状态制定相应的状态检修方案。动车组主断路器状态评估流程见图2。

图2 评估流程图

3.2 评估算法实现

理想解评估算法具体的实现思路是，首先计算待评价数据组与评估目标等级正负理想解间的加权欧式距离，然后计算待评价数据集与正理想解的贴近程度数据，最后以贴进度数值作为评价结果。

文中采用MATLAB来编程实现理想解的评估算法。具体流程如图3。

图3 评估计算流程图

人机交互界面利用Delphi开发，适时地调用Matlab程序，可以减少算法编程时间，提高开发效率[7]。本系统将两者结合运用，利用Delphi开发的界面和数据库，需要计算时调用Matlab的M文件程序，这样实现了两个开发系统的优势互补。

要实现Delphi与Matlab软件自己的数据交互需要利用COM接口技术。Windows一种程序间交互数据的通信协议COM组件技术。本系统利用Matlab环境中的Com Builder工具进行COM组件开发，实现了两个软件之间的数据交互。

3.3 评估实例

以某动车组主断路器的具体评估过程为例来说明。该动车组主断路器型号为：BLZYZ-D-30/1250真空断路器。根据其出厂报告数据和最近一次的例行试验数据得到待评估数据表2。权重根据数据的熵权大小进行计算得到。

表2 主断路器状态评估数据

从单项试验数据来看所有指标都满足技术规程要求，只有获得可以量化的综合状态才对健康评价是有意义的。在选取的7个指标中只有绝缘电阻越大越好，为方便计算，对绝缘电阻值做了预处理，利用当前值与初值的差来代替当前值，这样整个评价矩阵就都是数据越小状态越好的属性，方便后续计算处理。

对表2的标准数据和试验数据进行无量纲化处理，采用等级状态值作为阈值，前3行数据是3种标准状态，最后1行数据为本次试验测量得到的数据，得到规范化评价矩阵G:

7列数据分别为7项试验指标：运行里程、运行时间、绝缘电阻、回路电阻、真空度、分闸时间、 及合闸时间。

根据熵权计算方法可以计算得的权重数值，然后将矩阵 的每列与相应的权重数值相乘,得到最终的TOPSIS评价矩阵R：

最后利用TOPSIS算法进行正负理想解计算，得到各组数据的状态贴近距离为：

标准等级状态贴进度如下：1级(初值)：0.000 0；2级(注意)：0.592 3；3级(故障)：1.000 0。本次试验的状态贴进距离为：0.518 9。可以看出该主断路器综合状态目前正常，与实际情况相符，只是由出厂时的初始状态t1(0.000)已经发展接近t2(0.592 3)的注意状态。虽然该断路器运行记录良好，尚未出现异常，但是根据评估数据，由于已经接近注意状态，需要安排更全面的维修计划，并继续跟踪观察其状态贴近度的发展趋势。

通过实例分析，说明本评估软件可以利用出厂原始数据和相关规程个性化地定制设备指标权重，并定量地计算出动车组主断路器状态等级的贴近度，直观地掌握动车组主断路器设备状态的发展情况。

4 结 论

针对动车组主断路器检修中试验数据满足标准情况下，对其状态评估难的问题，开发了一套基于理想解评估方法的动车组主断路器评估系统。该系统直观描绘了动车组主断路器的运行状态趋势，为维修计划提供了参考。下一步将考虑融入更多的运行信息，使其评估结果更加准确，进一步促进动车组状态检修技术的发展。