高铁接触网定位、支持装置的T-S模糊故障树分析

王洪德 ，于子杰

(1.大连交通大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116028；2.辽宁省隧道工程与灾害防控专业技术创新中心，辽宁 大连 116028)

高铁接触网是沿高铁线路上空架设的，能够通过机车顶部受流装置(受电弓)向机车供电的特殊输电线路，是衔接牵引变电所与电力机车的核心电力输送纽带；高铁接触网装置系统则是构成高铁接触网，并保障接触网整体供馈电稳畅的设施、装置集合.当接触网装置系统发生故障时，将会导致接触网与受电弓结合部位的动静态参数异常并产生行车安全隐患.因此，为保障高铁运输网络系统的整体安全性和铁路运输计划的平稳推进，对接触网装置系统的可靠性分析显得尤为必要.

针对接触网装置系统这种相关性和环境适应性要求高的结构化系统，采用故障树分析(FTA)，以逻辑框图来描述系统各部件间的相互作用关系，基于定性和定量分析，预先发现系统的故障症状，是实用且有效的可靠性分析手段.传统的FTA应用需满足如下条件：①系统整体历史故障数据必须精确统计，以期得到各级事件的准确故障概率；②顶上事件的诱发故障机理及系统内各级事件间的逻辑关系必须明确，方便构造各事件间的具体逻辑门；③构成基本事件的故障程度须可描述.这些限制条件使得传统的FTA应用于复杂系统时存在着客观局限.

Lavasani等[1]、Senol等[2]针对石化流程工业，应用模糊故障树(FFT)，给出了化学品生产装置故障和运输货物污染发生概率，避免了因元件概率值不足导致的FTA分析局限；Bi等[3]针对存在结构复杂、映射多、不确定性大等局限的泵站系统，运用T-S模糊故障树(T-S Fuzzy Fault Tree，T-S FFT)取代了传统FTA需明确系统故障机理、事件间逻辑关系和只能描述二态系统的不足；李兴运等[4]运用T-S FFT结合受电弓故障实例，通过元件故障概率和关键重要程度分析，找出影响系统整体可靠性的薄弱环节；王浩鸣等[5-13]运用T-S FFT对各种复杂生产加工装置系统进行可靠性分析,以期提高故障树处理模糊信息的能力.

T-S FFT模型分析，基于IF-THEN模糊规则生成T-S模糊门，用T-S模糊模型描述事件间的联系，解决了复杂系统中事件间联系的不确定性问题；利用模糊数描述事件故障程度与模糊可能性，解决了须要明确描述事件程度与精确统计故障数据的局限.本文拟运用T-S FFT对接触网装置系统中的定位、支持装置进行可靠性分析，建立关于定位、支持装置的T-S FFT模型，计算装置内各元件的T-S关键重要程度，并结合实际工况验证T-S FFT的有效性.

1 定位、支持装置T-S FFT构建

1.1 接触网定位、支持装置界定

依据《高速铁路接触网运行维修规则》[14]，接触网装置系统涵盖了以接触网悬挂、定位装置、支持装置和支柱基础为主体的轨道线内工作部分及轨道线外电气辅助设施.

定位装置主要由定位器、定位管、定位支撑等元件组成，用于稳固接触线的空间定位，并保障受电弓紧贴接触线滑行时的受电状态稳定；支持装置主要由平腕臂、斜腕臂、腕臂支撑等元件组成，用于承担接触网悬挂重量与平衡弓网摩擦产生的动态挤压力.接触网内主体工作装置和定位、支持装置结构，见图1和图2.

图1 接触网内主体工作装置示意图

图2 定位、支持装置结构图(正定位)

1.2 定位、支持装置故障关联分析

本文依托获取的西安局管内西成高铁2021年度接触网1C、4C缺陷故障数据，通过数据统计分析得出该线路中“弓网接触压力异常”为高频缺陷故障事件.其中，压力异常主要是由定位装置与支持装置二者受力状况不稳定所引起.

因此，将“弓网接触压力异常”作为顶上事件T；将定位、支持装置受力状况的“可能故障表现组合Yj”和所包含的“装置元件Xi”定义为过渡分析层；将各元件所包含的“缺陷故障表现yik”和“结构零件xij”定义为底部成因层.构造出定位、支持装置T-S FFT关联模型，见图3.

图3 定位、支持装置T-S FFT关联模型

其中:

(1)Yj的事件含义为：Y1为接触线受力异常；Y2为承力索受力异常；Y3为定位管、定位撑受力异常；Y4为斜腕臂、腕臂支撑受力异常;

(2)yik的事件含义：装置元件i的第k类缺陷故障表现;

(3)xij的事件含义：装置元件i的第k类缺陷故障表现，其所对应的第j种零件.

为满足论证T-S FFT模型用于分析顶上事件T的可适用性.基于T-S FFT关联模型，将零件与元件的故障关联统一，构造出能够反映各事件之间不确定性逻辑关系的定位、支持装置T-S FFT过渡分析模型，见图4.图中：T为弓网接触压力异常；Y1为接触线受力异常；Y2为承力索受力异常；Y3为定位管、定位支撑受力异常；Y4为斜腕臂、腕臂支撑受力异常；X1为定位器故障；X2为定位管故障；X3为斜腕臂故障；X4为水平腕臂故障；X5为定位支撑故障；X6为腕臂支撑故障.

图4 定位、支持装置T-S FFT过渡分析模型

2 定位、支持装置T-S FFT分析方法

2.1 模糊数描述与隶属度函数

(1)事件故障程度的模糊数描述

由于定位、支持装置在工作周期内处于半封闭环境，其故障程度无法准确判断且具有相对不确定性.因此，将T-S FFT模型中事件的故障程度定义在模糊数集合[0,1]上，用于描述任意故障程度以及相对应的不同故障状态.为不失一般性，选用三态模糊数0、0.5、1分别定义元件的无故障、可能故障和故障三种故障程度.

(2)隶属度函数

为方便反映元件的合格公差带，引入梯形分布隶属函数(图5)，并用模糊数描述.其中，μ0作为隶属函数的支撑中心，当支撑半径Sl=Sr=0时，梯形分布隶属函数变为三角函数；当模糊域ml=mr=0时，模糊数μ(x)为定值.

图5 隶属函数

2.2 T-S FFT模型的模糊门规则

(1)故障程度描述

(2)IF-THEN模糊规则下的事件输出

假设，规则l(l=1,2,…,Q).给定，X=(X1，…，Xi，…，Xn)在规则l下的模糊集为Ali(i=1,2,…,n)(μAli：X→[0,1])；Y=(Y1，…，Yj，…，Ym)在规则l下的模糊集为Bl.Ali在规则l下执行的隶属度函数为μAli(xi).则有，T-S FFT在IF-THEN模糊规则下的输出描述，定义为[4]：

(1)

(3)T-S模糊门规则下的事件输出

图6 任意故障程度下的事件输出

Q=Zn

(2)

(4)T-S模糊门规则下的模糊可能性

(3)

(4)

2.3 T-S重要程度分析

(1)T-S概率重要程度

(5)

(2)T-S关键重要程度

由于元件的故障概率不同，单位变动存在差异.引入关键重要程度来反映Xi故障概率的变化率，导致顶上事件T发生.定义为[6,8]：

(6)

(7)

3 定位支持装置的可靠性分析

3.1 利用模糊数评价的模糊门规则l

依据高铁接触网检修专家经验与接触网实际工况，针对T-S FFT模型的三态模糊数0、0.5、1给出如下定义，详见表1、表2.

表1 Xi三态模糊数工况含义

表2 Yj三态模糊数工况含义

当存在故障程度为其他模糊数时，依据隶属函数分布，选取隶属函数参数为支撑半径，sl=sr=0.2；模糊域ml=mr=0.3，结合4C检测数据确定定位支持装置中各元件的故障程度.以T的T-S模糊门规则为例，见表3.

表 3 T-S模糊门1

3.2 模糊可能性

利用该线路年度4C缺陷故障数据计算得到定位支持装置各元件故障率，见表4.

表4 定位支持装置元件Xi故障率

表5 上级事件Yj和顶上事件T的模糊可能性

结果分析可知:①定位、支持装置中，T发生的模糊可能性与装置各元件的模糊可能性为同一量级；②当T处于1时，模糊可能性高于任意元件处于该故障程度的模糊可能性.因此，T-S FFT替代传统FTA方法能显著提高了高速铁接触网定位支持装置的可靠性分析精度.

3.3 T-S模糊故障树重要程度计算

(1)根据式(5)可求出T-S FFT过渡分析模型中，Xi概率重要程度，见表6.

结果分析可知：当Xi处于0.5时，X3和X4对T处于0.5时的临界程度概率影响较高；X1和X3对T处于1时的临界程度概率影响高于其他元件.

表6 不同故障程度下Xi的T-S概率重要程度

表7 不同故障程度下Xi的高T-S关键重要程度

结果分析可知:当Xi处于0.5时，X3和X4对影响T处于1时的可能性较大；当Xi处于1时，X2和X4对影响T处于1时的可能性较大.

(3)根据式(7)可求得Xi的关键重要程度，见表8.

结果分析可知，X2、X3和X4是高T-S模糊关键重要程度元件，对T发生的影响远高于其他元件.

表8 Xi的T-S模糊关键重要程度

综合以上重要程度分析:① 在T-S FFT过渡分析模型中当Xi处于0.5时，X3和X4的T-S重要程度均为高值；② 当T处于1时，X2和X4的T-S关键重要程度数值较高，说明定位管、平腕臂故障对T发生的可能性影响较高.

4 结论

(1)本文结合高铁接触网问题库检测数据与专家经验，对装置整体历史故障数据无法精确统计的情况下，通过模糊数定义各级事件不同故障程度，结合T-S模糊门规则进行可靠性分析，克服了传统故障树模型分析需要详翔实历史数据的需要，解决了实际工况下装置内零部件故障数据统计不详的局限.

(2)利用T-S FFT进行重要程度分析，可对定位支持装置内各部件可靠性的关键程度进行量化，方便高铁接触网运维人员直观掌握装置内的低可靠度薄弱环节，对高铁接触网设备定向监测、定点维修提供数据支持.